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

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 đa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS VŨ VĂN YÊM

Hà Nội – 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học 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 chưa từng xuất hiện 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 lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến PGS TS Vũ Văn Yêm đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trong quá trình nghiên cứu sinh Thầy đã dành nhiều thời gian và tâm huyết, hỗ trợ về mọi mặt để tác giả hoàn thành luận án

Tác giả xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Điện tử viễn thông, Bộ môn Hệ thống Viễn thông và Bộ môn Điện tử Hàng không Vũ trụ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu Chân thành cảm ơn các cán bộ, giảng viên cũng như các anh chị NCS của Viện Điện 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, vợ và các con đã luôn động viên, khích 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

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ ix

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xii

MỞ ĐẦU 1

1 Vai trò hệ thống vô tuyến tìm phương trong lĩnh vực điện tử viễn thông 1

2 Những vấn đề còn tồn tại 1

3 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu 2

4 Cấu trúc nội dung của luận án 3

5 Các đóng góp khoa học của luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG 5

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống vô tuyến tìm phương 5

1.2 Tổng quan các kỹ thuật xác định hướng sóng tới 8

1.3 Mô hình tín hiệu trong xác định hướng sóng tới 11

1.3.1 Khái quát về tín hiệu băng hẹp 12

1.3.2 Khái quát về tín hiệu băng rộng 13

1.4 Tổng quan một số dàn ăng ten nhiều phần tử sử dụng trong xác định hướng sóng tới 14

1.4.1 Các đặc trưng cơ bản của dàn ăng ten 14

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 16

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 20

1.5 Các thông số ảnh hưởng và điều kiện đặt ra trong bài toán xác định hướng sóng tới 21

1.5.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác trong việc xác định hướng sóng tới 21

1.5.2 Điều kiện ràng buộc ban đầu trong bài toán xác định hướng sóng tới của luận án 22

1.5.3 Phương pháp đánh giá kết quả các nội dung đề xuất 23

1.6 Kết luận chương 23

CHƯƠNG 2 XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CỦA CÁC TÍN HIỆU BĂNG HẸP SỬ DỤNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG ĐƠN KÊNH 24

2.1 Giới thiệu chung về hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh 24

2.2 Một số thuật toán điển hình áp dụng cho hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh 25

2.2.1 Kỹ thuật Wattson – Watt 25

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 thuật xác định hướng sóng tới dựa trên vòng khóa pha 30

2.3.1 Kiến trúc hệ thống 31

2.3.2 Mô tả phương pháp PLL – DOA truyền thống 32

2.3.3 Mô tả phương pháp PLL – DOA cải tiến 37

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 37

2.3.4 Kết quả mô phỏng đánh giá hiệu năng phương pháp PLL – DOA cải tiến 43

2.4 Kết luận chương 46

CHƯƠNG 3 XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CỦA CÁC TÍN HIỆU BĂNG HẸP SỬ

DỤNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG ĐA KÊNH 48

3.1 Giới thiệu chung về hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh 48

3.2 Một số thuật toán điển 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 50

3.2.3 Một số thuật toán khác 52

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 lược về thuật 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 thuật xác định hướng sóng tới sử dụng thuật toán TFBMP 60

3.4.1 Xác định hướng sóng tới của tín hiệu thu được từ dàn ăng ten ULA 61

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 69

3.4.2.1 Phân tích lý thuyết 69

3.4.2.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá 72

3.5 Kết luận chương 80

CHƯƠNG 4 XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CỦA CÁC TÍN HIỆU ĐA ĐƯỜNG VÀ TÍN HIỆU BĂNG RỘNG 81

4.1 Xác định hướng sóng tới của các tín hiệu đa đường 81

4.1.1 Phân tích lý thuyết 81

4.1.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá 85

4.2 Xác định hướng sóng tới của các tín hiệu băng rộng 88

4.2.1 Phân tích lý thuyết 88

4.2.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá 89

4.3 Kết luận chương 91

KẾT LUẬN 93

Đóng góp khoa học của luận án 93

Hướng phát triển của luận án 93

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 94

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 Điều chế khóa pha nhị phân

DFT Discrette Fourier Transform Biển đổi Fourier rời rạc

EVD Eigen Value Decomposition Khai triển các giá trị riêng

ESPRIT Estimation of Signal Parameters

via Rotation Invariance Technique

Ước lượng các tham số của tín hiệu thông qua kỹ thuật quay bất biến

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu

MUSIC MUltiple Signal Classification Phân loại tín hiệu

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

Response

Đáp ứng cực tiểu không méo

RADAR Radio Detection And Ranging Định vị bằng sóng điện từ RMSE Root Mean Square Error Sai số căn quân phương

SDR Software Defined Radio Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm SDMA Space Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo không gian

SNR Signal to Noise Ration Tỷ số tín hiệu trên tạp âm SVD Singular Value Decomposition Khai triển các giá trị kỳ dị SIR Signal to Interference Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SONAR Sound Navigation and Ranging Hệ thống định vị bằng 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 7

Hình 1.2 Phổ năng lượng của tín hiệu băng thông dải 11

Hình 1.3 Bộ giải mã tín hiệu I/Q 13

Hình 1.4 Biểu diễn tín hiệu băng rộng và tín hiệu băng hẹp trong miền − 13

Hình 1.5 Mô hình không gian khảo sát tín hiệu 14

Hình 1.6 Dàn ăng ten ULA trong hệ tọa độ Đề các 18

Hình 1.7 Mô hình sóng tới dàn ăng ten ULA trong mặt phẳng phương vị 18

Hình 1.8 Mô hình dàn ăng ten UCA trong hệ tọa độ Đề Các 20

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh 24

Hình 2.2 Mô hình ăng ten Adcock dùng trong thuật toán Watson - Watt 26

Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật Doppler 28

Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ thống vô tuyến tìm phương giả Doppler 28

Hình 2.5 Sơ đồ khối hệ thống vô tuyến tìm phương dựa trên phương pháp PLL – DOA 31

Hình 2.6 Sơ đồ cấu tạo khối xác định DOA 31

Hình 2.7 Mô hình dàn ăng ten UCA trong hệ tọa độ Đề Các 32

Hình 2.8 Pha tín hiệu tới dàn ăng ten 34

Hình 2.9 Đường cong sai khác đích 35

Hình 2.10 Pha tín hiệu không điều chế tại các phần tử ăng ten 38

Hình 2.11 Đường cong sai khác thu được từ PLL 38

Hình 2.12 Đường cong sai khác thu được thứ 2 từ PLL 39

Hình 2.13 Đường cong sai khác thu được đã hiệu chỉnh 40

Hình 2.14 Kết quả xác định hướng sóng tới DOA = 450 43

Hình 2.15 Kết quả xác định DOA với số lượng ăng ten thay đổi 44

Hình 2.16 Sai số kết quả xác định hướng sóng đến DOA khi thay đổi số lượng mẫu tín hiệu 45

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 48

Hình 3.2 Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh sử dụng thuật toán CV 49

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 49

Hình 3.4 Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh sử dụng thuật toán MUSIC 50

Hình 3.5 Phổ giả không gian của thuật toán CV và MUSIC ứng với góc DOA 120o 51Hình 3.6 Phổ giả không gian của thuật toán CV và MUSIC ứng với DOA 120o và

200o 52Hình 3.7 Dàn ăng ten ULA trong hệ tọa độ Đề các 61Hình 3.8 Kết quả xác định hướng DOA = 65o của tín hiệu có SNR = 5dB đến dàn

ăng ten ULA với một mẫu tín hiệu 63Hình 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 63Hình 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 64Hình 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 64Hình 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 65Hình 3.13 Kết quả xác định góc DOA = 65o đến dàn ăng ten ULA với 1000 mẫu tín

hiệu 65Hình 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 66Hình 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 66Hình 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 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 So sánh độ chính xác giữa TFBMP với MP trong trường hợp các tín hiệu

tương quan sử dụng dàn ăng ten ULA 68Hình 3.19 Dàn ăng ten UCA trong hệ tọa độ Đề các 69Hình 3.20 Kết quả xác định DOA của các tín hiệu không tương quan đến dàn ăng

ten UCA 73Hình 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 Kết quả xác định DOA tín hiệu không tương quan đến dàn ăng ten UCA

bằng thuật toán MUSIC với 1 mẫu tín hiệu 74Hình 3.23 Kết quả xác định DOAcủa các tín hiệu không tương quan tới dàn ăng ten

UCA với 1000 mẫu tín hiệu 75Hình 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 75

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

UCA 77Hình 3.28 Xác định hướng sóng tới của các tín hiệu tương quan tới dàn ăng ten

UCA sử dụng thuật toán MUSIC 77Hình 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 So sánh độ chính xác giữa TFBMP với MP trong trường hợp các tín hiệu

tương quan đến dàn ăng ten UCA 78Hình 4.1 Mô hình các tín hiệu đa đường tới dàn ULA trong mặt phẳng phương vị 81Hình 4.2 Kết quả mô phỏng xác định đồng thời các thông số TOA và DOA của các

tín hiệu đa đường 86Hình 4.3 Kết quả mô phỏng xác định thông số TOA của các tín hiệu đa đường với

một mẫu tín hiệu 86Hình 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 87Hình 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 87Hình 4.6 Kết quả xác định DOA của các tín hiệu băng rộng 90Hình 4.7 Độ chính xác xác định DOA của các tín hiệu băng rộng theo SNR 91Hình 4.8 Độ chính xác xác định DOA của các tín hiệu băng rộng theo số lương

mẫu tín hiệu 91

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang Bảng 2.1 Bảng so sánh thời gian tính toán của hai phương pháp PLL – DOA 45Bảng 3.1 Bảng khởi tạo các tham số mô phỏng với dàn ăng ten ULA 62Bảng 3.2 Độ phân giải góc tín hiệu không tương quan của thuật toán với dàn ăng

ten ULA 68Bảng 3.3 Độ phân giải góc tín hiệu tương quan của thuật toán với dàn ăng ten

ULA 69Bảng 3.4 Bảng khởi tạo các tham số mô phỏng với dàn ăng ten UCA 73Bảng 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 85Bảng 4.2 Kết quả xác định DOA (độ) trong các băng tần con 90

xạ so với điểm khảo sát có vai trò rất quan trọng [82] Trong các lĩnh vực dân sự như lĩnh vực quản lý tần số, thông tin về hướng sóng tới giúp con người có thể xác định vị trí các nguồn bức xạ trái phép, các nguồn sóng gây nhiễu; Trong các hệ thống thông tin viễn thông hiện đại, thông tin về hướng sóng tới giúp hệ thống thực hiện đa truy nhập phân chia theo không gian SDMA…Trong lĩnh vực quân sự, thông tin về hướng sóng tới có vai trò rất quan trọng trong việc thu thập thông tin chiến trường, tình báo quân sự, điều khiển dẫn hướng các khí tài quân sự…

Trong các hệ thống thông tin viễn thông, việc ước lượng các tham số của tín hiệu thu trong cả miền thời gian, miền tần 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 của tín hiệu như tần số, biên độ, pha… thì tham số như hướng sóng tới và thời gian truyền sóng cũng cần thiết phải được xác định chính xác đặc biệt đối với các hệ thống viễn thông đa ăng ten hoặc các hệ thống thực hiện chức năng đa truy nhập phân chia theo không gian SDMA Thông tin về hướng sóng tới sẽ giúp hệ thống viễn thông tăng khả năng khôi phục kênh truyền, phối hợp đồng bộ, bù lệch tần số hay tự động điều chỉnh đồ thị bức xạ theo hướng cần thiết để tăng chất lượng tín hiệu thu [66] Chính vì những 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 tồn tại

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 thuật cũng như ứng dụng không ngừng tăng lên 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 đang là chủ đề nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước Khi dựa vào kiến trúc 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 hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh (hệ thống đa kênh) với các ưu nhược điểm riêng biệt

Hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh với ưu điểm nhỏ gọn, giảm công suất tiêu thụ, thích hợp triển khai trong các thiết bị di động nhưng thuật toán xử lý phức tạp, độ chính xác bị hạn chế bởi các yếu tố liên quan đến kiến trúc Các phương pháp xác định hướng sóng tới áp dụng 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 đã 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 kết hợp với bộ chuyển mạch cao tần đặt ra yêu cầu phải giảm độ phức tạp từ đó tăng tốc độ hội tụ của thuật 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 tới điển hình áp dụng cho hệ thống đa kênh như được đề xuất trong [22, 65, 84, 85, 88, 90] Một 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 tăng lên nhưng kéo theo đó là việc tăng dung lượng bộ nhớ đệm, tăng tốc độ lấy mẫu cũng như tăng thời gian xử lý tính toán Từ đó sẽ làm giảm hiệu năng 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 hiệu áp dụng cho các hệ thống đa kênh là cấp thiết

Ngoài các vấn đề còn tồn tại đã nêu trên, vấn đề xác định hướng sóng tới trong môi trường

đa đường cũng như đối với các tín hiệu tương quan và tín hiệu băng rộng cũng đã được các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu [89, 96, 100, 104], tuy nhiên kết quả còn chưa được như mong muốn Chính vì vậy, việc tiếp tục phát triển nghiên cứu các kỹ thuật xác 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 xuất phương pháp cải tiến nhằm làm giảm độ phức tạp trong tính toán xác định hướng sóng tới của hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh sử dụng vòng khóa pha

 Nghiên cứu các phương pháp, thuật toán, kỹ thuật xác định hướng sóng tới với số lượng nhỏ mẫu tín hiệu áp dụng cho hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh

 Nghiên cứu các kỹ thuật xử lý các tín hiệu đa đường và các tín hiệu băng rộng

Các nội dung đề xuất nêu trên đều hướng tới một mục tiêu chung là nghiên cứu phát triển nâng cao hiệu năng hoạt động của các hệ thống vô tuyến tìm phương tiên tiến

Đối tượng nghiên cứu:

 Hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh và đa kênh

 Các mô hình dàn ăng ten thường sử dụng trong các hệ thống vô tuyến tìm phương

 Các kỹ thuật xác định hướng sóng tới của tín hiệu không tương quan và tương quan

Phương pháp và phạm vi nghiên cứu:

 Phương pháp nghiên cứu của luận án bao gồm việc nghiên cứu lý thuyết, xây dựng

mô hình, đề xuất, cải tiến các thuật toán kết hợp với mô phỏng trên máy tính

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 tuyến tìm phương: Chương này giới thiệu sơ lược

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 từ các hệ thống ăng ten đó Từ đó đặt ra các điều kiện ràng buộc và phạm vi nghiên cứu của luận án

Chương 2: Xác định hướng sóng tới của các tín hiệu băng hẹp sử dụng hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh: Chương 2 mô tả kiến trúc hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh, tập trung phân tích một số kỹ thuật xác định hướng sóng tới điển 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 hiệu năng hoạt động của hệ thống sẽ được phân tích đánh giá một cách chi tiết

Chương 3: Xác định hướng sóng tới của các tín hiệu băng hẹp sử dụng hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh: Kiến trúc hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh cũng như một

số kỹ thuật xác định hướng sóng tới điển hình áp dụng cho hệ thống loại này sẽ được giới thiệu, phân tích đánh giá trong chương 3 Chương này sẽ tập trung phân tích đề xuất áp dụng thuật toán Total Forward Backward Matrix Pencil (TFBMP) trong xác định hướng sóng tới trong cả hai trường hợp sử dụng dàn ăng ten đồng dạng tuyến tính (ULA) và dàn ăng ten đồng dạng tròn đều (UCA) với các tín hiệu tương quan, không tương quan và việc xác định tách biệt các tín hiệu đa đường

Chương 4: Xác định hướng sóng tới của các tín hiệu đa đường và tín hiệu băng rộng: Chương này kế thừa và phát triển các kết quả nghiên cứu của chương 3 trong việc phân tách các tín hiệu đa 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 đồng thời các tham số hướng sóng tới (DOA) và thời gian trễ truyền sóng (TOA) của các tín hiệu tới từ cùng một nguồn nhưng đi theo các đường khác nhau Chương 4 cũng tập trung 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 tới của các tín hiệu băng rộng đó

Phần kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án: Phần này trình bày tóm tắt

các kết quả đạt được của luận án và nêu ra hướng phát triển tiếp theo của đề tài, cũng như các nghiên cứu dự kiến sẽ được thực hiện trong tương lai

5 Các đóng góp khoa học của luận án

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

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

đó tăng tốc độ xử lý cũng như giải pháp khắc phục nhược điểm nhầm lẫn của vòng khóa pha khi có 2 tín hiệu tương tự nhau đến dàn anten cùng một thời điểm 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 mẫu tín hiệu trong điều kiện bị ảnh hưởng nhiễu, có khả năng xác định được hướng sóng tới của các tín hiệu tương quan và tín hiệu băng rộng

3 Đề xuất phương pháp xác định đồng thời thông số DOA và TOA của các tín hiệu thu được bởi dàn ăng ten ULA dựa trên thuật toán TFBMP từ đó xác định được hướng tới của tín hiệu trong tầm nhìn thẳng (LOS)

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG

1.1 Giới thiệu chung về hệ 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 phần tử Dựa vào thông tin về hướng tới của sóng vô tuyến, người ta có thể xác định sơ bộ phương hướng của các nguồn bức xạ trong không gian so với điểm khảo sát để từ đó có thể định vị chính xác các nguồn bức xạ Việc nghiên cứu các kỹ thuật xác định hướng sóng tới cũng như nghiên cứu thiết kế, xây dựng và triển khai các hệ thống vô tuyến tìm phương trên thực tế đã được các nhà khoa học trong và ngoài nước đặc biệt quan tâm Ở nước ta, đã có rất nhiều các khí tài quân sự cũng như các thiết bị vô tuyến tìm phương dân dụng đã được thiết kế, xây dựng và triển khai ở Bộ Quốc Phòng, Bộ Công An, Cục quản lý tần số cũng như trong lĩnh vực 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 với độ chính xác rất cao với sai số ≤ 1.5 trong các điều 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 thức xử lý tín hiệu

- Phân loại dựa vào phương thức xử lý tín hiệu: Dựa vào phương thức xử lý tín hiệu của các hệ thống vô tuyến tìm phương người ta có thể chia ra làm ba loại như sau:

o Hệ thống 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 phần tử của dàn ăng ten từ đó tìm vị trí mà tại đó 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 ăng ten Thông tin về hướng sóng tới có thể xác định từ chính pha của tín hiệu hoặc độ sai pha của tín hiệu thu được giữa các phần tử ăng 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 tử của dàn ăng ten Hệ thống dạng này thường áp dụng các phương pháp định dạng búp sóng và các thuật toán phân giải cao

- Phân loại dựa vào kiến trúc hệ thống [72, 81]:

o Hệ thống vô tuyến tìm phương với kiến trúc đa kênh: Hệ thống vô tuyến tìm phương kiến trúc đa kênh là hệ thống sử dụng dàn ăng ten nhiều phần tử trong đó tín hiệu đến từng phần tử của dàn được thu và xử lý bởi từng máy thu độc lập Các máy thu có vai trò như bộ tiền xử lý tín hiệu, đầu ra của từng máy thu là cơ sở để

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

 Ưu điểm của hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh đó là độ chính xác cao, tốc độ xử lý cao và có độ phân giải tốt

 Nhược điểm của hệ thống đa kênh: kiến trúc máy thu cồng kềnh, thuật toán

xử lý phức tạp, chi phí cao về giá thành cũng như công suất tiêu thụ, nhiều trường hợp trong thực tế là không khả thi đối với các thiết bị di động

o Hệ thống vô tuyến tìm phương kiến trúc đơn kênh: Hệ thống vô tuyến tìm phương có kiến trúc đơn kênh là hệ thống sử dụng dàn ăng ten nhiều phần tử nhưng dùng chung một máy thu tín hiệu Máy thu được kết nối với các phần tử của dàn ăng ten qua một chuyển mạch cao tần Luồng dữ liệu đầu ra của máy thu được xử lý để tìm ra thông tin về hướng sóng tới

 Ưu điểm của hệ thống đơn kênh: Kiến trúc máy thu đơn giản, nhỏ gọn, tiết kiệm về giá thành cũng như công suất tiêu thụ; Trong nhiều ngữ cảnh, hệ thống đơn kênh có khả năng được triển khai ứng dụng trong các thiết bị di động

 Nhược điểm của hệ thống đơn kênh: độ chính xác trung bình, thuật toán xử lý phức 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 phần tử Các máy thu này làm nhiệm vụ xử lý tín hiệu thu được từ các phần tử ăng ten từ đó đưa ra thông tin về hướng sóng tới của tín hiệu Với vai trò quan trọng như vậy, việc nghiên cứu thiết kế kiến trúc máy thu là nhiệm vụ cấp thiết đối với các hệ thống

vô tuyến tìm phương Trên thực tế, có hai kiểu kiến trúc đã và đang được phát triển áp dụng cho các hệ máy thu trong lĩnh vực 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 Điều này dẫn tới sự cứng nhắc, thiếu linh hoạt trong việc thay đổi các chức năng làm việc của máy thu Thông thường, khi áp dụng các chuẩn mới, các máy thu loại này thường bị loại bỏ thay thế bởi các máy thu khác theo đúng chức năng dẫn tới

sự lãng phí vật tư Mặt khác, các khối xử lý được thiết kế bằng phần cứng do đó rất khó giảm kích thước mạch điện tử cũng như công suất tiêu thụ

Nhằm khắc phục các nhược điểm của kiến trúc máy thu truyền thống, trong những năm trở lại đây, các nhà khoa học đã và đang phát triển kiến trúc máy thu mới: Kiến trúc máy thu

vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm – máy thu SDR Máy thu SDR là loại máy thu bao gồm hầu hết các khối xử lý được xây dựng bằng phần mềm Đây được coi là một kiến trúc mở dựa trên một phần nhỏ nền tảng phần cứng chung được sử dụng để cung cấp, hỗ trợ nhiều chuẩn truyền thông khác nhau Với kiến trúc định nghĩa bằng phần mềm, các máy thu trở nên linh hoạt hơn và có khả năng tái cấu hình nhanh chóng, thích ứng với nhiều loại tín hiệu, phương thức điều chế khác nhau Hơn nữa, với việc các khối được thiết kế bằng phần mềm sẽ giảm đáng kể kích thước mạch điện tử, công suất tiêu thụ cũng như chi phí sản xuất Chính vì vậy, việc ứng dụng công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm cho các máy thu trong lĩnh vực thông tin vô tuyến nói chung cũng như các hệ thống vô tuyến tìm phương nói riêng sẽ đem lại nhiều lợi ích to lớn

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

Các hệ thống vô tuyến tìm phương với các máy thu được xây dựng trên nền tảng vô tuyến điều khiển bằng phần mềm được coi là các hệ thống vô tuyến tìm phương tiên tiến Đối với các máy thu định nghĩa bằng phần mềm, kiến trúc lý tưởng như trình bày trong Hình 1.1 sẽ bao gồm các thành phần xử lý tín hiệu tương tự được tối thiểu hóa chỉ gồm ăng ten thu, khối lọc thông dải cao tần (RF – BPF), khối khuếch đại tạp âm thấp (LNA) Tín hiệu tương tự sau

đó được số hóa ở tần số cao rồi đưa đến khối xử lý tín hiệu để từ đó đưa ra được thông tin mong muốn mà cụ thể là thông tin hướng sóng tới của tín hiệu

Với các hệ thống vô tuyến tìm phương tiên tiến, nhiệm vụ nghiên cứu phát triển và cải thiện hiệu năng hoạt động của các hệ thống đó có thể được chia làm hai hướng chính:

Cải tiến cấu trúc dàn ăng ten: Hiệu năng hoạt động của các hệ thống thông tin viễn thông

đa ăng ten nói chung cũng như các hệ thống vô tuyến tìm phương nói riêng bị ảnh hưởng khá lớn bởi cấu trúc vật liệu, hình học… của dàn ăng ten Việc nghiên cứu phát triển, cải tiến cấu trúc của dàn ăng ten nhằm làm giảm lỗi ước lượng, tăng độ phân giải, tính vô hướng… đã và đang được các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu [5, 6, 38, 69, 78, 101]

Cải tiến các phương pháp xử lý tín hiệu áp dụng cho máy thu SDR: Các phương pháp xử

lý tín hiệu triển khai trên khối DSP được coi là phần cốt lõi của các máy thu SDR Các phương pháp xử lý tín hiệu ở đây bao gồm các kỹ thuật chuẩn hóa tín hiệu cho đầu ra của khối ADC cũng như các kỹ thuật xác định hướng sóng tới áp dụng trên các tín hiệu đã được

chuẩn hóa đó Trong các máy thu SDR, các tín hiệu thu được sẽ được lấy mẫu ở tần số cao Chính điều này gây ra nhiều thách thức khiến tín hiệu bị sai lệch so với giá trị mong muốn như hiện tượng chồng phổ, lỗi lượng tử và đặc biệt là hiện tượng sai pha do sự không ổn định của 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 đã và đang được phát triển và đạt được những kết quả khả 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 tới của tín hiệu Đó là thông tin quan trọng nhất của hệ thống vô tuyến tìm phương Chính vì vậy, việc nghiên cứu, phát triển các 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 Đây chính là vấn đề xuyên suốt mà luận án sẽ tập trung nghiên cứu

1.2 Tổng quan các kỹ thuật xác định hướng sóng tới

Thông thường, các hệ thống vô tuyến tìm phương thường sử dụng các dàn ăng ten nhiều phần tử để thu tín hiệu từ đó tìm ra hướng tới của các tín hiệu đó bằng các kỹ thuật xác định 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 từ năm 1888, Heinrich Hertz phát hiện đặc tính hướng của ăng ten khi tiến hành thí nghiệm trong dải sóng decimet Một ứng dụng cụ thể của nó là xác định hướng tới của sóng điện từ đã được đề xuất vào năm 1906 trong phương pháp định 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 điện 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 điện từ Hệ thống vô tuyến tìm phương vòng quay là một trong những máy định hướng thuộc loại này được biết tới nhiều nhất Vào những năm đầu của thế kỷ 20, Belini và Tosi [13] cùng với Marconi [62] đã tìm ra phương pháp xác định hướng sóng tới dựa trên đặc tính hướng của các phần tử ăng 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 ăng ten vòng) với một máy đo góc để xác định hướng Sau đó, việc sử dụng dàn ăng ten nhiều phần tử trong xác định hướng sóng tới đã được đề xuất bởi Adcock [10] và Keen [53]

Đề xuất đó 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 ăng ten tuyến tính phân cực đứng (ăng-ten cần hoặc lưỡng cực) có thể tạo được giản đồ ăng ten tương

tự với các ăng ten vòng mà không bị bất kỳ ảnh hưởng nào từ thành phần trường phân cực ngang Tuy nhiên, năm 1972 G Eckard đã chứng minh rằng điều này không đúng trong mọi trường hợp Mãi cho đến năm 1931 ăng-ten Adcock mới lần đầu tiên được sử dụng ở Anh và Đức

Vào những năm 1925-1926, Watson-Watt đã xây dựng hệ thống vô tuyến tìm phương điện tử trực quan phát triển từ hệ thống dùng máy đo góc theo kiểu cơ khí Năm 1931, xuất

hiện các máy định hướng được ngụy trang sử dụng trên xe cũng như máy định hướng có thể mang vác được để phát hiện lính do thám chiến trường Kể từ năm 1943, tàu hải quân Anh được trang bị hệ thống 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, hệ thống vô tuyến tìm phương sóng ngắn đã được xây dựng dựa trên nguyên lý Doppler Vào thời điểm này với sự phát triển nhanh chóng về kỹ thuật xây dựng các đài radar, các nhà khoa học ở Anh đã tập trung phát triển mở rộng dải tần hoạt động của các 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, thiết bị định hướng sử dụng dãy ăng ten được bố trí theo hình tròn có độ

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

xa Từ những năm 1950, sân bay trên toàn thế giới đã được trang bị hệ thống vô tuyến tìm phương Doppler VHF/ UHF Doppler để kiểm soát không lưu

Đầu những năm 1970, công nghệ kỹ thuật số được áp dụng vào định hướng và định vị sóng radio; tạo tín hiệu hướng và điều khiển số từ xa là những sản phẩm từ sự phát triển đó

Kể từ năm 1980, xử lý tín hiệu số đã được sử dụng ngày càng nhiều trong các hệ thống vô tuyến tìm phương Nó cho phép hiện thực hóa các thiết bị định hướng giao thoa và hướng tới việc thực hiện định hướng đa sóng (siêu phân giải) Mặc dù việc nghiên cứu về lý thuyết đã được thực hiện trước đó rất nhiều

Một yếu tố quan trọng khác thúc đẩy sự phát triển xa hơn của các thiết bị định hướng là yêu cầu định hướng các phát xạ biến đổi được tần số như nhảy tần và trải phổ tín hiệu Từ những yêu cầu đó, các hệ thống thiết bị định hướng băng thông rộng, có khả năng đồng thời thực hiện dò tìm và định hướng dựa trên chuỗi các bộ lọc số (và sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFT)) đã được nghiên cứu phát triển [100, 106]

Với sự phát triển rất nhanh về công nghệ Điện tử Viễn thông cho phép chúng ta có thể ước lượng pha và biên độ của tín hiệu tới một cách chính xác với tốc độ xử lý cao, cùng với

đó là các yêu cầu ngày một cao và khắt khe hơn về khả năng định hướng đa sóng, độ chính xác và độ phân giải siêu cao trong xác định hướng sóng tới Một trong những phương pháp đầu tiên nhằm xác định tham số hướng đến của tín hiệu sử dụng dàn ăng ten nhiều phần tử là phương pháp hay kỹ thuật định dạng búp sóng (Beamforming) [11] Trong kỹ thuật định dạng búp sóng, người ta sử dụng một bộ xử lý được gọi là “Bộ tạo định dạng búp sóng” (Beamformer) cùng với một tập hợp các cảm biến (hoặc các phần tử ăng ten trong dàn ăng ten nhiều phần tử) để nhận tín hiệu phát ra từ một nguồn bức xạ cụ thể nào đó và làm suy giảm các tín hiệu đến từ các nguồn khác Mô hình bộ tạo định dạng búp sóng đầu tiên được ra đời với tên gọi “Trọng số - Trễ - Tổng” (Weight – Delay – Sum Beamformer) Với bộ tạo định dạng búp sóng kiểu này, đầu ra của các cảm biến được đánh trọng số và làm trễ theo một cảm biến tham chiếu để đưa các thành phần tín hiệu từ một vài hướng đích về thẳng hàng và sau

đó lấy tổng Các trọng số được lựa chọn là các hằng số đối với các hướng khác nhau Khi tín hiệu đến các bộ cảm biến từ cùng một nguồn, năng lượng trung bình đầu ra của bộ tạo định dạng búp sóng sẽ đạt cực đại khi nó được định hướng đến đúng nguồn phát Độ phân giải của

bộ tạo định dạng búp sóng đó phụ thuộc vào khẩu độ của tập hợp các cảm biến và hướng lái theo Tuy nhiên, phương pháp này hoạt động không hiệu quả trong trường hợp có nhiều nguồn tín hiệu tới

Trong điều kiện bị tác động bởi nhiễu và tạp âm cũng như trong trường hợp có nhiều nguồn tín hiệu tới, để có thể sử dụng được các bộ tạo định dạng búp sóng, người ta phải sử dụng phương pháp đánh hệ số thích ứng Năm 1967, Burg đề xuất phương pháp ước lượng phổ với Entropy cực đại (Maximum Entropy Method – MEM) [15] dựa trên hoạt động của một bộ lọc dự đoán tuyến tính Hệ số đầu tiên của bộ lọc được khởi tạo duy nhất, các hệ số còn lại được lựa chọn nhằm làm cực tiểu công suất nhiễu đầu ra của dàn ăng ten Một phương pháp đánh hệ số tương ứng rất nổi tiếng khác được đề xuất bởi Capon trong [17] với tên gọi

“Phương pháp đáp ứng không méo phương sai cực tiểu” (Minimum Variance Distortion Response – MVDR) Ý tưởng cơ bản của Capon là chọn trọng số để làm cực tiểu công suất của 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 giải tốt hơn nhiều so với phương pháp của Bartllet Tuy nhiên phương pháp này sẽ cho kết quả không chính xác trong trường hợp các tín hiệu tới là các tín hiệu tương quan Các ưu nhược điểm của phương pháp Capon được phân tích trong [35] Ngoài ra, đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu mở rộng phương pháp của Capon 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 rộng rãi, chúng vẫn có những hạn chế vì chúng không có một

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 hiệu Pisarenko đã ứng dụng thành công phương pháp này khi phục hồi lại được các thành phần tín hiệu từ một phần của ma trận hiệp phương sai của tín hiệu [76] Ý tưởng của Pisarenko có thể được áp dụng vào việc xác định hướng góc tới cho tín hiệu khi sử dụng dàn ăng ten đồng dạng tuyến tính ULA Vào đầu những năm 1980, Schmidt đã đề xuất một thuật toán rất mạnh có tên là MUSIC [88] Thuật toán MUSIC ra đời có ý nghĩa như một cuộc cách mạng đối với vấn đề ước lượng các tham số của tín hiệu trong đó có tham số hướng sóng tới Một trong những đóng góp quan trọng của thuật toán MUSIC là ước lượng được các tham số của tín hiệu theo hướng hình học Đối với phương pháp này, không gian tín hiệu được ước lượng bằng các giá trị riêng của ma trận hiệp phương sai Để thực hiện điều đó, chúng ta phải xây dựng bản sao mảng tín hiệu thu “Array manifold” bằng cách kiểm tra tất cả các trường hợp có thể xảy ra của đáp ứng mảng pha so với tín hiệu đơn Với những thiết kế dàn ăng ten phù hợp, không gian tham số của tín hiệu liên hệ chính xác với “Array manifold”, vì thế tham số của tín hiệu có thể được xác định

chính xác bằng cách tìm vùng gần nhất giữa không gian tín hiệu con và “Array manifold” theo một vài ngưỡng chuẩn nào đó Ví dụ như chuẩn bình phương tối thiểu “Least Squares – LS” chọn mô hình mà làm cho tổng bình phương sai số giữa dữ liệu và mô hình là nhỏ nhất, hay chuẩn khả năng lớn nhất “Maximum Likelihood – ML” chọn véc tơ tham số có liên quan đến những đo đạc giống nhất Trong thuật toán MUSIC ban đầu được đề xuất, người ta sử dụng quá trình tìm kiếm một chiều cho các tham số nên giảm được tải tính toán trong khi cho những kết quả phân cực khi ước lượng với số mẫu giới hạn Ngoài ra có rất nhiều kỹ thuật đã được áp dụng để cải tiến thuật toán MUSIC

1.3 Mô hình tín hiệu trong xác định hướng sóng tới

Như trên đã phân tích, các hệ thống vô tuyến tìm phương dựa trên tín hiệu thu được từ các dàn ăng ten nhiều phần tử, sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu để tìm ra thông tin về hướng sóng tới Chính vì vậy, việc nghiên cứu mô hình tín hiệu sóng tới cũng như đặc điểm tính chất các hệ dàn ăng ten khác nhau là một yêu cầu cơ bản nhất đối với bài toán thiết kế hệ thống vô tuyến tìm phương

Trong lĩnh vực vô tuyến điện, các tín hiệu sóng điện từ được phát đi lan truyền trong không gian và được thu nhận bởi các hệ ăng ten Các tín hiệu sóng điện từ lan truyền đều có băng thông nhất định Dựa vào các phân đoạn băng thông là tỷ số giữa băng thông trên tần

số trung tâm người ta có thể chia tín hiệu ra làm hai loại là tín hiệu băng hẹp và tín hiệu băng rộng Trong [91, 109], xét một dàn ăng ten có phần tử với một tín hiệu tới dàn, tín hiệu đầu

ra tại phần tử thứ được định nghĩa là

trong đó ℎ ( ) là đáp ứng xung của phần tử thứ , (∗) biểu thị cho phép tích chập, là độ trễ tín hiệu tại phần tử ăng ten thứ còn là thành phần nhiễu trắng Thông thường thành phần nhiễu được coi là không tương quan với tín hiệu trong tất cả các miền Nếu thành phần nhiễu khác nhiễu trắng nhưng trong trường hợp chúng ta biết thành phần hiệp phương sai thì cũng có thể coi đó là nhiễu trắng Tín hiệu sóng điện từ ( ) thông thường là tín hiệu điều chế từ tín hiệu băng cơ sở Nếu tín hiệu ( ) là tín hiệu thực, thì mật độ phổ công suất của tín hiệu đó sẽ đối xứng xung quanh gốc tọa độ như biểu diễn trong Hình 1.2

Hình 1.2 Phổ năng lượng của tín hiệu băng thông dải

Khi biểu diễn phương trình (1.1) trong miền tần số chúng ta có

ở đây, dấu (∗) biểu thị thành phần liên hiệp phức

Sau khi loại bỏ thành phần ∗( − 2 ) bằng bộ lọc thông dải, ta có tín hiệu nhận được như sau

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

Bộ giải mã tín hiệu I/Q điển hình có thể được mô tả như trong Hình 1.3

Hình 1.3 Bộ giải mã tín hiệu I/Q

Một dạng thức toán học khác để mô tả tín hiệu băng hẹp đó là biểu diễn trong miền phức Dạng thức đó là

1.3.2 Khái quát về tín hiệu băng rộng

Đối với các tín hiệu như được mô tả trong phương trình (1.6) có băng thông ∆ lớn, với

tỷ số ∆ không quá bé so với 1 (Băng thông ∆ có thể so sánh được với thành phần tần số sóng mang ) thì tín hiệu ( ) được coi là tín hiệu băng rộng và không thể xấp xỉ hóa như phương trình (1.7) Nói một cách khác thì các thành phần số mũ của phương trình (1.6) không phải là một hằng số và tín hiệu ra của các phần tử ăng ten sẽ không biểu diễn được dưới dạng véc tơ của các tín hiệu băng hẹp [109] Hình 1.4 mô tả sự biểu diễn tín hiệu băng hẹp và băng rộng được thu bởi dàn ăng ten tuyến tính trong miền tần số - số sóng (ω − k)

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

Từ Hình 1.4 chúng ta dễ thấy tín hiệu băng hẹp chỉ như một hàm xung Diract – Delta tại một tần số với một chỉ số sóng, trong khi đó tín hiệu băng rộng trải dài trên cả miền tần số

Đối với tín hiệu băng rộng, cách thông dụng nhất để có thể khai phá thông tin hướng sóng tới của chúng đó là chia nhỏ thành nhiều tín hiệu băng hẹp bằng cách sử dụng các bộ lọc chuỗi hoặc sử dụng biến đổi DFT theo thời gian và lựa chọn các thành phần tần số có mức công suất cao nhất Tuy nhiên, phương pháp này nhiều lúc có thể không hoạt động vì đã loại bỏ các băng tần hẹp mà ở đó có chứa thông tin hướng sóng tới [109, 110]

1.4 Tổng quan một số dàn ăng ten nhiều phần tử sử dụng trong xác định hướng sóng tới

Trong lĩnh vực thông tin viễn thông hiện đại, các dàn ăng ten nhiều phần tử ngày càng được sử dụng rộng rãi với nhiều ứng dụng khác nhau Dàn ăng ten là một hệ thống bao gồm nhiều ăng ten thành phần (thường được gọi là các phần tử dàn ăng ten) Lợi ích cơ bản nhất của hệ dàn ăng ten đó là chúng ta có thể thay đổi được độ rộng của búp sóng chính, thay đổi được vị trí của chúng trong không gian với tốc độ cao đồng thời tăng được khả năng chống nhiễu, tăng hệ số khuếch đại của ăng ten từ đó tăng hiệu năng hoạt động như cự ly hoạt động, khả năng phát hiện, bám sát và truyền thông tin của hệ thống sử dụng dàn ăng ten Việc sử dụng dàn ăng ten nhiều phần tử giúp hệ thống thông tin có thể phối hợp hoạt động cùng một lúc với nhiều máy phát hoặc máy thu ở một vài tần số trong một vài hướng quan sát khác nhau để thực hiện nhiều mục đích Bên cạnh những lợi ích cơ bản vừa đề cập, việc sử dụng dàn ăng ten nhiều phần tử cũng mắc phải một số những nhược điểm như cồng kềnh, khó triển khai 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 phần tử đem lại

Khi nghiên cứu đến các hệ dàn ăng ten, chúng ta cần nghiên cứu các đặc trưng của hệ dàn ăng ten đó Trong [1-3], các đặc trưng cơ bản của dàn ăng ten bao gồm đặc trưng biên độ, đặc trưng pha và đặc trưng phân cực Các đặc trưng đó có thể được mô tả tóm lược như sau

1.4.1 Các đặc trưng cơ bản của dàn ăng ten

1.4.1.1 Đặc trưng biên độ của dàn ăng ten

Hình 1.5 Mô hình không gian khảo sát tín hiệu

Xét một nguồn tín hiệu ở trường vùng xa của dàn ăng ten bức xạ tín hiệu tới dàn ăng ten với điểm tham chiếu của dàn đặt tại gốc tọa độ (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 điện từ tại một điểm tùy ý trong trường vùng xa có thể viết dưới dạng:

trong đó:

- , , là tọa độ của điểm phát xạ trong hệ tọa độ cầu với gốc tọa độ là vị trí nguồn phát xạ sóng điện từ

- là biên độ dòng tại một điểm nào đó trên ăng ten

- ( , ) ( , ) = ( , ) là hàm phức phụ thuộc cấu trúc của ăng ten

- ( , ) là pha của trường

Mô đun của hàm ( , ) , tức ( , ), được định nghĩa là đặc trưng biên độ của dàn ăng ten xác định sự phụ thuộc của biên độ cường độ trường của ăng ten tại các điểm nằm trong trường vùng xa và cách đều ăng ten vào hướng quan sát

Để dễ dàng so sánh tính định hướng giữa các ăng ten khác nhau, người ta đưa ra khái niệm đặc trưng biên độ chuẩn hóa: đó là tỷ số giữa giá trị của đặc trưng biên độ ( , ) 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 mặt hình học tạo bởi các điểm 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 bằng hằng số :

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 phần của mặt đẳng pha bằng các mặt cầu Như vậy đối với mỗi phần tử chúng ta có một tâm pha Tập hợp các tâm pha ứng với tất

cả các khoảng có thể nằm trong một miền nào đó xung quanh không gian vị trí đặt ăng ten Người ta thường biểu diễn hàm đặc trưng pha trong các mặt phẳng và

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 trưng phân cực 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 của dàn là tổng của hai trường phân cực tuyến tính có các véc tơ cường độ điện trường E , E vuông góc với nhau và lệch pha nhau một góc γ nào đó

Giả sử cường độ trường có giá trị tức thời được cho trước là:

Hệ số phân cực: Là tỷ số giữa bán trục nhỏ ( ) và bán trục lớn ( ) của elip và được gọi là hệ số phân cực và ký hiệu là =

Đặc trưng phân cực: Là sự phụ thuộc của hệ số phân cực vào hướng tới điểm 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 kỹ thuật

xác định hướng sóng tới

Trong các hệ thống thông tin viễn thông sử dụng dàn ăng ten, để thực hiện yêu cầu phối hợp cùng một lúc với nhiều máy phát, máy thu cùng hoạt động ở một vài tần số trong một vài

hướng quan sát thì chúng ta phải điểu khiển được hướng tính của dàn ăng ten Thông thường

có 3 phương pháp điều khiển hướng tính của dàn ăng ten đó là:

- Điều khiển đặc trưng phân bố pha của các phần tử trong dàn ăng ten

- Điều khiển đặc trưng phân bố biên độ của các phần tử trong dàn ăng ten

- Điều khiển đặc trưng phân bố phân cực của các phần tử trong dàn ăng ten

Trong các phương pháp đó, phương pháp điều khiển phân bố pha là có hiệu quả nhất Chính vì vậy, các dàn ăng ten mảng pha được quan tâm sử dụng hơn cả trong các hệ thống thông tin viễn thông Việc điều khiển phân bố pha của từng phần tử ăng ten trong dàn được thực hiện bằng các thiết bị điện tử, chủ yếu sử dụng các bộ quay pha điện tử từ đó loại bỏ các nhược điểm của các thiết bị cơ khí Dàn ăng ten mảng pha không những cho phép đạt được tốc độ quét cao mà còn có khả năng điều khiển cả dạng giản đồ hướng, tăng công suất phát

xạ, nâng cao khả năng chống nhiễu cho toàn hệ thống Mặt khác, dàn ăng ten mảng pha cho phép khả năng thay đổi vị trí cực đại búp sóng trong không gian với tốc độ lớn hoặc làm hẹp hay mở rộng chúng trong thời gian rất nhanh Đây là đặc điểm rất quan trọng đối với các hệ thống định vị vô tuyến điện như Radar hay các hệ thống vô tuyến tìm phương Đến nay, người

ta đã chế tạo và đưa vào sử dụng nhiều loại dàn ăng ten mảng pha ở những dải sóng khác nhau với số lượng phần tử thay đổi bố trí trên mặt phẳng hoặc cong Trong những năm gần đây, dàn ăng ten mảng pha phẳng được quan tâm phát triển nhiều hơn Tuy vậy, lý thuyết kỹ thuật 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 điểm đã phân tích ở trên, các dàn ăng ten mảng pha được ứng dụng rất rộng 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 ứng dụng dàn ăng ten mảng pha phẳng với hai dạng dàn ăng ten điển hình đó là dàn ăng ten đồng dạng tuyến tính thẳng (Uniform Linear Antenna – ULA) và dàn 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 tổng hợp phân tích như sau

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

Dàn ăng ten đồng nhất tuyến tính ULA có thể được mô tả như là tập hợp gồm phần

tử 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 chiều

Đề Các vuông góc như Hình 1.6 với điểm tham chiếu là phần tử thứ nhất của dàn ăng ten được đặt tại gốc tọa độ Một nguồn phát sóng vô tuyến đặt rất xa dàn ăng ten, bức xạ tín hiệu đến dàn ăng ten với góc tới trong cả mặt phẳng tà và mặt phẳng phương vị lần lượt là và

Hình 1.6

Tuy nhiên trong phạm vi nghiên c

trong cùng mặt phẳng phương v

truyền tới dàn ăng ten được mô t

tìm phương người ta hay ch

tín hiệu tới các phần tử của dàn ăng ten Do ngu

ten do đó độ dịch pha đư

Đáp ứng pha của dàn ăng ten đ

công thức sau:

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

m vi nghiên cứu của luận án, tác giả chỉ xét t

ng phương vị với dàn ăng ten ( = 90 ), khi đó mô h

c mô tả như Hình 1.7 Thông thường, trong các

i ta hay chọn mốc chuẩn tương ứng với góc = 0

nh phương chính bắc trong các hệ thống đó được th

ng hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPS

Mô hình sóng tới dàn ăng ten ULA trong mặt phẳng phương v

ằm ở trường vùng xa của dàn ăng ten nên chúng ta d

ử ăng ten thứ so với tại điểm tham chiếu đư

= + m.d.sin(θ)

c sóng của tín hiệu tới, là dịch pha tín hiệu trên đư

a dàn ăng ten Do nguồn tín hiệu nằm ở trường được giả định không đổi trên tất cả các phần tử

a dàn ăng ten đối với tín hiệu thu tại phần tử ăng ten th

=

tới những tín hiệu nằm , khi đó mô hình sóng phẳng

ng, trong các hệ thống vô tuyến

với là hệ số tăng ích của phần tử ăng ten thứ

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

Phương trình (1.33) thể hiện tín hiệu nhận được tại mỗi phần tử ăng ten là hàm liên tục về thời gian Tín hiệu này sau đó có thể được lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫu tại mỗi khoảng thời gian rời rạc là như sau:

Để đơn giản hóa phương trình này, chúng ta có thể biểu diễn cách khác cho tín hiệu rời rạc theo thời gian ( ) là ( ) Điều 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 dạng rời rạc của tín hiệu nhận được tại mỗi phần tử ăng ten Tín hiệu thu được khi biểu diễn dưới dạng này có thể coi là dữ liệu tín hiệu nhận được với nhiều mẫu tín hiệu Mỗi một mẫu tín hiệu (snapshot) được định nghĩa là một mẫu dữ liệu thu được Các mẫu dữ liệu đó sẽ được xử lý để cho ra thông tin về hướng sóng tới Các mẫu tín hiệu có thể được đơn giản hóa như sau:

Như vậy, các thông tin c

đến dàn ăng ten , hệ số truy

hướng đến của tín hiệu

cho đề tài luận án là bài toán

được giá trị tương ứng

1.4.2.2 Mô hình tín hi

Dàn ăng ten đồng dạng

gồm phần tử ăng ten sắp x

phần tử cũng như khoảng cách gi

không gian, dàn ăng ten UCA có kích thư

với dàn ăng ten ULA chúng ta ch

−90 cho đến 90 , tuy nhiên

tín hiệu từ mọi hướng (360

Xét dàn ăng ten UCA đ

với tâm của dàn được xét là đi

được đặt trong mặt phẳng XOY Tín hi

góc phương vị và góc ngẩ

Hình 1.8

Giả sử rằng các tín hiệ

dàn ăng ten UCA như trong

tín hiệu đến phần tử ăng ten th

Với = là hệ số truy

trong hệ tọa độ không gian ba chi

Đáp ứng pha của dàn ăng ten đ

công thức sau:

các thông tin của tín hiệu mà phương trình (1.35) mô tả

truyền sóng , khoảng cách giữa hai phần tử Các thông tin về , , được giả thiết là đã bibài toán xác định Giả sử có tín hiệu đến, luận án

ng

Mô hình tín hiệu thu với dàn ăng ten đồng dạng tròn

ng tròn đều (Uniform Circular Antenna – UCA

p xếp trên một đường tròn bán kính Thông thư

ng cách giữa các phần tử ăng ten liên tiếp là như nhau, thkhông gian, dàn ăng ten UCA có kích thước nhỏ gọn hơn so với dàn ăng ten ULA M

chúng ta chỉ có thể xác định được các giá trị góc đnhiên dàn ăng ten UCA cho phép chúng ta xác đ

360 )

Xét dàn ăng ten UCA đặt trong hệ tọa độ Đề Các vuông góc như mô t

c xét là điểm tham chiếu đặt tại gốc tọa độ (0,0,0

ng XOY Tín hiệu đến xuất phát từ một nguồn trong không gian vẩng

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

u tới có nguồn nằm ở trường vùng xa của dàn ăng ten, vdàn ăng ten UCA như trong Hình 1.8, chúng ta có thể dễ dàng chứng minh đư

ăng ten thứ với so với điểm tham chiếu là:

Các vuông góc như mô tả trong Hình 1.8,

0), các phần tử ăng ten

n trong không gian với

Các

a dàn ăng ten, với mô hình

ng minh được sai pha của

(1.36)

a phần tử ăng ten thứ

ăng ten thứ được cho bởi

(1.37)

với là hệ số tăng ích của phần tử ăng ten thứ Với mỗi một tín hiệu sóng điện từ tới dàn ăng ten, tín hiệu thu được tại mỗi phần tử ăng ten sẽ có dạng

Trong đó, ( ) là đường bao phức băng cơ sở của tín hiệu Trong phạm vi nghiên cứu của

đề tài, luận án chỉ khảo sát những tín hiệu đến dàn nằm trong cùng mặt phẳng với các phần tử ăng ten với giả thiết mặt phẳng đó là mặt phẳng phương vị tức là = 90 và = 0 xét với mọi phần tử ăng ten Với dàn ăng ten phần tử bán kính , chúng ta có tọa độ của phần tử thứ trong hệ tọa độ Đề Các là:

Xét tới sự ảnh hưởng của nhiễu đối với tín hiệu thu được, với các nguồn tín hiệu nằm ở trường vùng xa của dàn ăng ten, tín hiệu nhận được tại mỗi phần tử ăng ten của dàn UCA sẽ là:

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 của tín hiệu sóng điện từ thu được tại mỗi phần tử của dàn ăng ten UCA Tương tự như lập luận ở phần 1.4.1.1, chúng ta có mẫu rời rạc của tín hiệu thu được tại phần tử ăng ten thứ là

Trong trường hợp có 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 đó có thể được khái quát như sau:

- Số lượng phần tử ăng ten trong dàn: Số lượng phần tử ăng ten trong dàn phải lớn hơn

số nguồn tín hiệu tới Thông thường khi số lượng phần tử ăng ten càng nhiều, độ chính xác sẽ tăng lên Tuy nhiên, số phần tử ăng ten ảnh hưởng rất lớn tới kích thước cũng như 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 cũng như kích thước của hệ thống

- Khoảng cách giữa các phần tử ăng ten – : Khoảng cách giữa các phần tử ăng ten

là một thông số rất quan trọng của các dàn ăng ten nhiều phần tử Thông thường được chọn nhỏ hơn một nửa bước sóng ( ) của tín hiệu thu để tránh hiện tượng phát sinh búp sóng phụ trong mô hình bức xạ của ăng ten Mặt khác, trong việc thiết kế ăng ten, 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 hỗ thích hợp giữa các phần tử ăng ten Hơn nữa, việc lựa chọn giá trị của cũng ảnh hưởng tới kích thước của hệ thống

- Số lượng mẫu tín hiệu: Số lượng mẫu tín hiệu có ảnh hưởng quan trọng tới độ chính

xác cũng như độ phân giải của các thuật toán xác định hướng sóng tới Số lượng mẫu càng nhiều thì độ chính xác sẽ càng cao, tuy nhiên sẽ dẫn tới tăng dung lượng bộ nhớ cũng như khối lượng tính toán của hệ thống Mặt khác, với các thuật toán sử dụng ít mẫu tín hiệu sẽ làm giảm tần số lấy mẫu cũng như làm giảm ảnh hưởng của hiện tượng sai pha do sự không ổn định pha sóng tới (Jitter) trong bài toán lấy mẫu tín hiệu

- Tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR): Giá trị SNR quyết định rất lớn tới độ chính xác của

các 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 hiệu: tính tương quan giữa các tín hiệu tới có ảnh hưởng

rất lớn tới độ chính xác của các thuật toán xác định hướng sóng tới Với các tín hiệu tương quan, để có thể khai phá được tín hiệu, hệ thống vô tuyến tìm phương phải phá

vỡ được tính tương quan đó rồi sau đó mới xác định được hướng tới của tín hiệu 1.5.2 Điều kiện ràng buộc ban đầu trong bài toán xác định hướng sóng tới của

- Môi trường truyền dẫn đồng nhất, đẳng hướng và tuyến tính: Giả sử có nguồn tín

hiệu sẽ phát đi tín hiệu tới dàn ăng ten phần tử trong môi trường truyền dẫn đồng nhất, đẳng hướng và tuyến tính Việc giả định này nhằm đảm bảo đặc tính vật lý của

tín hiệu tới từ mọi hướng là như nhau cũng như tín hiệu thu được tại mỗi phần tử ăng ten là tín hiệu xếp chồng của tất cả các tín hiệu tới dàn

- Nguồn tín hiệu tới nằm trong trường vùng xa của dàn ăng ten: Điều kiện này nhằm

đảm bảo các mặt sóng tới là sóng phẳng, các tín hiệu tới các phần tử ăng ten theo hướng song song với nhau Giả định này sẽ đạt được khi khoảng cách từ nguồn tín hiệu tới ăng ten lớn hơn rất nhiều so với kích thước của dàn

- Các tín hiệu bị ảnh hưởng bởi nhiễu trắng: Hệ thống vô tuyến tìm phương bị ảnh

hưởng 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 nhất ảnh hưởng của nhiễu tới các phần tử ăng ten trong dàn

- Cơ chế truyền sóng tầm nhìn thẳng và phân cực của tín hiệu trùng với phân cực của ăng ten tại thời điểm xét

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

Nhằm đánh giá hiệu năng hoạt động của các phương pháp, thuật toán đề xuất, luận án sẽ tiến 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 đánh giá độ chính xác của phép xác định tham số, luận

án sử dụng hai loại sai số đánh giá là sai số tuyệt đối và sai số căn quân phương

Sai số tuyệt đối được dùng đánh giá độ chính xác trong phép xác định thông số DOA của một tín hiệu tới Sai số này được định nghĩa là độ lệch giữa giá trị thực (giá trị giả định ban đầu) với kết quả xác định của thuật toán

Sai số căn quân phương – RMSE được định nghĩa bởi công thức sau:

đa kênh sẽ được trình bày trong các chương tiếp theo

CHƯƠNG 2 XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CỦA CÁC TÍN HIỆU BĂNG HẸP SỬ DỤNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG ĐƠN

KÊNH

2.1 Giới thiệu chung về hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh

Hệ thống vô tuyến tìm phương kiến trúc đơn kênh là hệ thống vô tuyến tìm phương sử dụng dàn ăng ten nhiều phần tử, các phần tử được kết nối tới cùng một máy thu qua thông qua một chuyển mạch cao tần Luồng dữ liệu thu được từ các phần tử ăng ten được xử lý nhằm xác định được hướng tới của tín hiệu sóng cao tần Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh được mô tả như Hình 2.1 Các thuật toán điển hình được ứng dụng với hệ thống thu loại này có thể kể đến như thuật toán Watson – Watt [79], thuật toán giả Doppler (Pseudo – Doppler) [72, 82] và kỹ thuật xác định hướng sóng tới dựa trên vòng khóa pha– PLL [40, 41]

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

Trong sơ đồ khối như chỉ ra trong Hình 2.1, tín hiệu thu được từ dàn ăng ten phần tử sẽ được đưa đến máy thu tín hiệu qua bộ chuyển mạch sang 1 Bộ chuyển mạch này có nhiệm

vụ quét và truyền tín hiệu lần lượt từ từng phần tử ăng ten tới khối xử lý tín hiệu Các tín hiệu thu được từ các phần tử ăng ten sẽ được xử lý, khai phá ở khối xử lý tín hiệu thô và từ đó được tính toán và xác định thông tin về hướng sóng tới

Ưu điểm của hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh đó là kiến trúc máy thu đơn giản, nhỏ gọn, tiết kiệm về giá thành cũng như công suất tiêu thụ [72] Trong nhiều ngữ cảnh, hệ thống đơn kênh có tính ưu việt so với hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh đó là có tính khả thi đối với các thiết bị di động Tuy nhiên, hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh cũng gặp một số nhược điểm về độ chính xác so với hệ thống đa kênh, thuật toán xử lý khá phức tạp cũng như yêu cầu về độ ổn định hệ thống, tốc độ cao đối với bộ chuyển mạch cao tần đặc biệt trong các ứng dụng thời gian thực

2.2 Một số thuật toán điển hình áp dụng cho hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh

Trong thực tế triển khai sử dụng, một hệ thống máy thu gồm nhiều máy thu độc lập trở nên khó thực hiện (như thiết bị cầm tay) Vì lý do đó, hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh

đã được nghiên cứu và phát triển Cho tới nay, nhiều phương pháp định hướng sóng tới áp dụng cho các hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh (gọi tắt là các phương pháp hay kỹ thuật định hướng đơn kênh) đã được nghiên cứu và phát triển Trong đó, hai kỹ thuật định hướng đơn kênh điển hình đã được nghiên cứu và ứng dụng là kỹ 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 ăng ten tròn Các kỹ thuật này chủ yếu được sử dụng để xác định hướng tới của các tín hiệu có tần số khá thấp Đặc biệt thuật toán Adcock/Watson-Watt sử dụng cho tần số cỡ 1000 MHz, trong khi thuật toán Doppler hay giả Doppler hoạt động trong dải tần lên đến 2000 MHz Trong phần này, luận án sẽ trình bày tóm tắt nguyên lý hoạt động cũng như phân tích các điểm mạnh và thiếu sót của hai thuật toán nêu trên

2.2.1 Kỹ thuật Wattson – Watt

Kỹ thuật Wattson – Watt đã được nghiên cứu phát triển và có thể được chia ra làm 3 loại đó là

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

Kỹ thuật 3 kênh: Đây là kỹ thuật đầu tiên được ứng dụng thực tế Hệ thống có cấu hình 3

cặp ăng ten vô hướng kết hợp với 3 kênh máy thu giống hệt nhau về tính năng và ống tia điện

tử CRT hiển thị tín hiệu đường quét chuẩn Để áp dụng kỹ thuật này hệ thống thiết bị có kích thước cồng kềnh, phức tạp và rất khó để đảm bảo đồng chỉnh cả 3 kênh trong quá trình vận hành do đó không thích hợp với việc triển khai sử dụng rộng rãi

Kỹ thuật 2 kênh: Phương pháp này loại bỏ bớt ăng ten vô hướng được dùng để xác định

hướng 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 loại này vẫn có nhược điểm 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 độ chính xác khá cao

Kỹ thuật đơn kênh: Kỹ thuật đơn kênh được phát triển nhằm khắc phục nhược điểm mất

đồng bộ tinh chỉnh giữa các kênh của máy thu như đã gặp phải ở hai kỹ thuật trên Hệ thống

vô tuyến tìm phương áp dụng kỹ thuật này sử dụng 2 cặp ăng ten Adcock kết hợp với một

máy thu do đó nó trở nên nhỏ gọn hơn, đơn giản hơn về mặt công nghệ kéo theo chi phí xây dựng và vận hành giảm Để làm rõ hơn ưu điểm của kỹ thuật này, luận án sẽ trình bày sơ lược

về nguyên lý hoạt động của kỹ thuật đơn kênh như sau

Kỹ thuật Wattson – Watt đơn kênh sử dụng 2 cặp ăng ten Dipole bố trí theo thiết kế của Adcock như Hình 2.2

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

Một cặp ăng ten Adcock gồm 2 phần tử đặt vuông góc với nhau trong đó khoảng cách giữa các phần tử nhỏ hơn một nửa bước sóng ứng với tần số hoạt động lớn nhất của dàn Các ăng ten được bố trí như trên được đánh dấu theo cặp lần lượt là cặp Bắc – Nam, cặp Đông – Tây (N – S và E – W) Tín hiệu băng cơ sở thu được từ dàn ăng ten nêu trên biểu diễn ở miền phức như sau [52]:

Giả sử, phần tử ăng ten E được chọn làm mốc tức = 0 Để xác định hướng tới của tín hiệu, điện áp đầu ra của 2 cặp ăng ten được so sánh với nhau Mô hình toán học được mô

tả như sau: