Nâng cao chất lượng xác định hướng sóng tới cho hệ thống vô tuyến tìm phương sử dụng dàn ăng ten813

Mô hình tín hiệu thu của một số dàn ăng ten hay sử dụng trong kỹ thuật xác định hướng sóng tới... Vấn đề nghiên cứu các kỹ thuật xử lý tín hiệu, các thuật toán với độ phân giải cao trong

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN S K THU T VI N THÔNG Ĩ Ỹ Ậ Ễ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS VŨ Ă V N YÊM

Hà Nội – 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng các kết qu khoa hả ọc được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và ch a t ng xu t ư ừ ấhiện trong công bố của các tác giả khác Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lờ ả ơi c m n chân thành và sâu s c đến PGS TS V V n Yêm đã ắ ũ ătrực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trong quá trình nghiên cứu sinh Thầy đã dành nhiều thời gian và tâm huyết, hỗ trợ ề v mọi mặt để tác gi hoàn thành lu n án ả ậ

Tác giả xin trân trọng cảm n Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Việ Đơ n ào tạo Sau Đại học, Việ Đ ện i n tử viễn thông, Bộ môn Hệ thống Viễn thông và Bộ môn Đ ệi n tử Hàng không Vũ trụ đ ã tạo mọ đ ềi i u ki n thu n l i nh t cho nghiên c u sinh trong suốt quá ệ ậ ợ ấ ứtrình học tập và nghiên cứu Chân thành cả ơm n các cán bộ, giảng viên cũng như các anh chị NCS của Việ Đ ện i n tử Viễn thông đã động viên, hỗ trợ và tận tình giúp đỡ tác giả trong quá trình thực hiện luận án

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến bố mẹ, v và các con ã luôn động viên, ợ đkhích lệ và hy sinh rất nhiều trong thời gian vừa qua Đây chính là động lực to lớn để tác giả vượt qua khó khăn và hoàn thành luận án này

Tác giả luận án

HÁN TRỌNG THANH

MỤC LỤC

Trang

L IỜ CAM ĐOAN i

L I C MỜ Ả ƠN ii

M C L CỤ Ụ iii

DANH M C CÁC TỪ VIẾỤ T T T viiẮ DANH M C CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ ixỤ DANH M C CÁCỤ B NG BIỂU xiiẢ MỞ ĐẦU 1

1 Vai trò hệ thống vô tuyến tìm phương trong ĩlnh v c đi n tử viễnự ệ thông 1

2 Những v n đề còn ồấ t n t i 1ạ 3 M cụ tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên c uứ 2

4 C uấ trúc n iộ dung c aủ luận án 3

5 Các đóng góp khoa h c c a luận án 4ọ ủ CHƯƠNG 1 T NGỔ QUAN HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG 5

1.1 Giới thi u chung về hệ thống vô tuyến tìm phương 5ệ 1.2 Tổng quan các kỹ thu tậ xác định hướng sóng ớ 8t i 1.3 Mô hình tín hiệu trong xác định hướng sóng ớt i 11

1.3.1 Khái quát về tín hiệu băng hẹp

1.3.2 Khái quát về tín hiệu băng rộng

1.4 Tổng quan m t sộ ố dàn ăng ten nhiều phần tử sử d ngụ trong xác định hướng sóng ớ 14t i 1.4.1 Các đặc trưng cơ bản của dàn ăng ten

1.4.1.1 Đặc trưng biên độ của dàn ăng ten 14

1.4.1.2 Đặc trưng pha của dàn ăng ten 15

1.4.1.3 Đặc trưng phân cực của dàn ăng ten 16

1.4.2 Mô hình tín hiệu thu của một số dàn ăng ten hay sử dụng trong kỹ thuật xác định hướng sóng tới 1

1.4.2.1 Mô hình tín hiệu thu với dàn ăng ten đồng nhất tuyến tính

ULA 17

1.4.2.2 Mô hình tín hiệu thu với dàn ăng ten đồng dạng tròn đều UCA 2

1.5 Các thông số ảnh hưởng và đi uề kiện đặ ra trong bài toán xác địt nh hướng sóng ới 21t 1.5.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác trong việc xác định hướng sóng tới

1.5.2 Điều kiện ràng buộc ban đầu trong bài toán xác định hướng sóng tới của luận án 2

1.5.3 Phương pháp đánh giá kết quả các nội dung đề xuất 2

1.6 K tế luận chương 23

CHƯƠNG 2 XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG T I C A CÁC TÍNỚ Ủ HIỆU BĂNG H P SỬẸ DỤNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG ĐƠN KÊNH 24

2.1 Giới thi u chung về hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh 24ệ 2.2 M t sộ ố thuậ toán đ ểt i n hình áp dụng cho hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh 25

2.2.1 Kỹ thuật Wattson – Watt 2

2.2.1.1 Nguyên lý hoạt động 25

2.2.1.2 Ưu điểm của thuật toán Watson ‐ Watt 27

2.2.1.3 Nhược điểm của thuật toán Watson ‐ Watt 27

2.2.2 Kỹ thuật Doppler và giả Doppler 28

2.2.2.1 Ưu điểm của kỹ thuật Doppler và giả Doppler 30

2.2.2.2 Nhược điểm của kỹ thuật Doppler và giả Doppler 30

2.3 Kỹ thu tậ xác định hướng sóng ớt i d aự trên vòng khóa pha 30

2.3.1 Kiến trúc hệ thống 3

2.3.2 Mô tả phương pháp PLL – DOA truyền thống 3

2.3.3 Mô tả phương pháp PLL – DOA cải tiến

2.3.3.1 Đánh giá hiệu năng phương pháp PLL – DOA truyền thống 37

2.3.3.2 Phương pháp PLL – DOA cải tiến 3

2.3.4 Kết quả mô phỏng đánh giá hiệu năng phương pháp PLL – DOA cải tiến

2.4 K tế luận chương 46

CHƯƠNG 3 XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG T I C A CÁC TÍNỚ Ủ HIỆU BĂNG H P SỬẸ

DỤNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG ĐA KÊNH 48

3.1 Giới thi u chung về hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh 48ệ 3.2 M t sộ ố thuậ toán đ ểt i n hình áp dụng cho hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh 48

3.2.1 Thuật toán Véc tơ tương quan 48

3.2.2 Thuật toán MUSIC 5

3.2.3 Một số thuật toán khác 5

3.2.3.1 Thuật toán Barlet 52

3.2.3.2 Thuật toán ước lượng phổ CAPON 53

3.2.3.3 Thuật toán ước lượng dự đoán tuyến tính 53

3.2.3.4 Thuật toán Entropy cực đại 53

3.3 Sơ ượl c về thu tậ toán Matrix Pencil 53

3.3.1 Thuật toán Matrix Pencil 53

3.3.1.1 Áp dụng thuật toán trong môi trường không có nhiễu 54

3.3.1.2 Áp dụng thuật toán trong môi trường có nhiễu 56

3.3.2 Thuật toán Total Forward Backward Matrix Pencil 57

3.4 Kỹ thu tậ xác định hướng sóng ớt i sử dụng thuậ toán TFBMP 60t 3.4.1 Xác định hướng sóng tới của tín hiệu thu được từ dàn ăng ten ULA

3.4.1.1 Phân tích lý thuyết 61

3.4.1.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá 62

3.4.2 Xác định hướng sóng tới của tín hiệu thu được từ dàn ăng ten UCA

3.4.2.1 Phân tích lý thuyết 69

3.4.2.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá 72

3.5 K tế luận chương 80

CHƯƠNG 4 XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG T I C A CÁC TÍN HIỆU ĐA ĐƯỜNG VÀỚ Ủ TÍN HIỆU B NGĂ RỘNG 81

4.1 Xác định hướng sóng ớt i c a các tín hiệu đa đường 81ủ 4.1.1 Phân tích lý thuyết 8

4.1.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá

4.2 Xác định hướng sóng ớt i c a các tín hiệủ u băng rộng 88

4.2.1 Phân tích lý thuyết 8

4.2.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá

4.3 K tế luận chương 91

K TẾ LUẬN 93

Đóng góp khoa h c c a lu n án 93ọ ủ ậ Hướng phát triển c aủ luận án 93

DANH M C CÁC CÔNG TRÌNHỤ ĐÃ CÔNG BỐ C AỦ LUẬN ÁN

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự sang số

BPSK Binary Phase Shift Keying Đ ềi u chế khóa pha nhị phân

DSP Digital Signal Processing Xử lý số tín hiệu

DFT Discrette Fourier Transform Biển đổi Fourier r i rạc ờEVD Eigen Value Decomposition Khai triển các giá trị riêng

ESPRIT Estimation of Signal Parameters

via Rotation Invariance Technique Ướthông qua k thuc lượng các tham s c a tín hi u ỹ ật quay bất biến ố ủ ệFFT Fast Fourier Transform Biển đổi Fourier nhanh

GPS Global Positioning System Hệ thống định v v tinh toàn cầu ị ệ

LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp

MUSIC MUltiple Signal Classification Phân lo i tín hiạ ệu

MEM Maximum Entropy Method Phương pháp Entropy cực đại MVDR Minimum Variance Distortionless

Response

Đáp ng c c ti u không méo ứ ự ể

RADAR Radio Detection And Ranging Định vị ằ b ng sóng đ ệi n từ RMSE Root Mean Square Error Sai số ă c n quân phương

SDR SoftwareDefined Radio Vô tuyến định ngh a bằng phần mềm ĩSDMA Space Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo không gian

SNR Signal to Noise Ration Tỷ ố s tín hiệu trên tạp âm SVD Singular Value Decomposition Khai triển các giá trị ỳ ị k d SIR Signal to Interference Ratio Tỷ ố s tín hiệu trên nhiễu SONAR Sound Navigation and Ranging Hệ thống định vị ằ b ng sóng âm TFBMP Total Forward Backward Matrix

Pencil

Ma trận bút chì thuận ngược

UCA Uniform Circular Antenna Array Dàn ăng ten đồng dạng tròn đều ULA Uniform Linear Antenna Array Dàn ăng ten đồng dạng tuyến tính

DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1 Kiến trúc máy thu sử dụng công nghệ SDR lý tưởng

Hình 1.2 Phổ năng lượng của tín hiệu băng thông dải

Hình 1.3 Bộ giải mã tín hiệu I/Q

Hình 1.4 Biểu diễn tín hiệu băng rộng và tín hiệu băng hẹp trong miền

Hình 1.5 Mô hình không gian khảo sát tín hiệu

Hình 1.6 Dàn ăng ten ULA trong hệ tọa độ Đề các

Hình 1.7 Mô hình sóng tới dàn ăng ten ULA trong mặt phẳng phương vị

Hình 1.8 Mô hình dàn ăng ten UCA trong hệ tọa độ Đề Các

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh

Hình 2.2 Mô hình ăng ten Adcock dùng trong thuật toán Watson ‐ Watt 2

Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật Doppler 2

Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ thống vô tuyến tìm phương giả Doppler

Hình 2.5 Sơ đồ khối hệ thống vô tuyến tìm phương dựa trên phương pháp PLL – DOA 3

Hình 2.6 Sơ đồ cấu tạo khối xác định DOA

Hình 2.7 Mô hình dàn ăng ten UCA trong hệ tọa độ Đề Các

Hình 2.8 Pha tín hiệu tới dàn ăng ten

Hình 2.9 Đường cong sai khác đích

Hình 2.10 Pha tín hiệu không điều chế tại các phần tử ăng ten

Hình 2.11 Đường cong sai khác thu được từ PLL

Hình 2.12 Đường cong sai khác thu được thứ 2 từ PLL

Hình 2.13 Đường cong sai khác thu được đã hiệu chỉnh

Hình 2.14 Kết quả xác định hướng sóng tới DOA0 4345 Hình 2.15 Kết quả xác định DOA với số lượng ăng ten thay đổi

Hình 2.16 Sai số kết quả xác định hướng sóng đến DOA khi thay đổi số lượng mẫu tín hiệu 4

Hình 2.17 Kết quả xác định hướng tới của hai tín hiệu ở hai góc 400 và 500 46

Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh

Hình 3.2 Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh sử dụng thuật toán CV 4

Hình 3.3 Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh sử dụng thuật toán CV với bộ tạo định dạng búp sóng trễ ‐ cộng

Hình 3.4 Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh sử dụng thuật toán MUSIC 5

Hình 3.5 Phổ giả không gian của thuật toán CV và MUSIC ứng với góc DOA 120o 51

Hình 3.6 Phổ giả không gian của thuật toán CV và MUSIC ứng với DOA 120o và

200o 5Hình 3.7 Dàn ăng ten ULA trong hệ tọa độ Đề các Hình 3.8 Kết quả xác định hướng DOAo của tín hiệu có SNR65 5dB đến dàn

ăng ten ULA với một mẫu tín hiệu .Hình 3.9 Kết quả xác định DOA của 3 nguồn tín hiệu từ 3 góc ‐20, 40 và 65 độ đến

dàn ăng ten ULA chỉ sử dụng một mẫu tín hiệu .Hình 3.10

Hình 3.10 Kết quả xác định DOA bằng thuật toán MUSIC của 3 nguồn tín hiệu từ 3

góc ‐20, 40 và 65 độ đến dàn ăng ten ULA với một mẫu tín hiệu .Hình 3.11

Hình 3.11 Kết quả xác định DOA của 3 tín hiệu tương quan ở các góc ‐20,40 và 65

độ với 1 mẫu tín hiệu sử dụng anten ULA .Hình 3.12

Hình 3.12 Kết quả xác định DOA với thuật toán MUSIC của 3 tín hiệu tương quan ở

các góc ‐20,40 và 65 độ với 1 mẫu tín hiệu sử dụng anten ULA .Hình 3.13

Hình 3.13 Kết quả xác định góc DOAo đến dàn ăng ten ULA với 1000 mẫu tín65

hiệu 65Hình 3.14

Hình 3.14 Kết quả xác định DOA của 3 nguồn tín hiệu từ 3 góc ‐20, 40 và 65 độ tới

dàn ăng ten ULA sử dụng 1000 mẫu tín hiệu 6Hình 3.15

Hình 3.15 Độ chính xác trong xác định DOA ‐20, 40 và 65 với dàn ăng ten ULA

khi thay đổi số lượng mẫu tín hiệu 6Hình 3.16

Hình 3.16 Độ chính xác của kết quả xác định DOA với dàn ăng ten ULA trong môi

trường nhiễu trắng có SNR biến thiên với một mẫu tín hiệu 67Hình 3.17

Hình 3.17 So sánh độ chính xác giữa TFBMP với MP trong trường hợp các tín hiệu

không tương quan sử dụng dàn ăng ten ULA 67Hình 3.18

Hình 3.18 So sánh độ chính xác giữa TFBMP với MP trong trường hợp các tín hiệu

tương quan sử dụng dàn ăng ten ULA 6Hình 3.19

Hình 3.19 Dàn ăng ten UCA trong hệ tọa độ Đề các Hình 3.20

Hình 3.20 Kết quả xác định DOA của các tín hiệu không tương quan đến dàn ăng

ten UCA 7Hình 3.21

Hình 3.21 Độ chính xác trong xác định DOA của các tín hiệu không tương quan ở

các góc ‐50O,60O và 160O đến dàn ăng ten UCA theo dải SNR 74Hình 3.22

Hình 3.22 Kết quả xác định DOA tín hiệu không tương quan đến dàn ăng ten UCA

bằng thuật toán MUSIC với 1 mẫu tín hiệu 7Hình 3.23

Hình 3.23 Kết quả xác định DOAcủa các tín hiệu không tương quan tới dàn ăng ten

UCA với 1000 mẫu tín hiệu 7Hình 3.24

Hình 3.24 Độ chính xác trong xác định DOA của các tín hiệu không tương quan ở

các góc‐50O, 60O và 160O đến dàn ăng ten UCA với 1000 mẫu tín hiệu

theo dải SNR 7

Hình 3.25 Độ chính xác trong xác định DOA của các tín hiệu không tương quan ở

các góc ‐50O, 60O và 160O theo số lượng mẫu tín hiệu 76Hình 3.26

Hình 3.26 So sánh độ chính xác giữa TFBMP với MP trong trường hợp các tín hiệu

không tương quan tới dàn ăng ten UCA 76Hình 3.27

Hình 3.27 Xác định hướng sóng tới của các tín hiệu tương quan tới dàn ăng ten

UCA 7Hình 3.28

Hình 3.28 Xác định hướng sóng tới của các tín hiệu tương quan tới dàn ăng ten

UCA sử dụng thuật toán MUSIC 7Hình 3.29

Hình 3.29 Độ chính xác trong xác định DOA của các tín hiệu tương quan ở các góc ‐

30O, 0O và 110O tới dàn ăng ten UCA theo số lượng mẫu tín hiệu 78Hình 3.30

Hình 3.30 So sánh độ chính xác giữa TFBMP với MP trong trường hợp các tín hiệu

tương quan đến dàn ăng ten UCA 78

Hình 4.1 Mô hình các tín hiệu đa đường tới dàn ULA trong mặt phẳng phương vị

Hình 4.2 Kết quả mô phỏng xác định đồng thời các thông số TOA và DOA của các

tín hiệu đa đường 86

Hình 4.3 Kết quả mô phỏng xác định thông số TOA của các tín hiệu đa đường với

một mẫu tín hiệu 86

Hình 4.4 Độ chính xác kết quả xác định thông số TOA của các tín hiệu đa đường

với 1 mẫu tín hiệu khi SNR thay đổi

Hình 4.5 Độ chính xác kết quả xác định thông số TOA của các tín hiệu đa đường

với số lượng mẫu tín hiệu thay đổi 8

Hình 4.6 Kết quả xác định DOA của các tín hiệu băng rộng

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang Bảng 2.1 Bảng so sánh thời gian tính toán của hai phương pháp PLL – DOA Bảng 3.1 Bảng khởi tạo các tham số mô phỏng với dàn ăng ten ULA Bảng 3.2 Độ phân giải góc tín hiệu không tương quan của thuật toán với dàn ăng

ten ULA 6Bảng 3.3 Độ phân giải góc tín hiệu tương quan của thuật toán với dàn ăng ten

ULA 6Bảng 3.4 Bảng khởi tạo các tham số mô phỏng với dàn ăng ten UCA Bảng 3.5 Độ phân giải góc của thuật toán với dàn ăng ten UCA với các tín hiệu

không tương quan 79Bảng 3.6 Độ phân giải góc của thuật toán với dàn ăng ten UCA với các tín hiệu

tương quan 79Bảng 4.1 Bảng khởi tạo các tham số mô phỏng trong trường hợp đa đường 8Bảng 4.2 Kết quả xác định DOA độ trong các băng tần con

xạ so với đ ểm khảo sát có vai trò rất quan trọng [82] Trong các lĩnh vực dân sự như lĩnh vực iquản lý tần số, thông tin về hướ ng sóng tới giúp con người có thể xác định vị trí các nguồn bức xạ trái phép, các nguồn sóng gây nhi u; Trong các h th ng thông tin vi n thông hi n đại, ễ ệ ố ễ ệthông tin về hướng sóng tới giúp h th ng th c hi n a truy nh p phân chia theo không gian ệ ố ự ệ đ ậSDMA…Trong lĩnh vực quân sự, thông tin về hướng sóng tới có vai trò r t quan tr ng trong ấ ọviệc thu thập thông tin chiến trường, tình báo quân sự đ ề, i u khi n d n hướng các khí tài quân ể ẫsự…

Trong các hệ thống thông tin viễn thông, việc ước lượng các tham số của tín hiệu thu trong cả miền thời gian, miề ần t n số và miền không gian có vai trò rất quan trọng và được các nhà khoa học trong và ngoài nước đặc biệt quan tâm nghiên cứu [4, 18, 20, 68, 73, 74, 102] Bên cạnh những thông số cơ bản c a tín hi u nh tầủ ệ ư n s , biên độ, pha… thì tham s nh ố ố ưhướng sóng tới và thời gian truyền sóng cũng cần thiết phải được xác định chính xác đặc biệt đối với các h th ng việ ố ễn thông đ ăa ng ten hoặc các hệ thống thực hiện chức năng a truy đnhập phân chia theo không gian SDMA Thông tin về hướng sóng tớ ẽi s giúp h th ng vi n ệ ố ễthông tăng khả năng khôi ph c kênh truy n, ph i h p đồng b , bù l ch t n s hay t động ụ ề ố ợ ộ ệ ầ ố ự

đ ềi u ch nh đồ th bứỉ ị c x theo hướng c n thi t để tăạ ầ ế ng ch t lượng tín hi u thu [66] Chính vì ấ ệnhững lý do trên, nhiệm vụ nghiên cứu phát triển hệ thống vô tuyến tìm phương tiên tiến là cấp thiết

2 Những vấn đề còn tồ n t i ạ

Do các ứng dụng của các hệ thống vô tuyến tìm phương trong đời sống xã hội ngày càng phát triển nên những yêu cầu về các chỉ tiêu kỹ thu t c ng nh ng d ng không ng ng t ng ậ ũ ư ứ ụ ừ ălên Vấn đề nghiên cứu các kỹ thuật xử lý tín hiệu, các thuật toán với độ phân giải cao trong xác định chính xác hướng sóng tới áp dụng cho mỗi kiến trúc hệ thống vô tuyến tìm phương

đã và ang là ch đề nghiên c u của các nhà khoa học trong và ngoài nước Khi dựa vào kiến đ ủ ứtrúc hệ thống, các hệ thống vô tuyến tìm phương có thể được phân chia thành hai nhóm đó là

hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh (hệ thống đơn kênh) và h thống vô tuyến tìm ệ

ph ng ươ đa kênh (hệ thống đa kênh) với các ưu nhược i m riêng bi t đ ể ệ

Hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh với ưu đ ểm nhỏ gọi n, gi m công su t tiêu th , ả ấ ụthích hợp triển khai trong các thiết bị di động nhưng thuật toán xử lý ph c t p, độ chính xác b ứ ạ ịhạn chế bởi các y u t liên quan đến kiếế ố n trúc Các phương pháp xác định hướng sóng t i áp ớdụng cho hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh đã được nghiên cứu phát triển trong [39-41,

52, 72, 79, 97] Trong [40, 41, 52], các tác giả đ ã đề xuất phương pháp xác định hướng sóng tới dựa trên pha của tín hiệu tới được xác định bởi các vòng khóa pha Phương pháp này đã xác định thành công hướng sóng tới của tín hiệu với độ chính xác cao Tuy nhiên, thuật toán của phương pháp là tương đối phức tạp Mặt khác với việc sử dụng vòng khóa pha k t h p ế ợvới bộ chuyển mạch cao t n đặt ra yêu c u ph i giảầ ầ ả m độ ph c t p t ó t ng t c độ h i t của ứ ạ ừ đ ă ố ộ ụthuật toán nhằm triển khai cho các ứng dụng thời gian thực

Hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh có khả năng xác định được hướng sóng tới với độ chính xác và độ phân giải cao so với các hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh nhưng thông thường có kiến trúc cồng kềnh, tiêu thụ năng lượng lớn, gặp khó khăn trong việc triển khai trên các thiết bị di động Các phương pháp xác định hướng sóng tớ đ ểi i n hình áp dụng cho hệ thống a kênh như được đề xuất trong [22, 65, 84, 85, 88, 90] Mđ ột trong những vấn đề còn tồn tại đối với các phương pháp nêu trên đó là số lượng mẫu tín hiệu thu khá lớn cần phải

xử lý để xác định hướng sóng tới Số lượng mẫu tín hiệu càng nhiều thì độ chính xác cũng như độ phân giải của thuật toán sẽ ă t ng lên nhưng kéo theo đó là việc tăng dung lượng bộ nhớ

đệm, tăng tốc lấđộ y m u c ng nh tăẫ ũ ư ng th i gian x lý tính toán T ó s làm giảờ ử ừ đ ẽ m hi u ệnăng của hệ thống trong các ứng dụng thời gian thực Chính vì vậy, việc nghiên cứu các phương pháp nhằm làm giảm số lượng mẫu tín hi u áp dụng cho các hệ ệ thống đa kênh là cấp thiết

Ngoài các vấn đề còn tồn tạ đi ã nêu trên, vấn đề xác định hướng sóng tới trong môi trường

đa đường c ng nh đối v i các tín hi u tương quan và tín hiệu b ng r ng cũ ư ớ ệ ă ộ ũng đã được các nhà khoa h c trong và ngoài nọ ước quan tâm nghiên cứu [89, 96, 100, 104], tuy nhiên kết quả còn chưa được như mong muốn Chính vì vậy, việc ti p t c phát tri n nghiên c u các k thu t ế ụ ể ứ ỹ ậxác định hướng sóng tới cho các trường hợp nêu trên là cần thiết đối với các hệ thống vô tuyến tìm phương tiên tiến

3 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu:

Nghiên cứu đề xu t phương pháp c i ti n nh m làm gi m độ ph c t p trong tính toán ấ ả ế ằ ả ứ ạxác định hướng sóng tới của hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh sử dụng vòng khóa pha

Nghiên cứu các phương pháp, thu t toán, k thu t xác định hướng sóng t i v i s ậ ỹ ậ ớ ớ ốlượng nhỏ mẫu tín hi u áp d ng cho h th ng vô tuy n tìm phương a kênh ệ ụ ệ ố ế đ

Nghiên cứu các k thu t x lý các tín hi u a đường và các tín hiệu b ng rỹ ậ ử ệ đ ă ộng Các nội dung đề xuất nêu trên đều hướng tới một mục tiêu chung là nghiên c u phát triứ ển nâng cao hiệu n ng hoă ạt động của các hệ thống vô tuyến tìm phương tiên ti n ế

Đối tượng nghiên cứu:

Hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh và đa kênh

Các mô hình dàn ăng ten thường s d ng trong các h th ng vô tuyến tìm phương ử ụ ệ ố Các kỹ thu t xác định hướng sóng t i c a tín hi u không tương quan và tương quan ậ ớ ủ ệPhương pháp và phạm vi nghiên c u: ứ

Phương pháp nghiên cứu c a lu n án bao g m vi c nghiên c u lý thuy t, xây d ng ủ ậ ồ ệ ứ ế ự

mô hình, đề xuất, cải tiến các thuật toán kế ợp với mô phỏng trên máy tính t h

4 Cấu trúc nội dung của luận án

Cấu trúc của luận án gồm có 04 chương với các nội dung được tóm tắt như sau:

Chương 1: Tổng quan hệ thống vô tuy n tìm phế ương: Chương này giới thi u s lược ệ ơ

về các hệ thống vô tuyến tìm phương, các phương pháp phân loại hệ thống cũng như các kỹ thuật xác định hướng sóng tới Chương này cũng sẽ mô tả khái quát các hệ thống ăng ten nhiều phần tử cũng như phân tích mô hình tín hiệu thu được t các hừ ệ thống ăng ten đó Từ đ ó đặt ra các đ ềi u kiện ràng buộc và ph m vi nghiên c u củạ ứ a lu n án ậ

Chương 2: Xác định hướng sóng tới của các tín hiệu băng hẹp sử dụng h th ng vô ệ ốtuyến tìm phương đơn kênh: Chương 2 mô tả kiến trúc hệ thống vô tuyến tìm phương n đơkênh, tập trung phân tích một số kỹ thu t xác định hướng sóng tớ đ ểậ i i n hình áp dụng cho hệ thống loại này như phương pháp Watson – Watt, phương pháp Doppler và giả Doppler và phương pháp dựa trên vòng khóa pha Dựa vào những phân tích đó, trong chương này, một đề xuất kỹ thuật cải tiến mới nhằm làm giảm độ phức tạp tính toán cho phương pháp dựa trên vòng khóa pha, tăng hi u nệ ăng hoạt động của hệ thống sẽ được phân tích đánh giá một cách chi tiết

Chương 3: Xác đị nh hướng sóng tới của các tín hiệu băng hẹp sử dụng h th ng vô ệ ốtuyến tìm phương đa kênh: Kiến trúc hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh cũng như một

số kỹ thu t xác định hướng sóng t i i n hình áp d ng cho h th ng lo i này s được gi i ậ ớ đ ể ụ ệ ố ạ ẽ ớthiệu, phân tích đánh giá trong chương 3 Chương này sẽ tập trung phân tích đề xu t áp d ng ấ ụthuật toán Total Forward Backward Matrix Pencil (TFBMP) trong xác định hướng sóng tới trong cả hai trường hợp sử ụ d ng dàn ăng ten đồng dạng tuy n tính (ULA) và dàn ế ăng ten đồng dạng tròn đều (UCA) với các tín hiệu tương quan, không tương quan và việc xác định tách

biệt các tín hiệ đa đườu ng

Chương 4: Xác định hướng sóng tới của các tín hiệu đa đường và tín hiệu băng rộng: Chương này kế ừ th a và phát tri n các k t qu nghiên c u c a chương 3 trong vi c phân ể ế ả ứ ủ ệtách các tín hiệ đu a đường và xác định hướng sóng tới của tín hiệu băng rộng được thu bởi dàn ăng ten ULA Chương này tập trung phân tích đề xuất áp dụng thuật toán TFBMP nhằm xác định ng thời các tham số hướng sóng tới (DOA) và thờđồ i gian tr truy n sóng (TOA) c a ễ ề ủcác tín hiệu tới từ cùng m t ngu n nh ng i theo các đường khác nhau Chương 4 c ng t p ộ ồ ư đ ũ ậtrung phân tích cách xử lý các tín hiệu băng rộng rồi kết hợp thuật toán nói trên nhằm đưa ra được thông tin về hướng sóng tớ ủi c a các tín hi u b ng r ng ó ệ ă ộ đ

Phần kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo c a lu n án: Phần này trình bày tóm tắt ủ ậcác kết quả đạt được của lu n án và nêu ra hướng phát triển tiếp theo của đề tài, cũng như các ậnghiên cứu dự kiến sẽ được thực hiện trong tương lai

5 Các đ óng góp khoa h c c a lu n án ọ ủ ậ

Luận án đã thực hiện được 03 đóng góp khoa học sau đây:

1 Đề xuất phương pháp PLL – DOA cải tiến có khả ă n ng giảm độ phức tạp tính toán từ

đó t ng t c độ xửă ố lý c ng nh gi i pháp kh c ph c nhược i m nh m l n c a vòng ũ ư ả ắ ụ đ ể ầ ẫ ủkhóa pha khi có 2 tín hiệu tương tự nhau đến dàn anten cùng một thờ đ ểi i m trong hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh dựa trên vòng khóa pha

2 Đề xuất áp dụng thuật toán TFBMP trong xác định hướng sóng tới áp dụng cho các

hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh sử dụng dàn ăng ten ULA và dàn ăng ten UCA với chỉ một m u tín hi u trong i u ki n b nh hưởng nhi u, có kh năng xác định ẫ ệ đ ề ệ ị ả ễ ảđược hướng sóng tới của các tín hiệu tương quan và tín hiệu b ng ră ộng

3 Đề xuất phương pháp xác định ng thời thông số DOA và TOA của các tín hiệu thu đồđược bởi dàn ng ten ULA d a trên thu t toán TFBMP t ó xác định được hướng tới ă ự ậ ừ đcủa tín hiệu trong tầm nhìn thẳng (LOS)

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG

1.1 Giới thiệu chung về ệ h thống vô tuyến tìm phương

Các hệ thống vô tuyến tìm phương là các hệ thống thông tin nhằm xác định hướng tới của sóng vô tuyến lan truyền trong không gian được thu bởi các dàn ăng ten nhiều ph n tầ ử Dựa vào thông tin về hướng tớ ủi c a sóng vô tuy n, người ta có th xác định s bộ phương ế ể ơ

hướng của các nguồn bức xạ trong không gian so với đ ểm khảo sát để từ đi ó có th định v ể ịchính xác các nguồn bức xạ Vi c nghiên c u các k thu t xác định hướng sóng t i c ng nh ệ ứ ỹ ậ ớ ũ ưnghiên cứu thiết kế, xây dựng và triển khai các hệ thống vô tuyến tìm phương trên thực tế đ ã được các nhà khoa học trong và ngoài nước đặc bi t quan tâm nước ta, ã có r t nhi u các ệ Ở đ ấ ềkhí tài quân sự cũng nh các thi t b vô tuy n tìm phương dân d ng ã được thi t k , xây ư ế ị ế ụ đ ế ếdựng và triển khai ở Bộ Quốc Phòng, Bộ Công An, C c qu n lý t n s cũụ ả ầ ố ng nh trong l nh ư ĩvực Hàng Không dân dụng Các thiết bị, hệ thống vô tuyến tìm phương đều do các nhà khoa học trong nước thiết kế hoặc được nhập khẩu từ Mỹ và Châu Âu v i độ chính xác r t cao v i ớ ấ ớsai số 1.5 trong các đ ềi u kiện tiêu chuẩn [83]

Có nhiều cách để phân loại các hệ thống vô tuyến tìm phương trong đó thông thường chúng được phân loại dựa trên kiến trúc hệ thống và dựa trên cách th c x lý tín hi u ứ ử ệ

- Phân loạ ựi d a vào phương th c x lý tín hiệu: Dựa vào phương thức xử lý tín hiệu ứ ửcủa các hệ thống vô tuyến tìm phương người ta có thể chia ra làm ba loại như sau:

o Hệ thố ng vô tuyến tìm phương xử lý Biên độ tín hiệu: Đây là hệ thống xác định hướng tới của tín hiệu sóng vô tuyến bằng cách so sánh biên độ tín hiệu thu được giữa các phầ ử ủn t c a dàn ăng ten từ đ ó tìm vị trí mà tạ đi ó tín hiệu được phát xạ ra không gian

o Hệ thống vô tuyến tìm phương xử lý Pha tín hiệu: Đây là hệ thống xác định hướng sóng tới dựa trên pha của tín hiệu thu được tại các phần tử của dàn ng ten ăThông tin về hướng sóng tới có th xác định t chính pha c a tín hi u ho c độ sai ể ừ ủ ệ ặpha của tín hiệu thu được giữa các phần tử ă ng ten

o Hệ thống vô tuyến tìm phương kết hợp Biên độ – Pha: Đây là hệ thống xác định hướng sóng tới dựa vào cả biên độ và pha của tín hiệu thu được tại các phần t ửcủa dàn ăng ten H th ng d ng này thường áp d ng các phương pháp định d ng ệ ố ạ ụ ạbúp sóng và các thuật toán phân giải cao

- Phân loạ ựi d a vào ki n trúc h th ng [72, 81]: ế ệ ố

o Hệ thống vô tuyến tìm phương với kiến trúc đa kênh: Hệ th ng vô tuy n tìm ố ếphương kiến trúc đa kênh là hệ thống sử dụng dàn ng ten nhi u ph n t trong ó ă ề ầ ử đtín hiệu đến từng phầ ử ủn t c a dàn được thu và xử lý bởi từng máy thu độc lập Các máy thu có vai trò như bộ ề ti n x lý tín hi u, đầu ra c a t ng máy thu là c sở để ử ệ ủ ừ ơ

hệ thống xác định được thông tin về hướng tới của tín hiệu sóng cao tần

Ư đ ểu i m c a h th ng vô tuy n tìm phương a kênh ó là độ chính xác cao, ủ ệ ố ế đ đtốc độ xử lý cao và có độ phân giải tốt

Nhược đ ểi m c a h th ng a kênh: ki n trúc máy thu c ng kủ ệ ố đ ế ồ ềnh, thuật toán

xử lý phức tạp, chi phí cao về giá thành cũng như công suất tiêu thụ, nhiều trường hợp trong th c t là không kh thi đối v i các thi t b di động ự ế ả ớ ế ị

o Hệ thống vô tuyến tìm phương kiến trúc đơn kênh: Hệ th ng vô tuy n tìm ố ếphương có kiến trúc đơn kênh là hệ thống sử dụng dàn ng ten nhi u ph n t ă ề ầ ửnhưng dùng chung một máy thu tín hiệu Máy thu được kết nối với các ph n t ầ ửcủa dàn ăng ten qua một chuyển mạch cao t n Lu ng d li u đầu ra của máy thu ầ ồ ữ ệđược xử lý để tìm ra thông tin v hướng sóng t i ề ớ

Ư đ ểu i m c a h th ng đơn kênh: Ki n trúc máy thu đơn giản, nhỏ gọủ ệ ố ế n, ti t ếkiệm về giá thành cũng như công suất tiêu thụ; Trong nhiều ngữ cảnh, h ệthống đơn kênh có khả năng được tri n khai ng d ng trong các thi t b di ể ứ ụ ế ịđộng

Nhược đ ểi m c a h thốủ ệ ng đơn kênh: chính xác trung bình, thu t toán x lý độ ậ ửphức tạp, yêu cầu bộ chuyển mạch cao tần có tốc độ cao

Như vậy, các hệ thống vô tuyến tìm phương đều bao gồm một hoặc nhiều máy thu kết nối tới dàn ăng ten nhiều ph n t Các máy thu này làm nhi m v xửầ ử ệ ụ lý tín hi u thu được t các ệ ừphần tử ă ng ten từ đ ó đưa ra thông tin về hướng sóng tới của tín hiệu Với vai trò quan trọng như vậy, việc nghiên c u thi t k ki n trúc máy thu là nhi m v c p thi t đối v i các h th ng ứ ế ế ế ệ ụ ấ ế ớ ệ ố

vô tuyến tìm phương Trên thực tế, có hai kiểu kiến trúc đã và ang được phát tri n áp d ng đ ể ụcho các hệ máy thu trong l nh vĩ ực thông tin vô tuyến đó là kiến trúc máy thu truyền thống và kiến trúc máy thu định nghĩa bằng phần mềm

Kiến trúc máy thu truyền thống là kiến trúc dựa trên công nghệ phần cứng Trong các máy thu loại này bao gồm các khối phần cứng thực hiện các chức năng riêng biệt theo một vài chuẩn đã định nghĩa sẵn nào đó Đ ềi u này dẫn tới sự cứng nh c, thi u linh ho t trong việc ắ ế ạthay đổi các chức n ng làm vi c c a máy thu Thông thường, khi áp d ng các chu n mới, các ă ệ ủ ụ ẩmáy thu loại này thường bị loại bỏ thay thế ở b i các máy thu khác theo đúng chức năng dẫ ớn t i

sự lãng phí vật tư Mặt khác, các khối xử lý được thiết kế bằng ph n c ng do đó rất khó giảm ầ ứkích thước mạch i n tử ũđ ệ c ng như công suất tiêu thụ

h phần xử lýtần (RF – Btần số cao

ụ thể là thônhống vô tuyế

oạt động c aủrúc dàn ăn gung cũng như

ật li u, hìnhệten nhằm làm

à khoa học trphương phápkhai trên kh

ý tín hiệu tưBPF), khối khrồi đưa đến

p xử lý tín hihối DSP đượ

ở đây bao gồhuật xác địn

ủa kiến trúc phát triển ki

áy thu SDR

ng phần mềmhung được s

nh nghĩa bằanh chóng, thviệc các khố

uất tiêu th cụhiển bằng ph

c hệ thống v

thu sử ụ d ng c

ới các máy thcác hệ thống kiến trúc lý

ơng t đượcựhuếch đại tạpkhối xử lý sóng tới củaơng tiên tiến

ng đó có thể

năng ho t độnạống vô tuyếndàn ăng ten

ước lượng, tă

ài nước quan

m Đây được

sử dụng để cằng phần mềhích ứng với

a tín hiệu

, nhiệm vụ nđược chia là

ng của các h

n tìm phương Việc nghiêăng độ phâ n

n tâm nghiêncho máy thu

hần c t lõi ốthuật chuẩn

rong những Kiến trúc máymáy thu bao kiến trúc mở

ỗ trợ nhiều c

y thu trở nê ntín hiệu, phư

hần m m s ề ẽuất Chính vì

hu trong lĩnh

i riêng sẽ đ em

nề ản t ng vô tiên tiế Đn ốrong Hình 1ăng ten thu, hiệu tương tự

ô hướng… đ

38, 69, 78, 1phương phá

y thu SDR

u cho đầu ratín hiệ đu ã đ

năm

y thu gồm

ở dựa chuẩn

n linh ương giảm vậy,

h vực

m lại

tuyến

ối với 1 sẽ khối

áp xử Các

a của được

chuẩn hóa đó Trong các máy thu SDR, các tín hiệu thu được sẽ đượ ấy mẫ ởc l u tần s cao ốChính đ ềi u này gây ra nhiều thách thức khiến tín hi u bệ ị sai lệch so với giá trị mong muốn như hiện tượng chồng phổ, lỗi lượng tử và đặc bi t là hi n tượng sai pha do s không n nh ệ ệ ự ổ địcủa pha sóng tới trong quá trình lấy mẫu (Jitter) [60, 98] Các kỹ thuật xử lý chuẩn hóa tín hiệu nhằm bù trừ các sai lệch nói trên ã và ang được phát tri n và đạt được nh ng k t qu đ đ ể ữ ế ảkhả quan [77, 86, 92] Sau quá trình chuẩn hóa tín hiệu, các thuật toán xác định hướng sóng

tới sẽ được thực thi nhằm đưa ra thông tin chính xác về hướng tớ ủi c a tín hi u ó là thông tin ệ Đquan trọng nhất của hệ thống vô tuyến tìm phương Chính vì vậy, việc nghiên c u, phát tri n ứ ểcác thuật toán xác định hướng sóng tới nhằm nâng cao độ chính xác, độ phân giải cũng như giảm độ phức tạp của thuật toán có vai trò đặc biệt quan trọng ây chính là vấn đề xuyên Đsuốt mà luận án sẽ tập trung nghiên c u ứ

1.2 Tổng quan các kỹ thu t xác định hướng sóng t i ậ ớ

Thông thường, các hệ thống vô tuyến tìm phương thường sử dụng các dàn ng ten nhi u ă ề

phần tử để thu tín hiệu từ đ ó tìm ra hướng tới của các tín hiệ đó bằng các kỹ thuật xác địu nh hướng sóng tới Các phương pháp xác định hướng sóng tới đã được các nhà khoa học nghiên cứu và phát triển từ rất lâu [82] Ngay t năm 1888, Heinrich Hertz phát hiện đặc tính hướng ừcủa ăng ten khi tiến hành thí nghiệm trong dải sóng decimet Mộ ứt ng d ng c th của nó là ụ ụ ểxác định hướng tới của sóng đ ệi n từ đ ã đượ đề xuất vào năm 1906 trong phương pháp định c hướng đích do Scheller phát minh ra Các hệ thống vô tuyến tìm phương đầu tiên là các hệ thống vô tuyến tìm phương phân cực Các hệ thống này bao gồm ăng ten lưỡng cực đ ệi n hoặc

từ trường với trục trùng với hướng của điện trường hoặc từ trường của tín hiệu tới Từ hướng phân cực, sẽ suy ra hướng tới của sóng đ ệi n từ Hệ thống vô tuyến tìm ph ng vòng quay là ươmột trong những máy định hướng thuộc loại này được biết tới nhiều nhất Vào những năm đầu của th kỷế 20, Belini và Tosi [13] cùng v i Marconi [62] ã tìm ra phương pháp xác định ớ đhướng sóng tới dựa trên đặc tính hướng của các phần tử ă ng ten Năm 1907, Bellini và Tosi phát hiện ra phương pháp định hướng kết hợp giữa hai ăng ten có hướng tính giao nhau (ví dụ như ă ng ten vòng) với một máy đo góc để xác định h ng Sau ướ đó, việc sử dụng dàn ăng ten nhiều phần tử trong xác định hướng sóng tới đã đượ đề xuất bởi Adcock [10] và Keen [53] c

Đề xuấ đt ó là bước tiến lớn trong việc nâng cao tính chính xác của định hướng đối với tín hiệu trong dải sóng dài Vào năm 1917, Adcock đã nhận ra rằng bằng cách sử dụng ng ten ătuyến tính phân cực đứng (ăng-ten c n hoặc lưỡng cực) có thể tạo ầ được giản đồ ăng ten tương

tự với các ng ten vòng mà không b bấă ị t k nh hưởng nào t thành ph n trường phân c c ỳ ả ừ ầ ựngang Tuy nhiên, năm 1972 G Eckard đã chứng minh rằng i u này không đúng trong mọi đ ềtrường hợp Mãi cho đến năm 1931 ăng-ten Adcock mới lần đầu tiên được sử dụng Anh và ởĐức

Vào nh ng n m 1925-1926, Watson-Watt ữ ă đã xây dựng hệ thống vô tuyến tìm phương

đ ệ ử ựi n t tr c quan phát tri n t hệ ốể ừ th ng dùng máy đo góc theo kiểu cơ khí Năm 1931, xuất

hiện các máy định hướng được ngụy trang sử dụng trên xe c ng nh máy định hướng có thể ũ ưmang vác đượ đểc phát hiện lính do thám chiến trường Kể từ năm 1943, tàu h i quân Anh ảđược trang bị hệ ố th ng vô tuyến tìm phương Watson-Watt 3 kênh với các vòng tương hỗ cho phạm vi sóng ngắn (“huf-duff” để phát hiện các tàu ngầm của Đức)

Đến năm 1941, h th ng vô tuy n tìm phương sóng ngắ đệ ố ế n ã được xây dựng dựa trên nguyên lý Doppler Vào thời đ ểi m này với sự phát triển nhanh chóng về kỹ thu t xây d ng ậ ựcác đài radar, các nhà khoa học ở Anh đã tập trung phát triển mở rộng d i t n ho t động c a ả ầ ạ ủcác hệ thống vô tuyến tìm phương đó Năm 1943, hệ thống vô tuyến tìm phương đầu tiên dùng để “Phát hiện và quan sát radar” ở dải tần khoảng 3.000 MHz đã được đưa vào sử dụng Đến năm 1943, thi t b định hướng s dụế ị ử ng dãy ng ten được b trí theo hình tròn có độ ă ố

mở lớn (còn được g i là phương pháp ọ định lý Wullenweber) được xây dựng để định hướng từ

xa Từ những năm 1950, sân bay trên toàn thế giớ đi ã được trang bị hệ th ng vô tuy n tìm ố ế

phương Doppler VHF/ UHF Doppler để kiểm soát không lưu

Đầu những n m 1970, công ngh kỹă ệ thu t s được áp d ng vào định hướng và nh vậ ố ụ đị ị sóng radio; tạo tín hiệu hướng và i u khi n s t xa là nh ng s n ph m t s phát tri n ó đ ề ể ố ừ ữ ả ẩ ừ ự ể đ

Kể từ năm 1980, xử lý tín hiệu số đ ã được s d ng ngày càng nhiều trong các hệ thống vô ử ụtuyến tìm phương Nó cho phép hiện thực hóa các thiết bị định hướng giao thoa và hướng tới

việc thực hiệ định hướn ng đa sóng (siêu phân giải) M c dù việc nghiên cứu về lý thuyết đã ặđược thực hi n trước ó r t nhi u ệ đ ấ ề

Một yếu tố quan trọng khác thúc đẩy sự phát tri n xa h n c a các thi t b định hướng là ể ơ ủ ế ịyêu cầu định hướng các phát xạ biến đổi được tần s nhố ư nhảy tần và trải ph tín hi u T ổ ệ ừ

những yêu cầ đó, các hệ thống thiết bị định hướng băng thông rộng, có khả nău ng đồng th i ờthực hiện dò tìm và định hướng dựa trên chuỗi các bộ lọc s (và s dụố ử ng bi n đổi Fourier ếnhanh (FFT)) đã được nghiên cứu phát triển [100, 106]

Với sự phát triển rất nhanh về công nghệ Đ ện tử Viễn thông cho phép chúng ta có thể iước lượng pha và biên độ của tín hi u t i m t cách chính xác với tốc độ xửệ ớ ộ lý cao, cùng v i ớ

đó là các yêu cầu ngày một cao và kh t khe h n v khả năắ ơ ề ng định hướng a sóng, độ chính đxác và độ phân giải siêu cao trong xác định hướng sóng t i M t trong nh ng phương pháp ớ ộ ữ

đầu tiên nhằm xác nh tham số hướng đến củđị a tín hi u s d ng dàn ng ten nhi u ph n t là ệ ử ụ ă ề ầ ửphương pháp hay kỹ thuật định dạng búp sóng (Beamforming) [11] Trong kỹ thuật định dạng búp sóng, người ta sử dụng m t b xửộ ộ lý được g i là “B tạọ ộ o định d ng búp sóng” ạ(Beamformer) cùng với một tập hợp các cảm biến (hoặc các phầ ử ăn t ng ten trong dàn ăng ten nhiều phần tử) để nhận tín hiệu phát ra từ một ngu n b c x cụ ểồ ứ ạ th nào ó và làm suy gi m đ ảcác tín hiệu đến từ các nguồn khác Mô hình bộ tạo định d ng búp sóng đầạ u tiên được ra đời với tên gọi “Trọng số - Trễ - Tổng” (Weight – Delay – Sum Beamformer) Vớ ội b tạo định dạng búp sóng kiểu này, đầu ra c a các c m bi n được ánh tr ng s và làm tr theo m t c m ủ ả ế đ ọ ố ễ ộ ảbiến tham chiếu để đưa các thành phần tín hiệu từ một vài hướng ích v th ng hàng và sau đ ề ẳ

đ ấ ổó l y t ng Các trọng số được lựa chọn là các hằng số đối với các hướng khác nhau Khi tín

hi u ệ đến các bộ cảm bi n t cùng m t ngu n, n ng lượng trung bình đầu ra củế ừ ộ ồ ă a b tạo nh ộ đị

dạng búp sóng sẽ đạt cực đại khi nó đượ định hướng đến đúng nguồn phát Độ phân giải của c

bộ tạo định d ng búp sóng đạ ó ph thu c vào khẩu độ củ ậụ ộ a t p h p các c m bi n và hướng lái ợ ả ếtheo Tuy nhiên, phương pháp này hoạt động không hi u quả trong trường hợp có nhiều ệnguồn tín hiệu tới

Trong đ ềi u kiện b tác động bởi nhiễu và tạp âm cũng như trong trường hợp có nhiều ịnguồn tín hiệu tới, để có thể sử dụng được các b tạộ o định d ng búp sóng, người ta ph i s ạ ả ửdụng phương pháp đánh hệ số thích ng N m 1967, Burg đề xuất phương pháp ước lượng ứ ăphổ với Entropy c c đại (Maximum Entropy Method – MEM) [15] d a trên ho t động c a ự ự ạ ủmột bộ lọc d oán tuy n tính H sốự đ ế ệ đầu tiên c a b lọủ ộ c được kh i t o duy nh t, các h số ở ạ ấ ệcòn lại được lựa chọn nhằm làm cực tiểu công suất nhiễu đầu ra của dàn ng ten Một phương ăpháp đánh hệ số tương ứng r t n i ti ng khác đượ đềấ ổ ế c xuấ ởt b i Capon trong [17] v i tên g i ớ ọ

“Phương pháp đáp ứng không méo phương sai cực tiểu” (Minimum Variance Distortion Response – MVDR) Ý tưởng cơ bản c a Capon là chọn trọng sốủ để làm c c ti u công su t ự ể ấcủa nhiễu và tín hiệu từ các nguồn khác với hướng quan tâm Việc xác định hướng sóng tới dựa trên phương pháp của Capon có độ phân giả ối t t h n nhi u so v i phương pháp c a ơ ề ớ ủBartllet Tuy nhiên phương pháp này sẽ cho k t quế ả không chính xác trong tr ng hườ ợp các tín hiệu tới là các tín hiệu tương quan Các ưu nhược đ ểi m của phương pháp Capon được phân tích trong [35] Ngoài ra, đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu mở rộng phương pháp c a ủCapon đã được đề xuất như bởi Borgiottia và Kaplan trong [14] hay của Gabriel trong [31] Trong bài toán xác định hướng sóng tới, mặc dù cả phương pháp Capon và Brug đều hoạt động tốt và được sử dụng r ng rãi, chúng v n có nh ng h n chế vì chúng không có một ộ ẫ ữ ạ

mô hình dữ liệu hiệu quả Sự ra đời và phát triển của các phương pháp phân tách không gian con, dựa trên các trị riêng của ma trận hiệp phương sai của tín hiệu nhận được là một đóng góp quan trọng cho việc ước lượng các tham số của tín hi u Pisarenko ã ng d ng thành ệ đ ứ ụcông phương pháp này khi phục hồi lại được các thành phần tín hiệu từ một ph n c a ma tr n ầ ủ ậhiệp phương sai của tín hiệu [76] Ý tưởng của Pisarenko có thể được áp dụng vào việc xác định hướng góc tới cho tín hi u khi s dụệ ử ng dàn ng ten ă đồng dạng tuyến tính ULA Vào đầu những năm 1980, Schmidt đã đề xuất một thu t toán r t m nh có tên là MUSIC [88] Thu t ậ ấ ạ ậtoán MUSIC ra đời có ý nghĩa như ộ m t cuộc cách mạng đối v i vấn đề ớ ước lượng các tham sốcủa tín hiệu trong đó có tham số hướng sóng tới M t trong nh ng óng góp quan tr ng c a ộ ữ đ ọ ủthuật toán MUSIC là ước lượng được các tham số của tín hi u theo hướng hình học Đối với ệ

phương pháp này, không gian tín hiệ được ước lượng bằng các giá trị riêng của ma trận hiệp u phương sai Để thực hiệ đ ề đn i u ó, chúng ta ph i xây dựng bản sao mảng tín hiệu thu “Array ảmanifold” bằng cách kiểm tra tất cả các trường hợp có th xảy ra củ để a áp ng m ng pha so ứ ảvới tín hiệu đơn Với những thiết kế dàn ăng ten phù hợp, không gian tham số của tín hi u ệliên hệ chính xác với “Array manifold”, vì thế tham số của tín hi u có th đượệ ể c xác nh đị

th ứ được

đáp ng xuứ

ần tử ă ng tenược coi là khnhiễu trắng

n iđ ện, các

bởi các hệ ăvào các phâchia tín hiệu

t dàn ăng tenđịnh nghĩa l

∗ung của phần

n thứ cò nhông tương nhưng trongnhiễu trắng

sở N u tín hếung quanh gố

2 Phổ ă n ng lư

giữa không

ụ như chuẩnphương sai Likelihood –uật toán MU

n cứu mô hìmột yêu cầu

tín hiệu sónăng ten Các

g trường hợpTín hiệu sónhiệu là

ới hạn Ngoà

ớng sóng

ìm phương d

ật xử lý tín ình tín hiệu

u cơ ả b n nhấ

ng đ ệi n từ đ ư

c tín hiệu só

g thông là tỷoại là tín hiệ

ư biểu diễn t

hiệu băng thô

ệu con và “

ng tối thi u “ểliệu và mô h

ất đối với bà

ược phát i đóng đ ệi n từ l

ỷ số ữ gi a b nă

ệu b ng hă ẹp tín hiệu tới

cho phép tíc

u trắng Thô

g tấ ảt c các biết thành ph thông th

ực, thì mật đtrong Hình 1

ông dải

Array manif

“Least Squahình là nhỏ

m số có liên xuất, người toán trong khnhiều kỹ thu

hiệu thu đượ

(1

ch chập, ông thường tmiền Nếu t

hần hi p phưệhường là tín

độ ph côn gổ1.2

fold” res – nhất, quan

u đầu

.1)

là độ thành thành ương hiệu

g suất

Khi biểu di n phương trình (1.1) trong mi n t n s chúng ta có ễ ề ầ ố

trong đó là thành phần tần số sóng mang, là biến đổi Fourier c a thành ph n ủ ầ

Giả ử s là tín hiệu gi i i u ch c a tín hi u ả đ ề ế ủ ệ khi đó ta có

(1.3) Biến đổi Fourier của tín hiệu như trong (1.3) là

Phương trình (1.6) chính là mô hình tổng quát cho cả tín hiệu b ng hă ẹp và tín hiệu băng rộng Phần tiếp theo sẽ mô tả cụ ể th về mô hình tín hiệu b ng h p và b ng r ng xét tới trong ă ẹ ă ộbài toán xác định hướng sóng tới

1.3.1 Khái quát về tín hiệu băng hẹp

Căn cứ vào phương trình (1.6), nếu như tín hiệu có băng thông 2∆ và ∆ ≪ 1, khi đó chúng ta có tín hiệu băng hẹp được biểu diễn như sau

(1.7) Trong miền thời gian tín hiệu băng hẹp có rất nhiều các cách biểu diễn [36] Dạng biểu

số và tín hi uệ

hiệu băng hdàn ăng ten

) Tín hiệu b nă.4 Biểu diễn chúng ta dễ

2

ệ u băng rộđược mô tả

1 (Băng th được coiách khác thì

u ra của cáchẹp [109] H ì

n tuyến tính t

ng hẹp tín hiệu băngthấy tín hiệu

2 ∗

ng trong phươnhông ∆ có

i là tín hiệu các thành p phần tử ă ng

ì nh 1.4 mô ttrong miền tầ

g ten sẽ khôn

ả ự ể s bi u diễ

ần số - số só

(b)hiệu băng hẹpchỉ như một

và không thểcủa phương t

ng bi u diể ễn

ễn tín hiệu bóng (ω k

Tín hiệu băn

p trong miền hàm xung Dtrải dài trên

(1

hông ∆ lớnhành phần tầ

ể xấp x hóaỉtrình (1.6) k

n được dưới

băng h p và ẹ

ng rộng

Diract – Del

n cả mi n tầề

miền 1.12)

1.13)

n g 1.14)

n, với

ần số

a như không dạng băng

ta tại

n số

Đối với tín hi u b ng r ng, cách thông d ng nh t để có th khai phá thông tin hướng sóng t i ệ ă ộ ụ ấ ể ớcủa chúng đó là chia nhỏ thành nhiều tín hiệu băng h p bẹ ằng cách sử dụng các b lọộ c chu i ỗ

hoặc sử dụng biế đổi DFT theo thời gian và lựa chọn các thành phần tần số có mức công suất n cao nhất Tuy nhiên, phương pháp này nhiều lúc có thể không hoạt động vì đã loại bỏ các băng tần hẹp mà ở đ ó có chứa thông tin hướng sóng tới [109, 110]

1.4 Tổng quan mộ t s dàn ăng ten nhiều phần tử sử dụng trong ố xác định hướng sóng tới

Trong lĩnh vực thông tin viễn thông hiện đại, các dàn ng ten nhi u ph n tă ề ầ ử ngày càng được sử dụng r ng rãi với nhiề ứộ u ng dụng khác nhau Dàn ăng ten là m t h thộ ệ ống bao gồm nhi u ề ăng ten thành phần (thường được gọi là các phần tử dàn ăng ten) Lợi ích cơ bản nh t ấcủa hệ dàn ăng ten đó là chúng ta có thể thay đổi được độ rộng c a búp sóng chính, thay đổi ủđược vị trí c a chúng trong không gian vớ ốủ i t c độ cao ng thời tăng được khả năng chống đồnhiễu, tăng hệ số khu ch đại c a ng ten t ó t ng hi u n ng ho t động như ựế ủ ă ừ đ ă ệ ă ạ c ly ho t động, ạkhả năng phát hi n, bám sát và truyền thông tin của hệ thống sử dụệ ng dàn ng ten Vi c s ă ệ ửdụng dàn ăng ten nhiều phần tử giúp h th ng thông tin có thể phố ợệ ố i h p ho t động cùng m t ạ ộlúc với nhiều máy phát hoặc máy thu ở một vài t n s trong m t vài hướng quan sát khác ầ ố ộnhau để thực hiện nhiều mục đích Bên cạnh những lợi ích cơ bản v a đề cập, việc sử dụng ừdàn ăng ten nhiều phần tử cũng mắc ph i m t s nh ng nhược i m nh cồả ộ ố ữ đ ể ư ng k nh, khó triển ềkhai đối với các thiết bị di dộng, tăng giá thành chi phí sản xuất cũng như chi phí vận hành hệ thống thông tin [3] Tuy nhiên, những khó khăn đó là không đáng kể so với những lợi ích mà

hệ dàn ăng ten nhiều ph n tầ ử đ em lại

Khi nghiên cứu đến các hệ dàn ăng ten, chúng ta cần nghiên cứu các đặc trưng c a h dàn ủ ệ

ăng ten ó Trong [1-3], các đặc tr ng c b n c a dàn ng ten bao g m đặc tr ng biên độ, đặc đ ư ơ ả ủ ă ồ ưtrưng pha và đặc trưng phân cực Các đặc trưng ó có thể được mô tả tóm lược như sau đ1.4.1 Các đặc trưng c b n củơ ả a dàn ng ten ă

1.4.1.1 Đặc trưng biên độ của dàn ăng ten

Hình 1.5 Mô hình không gian khảo sát tín hi u ệ

Xét một ngu n tín hiệu ở trường vùng xa của dàn ăng ten bức xạ tín hiệu tới dàn ăng ten ồ

với đ ểm tham chiếu của dàn đặt tại gốc tọa đội 0,0,0 như Hình 1.5

Theo lý thuyết trường, chúng ta có biên độ phức cường độ trường của một nguồn phát xạ sóng đ ệi n từ tại một đ ểi m tùy ý trong trường vùng xa có thể viết dưới dạng:

- , là pha của trường

Mô đun của hàm , , tức , , được định nghĩa là đặc trưng biên độ của dàn ng ăten xác định sự phụ thuộc của biên độ cường độ trường củ ăa ng ten t i các i m n m trong ạ đ ể ằtrường vùng xa và cách đều ăng ten vào hướng quan sát

Để dễ dàng so sánh tính định hướng gi a các ng ten khác nhau, người ta đưa ra khái ữ ăniệm đặc trưng biên độ chuẩn hóa: đó là tỷ ố s giữa giá trị của đặc tr ng biên độ ư , theo hướng bất kỳ với giá trị cực đại của nó

1.4.1.2 Đặc trưng pha của dàn ăng ten

Đặc trưng pha của dàn ăng ten là m t hình học tạo bởi các đ ểặ i m trong trường vùng xa mà tại đó véctơ cường độ trường có cùng một giá trị về pha

Ta cho biểu thức pha của cường độ trường b ng h ng sằ ằ ố :

Trường hợp đặc trưng pha không phải là mặt cầu, do đó không có tâm pha xác định Trường hợp này chúng ta có thể khảo sát xấp xỉ từng ph n c a m t đẳng pha bằng các mặt ầ ủ ặcầu Như vậy đối v i m i ph n t chúng ta có m t tâm pha T p hợp các tâm pha ứng với tất ớ ỗ ầ ử ộ ậ

cả các khoảng có thể nằm trong m t miền nào ó xung quanh không gian vộ đ ị trí đặt ăng ten Người ta thường biểu di n hàm đặc tr ng pha trong các m t ph ng và ễ ư ặ ẳ

1.4.1.3 Đặc trưng phân cực của dàn ăng ten

Ngoài các đặc trưng biên độ và pha của dàn ăng ten, chúng ta cần khảo sát đặc tr ng phân ưcực của dàn ăng ten đó Đặc trưng phân cực của dàn ăng ten là hướng dao động của véc tơ cường độ trường theo thời gian Trong trường hợp tổng quát, trường của dàn có đặc trưng phân cực Elip thì có thể xem đặc trưng phân cực c a dàn là t ng củủ ổ a hai trường phân c c ựtuyến tính có các véc tơ cường độ iđ ện trường E , E vuông góc với nhau và lệch pha nhau một góc γ nào đó

Giả sử cường độ trường có giá trị ứ t c thời được cho trước là:

sin

Từ (1.22) ta có

(1.23) Thay (1.23) vào (1.22) ta có

Dựa vào phương trình (1.24) ta có

Phương trình (1.25) biểu diễn trường hợp tổng quát cường độ trường có đặc trưng phân

cực dạng Elip Để đánh giá tính phân cực chúng ta đưa ra khái niệm hệ số phân c c và đặc ựtrưng phân cực như sau:

Hệ số phân cực: Là tỷ số gi a bán tr c nh ữ ụ ỏ và bán tr c l n ụ ớ của elip và được gọi là hệ số phân cực và ký hiệu là

Đặc trưng phân cực: Là sự ph thu c c a h sốụ ộ ủ ệ phân c c vào hướng tớ đ ểự i i m quan sát gọi là đặc trưng phân cực của ăng ten , , với 0 1

1.4.2 Mô hình tín hiệu thu của một số dàn ăng ten hay sử dụng trong k thu t ỹ ậ

xác định hướng sóng tới

Trong các hệ thống thông tin viễn thông sử dụng dàn ng ten, để thực hiện yêu cầu phối ăhợp cùng một lúc với nhiều máy phát, máy thu cùng hoạt động mộở t vài t n s trong m t vài ầ ố ộ

hướng quan sát thì chúng ta phải đ ểu khiển được hướng tính củi a dàn ng ten Thông thường ă

có 3 ph ng pháp ươ đ ềi u khiển hướng tính c a dàn ng ten ó là: ủ ă đ

- Đ ềi u khi n đặc tr ng phân bố pha của các phần tử trong dàn ăng ten ể ư

- Đ ềi u khi n đặc tr ng phân bố biên ể ư độ của các phần tử trong dàn ăng ten

- Đ ềi u khi n đặc tr ng phân bố phân cực của các phần tửể ư trong dàn ng ten ă

Trong các phương pháp đó, phương pháp đ ềi u khiển phân bố pha là có hiệu qu nhả ất Chính vì vậy, các dàn ăng ten mảng pha được quan tâm sử dụng h n c trong các h th ng ơ ả ệ ốthông tin viễn thông Việ đ ềc i u khiển phân bố pha của từng ph n tầ ử ă ng ten trong dàn được thực hiện bằng các thiết bị đ ệ i n tử, chủ yếu sử ụng các bộ quay pha đ ệ ử d i n t từ đ ó lo i b các ạ ỏnhược đ ểi m của các thiết bị cơ khí Dàn ng ten m ng pha không những cho phép đạt được ă ảtốc độ quét cao mà còn có khả năng đ ềi u khiển cả dạng gi n đồ hướng, tăả ng công su t phát ấ

xạ, nâng cao khả năng ch ng nhi u cho toàn hệ thống Mặt khác, dàn ăng ten mảng pha cho ố ễphép khả năng thay đổi v trí c c đại búp sóng trong không gian với tốc độ lớị ự n ho c làm h p ặ ẹhay mở rộng chúng trong th i gian r t nhanh ây là đặc i m r t quan tr ng đối v i các h ờ ấ Đ đ ể ấ ọ ớ ệthống định vị vô tuyế đ ện i n như Radar hay các hệ thống vô tuyến tìm phương Đến nay, người

ta đã chế tạo và đưa vào s dụử ng nhi u lo i dàn ng ten m ng pha ởề ạ ă ả nh ng d i sóng khác ữ ảnhau với số lượng phần t thay đổi b trí trên m t ph ng ho c cong Trong nh ng n m g n ử ố ặ ẳ ặ ữ ă ầ

đây, dàn ng ten m ng pha ph ng được quan tâm phát tri n nhi u hơn Tuy vậy, lý thuyết kỹ ă ả ẳ ể ềthuật xây dựng dàn ăng ten mảng pha cong cũng đã được phát triển nhanh dù phức tạp hơn dàn ăng ten mảng pha phẳng song nó có góc quét rộng trong khi các đặc tính ít bị thay đổi và nhiều lợi thế khác

Với những ưu đ ểm đã phân tích ở trên, các dàn ăng ten mảng pha được ứng dụng rất irộng rãi trong các hệ thống vô tuyến tìm phương Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, tác giả chỉ đề cập phân tích và ng dứ ụng dàn ăng ten mảng pha phẳng với hai dạng dàn ăng ten

đ ểi n hình ó là dàn ăng ten đồng dạng tuyến tính thẳng (Uniform Linear Antenna – ULA) và đdàn ăng ten đồng dạng tròn đều (Uniform Circular Antenna – UCA) [21, 24, 49, 58, 67] Mô hình tín hiệu thu được bởi hai dàn ăng ten loại này sẽ được t ng hợp phân tích như sau ổ

1.4.2.1 Mô hình tín hiệu thu v i dàn ng ten ớ ă đồng nhất tuyến tính ULA

Dàn ăng ten đồng nh t tuyến tính ULA có thể được mô tả như là tập h p gấ ợ ồm phần

t ử ăng ten đẳng hướng được sắp xếp trên các đường thẳng song song cách đều nhau một khoảng cách trong không gian Xét dàn ăng ten ULA đặt trong hệ tọa độ không gian 3 chi u ề

Đề Các vuông góc như Hình 1.6 v i i m tham chi u là ph n t th nh t của dàn ăng ten ớ đ ể ế ầ ử ứ ấđược đặt tạ ố ọi g c t a độ Một ngu n phát sóng vô tuy n đặt r t xa dàn ăng ten, bức xạ tín hiệu ồ ế ấđến dàn ăng ten v i góc t i trong c mặớ ớ ả t ph ng tà và m t ph ng phương v l n lượt là và ẳ ặ ẳ ị ầ

h sóng tới dàn

ở trường vùăng ten thứ

tín hiệu tớ

àn ăng ten D

c giả định kh

g ten đối với

ten ULA trong

u của lu n áậ

n ăng ten ình 1.7 Thô

, là dịch

Do nguồn tínhông đổi trêntín hiệu thu

g hệ tọa độ Đ

án, tác giả ch

90 , ông thường,

ng với góc

hệ ố th ng ó đ

àn cầu GPS

A trong mặt pdàn ăng ten nđiểm tham c

0 là phđược thực h

phẳng phươngnên chúng tachi u ế được ch

trên đ ờn

ở trường vùnphần tử của dăng ten thứ

ững tín hiệu hình sóng p

ệ thống vô thương chínhhiện bằng bở

nằm phẳng tuyến bắc

ởi các

ộ lệch thức

1.26)

guồn

n ăng

o bởi

= (1.27) với là hệ ố ă s t ng ích của phần tử ă ng ten thứ

T ừ đó, tín hiệu đầu ra tại phần tử ăng ten thứ là

(1.29) với là tín hiệu đến và

Trong trường hợp có tín hiệu đến dàn ăng ten từ các hướng trong mặt ph ng phương v ẳ ịvới các góc tới lần lượt là , , … , , tín hiệu nhận được t i ph n tử ăạ ầ ng ten th là t ng ứ ổhợp của tất cả các tín hiệu n đế đó:

Phương trình (1.33) thể hiện tín hiệu nhận được t i m i ph n t ng ten là hàm liên t c v ạ ỗ ầ ử ă ụ ềthời gian Tín hiệu này sau đó có th được l y m u v i chu kỳ ấể ấ ẫ ớ l y mẫu tại mỗi khoảng thời gian rời rạc là như sau:

Để đơn giản hóa phương trình này, chúng ta có th bi u diễể ể n cách khác cho tín hi u rời ệrạc theo thời gian là Đ ềi u này có nghĩa rằng là cách biểu diễn rời rạc của được lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫu

Như vậy, phương trình (1.34) biểu thị ạ d ng rời rạc của tín hiệu nhận được tại mỗi phần tử

ăng ten Tín hi u thu được khi bi u di n dưới d ng này có thể coi là dữ liệu tín hiệu nhận ệ ể ễ ạđược với nhi u m u tín hi u M i m t m u tín hi u (snapshot) được định ngh a là m t mẫề ẫ ệ ỗ ộ ẫ ệ ĩ ộ u d ữliệu thu được Các mẫu dữ liệu đó sẽ được x lý để cho ra thông tin v hướng sóng tới Các ử ềmẫu tín hiệu có thể được đơn gi n hóa như sau: ả

n hiệu Cá

là bài toán xương ứng

n h tín h iệu

đồng d ng trạ

ng ten sắp xế

cũng nh khưdàn ăng ten Uten ULA ch

90 , tuy nh

i hướng (36ten UCA đặược xét là đ

ặt phẳng XO

và góc ngẩn g

Hình 1.8 M

ác tín hiệu tớnhư trong H

tử ă ng ten th

hệ số truông gian ba

của dàn ă gn

ủa tín hi u mệyền sóng , k

ác thông tin xác định

u thu với d àròn đều (Un

ếp trên một đhoảng cách gUCA có kíchúng ta chỉ chiên dàn ăng

60 )

t trong hệ tọđiểm tham ch

OY Tín hiệu

g

Mô hình dàn ă

ới có nguồn Hình 1.8, chú

hứ v i so ớ

ền sóng, chiều Đề Cá

g ten đối với

m à phương khoảng cách

v ề , , đ Giả sử có

à n ăng te nniform Circuđường tròn bgiữa các phầ

ch thước nhỏ

ó thể xác địnten UCA ch

ọa độ Đề Cáhiếu đặt tại g

u đến xuất p

ă ng ten UCA nằm ở trườnúng ta có th

n đồng dạ nular Antennabán kính

n liên tiếp là

o với dàn năgiá trị góc đúng ta xác đị

c như mô tả0,0,0 , cácnguồn trong

độ Đề Các

của dàn ng ăhứng minh đ

của phần t

ăng ten thứ

gồm: số tín ten liên tiếp nhiệm vụ đ

cần ph i xác ả

u UCA dàn ăng ten

u trường hợpnhư nhau, t

ng ten ULA.đến trong kh

được cho

(1

hiệu

và đặt ra định

n bao

p, với

hì về Mặt hoảng

với là hệ ố s tăng ích c a ph n t ng ten th V i mỗủ ầ ử ă ứ ớ i m t tín hi u sóng i n t t i ộ ệ đ ệ ừ ớdàn ăng ten, tín hiệu thu được tại mỗi phần tử ă ng ten sẽ có dạng

(1.38) Trong đó, là đường bao phức băng cơ ở ủ s c a tín hiệu Trong phạm vi nghiên cứu của

đề tài, luận án ch kh o sát nh ng tín hiệu đến dàn nằỉ ả ữ m trong cùng m t ph ng vớặ ẳ i các ph n tử ầ

ăng ten v i gi thi t m t ph ng ó là m t ph ng phương vị tức là ớ ả ế ặ ẳ đ ặ ẳ 90 và 0 xét với

mọi phần tử ăng ten Với dàn ăng ten phần tử bán kính , chúng ta có tọa độ của ph n t ầ ửthứ trong h tọa độ Đề Các là: ệ

(1.39) (1.40) Khi đó

(1.41) Thay (1.41) vào (1.38), ta có biểu thức tín hiệu thu được

(1.42)

Với và là bước sóng của tín hiệ ới u t

Xét tớ ự ải s nh hưởng của nhi u đối v i tín hi u thu được, v i các nguồn tín hiệu nằ ởễ ớ ệ ớ m trường vùng xa của dàn ăng ten, tín hiệu nhận được tại mỗi phần tử ă ng ten của dàn UCA sẽ là:

(1.43) Trong đó, là thành phần nhiễu can thiệp vào tín hiệu, 0 là thành phần sai pha truyền sóng Như vậy, phương trình (1.43) đã mô tả dạng c a tín hi u sóng i n t thu được t i m i ủ ệ đ ệ ừ ạ ỗphần tử của dàn ng ten UCA Tương t nh lậă ự ư p lu n ph n 1.4.1.1, chúng ta có m u r i r c ậ ở ầ ẫ ờ ạ

của tín hiệu thu được tại phần tử ăng ten thứ là

(1.44) Trong trường h p có ợ tín hiệu tiếp cận đến dàn từ các hướng trong mặt phẳng phương

vị với các góc tới lần lượt là , , … , , mẫu tín hiệu thu được như sau:

Đối với các hệ thống vô tuyến tìm phương, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác của bài toán xác định hướng sóng tới [37] Các yếu tố đ ó có thể được khái quát như sau:

- Số lượng phầ ử ăn t ng ten trong dàn: Số lượng ph n t ăng ten trong dàn phải lớn hơn ầ ử

số nguồn tín hiệu tới Thông thường khi số lượng phần tử ăng ten càng nhiều, độ chính xác sẽ tăng lên Tuy nhiên, s ph n t ng ten nh hưởng r t l n t i kích thước c ng ố ầ ử ă ả ấ ớ ớ ũnhư giá thành của hệ thống Chính vì vậy, lựa chọn số lượng phần tử ăng ten cần phải

có sự cân nhắc giữa độ chính xác c ng như kích thước của hệ thống ũ

- Khoảng cách gi a các ph n t ng ten – : Khoảng cách giữa các phầ ử ăữ ầ ử ă n t ng ten

là một thông số rất quan tr ng c a các dàn ng ten nhi u ph n t Thông thường ọ ủ ă ề ầ ửđược chọn nh hơỏ n m t n a bước sóng ( ) c a tín hi u thu để tránh hi n tượng phát ộ ử ủ ệ ệsinh búp sóng phụ trong mô hình bức xạ củ ăa ng ten M t khác, trong vi c thi t k ng ặ ệ ế ế ăten, khoảng cách này thường được lựa chọn trong khoảng 0.3 0.5 và giá trị tốt nhất là 0.44 để đạt được hệ số ghép tương h thích h p gi a các ph n t ng ten ỗ ợ ữ ầ ử ăHơn nữa, việc lựa chọn giá trị của cũng ảnh hưởng tới kích thước của hệ thống

- Số lượng mẫu tín hi u: Số lượng mẫệ u tín hi u có nh hưởng quan tr ng tới độ chính ệ ả ọxác cũng như độ phân giải của các thuật toán xác định hướng sóng tới S lượng mẫu ốcàng nhiều thì độ chính xác sẽ càng cao, tuy nhiên sẽ dẫ ớ ăn t i t ng dung lượng bộ nhớ cũng như khối lượng tính toán của hệ thống Mặt khác, với các thuật toán s dụng ít ửmẫu tín hiệu sẽ làm giảm tần số lấy m u cũẫ ng nh làm giảư m nh h ng cả ưở ủa hiện tượng sai pha do sự không ổn định pha sóng tới (Jitter) trong bài toán lấy mẫu tín hiệu

- Tỷ số tín hi u trên t p âm (SNR): Giá trị SNR quyếệ ạ t định r t lớn tới độ chính xác của ấcác thuật toán DOA Thông thường, các hệ thống vô tuyến tìm phương trước tiên cần

phải tăng được giá trị này càng lớn càng tốt

- Tính tương quan giữa các tín hi u: tính tương quan giữa các tín hiệu tới có ảnh hưởng ệrất lớn tới độ chính xác của các thuật toán xác định hướng sóng tới V i các tín hi u ớ ệtương quan, để có thể khai phá được tín hiệu, hệ thống vô tuyến tìm phương phải phá

v ỡ được tính tương quan đó rồi sau đó mới xác định được hướng tới của tín hiệu

1.5.2 Đ ềi u kiện ràng buộc ban đầu trong bài toán xác định hướng sóng tới của

tín hi u tệ ới từ mọi hướng là như nhau cũng như tín hiệu thu được tại mỗi phần tử ăng ten là tín hi u xệ ếp chồng của tất cả các tín hiệu tới dàn

- Nguồn tín hi u t i n m trong trường vùng xa c a dàn ng ten: Đ ềệ ớ ằ ủ ă i u ki n này nh m ệ ằđảm bảo các m t sóng t i là sóng ph ng, các tín hi u tớặ ớ ẳ ệ i các ph n t ng ten theo ầ ử ă

hướng song song với nhau Giả định này sẽ đạt được khi khoảng cách từ ngu n tín ồhiệu tới ăng ten lớn hơn rất nhiều so với kích thước của dàn

- Các tín hiệu b nh hưởng b i nhi u tr ng: Hệị ả ở ễ ắ th ng vô tuy n tìm phương b nh ố ế ị ảhưởng bởi nhiễu trắng cộng Thành phần nhiễu này không tương quan với tín hiệu tới

cả trong miền không gian, thời gian và tần số Giả định này nhằm đảm bảo tính độc lập thống kê giữa tín hiệu và nhiễu cũng như đảm bảo tính đồng nhấ ảt nh hưởng của nhiễu tới các phần tử ă ng ten trong dàn

- Cơ chế truyền sóng tầm nhìn thẳng và phân cực của tín hiệu trùng với phân c c c a ự ủ

ăng ten t i th i i m xét ạ ờ đ ể

1.5.3 Phương pháp đánh giá kết quả các nội dung đề xuất

Nhằ đm ánh giá hi u n ng ho t động của các phương pháp, thuật toán đề xuất, luận án sẽ ệ ă ạtiến hành xây dựng các chương trình mô phỏng các thuật toán đó bằng ngôn ngữ lập trình Matlab Trong tất cả các mô phỏng, để ánh giá độ chính xác của phép xác định tham số, luận đ

án sử ụ d ng hai loại sai số đ ánh giá là sai số tuyệt đối và sai số ă c n quân phương

Sai số tuyệt đố đượi c dùng đánh giá độ chính xác trong phép xác định thông số DOA của một tín hiệu tới Sai s này được định ngh a là độ lệố ĩ ch gi a giá tr th c (giá tr gi định ban ữ ị ự ị ảđầu) vớ ếi k t qu xác định c a thu t toán ả ủ ậ

Sai số ă c n quân phương – RMSE được định nghĩa bởi công thức sau:

kiện ban đầ đặt ra đối với các kỹ thuật trong bài toán xác định hướng sóng tới Căn cứ vào u những phân tích lý thuyết đã nêu trong chương 1, luận án sẽ tiếp tục đi sâu nghiên cứu, phân tích và đánh giá các kỹ thuật xác định hướng sóng tới tiên ti n cho các h th ng đơn kênh và ế ệ ố

đa kênh s được trình bày trong các chương ti p theo ẽ ế

u chung

tuyến tìm phnhiều phần t cao tần Lu

ướng t i c aớ ủđược mô tả

y có thể kể đer) [72, 82]

Hình 2.1 Sơ

khối như chỉ

y thu tín hiệutín hiệu lần

phần tử ăng xác định thô

ô tuyến tìm p

nh cũng như

ệt so với hệ t

g Tuy nhiênính xác so v

nh hệ thống,thực

HƯƠNG

G TỚI CỦ

G VÔ TU KÊNH

ống vô tu

trúc đơn kê

t ử được kết

u thu được từóng cao tần

2.1 Các thuuật toán Watxác định hư

hệ ố th ng vô tu

nh 2.1, tín hiuyển mạch

g phần tử ă ng

c xử lý, khaiướng sóng tớphương đơn

ư công suất thống vô tuy

n, hệ thống v

vớ ệ ối h th ng, tốc độ cao

2

ỦA CÁC UYẾN TÌM

yến tìm p

ênh là hệ thốnối tới cùng

ừ các phần

S ơ đồ khối

uật toán i nđ ểtson – Watt ướng sóng t

u yến tìm phươiệu thu được sang 1 Bộ

g ten tới khố

i phá ở khối

ớ i

n kênh đó là tiêu thụ [72

yến tìm ph ơư

vô tuyến tìm

g đa kênh, thđối vớ ội b c

m phương đơhuật toán xửchuyển mạc h

ỆU BĂN ƠNG ĐƠ

đơn kênh

n tìm phươn

hu qua thôngđược xử lý nống vô tuyến

ứng d ng vớụtoán giả Dopvòng khóa

ten phần ạch này có nhiệu Các tínhiệu thô và t

máy thu đơn

n tìm

ới hệ ppler pha–

tử ẽ s nhiệm

2.2 Mộ t s thuật toán đ ể ố i n hình áp dụng cho hệ th ng vô tuyến tìm ố

ph ươ ng đơn kênh

Trong thực tế triển khai sử dụng, m t h th ng máy thu g m nhi u máy thu độc lập trở ộ ệ ố ồ ềnên khó thực hiện (như thi t bế ị ầ c m tay) Vì lý do đó, hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh

đã được nghiên c u và phát tri n Cho t i nay, nhiềứ ể ớ u phương pháp định hướng sóng t i áp ớ

dụng cho các hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh (gọi tắt là các phương pháp hay kỹthuật định hướng đơn kênh) đã được nghiên cứu và phát triển Trong đó, hai kỹ thuật định hướng đơn kênh đ ểi n hình đã được nghiên cứu và ứng d ng là kụ ỹ thuật Wattson – Watt sử dụng dàn ăng ten Adcock và kỹ thuật Doppler hay giả Doppler (Pseudo – Doppler) dùng một chuyển mạch giao hoán với một dàn ng ten tròn Các k thu t này ch yếă ỹ ậ ủ u được s dụng để ửxác định hướng tới của các tín hiệu có tần số khá thấp Đặc biệt thu t toán Adcock/Watson-ậWatt sử dụng cho t n s cỡầ ố 1000 MHz, trong khi thu t toán Doppler hay gi Doppler ho t ậ ả ạđộng trong dả ầi t n lên đến 2000 MHz Trong phần này, lu n án s trình bày tóm tắt nguyên lý ậ ẽhoạt động cũng như phân tích các đ ểi m mạnh và thiếu sót của hai thuật toán nêu trên

2.2.1 Kỹ thu t Wattson – Watt ậ

2.2.1.1 Nguyên lý hoạt động

Kỹ thuật định hướng Wattson – Watt [16, 79, 80] là kỹ thuật xác định hướng sóng tới cổ

đ ểi n d a trên s chênh l ch tương đốự ự ệ i của biên độ tín hi u u ra củệ đầ a các c p ng ten x p theo ặ ă ế

mô hình Adcock Kỹ thuật Wattson – Watt có thể triển khai áp dụng cho cả ệ h thống vô tuyến tìm phương đơn kênh và hệ thống a kênh, trong đó áp dđ ụng chủ ế y u cho hệ thống đơn kênh

Kỹ thuật Wattson – Watt đã được nghiên cứu phát triển và có thể được chia ra làm 3 loạ đi ó là

kỹ thuật 3 kênh, kỹ thuật 2 kênh và kỹ thuật đơn kênh

Kỹ thuật 3 kênh: Đây là k thu t đầu tiên được ứng dụng thực tế Hệ thống có cấu hình 3 ỹ ậcặp ăng ten vô hướng kết hợp với 3 kênh máy thu giống hệt nhau về tính năng và ống tia đ ệi n

tử CRT hiển thị tín hiệu đường quét chuẩn Để áp dụng kỹ thuật này hệ ố th ng thi t b có kích ế ịthước cồng kềnh, phức tạp và rất khó để đảm bảo đồng chỉnh c 3 kênh trong quá trình v n ả ậhành do đó không thích hợp với việc triển khai sử ụ d ng rộng rãi

Kỹ thuật 2 kênh: Phương pháp này loạ ỏi b bớ ăt ng ten vô hướng được dùng để xác nh địhướng thông qua một mạch cộng véc tơ tín hiệu của hai cặp anten trực giao Kỹ thuật này đòi hỏi máy thu hiển thị 2 kênh Tuy nhiên, hệ thống thiết bị lo i này vạ ẫn có nhược đ ểi m là cồng

kềnh, phức tạp và rất khó để đảm bảo đồng chỉnh cả 2 kênh trong quá trình vận hành Tuy nhiên, hệ thống vô tuyến tìm phương áp dụng kỹ thuật Wattson – Watt 2 kênh cho kết quả xác

định hướng sóng tới có chính xác khá cao độ

Kỹ thuật đơn kênh: Kỹ thu t đơn kênh được phát tri n nh m kh c ph c nhược i m m t ậ ể ằ ắ ụ đ ể ấđồng bộ tinh ch nh giữỉ a các kênh c a máy thu như đủ ã gặp phả ởi hai kỹ thuật trên Hệ thống

vô tuyến tìm phương áp dụng kỹ thuật này sử dụng 2 c p ng ten Adcock k t h p v i m t ặ ă ế ợ ớ ộ

ình 2.2 Mô hten Adcoc knhỏ hơn m tộ

rí như trên đ– W) Tín hiệ:

là tín hiệuen), là bá

hình ăng ten A

k gồm 2 ph nầ

t nửa bước sđượ đc ánh d

ệu băng cơ s

u nhận được

n kính của d

ng ứng với tầhiệu đến dànđược chọn lcặp ăng ten

đơn gi n h nả ơ

u iđ ểm của kkênh như sau

ử dụng 2 cặ

Adcock dùng

n tử đặt vuôsóng ứng vớ

dấu theo c p ặ

sở thu được

(trên thực tdàn ăng ten

i tần số hoạtlần lượt là

ng nghệ kéo , luận án sẽ t

Dipole bố trí

oán Watson - nhau trong

t động lớn ncặp Bắc – N

en nêu trên b

c giá trị đ ệ i nảng cách giữ

là tín hiệu th

Để xác địn Mô hình to

theo chi phtrình bày sơ

theo thiết kế

Watt

đó kho ng ảnhất của dàn.Nam, cặ Đp ôbiểu diễn ở

(2(2(2(2

n áp đo được

ữa 2 phần tửhông tin đã đ

nh hướng tớoán học đượ

(2(2

í xây lược

ế của

cách Các ông – miền

2.1) 2.2) 2.3) 2.4)

c trên

ử ăng được

ới của

c mô

2.5) 2.6)