Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật viễn thông: Nâng cao chất lượng xác định hướng sóng tới cho hệ thống vô tuyến tìm phương sử dụng dàn ăng ten

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:114

Thêm vào BST

Báo xấu

81
lượt xem 16
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án: 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật viễn thông: Nâng cao chất lượng xác định hướng sóng tới cho hệ thống vô tuyến tìm phương sử dụng dàn ăng ten

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. 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
iv 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
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 3.2.3.1. 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
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 Ước lượng các tham số của tín hiệu via Rotation Invariance Technique 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 Đáp ứng cực tiểu không méo Response 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 Ma trận bút chì thuận ngược Pencil 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.