zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Điện - Điện tử

Thực nghiệm kiểm chứng và đánh giá các phương pháp Beamforming, MVDR và MUSIC

Chia sẻ: Phó Cửu Vân | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Báo xấu

11
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết "Thực nghiệm kiểm chứng và đánh giá các phương pháp Beamforming, MVDR và MUSIC" trình bày kết quả nghiên cứu đo thực nghiệm cho ba phương pháp ước lượng hướng đến của nguồn tín hiệu vô tuyến tại tần số 1090 MHz. Ba phương pháp gồm quét búp sóng truyền thống Beamforming (CB), đáp ứng phương sai cực tiểu không méo (MVDR) và phương pháp phân loại nhiều nguồn tín hiệu (MUSIC). Theo đó, mảng anten tuyến tính 4 phần tử cách đều nhau nửa bước sóng được xem xét đo thực nghiệm. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Thực nghiệm kiểm chứng và đánh giá các phương pháp Beamforming, MVDR và MUSIC

Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP BEAMFORING, MVDR VÀ MUSIC Đoàn Văn Sáng1*, Nguyễn Duy Thái2, Hoàng Văn Phúc3 và Phạm Văn Chung1 1 Khoa Thông tin – Radar, Học Viện Hải Quân 2 Viện Điện tử, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự 3 Viện Tích hợp Hệ thống, Học viện Kỹ thuật Quân sự Email: *doansang.g1@gmail.com Tóm tắt— Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu đo thực Cụ thể, nhóm tác giả trong [7] đã sử dụng mô-đun nghiệm cho ba phương pháp ước lượng hướng đến của BladeRF x115 [8] để đo hướng đến của tín hiệu sử nguồn tín hiệu vô tuyến tại tần số 1090 MHz. Ba phương dụng hai anten thu. Mặc dù đã kiểm chứng được tính pháp gồm quét búp sóng truyền thống Beamforming đúng của thuật toán MUSIC, kết quả trong [7] cho thấy (CB), đáp ứng phương sai cực tiểu không méo (MVDR) và phương pháp phân loại nhiều nguồn tín hiệu hạn chế nhất định của MUSIC khi chỉ đo đạc với 2 (MUSIC). Theo đó, mảng anten tuyến tính 4 phần tử kênh thu và một nguồn đến. cách đều nhau nửa bước sóng được xem xét đo thực Trong nghiên cứu này, chúng tôi thực hiện đo thực nghiệm. Kết quả đánh giá sử dụng ba thuật toán cho nghiệm với anten tuyến tính 4 phần tử đặt cách nhau thấy phương pháp MUSIC cho độ chính xác ước lượng /2 ≈ 13,7 cm. Các phần tử là anten dải rộng Vivaldi. tốt hơn CB và MVDR. Đồng thời tập dữ liệu trong Trong kịch bản thử nghiệm, một nguồn tín hiệu được nghiên cứu này cũng được công khai để cộng đồng đo đạc từ góc -60o đến 60o với bước cách 1o. Dữ liệu đo nghiên cứu, phát triển các phương pháp mới cho bài toán được xử lý bởi ba thuật toán CB, MVDR và MUSIC để ước lượng hướng đến tín hiệu vô tuyến. tính góc ước lượng, so sánh với góc thực tế (xác định Từ khóa - Đo thực nghiệm, ước lượng hướng đến, bằng thước đo góc). mảng anten tuyến tính, tín hiệu vô tuyến. Phần còn lại của bài báo được cấu trúc như sau: phần II trình bày mô hình xác định hướng đến của tín hiệu và đánh giá kết quả mô phỏng. Phần III mô tả thực I. GIỚI THIỆU nghiệm và đánh giá hiệu quả ước lượng DOA cho cả Ước lượng hướng đến của nguồn tín hiệu vô tuyến ba thuật toán. Cuối cùng, kết luận bài báo được trình là một trong những nhiệm vụ quan trọng các hệ thống bày trong phần IV. trinh sát điện tử. Ngoài ra, nó còn được sử dụng trong các lĩnh vực khác như thông tin vô tuyến, tác chiến II. MÔ HÌNH THU TÍN HIỆU CỦA MẢNG điện tử, radar, sonar, vô tuyến thiên văn, hàng hải, bắt ANTEN TUYẾN TÍNH bám các loại đối tượng chuyển động, động đất, y tế và các thiết bị hỗ trợ khẩn cấp khác [1-2]. Có rất nhiều thuật toán được áp dụng cho ước lượng hướng đến (DOA: Direction of Arrival) của tín hiệu vô tuyến, trong đó, ba phương pháp gồm quét búp sóng truyền thống (CB: Conventional Beamforming) [2], đáp ứng phương sai cực tiểu không méo (MVDR: Minimum Variance Distortionless Response) [3] và phân loại nhiều nguồn tín hiệu (MUSIC: Multiple Signal Classication) [4] được sử dụng phổ biến nhất. Đa phần các phương pháp này được nghiên cứu đánh giá dựa trên mô phỏng, đầu vào của các mô phỏng là tín hiệu được mô hình hóa bằng lý thuyết thu tín hiệu của mảng. Mặc dù những nghiên cứu mô phỏng mang lại hiệu quả nhất định về tính đúng của thuật toán, tuy Hình 1. Mô hình có k nguồn phát với mảng anten M phần tử nhiên các yếu tố sai số tác động từ bên ngoài khi triển khai thực tế lại khó kiểm soát và chưa được đánh giá Xem xét mảng tuyến tính M phần tử giống nhau, trong mô phỏng. đẳng hướng được sắp xếp đều nhau trên một đường Để đánh giá các vấn đề triển khai thuật toán vào thẳng. Khoảng cách giữa 2 phần tử là    / 2 và thực tế, một số nghiên cứu đã được triển khai trên các khoảng cách giữa nguồn phát và phần tử thứ nhất là dk phần cứng chuyên biệt [5] hay FPGA [6] và SDR [7]. Khi mà tín hiệu tạo ra bởi k nguồn phát, si (t ) , 1  i  ISBN 978-604-80-8932-0 441
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) k, nguồn phát này có góc tới là  i khi đó tín hiệu và ˆ a H ( )R xx a( ) P( ) = PCON = . (7) nhiễu tạp không tương quan nhận được tại phần tử thứ a H ( )a( ) m tại thời điểm t được biểu diễn như sau: 2.2. Phương pháp MVDR k xm (t ) =  si (t )e j ( m −1) i + nm (t ); m = 1, 2,..., M (1) i =1 Phương pháp MVDR là phương pháp cải tiến của phương pháp quét búp sóng. Khi nhiều nguồn tín hiệu 2 đến, ước lượng DOA gồm công suất tín hiệu nguồn Với i = sin i . đến không chỉ trong hướng đến mà còn ở các hướng  khác. Phương pháp MVDR giảm thiểu ảnh hưởng của Ở dạng ma trận thì (1) có thể viết dưới dạng: tạp nhiễu bằng cách giảm tổng công suất đầu ra.  s1 (t )   s (t )  Véc tơ trọng số được tính toán: x(t ) = [a(1 ) , a(2 ) ,..., a(k )]  2  + n(t ) = As(t ) + n(t ) (2) ˆ R −1a( )   w = w MVDR = H xx −1 (8)   ˆ a ( )R a( )  sk (t )  xx Thay vào (6) ta được phổ tín hiệu trong không gian là: Với x(t ) =  x1 (t ), x2 (t ),..., xM (t )  là dữ liệu cột nhận T 1 bởi mảng anten ULA (Uniform Linear Array), P( ) = PMVDR = H . (9) ˆ a ( )R −1a( ) xx s(t ) = [ s1 (t ), s2 (t ),..., sk (t )]T là tín hiệu ở dạng cột do nguồn phát ra. Tuy nhiên, MVDR cũng có một vài hạn chế: nếu n(t ) = [n1 (t ), n2 (t ),..., nM (t )] là tạp không tương quan hướng đến của tín hiệu khác gần với tín hiệu mong với tín hiệu có ích. muốn thì sẽ có sai số lớn. Nó cần tính toán ma trận ngược, do đó nếu số trấn tử lớn thì nó cần tính toán Véc tơ hướng a( i ) được xác định bởi công thức: tương quan lớn. a( i ) = [1 e jμi e j2μi ... e j(M-1)μi ]T (3) 2.3. Phương pháp MUSIC Phương pháp MUSIC cải thiện được độ phân giải Ma trận định hướng A của mảng được viết như sau: trong xác định được hướng đến của nguồn phát sử A = [a( 1 )...a( i )...a(  k )] dụng kỹ thuật phân tích không gian riêng. Phương pháp này thực hiện phân rã ma trận hiệp phương sai  1 1 1   e j 1 j k  thành hai ma trận trực giao tương ứng cho không gian e j 2 e (4) tín hiệu và không gian nhiễu tạp. Việc ước lượng =    hướng đến được thực thi từ một trong các không gian  j ( M −1) 1 j ( M −1) 2 j ( M −1) k  con đó, với giả thuyết là tạp ở mỗi kênh là không e e e  tương quan. Ma trận hiệp phương sai của dữ liệu đầu 2.1. Phương pháp CB vào R xx được biểu diễn như sau: Phương pháp quét búp sóng truyền thống (CB) R xx =AR ss A H +  NI M 2 (10) hoạt động dựa trên nguyên lý quét lần lượt các góc trong giới hạn góc quạt nhất định (ví dụ -90o đến 90o) Với Rss là ma trận hiệp phương sai của tín hiệu, để tìm ra góc hướng đến của tín hiệu thu được. Theo  2 đó, góc hướng của tín hiệu là hướng mà tại đó công N phương sai của nhiễu, I M là ma trận đơn vị có công suất thu được là lớn nhất [1]. Bài toán này cho hạng M. Qua một vài biến đổi thấy rằng véc-tơ riêng kết quả tốt khi mà chỉ có duy nhất một nguồn tín hiệu của ma trận Rxx thành hai không gian con trực giao với đến. Véc-tơ trọng số w sử dụng cho quá trình quét búp nhau: tín hiệu và nhiễu. Véc-tơ định phương tương sóng được kết hợp với dữ liệu thu về của mảng anten ứng hướng nguồn đến nằm trong không gian tín hiệu tạo ra tín hiệu đầu ra có dạng như sau: và trực giao với không gian của nhiễu. Do tính chất y (t ) = w H x(t ) (5) trực giao nên a H (θ)Vn V n a(θ)=0 H (11) Khi đó công suất đầu ra trung bình của mảng anten với số mẫu N là: Với Vn là ma trận chứa các véc tơ riêng của tạp nhiễu, 1 N ˆ a(θ) là véc tơ quay ứng với góc θ . P( w) =  ( y (tn ) ) 2 = w H R xx w (6) N n =1 Thuật toán MUSIC tìm nguồn đến được xây dựng bởi công thức: Sau khi chuẩn hóa véc-tơ trọng số thì công suất đầu ra 1 là hàm của góc đến được tính theo phương trình: P( ) = PMUSIC = H . (12) a ( )V nV n a(θ) H ISBN 978-604-80-8932-0 442
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) 2.4. Mô phỏng đánh giá các phương pháp kết nối với máy tính qua cổng LAN. Trên máy tính dữ Kết quả mô phỏng đánh giá sai số ước lượng DOA liệu thu được được lưu trữ và xử lý bằng Matlab. Dữ của mảng anten 4 phần tử bố trí trong mặt phẳng cách liệu thu được lưu dưới dạng tín hiệu IQ với độ dài đều nhau một khoảng nửa bước sóng. Mô phỏng giả 20000 mẫu. Kết quả được đánh giá bằng sai số dự định mảng anten xác định hướng đến của 2 nguồn tín hiệu không tương quan đặt ở vị trí trường xa cách đoán hướng đến của nguồn phát so với hướng thực tế. nhau ở các góc phương vị khác nhau là 0o và 40o. Hình 4. Hình ảnh kịch bản đo đạc thực tế Kích thước vật lý của phần tử Vivaldi là 116×145 mm, làm việc trong dải tần từ 0.8 GHz đến 4 GHz. Hình 2. Quan hệ giữa sai số xác định vị trí của 2 nguồn phát Giản đồ cánh sóng từng phần tử được thể hiện trong với tỉ số SNR thay đổi. Hình 5. Quan sát Hình 5 có thể nhận thấy hệ số định hướng của anten Vivaldi là 4.5 dBi độ rộng búp sóng Kết quả thể hiện trong Hình 2 cho thấy, phương pháp là 600 trong mặt phẳng ngang. MUSIC cho độ chính xác tốt nhất (đạt 0,5o tại SNR = 0 dB), tiếp đến là MVDR (đạt 0.7o tại SNR = 0 dB) và cuối cùng là CB (RMSE > 1o tại SNR = 0 dB). III. ĐO ĐẠC VÀ ĐÁNH GIÁ 3.1. Mô tả thực nghiệm Sơ đồ của mô hình đo thực nghiệm được thể hiện trong Hình 3. Hình ảnh của kịch bản đo thể hiện trên Hình 4. Có thể thấy, hệ thống đo gồm một mô đun phát sóng liên tục ở dải tần 1090 MHz có băng thông là 20 MHz, sử dụng anten phát bức xạ đẳng hướng. Việc bố trí anten phát và thu ở khoảng cách 3 m, đảm bảo cự ly anten thu và phát nằm trong khoảng cách Hình 5. Tính định hướng của anten Vivaldi trường xa, cho phép sóng tới là sóng phẳng. 3.2. Xử lý và đánh giá kết quả Triển khai anten dạng ULA có 4 phần tử dạng Vivaldi, khoảng cách là nửa bước sóng, thực hiện xoay trục anten thu trong phạm vi -60o đến +60o với bước cách 1o. Tín hiệu sau khi thu được chuẩn hóa biên độ theo công thức sau: si,norm = si/max(si) (13) Hình 3. Các khối trong mô hình đo Mặc dù cáp đồng trục RF có đồ dài vật lý bằng Tuyến thu gồm 4 phần tử bố trí dạng ULA, kết nối nhau, nhưng không thể tránh được độ lệch pha giữa qua 4 kênh thu dùng cáp RF có độ dài vật lý bằng các tín hiệu, do đó tín hiệu tại kênh thu 2, 3 và 4 sẽ nhau (50 cm) để hạn chế sự lệch pha của tín hiệu khi được bù pha bằng lượng sai lệch pha giữa kênh 2, 3, 4 truyền từ anten thu đến mô-đun thu. Mô-đun thu gồm với kênh 1 khi đặt nguồn tại góc 0o. mạch thu-phát FMCOMMS5 [9] (4 kênh phát và 4 Kết quả thu ước lượng DOA của một nguồn tín kênh thu) có dải tần thu từ 70 MHz đến 6 GHz. Tín hiệu được thể hiện trong Hình 6. Trong đó, Hình 6a hiệu thu được đưa qua bộ điều khiển ZC706 [10] được thể hiện sự so sánh giữa góc ước lượng so với góc ISBN 978-604-80-8932-0 443
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) thực tế (đo bởi thước đo góc) khi áp dụng phương pháp CB. Hình 6b thể hiện góc ước lượng của các phương pháp MVDR, Hình 6c là của phương pháp MUSIC. Kết quả thực nghiệm cho thấy cả ba phương pháp đều có khả năng ước lượng góc tốt cho các góc gần 0o, và ước lượng DOA kém cho các góc lớn 40o đến 60o. Trong đó phương pháp MUSIC cho khả năng ước lượng ổn định và có độ chụm hơn hai phương pháp còn lại. Hình 7. Sai số ước lượng tại các góc DOA Sai số bình phương trung bình ước lượng DOA của ba phương pháp CB, MVDR và MUSIC được thể hiện trên Hình 7. Có thể quan sát thấy phương pháp MUSIC tốt hơn MVDR và CB ở các góc từ -10o đến 20o, nhưng lại kém hơn MVDR với các góc từ -10o đến -40o. IV. KẾT LUẬN a) Phương pháp CB Như vậy, trong nghiên cứu này nhóm tác giả đã tiến hành đo thực nghiệm để đánh giá ba phương pháp ước lượng DOA bao gồm CB, MVDR và MUSIC. Kết quả đo thực nghiệm cho thấy, cả ba phương pháp chỉ cho khả năng ước lượng tốt ở góc gần 0o. Những góc xa 0o đều cho sai số lớn. Những sai số này có thể đến từ môi trường đo không lý tưởng, các phần tử anten đặt bị sai lệch vị trí nhất định, sự không đồng nhất về pha và biên độ của cáp đồng trục, và các yếu tố bất định khác. Tập dữ liệu sẽ được công bố để cộng đồng nghiên cứu sử dụng và phát triển thuật toán mới. Trong những nghiên cứu tiếp theo, nhóm tác giả sẽ áp dụng các mạng nơ-ron học sâu để cải thiện độ chính xác ước lượng DOA. b) Phương pháp MVDR LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 102.04 2021.14. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Zhizhang Chen, Gopal Gokeda, “Introduction to Direction-of- Arrival Estimation,” Boston, USA, Artech House, 2010.. [2] T. Engin Tuncer, Benjamin Friedlander,“ Classical and Modern Direction-of-Arrival Estimation” ELSEVIER, 2009. [3] A. Shaw, J. Smith and A. Hassanien, "MVDR Beamformer Design by Imposing Unit Circle Roots Constraints for Uniform Linear Arrays," in IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 69, pp. 6116-6130, 2021, doi: 10.1109/TSP.2021.3121630. c) Phương pháp MUSIC [4] Schmidt, R. “Multiple emitter location and signal parameter estimation”. IEEE Trans. Antennas Propag. 1986, 34, 276– 289. Hình 6. So sánh khả năng ước lượng của ba phương pháp CB, MVDR và MUSIC từ dữ liệu đo thực nghiệm ISBN 978-604-80-8932-0 444
Hội nghị Quốc gia lần thứ 26 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2023) [5] N. Tayem, M. Omer, and A. A. Hussain, “Hardware [8] BladeRF x115 - Nuand. [Online]. Available: www.nuand.com. implementation of music and esprit on ni-pxi platform,” in [9] FMCOMMS5 – Analog Device [Online]. Available: 2014 IEEE Military Communications Conference, 2014, pp. https://www.analog.com/en/design-center/evaluation- 329–332. hardware-and-software/evaluation-boards-kits/eval-ad- [6] M. Kim, K. Ichige, and H. Arai, “Implementation of FPGA fmcomms5-ebz.html based fast doa estimator using unitary music algorithm [10] AMD Zynq 7000 SoC ZC706 Evaluation Kit – XILINX [cellular wireless base station applications],” in 2003 IEEE [Online]. Available: https://www.xilinx.com/products/boards- 58th Vehicular Technology Conference, vol. 1, 2003, pp. 213– and-kits/ek-z7-zc706-g.html. 217 [7] Đỗ Hải Sơn, Trần Thị Thúy Quỳnh, “Đồng bộ nhiều SDR trong thực thi thuật toán ước lượng hướng sóng đến MUSIC”, REV-ECIT 2021, tr. 11-16. ISBN 978-604-80-8932-0 445

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2431 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.