BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HÁN TRỌNG THANH
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CHO HỆ
THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG SỬ DỤNG DÀN ĂNG TEN
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Hà Nội – 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HÁN TRỌNG THANH
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CHO HỆ
THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG SỬ DỤNG DÀN ĂNG TEN
Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 62520208
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. VŨ VĂN YÊM
Hà Nội – 2015
i
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.
Tác giả luận án
Hán Trọng Thanh
Giáo viên hướng dẫn khoa học
PGS. TS Vũ Văn Yêm
ii
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
iii
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.
1.4.2.
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
Mô hình tín hiệu thu của một số dàn ăng ten hay sử dụng trong kỹ
thuật xác định hướng sóng tới. ...................................................................................................... 16
iv
1.4.2.1.
Mô hình tín hiệu thu với dàn ăng ten đồng nhất tuyến tính
ULA ........................................................................................................................... 17
1.4.2.2.
1.5.
Mô hình tín hiệu thu với dàn ăng ten đồng dạng tròn đều UCA........ 20
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.
1.6.
Phương pháp đánh giá kết quả các nội dung đề xuất ............................................ 23
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.
2.2.2.
2.3.
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
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
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
2.3.4.
2.4.
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
Kết quả mô phỏng đánh giá hiệu năng phương pháp PLL – DOA cải tiến ..... 43
Kết luận chương............................................................................................................46
v
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
3.3.
3.3.2.
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
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
Thuật toán Total Forward Backward Matrix Pencil .............................................. 57
Kỹ thuật xác định hướng sóng tới sử dụng thuật toán TFBMP ....................60
3.4.1.
3.4.2.
3.5.
Thuật toán Barlet ................................................................................................ 52
Sơ lược về thuật toán Matrix Pencil ......................................................................53
3.3.1.
3.4.
3.2.3.1.
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
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
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
vi
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
vii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ADC
Analog to Digital Converter
Bộ chuyển đổi tương tự sang số
BPF
Band Pass Filter
Bộ lọc thông dải
BPSK
Binary Phase Shift Keying
Điều chế khóa pha nhị phân
CV
Correlative Vector
Véc tơ tương quan
DOA
Direction Of Arrival
Hướng sóng tới
DSP
Digital Signal Processing
Xử lý số tín hiệu
DFT
Discrette Fourier Transform
Biển đổi Fourier rời rạc
EVD
Eigen Value Decomposition
Khai triển các giá trị riêng
E–W
Easth – West
Đông Tây
ESPRIT
Estimation of Signal Parameters
via Rotation Invariance Technique
Ước lượng các tham số của tín hiệu
thông qua kỹ thuật quay bất biến
FFT
Fast Fourier Transform
Biển đổi Fourier nhanh
I/Q
In – Phase / Quarature
Điều chế I/Q
GPS
Global Positioning System
Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu
LPF
Low Pass Filter
Bộ lọc thông thấp
LNA
Low Noise Amplifier
Bộ khuếch đại tạp âm thấp
LS
Least Square
Bình phương tối thiểu
LOS
Line Of Sight
Tầm nhìn thằng
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
ML
Maximum Likelihood
Khả năng lớn nhất
MP
Matrix Pencil
Ma trận bút chì
N–S
North – South
Bắc Nam
PLL
Phase Locked Loop
Vòng khóa pha
RADAR
Radio Detection And Ranging
Định vị bằng sóng điện từ
RMSE
Root Mean Square Error
Sai số căn quân phương
RF
Radio Frequency
Tần số vô tuyến
SDR
Software Defined Radio
Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm
SDMA
Space Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo không gian
viii
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
TOA
Time Of Arrival
Thời gian đến
UCA
Uniform Circular Antenna Array
Dàn ăng ten đồng dạng tròn đều
ULA
Uniform Linear Antenna Array
Dàn ăng ten đồng dạng tuyến tính
UHF
Ultra High Frequency
Tần số siêu cao
VHF
Very High Frequency
Tần số rất cao
ix
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
x
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 .............................................................................................................................................. 52
Hình 3.7. Dàn ăng ten ULA trong hệ tọa độ Đề các ....................................................................... 61
Hình 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. .................................................................................. 63
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. ......................................................... 63
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. ....................... 64
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..................................................................... 64
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. .......................... 65
Hình 3.13. Kết quả xác định góc DOA = 65o đến dàn ăng ten ULA với 1000 mẫu tín
hiệu. ............................................................................................................................................. 65
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. ............................................................. 66
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 .................................................................................. 66
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. ............................... 67
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. ............................................................. 67
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. ........................................................................... 68
Hình 3.19. Dàn ăng ten UCA trong hệ tọa độ Đề các ....................................................................... 69
Hình 3.20. Kết quả xác định DOA của các tín hiệu không tương quan đến dàn ăng
ten UCA ....................................................................................................................................... 73
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 ............................... 74
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 ................................................................... 74
Hình 3.23. Kết quả xác định DOAcủa các tín hiệu không tương quan tới dàn ăng ten
UCA với 1000 mẫu tín hiệu. ................................................................................................ 75
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 ............................................................................................................................. 75
xi
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 ............................................ 76
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......................................................................... 76
Hình 3.27. Xác định hướng sóng tới của các tín hiệu tương quan tới dàn ăng ten
UCA............................................................................................................................................... 77
Hình 3.28. Xác định hướng sóng tới của các tín hiệu tương quan tới dàn ăng ten
UCA sử dụng thuật toán MUSIC......................................................................................... 77
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........................ 78
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 ........ 81
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 ................................................................................ 87
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 .................................................................................. 87
Hình 4.6. Kết quả xác định DOA của các tín hiệu băng rộng...................................................... 90
Hình 4.7. Độ chính xác xác định DOA của các tín hiệu băng rộng theo SNR ....................... 91
Hình 4.8. Độ chính xác xác định DOA của các tín hiệu băng rộng theo số lương
mẫu tín hiệu .............................................................................................................................. 91
xii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 2.1. Bảng so sánh thời gian tính toán của hai phương pháp PLL – DOA.................... 45
Bảng 3.1. Bảng khởi tạo các tham số mô phỏng với dàn ăng ten ULA ................................... 62
Bảng 3.2. Độ phân giải góc tín hiệu không tương quan của thuật toán với dàn ăng
ten ULA ....................................................................................................................................... 68
Bảng 3.3. Độ phân giải góc tín hiệu tương quan của thuật toán với dàn ăng ten
ULA............................................................................................................................................... 69
Bảng 3.4. Bảng khởi tạo các tham số mô phỏng với dàn ăng ten UCA ................................... 73
Bảng 3.5. Độ phân giải góc của thuật toán với dàn ăng ten UCA với các tín hiệu
không tương quan .................................................................................................................. 79
Bảng 3.6. Độ phân giải góc của thuật toán với dàn ăng ten UCA với các tín hiệu
tương quan................................................................................................................................ 79
Bảng 4.1
Bảng khởi tạo các tham số mô phỏng trong trường hợp đa đường .................... 85
Bảng 4.2
Kết quả xác định DOA (độ) trong các băng tần con................................................... 90
1
MỞ ĐẦU
1. Vai trò hệ thống vô tuyến tìm phương trong lĩnh vực điện tử viễn
thông
Với xu hướng phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, các hệ thống định vị vô
tuyến điện ngày càng đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực của đời sống xã hội. Các hệ
thống định vị vô tuyến điện điển hình như các hệ thống Radar, hệ thống định vị vệ tinh toàn
cầu cũng như các hệ thống vô tuyến tìm phương đã và đang được xây dựng phát triển hoàn
thiện hơn. Các hệ thống đó với ngày càng nhiều tính năng giúp con người có khả năng tìm
kiếm, xác định vị trí của mình cũng như các vật thể khác một cách nhanh chóng và ngày càng
chính xác. Trong các thông tin định vị mục tiêu, thông tin về hướng sóng tới của nguồn phát
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
2
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.
3
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.
4
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).
5
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]:
6
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.
- Xem thêm -