Phần cứng: Bao gồm các phần tử bức xạ cơ bản, máy thu và bộ chuyển
đổi tín hiệu tƣơng tự sang tín hiệu số (ADC). Với chức năng cụ thể của từng bộ phận nhƣ sau:
Các phần tử bức xạ cơ bản hay còn gọi là các chấn tử anten. Bộ phận
này thực hiện chức năng thu sóng điện từ theo những đặc trƣng thu nhất định phụ thuộc vào thiết kế, vật liệu,…
Máy thu ở đây là một tổ hợp phức tạp của nhiều thiết bị khác nhau nhƣ
là khuếch đại tín hiệu thu đƣợc, lọc tần số, chuyển tín hiệu cao tần về trung tần, khuếch đại tín hiệu trung tần, lọc nhiễu,…
Hình 1.6 Sơ đồ khối máy thu băng X
Khối máy thu có chức năng khuếch đại tín hiệu thu nhận từ anten, và chuyển tín hiệu đó về tín hiệu trung tần 30MHz để đƣa sang khối trung tần (IF) số.
Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số thực hiện chức năng biến đổi
các tín hiệu thu đƣợc sau khi đã đƣa xuống tần số trung tần ra dạng số phục vụ cho quá trình biến đổi số ở phần số.
Trong thực tế, phần cứng có thể coi là tổ hợp của các anten số riêng lẻ độc lập với nhau.
Phần số: Hay còn gọi là phần xử lý số, đƣợc mô tả bằng trọng số wi để
điều khiển độ lệch pha và biên độ của từng phần tử anten và bộ tổng hợp các tín hiệu. Thơng thƣờng, phần số đƣợc thực hiện trên một bộ xử lý số chuyên dụng nhƣ máy tính, DSP, FPGA, …
Khối anten mạch dải đƣợc chia làm 4 kênh giống nhau đƣợc thiết kế ở tần số 9,7GHz, trong mỗi kênh gồm 8 phần tử đồng pha, các phần tử đƣợc liên kết với nhau bằng các bộ cộng công suất đồng pha trên mạch dải (độ lệch pha của tất cả các phần tử bằng 0). Khối anten có chức năng thu nhận tín hiệu
đƣa xuống 4 kênh thu độc lập. Do vậy, với anten này ta có thể điều khiển búp sóng theo góc phƣơng vị, cịn theo góc ngẩng thì đặc trƣng hƣớng là cố định (Hình 1.8)
a, Bề mặt bức xạ anten
b, Khối các máy thu c, Khối xử lý số
Hình 1.7 Hình ảnh thực của hệ anten mạng pha của Viện Ra đa - Viện Khoa học và Công nghệ Qn sự
Bảng 1.1 Một số thơng số chính của hệ anten mạng pha của Viện Ra-đa - Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự
Thông số Giá trị
Dải tần 9,7 GHz 50 MHz Số chấn tử phát xạ 32 phần tử
Hệ số khuếch đại 15,2 dB Công suất xung cực đại 1kW Công suất liên tục 1W
Tần số IF 30 MHz
Độ rộng dải IF 3,3 MHz Mức ra công suất IF ≤ 1,1 dBm Độ phân giải ADC 12 bit
Số kênh ADC 4 kênh
Độ rộng búp sóng theo phƣơng thẳng đứng 10 độ Độ rộng búp sóng theo phƣơng nằm ngang 20 độ
Kích thƣớc (d x r x c) 150 x 200 x 30 (mm)
Xét trên khả năng xử lý phần mềm số thì hệ anten này tƣơng đƣơng với một anten mạng pha số tuyến tính với 4 phần tử. Vì lý do này nên trong hầu hết các kết quả mô phỏng trong luận án này đều đƣợc thực hiện với số lƣợng phần tử lớn hơn để đảm bảo tính tổng quát. Tuy nhiên, để có thể kiểm chứng đƣợc các kết quả mô phỏng đấy, tác giả cũng thực hiện cả mô phỏng với cả trƣờng hợp 4 phần tử anten và đem kết quả tính tốn đƣợc áp dụng vào hệ thống anten trên thì thu đƣợc kết quả có thể chấp nhận đƣợc.
1.2 Cơng nghệ chế tạo anten mạng pha số
Nhƣ đã trình bày ở trên, anten mạng pha số là sự kết hợp của phần cứng hệ thống bức xạ và phần mềm điều khiển anten. Vì vậy, chế tạo anten mạng pha số không chỉ đơn giản là thiết kế chế tạo ra các mơ-đun phần cứng mà cịn bao gồm quá trình lập trình xây dựng các phần mềm điều khiển giúp anten có thể hoạt động hiệu quả hơn.
1.2.1 Chế tạo phần cứng cho anten mạng pha số
Phần cứng (Hình 1.9) chính là bộ xƣơng của anten mạng pha số. Nó bao gồm các thành phần chính sau: phần tử thu phát, máy phát cao tần, bộ lọc, bộ trộn, bộ khuếch đại công suất, bộ chuyển đổi ADC, DAC… Một số bộ phận chính có vai trị quan trọng đối với anten mạng pha:
- Phần tử bức xạ: Đóng vai trị trong việc thu phát các bức xạ điện từ. Đây là phần tử cơ bản nhất, đóng vai trị quan trọng nhất đối với một anten nó qui định hầu hết các thơng số cịn lại trong tồn bộ phần cứng anten và có vai trị lớn đối với đặc trƣng hƣớng của anten. Đặc trƣng của các phần tử này phụ thuộc vào vật liệu chế tạo anten, môi trƣờng bên trong của anten và thiết kế của anten. Phần tử này có thể đƣợc thiết kế theo những cách khác nhau để tạo ra các loại anten khác nhau, có đặc trƣng hƣớng phù hợp với mục đích khác sử dụng. Với anten mạng pha và anten mạng pha số thì phần tử thu phát có
thể là phần tử thu phát của bất cứ một loại anten nào. Do vậy nếu muốn nghiên cứu về phần tử thu phát của anten mạng pha số thì ta phải khảo sát tồn bộ các loại anten.
Hình 1.9 Sơ đồ phần cứng của anten mạng pha số
- Máy phát cao tần: Tạo ra tần số sóng mang để truyền tín hiệu đi xa hoặc để trộn vào tín hiệu thu đƣợc nhằm chuyển tín hiệu về trung tần. Tần số này phụ thuộc vào phần tử thu phát.
- Bộ trộn: Để trộn các tín hiệu truyền vào các sóng cao tần phục vụ việc truyền tín hiệu đi xa hoặc tách phần trung tần của tín hiệu thu đƣợc.
- Bộ khuếch đại: nhằm mục đích khuếch đại tín hiệu để nâng cơng suất. - Bộ chuyển đổi ADC/DAC: Dùng để chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự thành tín hiệu số trong anten thu hoặc từ tín hiệu số thành tín hiệu tƣơng tự trong anten phát. Bộ phận này tạo nên sự khác biệt về phần cứng giữa anten mạng pha số với các loại anten khác. Chính bộ phận này mở ra khả năng cho phép tác động vào tín hiệu của anten thơng qua các hệ thống số.
Với đặc điểm nhƣ vậy nên, mảng phần cứng của anten mạng pha số là một mảng rất rộng. Hơn nữa do anten này sử dụng chung khá nhiều bộ phận với các loại anten truyền thống đã có khá nhiều các cơng trình nghiên cứu về vấn đề này [9-10][54]. Luận án không tập trung sâu vào phần này.
1.2.2 Xây dựng phần mềm cho anten mạng pha số
Nếu nhƣ phần cứng là bộ xƣơng, thì phần mềm chính là linh hồn của anten mạng pha số. Nó tác động lên các tín hiệu số ở lối ra của ADC hoặc lối vào của DAC nhờ đó việc xử lý số liệu với sự hỗ trợ của các hệ tính tốn mạnh đƣợc phát huy hết khả năng của mình. Chính phần mềm tạo nên khả năng điều khiển linh hoạt của anten mạng pha số. Đây là điểm khác biệt lớn nhất giữa anten mạng pha số với anten mạng pha tƣơng tự cũng nhƣ các loại anten khác.
Nhờ có phần mềm mà ta có thể thay đổi búp sóng một cách linh hoạt anten mạng pha số để loại bỏ tín hiệu từ các hƣớng có nhiễu hoặc có nguồn tín hiệu khơng mong muốn trong anten thích nghi, hoặc ƣớc lƣợng chính xác hƣớng tới của tín hiệu.
Xây dựng phần mềm cho anten mạng pha số là một vấn đề khá mới. Tuy đã đƣợc nhiều nhóm tác giả nghiên cứu [15], [16] nhƣng chƣa có nhiều kết quả và vẫn cịn nhiều vấn đề cần giải quyết trong bài toán tối ƣu các thuật tốn nhất là về khả năng tăng tốc tính tốn.
1.3 Kết luận chƣơng 1 và chỉ ra vấn đề nghiên cứu của luận án
Chƣơng 1 đã tổng quan về lý thuyết, cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của anten mạng pha số và công nghệ chế tạo anten mạng pha số. Công nghệ chế tạo anten mạng pha số gồm có hai q trình có mối quan hệ chặt chẽ với nhau nhƣng có thể tiến hành độc lập với nhau:
bộ trộn, bộ khuếch đại công suất, bộ chuyển đổi ADC, DAC,… Q trình này có mối liên hệ với cơng nghệ chế tạo của các loại anten khác. Do vậy, đây là một mảng nghiên cứu lớn và đã đƣợc nghiên cứu khá kỹ trong nhiều các cơng trình quốc tế [5], [9-10], [17], [18], [54].
- Xây dựng phần mềm: tạo ra các phần mềm điều khiển cho anten mạng
pha số. Đây là điểm khác biệt nhất của anten mạng pha số so với các loại anten khác. Ngồi ra đây là một mảng nghiên cứu mới, cịn nhiều vấn đề cần giải quyết, đặc biệt là trong các bài toán tối ƣu.
Từ kết luận chƣơng 1. Trên cơ sở nghiên cứu các module trong công nghệ chế tạo phần cứng anten mạng pha số tuyến thu băng X tần số 9.7 Ghz (4 kênh thu, 4x8 phần tử) đã có ở Viện Ra đa - Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, luận án tập trung vào nghiên cứu và xây dựng phần mềm trong công nghệ chế tạo anten mạng pha số với mục tiêu cải thiện một số bài tốn của anten mạng pha số, đó là:
Sử dụng phƣơng pháp tính tốn song song cho thuật tốn di truyền trong anten mạng pha số để thích nghi tín hiệu.
Sử dụng phƣơng pháp tính tốn song song cho thuật tốn MUSIC trong anten mạng pha số để ƣớc lƣợng hƣớng tới của tín hiệu.
Qua việc nghiên cứu về phần mềm điều khiển anten mạng pha số, tác giả cũng đề xuất một phƣơng pháp đo nhanh đặc trƣng hƣớng của anten mạng pha số bằng việc áp dụng kỹ thuật tạo búp sóng số.
CHƢƠNG 2 TỐI ƢU HĨA XỬ LÝ TÍN HIỆU BẰNG PHƢƠNG PHÁP SỐ
Chƣơng này tập trung nghiên cứu các thuật toán sử dụng cho anten mạng pha trong việc thích nghi tín hiệu và ƣớc lƣợng hƣớng sóng tới. Các vấn đề đƣợc tác giả nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết, các bài tốn thực tế, mơ phỏng và thực nghiệm. Trong q trình nghiên cứu mơ phỏng bài tốn trên máy tính, luận án đã đề xuất sử dụng phƣơng pháp tính tốn song song vào hai thuật toán di truyền (GA) và thuật toán MUSIC này để cải thiện thời gian tính tốn và hiệu quả của thuật toán. Phần mềm thu đƣợc đã đƣợc kiểm nghiệm trên anten mạng pha 4x8 đã trình bày ở chƣơng 1.
2.1 Thuật tốn thích nghi
Thuật tốn này đƣợc sử dụng trong các anten mạng pha để tính tốn tìm ra các thơng số pha phù hợp nhằm thay đổi đặc trƣng hƣớng của anten, giúp cho anten có thể loại bỏ các nguồn tín hiệu khơng mong muốn hoặc nguồn nhiễu từ một số hƣớng xác định.
2.1.1 Giới thiệu về bài tốn thích nghi
Việc gia tăng đột biến các phƣơng tiện thông tin liên lạc, quan sát, điều khiển, phƣơng tiện tác chiến điện tử đã làm cho môi trƣờng điện từ trở nên phức tạp. Tín hiệu cần thu ln bị tác động của nhiễu cố ý và không cố ý. Điều này ảnh hƣởng đến chất lƣợng của tín hiệu mong muốn, đặc biệt là khi các nguồn nhiễu này có cƣờng độ q lớn thì ta hồn tồn khơng thu đƣợc các tín hiệu mong muốn. Ví dụ nhƣ trong Hình 2.1, máy thu rất khó có thể tách riêng tín hiệu từ các máy phát (T1, T2, T3, T4, T5). Do vậy, bài tốn đặt ra là làm sao có thể tách riêng tín hiệu từ một vài nguồn nào đó, loại bỏ ảnh hƣởng đƣợc các nguồn nhiễu cố định để cải thiện chất lƣợng của tín hiệu, nâng cao
hiệu suất của q trình thu phát. Đây chính là mục tiêu của anten thích nghi.
Hình 2.1 Ví dụ về ảnh hưởng của mật độ nguồn phát lên việc thu tín hiệu
Dạng đơn giản nhất của anten thích nghi là các anten có độ định hƣớng cao nhƣ anten parabol, anten Yagi-Uda, anten góc… Đối với các anten này, ta có thể thực hiện loại bỏ các nguồn khơng mong muốn bằng cách quay anten để cho các nguồn nhiễu nằm trong vùng hấp thụ ít và nguồn mong muốn vào trong khoảng thu tín hiệu tốt nhất của anten (Hình 2.2). Tuy nhiên, khơng phải lúc nào nó cũng có hiệu quả. Theo Hình 2.2 thì phƣơng pháp này có hiệu quả đối với tín hiệu khơng mong muốn 1 nhƣng lại khơng có hiệu quả đối với tín hiệu khơng mong muốn 2. Ngồi ra, trong trƣờng hợp nguồn không mong muốn ở quá gần nguồn mong muốn thì phƣơng pháp này cũng không mang lại hiệu quả. Bởi thế, đây cũng chƣa phải là phƣơng pháp tối ƣu và chỉ đƣợc sử dụng trong một vài trƣờng hợp nhất định.
Sự ra đời của anten mạng, đặc biệt là anten mạng pha số có đóng góp lớn trong sự phát triển của anten thích nghi. Nếu nhƣ với các loại anten định hƣớng trƣớc đây, do trƣờng bức xạ của nó là cố định và các đỉnh phụ khơng thể thay đổi đƣợc dẫn đến giảm hiệu quả của anten thích nghi thì anten mạng, với khả năng thay đổi trƣờng bức xạ bằng cách thay đổi độ trễ pha giữa các
phần tử, đã có thể khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm này. Tuy vậy, việc tìm ra các tổ hợp pha phù hợp để thay đổi đặc trƣng hƣớng cho từng trƣờng hợp cũng khơng phải là đơn giản. Chính sự phức tạp của các thuật tốn này đã mở ra một hƣớng nghiên cứu mới để tìm ra các thuật tốn thích hợp sử dụng trong anten thích nghi hay gọi là thuật tốn thích nghi.
Hình 2.2 Ví dụ về sử dụng anten parabol làm anten thích nghi
2.1.2 Mạng anten thích nghi
Ở đây ta sẽ xét mạng anten tuyến tính (ULA) băng hẹp [1], [19] với các tham số quan sát là giản đồ búp sóng, hệ số dãy, trọng số.
Sơ đồ khối của mạng anten thích nghi tiêu biểu nhƣ Hình 2.3. Các tín hiệu nhận đƣợc bởi những phần tử của anten đƣợc nhân với trọng số và đƣợc kết hợp để tạo cực đại tỷ số SIR . Trong đó D số tín hiệu tới, N phần tử anten,
Hình 2.3 Mạng anten thích nghi chuẩn
Hệ số mạng.
Hệ số mạng hay cơng suất đƣợc biểu diễn bởi AF(,). Nó đại diện cho
đồ thị bức xạ ở trƣờng xa của một dãy những phần tử bức xạ đẳng hƣớng trong những góc và .
Cho một mạng N phần tử, hệ số mạng đƣợc cho bởi [1]: ( ) 1 ( , ) n n N j n n AF I e (2.1)
Với nlà độ lớn và n là pha của của trọng số ở phần tử thứ n. Hệ số mạng chuẩn hoá: max ( , ) ) , ( ) , ( AF AF f (2.2)
Hệ số mạng cũng giống nhƣ đồ thị hƣớng tính nếu mạng bao gồm các Thuật tốn thích nghi điều khiển trọng số W0 W1 Wn WN-1 x0 x1 xn xN-1 1 2 . . . D Tín hiệu đến . . .
phần tử đẳng hƣớng lý tƣởng.
Đồ thị hướng tính của mạng anten
Trong mạng anten, nếu khoảng cách giữa các phần tử nhỏ hơn bƣớc sóng và tất cả các tín hiệu từ các phần tử đƣợc kết hợp mà khơng có bất kỳ sự trễ nào, tín hiệu đầu ra của mạng sẽ có đồ thị hƣớng tính cân đối ở góc = 00 (Hình 2.4a).
Hình 2.4 Đồ thị hướng tính của mạng anten
(a) Tín hiệu đến khơng có trễ: búp chính hướng theo đường thẳng (b) Tín hiệu bị chậm trễ, búp chính dịch chuyển 15o
Ngƣợc lại, nếu trong điều kiện lối ra của mỗi phần tử bị trễ một thời gian trƣớc khi đƣợc kết hợp lại (Hình 2.4b), đồ thị hƣớng tính theo hƣớng trực tiếp sẽ có búp chính bị chuyển dịch một góc đƣợc định nghĩa nhƣ sau [1]:
Các phần tử anten Tín hiệu đầu ra của mạng Tín hiệu đầu ra của mạng Làm trễ
sin f c
d d
(2.3)
Với d là khoảng cách giữa các phần tử của mạng anten, c=/T= .f là