Luận văn Ứng dụng thuật toán music trong định hướng sóng đến đối với hệ anten mảng tròn
1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CễNG NGHỆ
-------------------------------------------
TẠ THỊ MAI
ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN MUSIC TRONG
ĐỊNH HƯỚNG SểNG ĐẾN ĐỐI VỚI HỆ ANTEN
MẢNG TRềN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ NỘI - 2011
2
LỜI MỞ ĐẦU
Anten thông minh là một công nghệ mới cải thiện đáng kể dung lượng,
chất lượng của hệ thống không dây trong môi trường truyền thông có tỉ số tín
hiệu trên tạp âm thấp. Hệ thống anten thông minh phân bố tròn (UCA) kết hợp
với thuật toán MUSIC xác định hướng sóng đến (DOA) một cách chính xác dù
các góc tới rất gần nhau hay các góc tới xác định trong khoảng từ 00 đến 3600
thì phổ của chúng cũng không bị chồng lấn (điều này không có được từ hệ thống
ULA).
Đề tài này tìm hiểu về lý thuyết các hệ thống anten thông minh, các phép
toán xử lý đối với anten thông minh, và ứng dụng của thuật toán MUSIC để xác
định hướng sóng đến (DOA ) đối với hệ anten phân bố tròn (UCA) mô phỏng hệ
thống ULA và UCA bằng phần mềm matlab từ đó rút ra ưu điểm của hệ thống
UCA với tiêu đề là: : “Ứng dụng thuât toán MUSIC định hướng sóng
đến đối với hệ anten mảng tròn “ ,
Với mục đích như trên , nội dung luận văn được chia thành 3 chương:
Chương 1: Tổng quan anten thông minh
- Giới thiệu tổng quan hệ thống anten thông minh, mô hình toán học của hệ
anten thông minh.
- Giơí thiệu một số hệ thống anten thông minh.
Chương 2: Các kĩ thuật xử lý đối với hệ anten thông minh.
Trình bày hai kỹ thuật xử lý là:
- Kỹ thuật phân tập
- Kỹ thuật tạo búp sóng
Chương 3: Ứng dụng thuât toán MUSIC định hướng sóng đến đối với hệ
anten mảng tròn
- Giới thiệu thuật toán MUSIC
- Mô phỏng ứng dụng của thuật toán MUSIC đối với hệ thống ULA và
UCA.
3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ANTEN THÔNG MINH
1.1. Mở đầu.
Anten thông minh là một hệ thống gồm nhiều phần tử anten kết hợp với
các thuật toán xử lý tín hiệu để tối ưu hóa phát xạ và/hoặc thu nhận tự động đáp
ứng với môi trường tín hiệu. Anten đóng vai trò là bộ phát tới môi trường bên
ngoài và ngược lại đến bộ thu từ môi trường bên ngoài. Tín hiệu đến các phần tử
anten được tính toán và xử lý giúp anten xác định được hướng của nguồn tín
hiệu đến. Công việc tính toán này đòi hỏi thời gian thực để anten thông minh có
thể bám theo nguồn tín hiệu khi nó dịch chuyển.
1.2. Sơ đồ khối hệ thống anten thông minh [8].
Hình 1-1. Sơ đồ khối tổng quát của một anten thông minh.
Hình 1-1. Ta thấy tín hiệu đến các phần tử anten, được biến đổi từ tín hiệu
tương tự sang tín hiệu số, sau đó được nhân với một bộ trọng số rồi tổng lại để
được các tín hiệu lối ra. Chính các bộ trọng số này giúp cho anten có thể tập
trung bức xạ theo hướng mong muốn. Bằng cách sử dụng các thuật toán thích
nghi trong quá trình beamforming (búp sóng thích nghi), bộ trọng số này luôn
được cập nhật để anten thông minh có thể bám theo người dùng khi họ di
chuyển.
Biên độ của trọng số quyết định búp sóng chính và búp sóng phụ (side
lobe level).
4
Pha của bộ trọng số quyết định hướng của búp sóng chính.
Anten thông minh là một trong những xu hướng được quan tâm nhiều
trong những năm gần đây. Với những ứng dụng trong các hệ thông tin vô tuyến,
nó có thể cải thiện chất lượng tín hiệu, tăng dung lượng, mở rộng phạm vi hoạt
động của hệ thống. Với những ứng dụng trong các hệ thống Rađa, định vị, điện
thoại 3G, GSM... anten thông minh cho phép nâng cao khả năng phát hiện mục
tiêu, nâng cao độ chính xác xác định tọa độ và tạo thêm những khả năng mới mà
các hệ thống bình thường không có được.
1.3. So sánh anten thông minh và anten thường [8].
Một anten thông minh bao gồm nhiều phần tử anten. Tín hiệu đến các
phần tử này được tính toán và xử lý giúp anten xác định được hướng nguồn tín
hiệu, tập trung bức xạ theo hướng mong muốn và tự điều chỉnh theo sự thay đổi
của môi trường tín hiệu. Công việc tính toán này đòi hỏi thực hiện theo thời gian
thực để anten thông minh có thể bám theo nguồn tín hiệu khi nó chuyển động.
Với tính chất như vậy anten thông minh có khả năng giảm thiểu ảnh hưởng đa
đường và can nhiễu.
Hình 1-2.Vùng bức xạ của anten thường v anten thông minh
Từ hình 1-2 ta có thể thấy sự khác biệt giữa vùng bức xạ của hệ
thống anten thường và anten thông minh. Anten thông minh có những búp sóng
hẹp hơn và có tính định hướng cao hơn so với anten thường.
Ưu điểm của anten thông minh so với anten thường:
5
Cải thiện chất lượng tín hiệu hệ thống truyền thông vô tuyến bằng
cách triệt can nhiễu, loại bỏ hiệu ứng đa đường và thu/ phát đúng
hướng mong muốn.
Cải thiện dung lượng hệ thống do khă năng sử dụng lại tần số trong
cùng một cell.
Công suất phát thấp cho phép thời gian sử dụng năng lượng lâu hơn
do đó có thể giảm kích thước và khối lượng của các thiết bị đầu
cuối và làm giảm ảnh hưởng đến các kênh lân cận.
Anten thông minh thích hợp với hầu hết các hệ thống truyền thông
vô tuyến hiện nay.
* Mô hình toán của hệ thống anten tuyến tính thông minh.
Hình 1-3.Mô hình dãy anten tuyến tính cách đều nhau
: Góc phương vị
: Góc ngẩng của mặt phẳng sóng tới trên dãy anten.
Để đơn giản hóa việc phân tích dãy anten, ta giả thiết:
Khoảng cách giữa các phần tử anten là đủ nhỏ để không có sự thay
đổi nào về biên độ giữa các tín hiệu được nhận tại từng phần tử của
anten.
Không có sự kết nối tương hỗ giữa các anten.
Tất cả những trường sóng tới đều có thể chia thành một lượng các
mặt phẳng sóng rời rạc. Như vậy số tín hiệu đến anten là hữu hạn.
6
7
Mặt sóng
Mặt sóng
Z(t)
Hình 1-4. Mô hình toán của anten thông minh
Đối với một mặt phẳng tới dãy anten từ hướng (,), hình 1-4, tín hiệu
đến phần tử thứ m phải đi thêm một đoạn:
d m.x.cos sin
(1.1)
So với phần tử tham khảo tại gốc, hay phần tử m trễ hơn phần tử tham
d
c
khảo một khoảng thời gian: tm=
.
Như vậy, độ sai pha giữa thành phần tín hiệu đến phần tử thứ m và phần
tử tham khảo tại gốc là:
tm d
2f
với
, f: tần số sóng mang (Hz).
: hệ số truyền sóng.
2
Giả sử mỗi phần tử anten là đẳng hướng và có độ lợi như nhau tại tất cả
các hướng. Tín hiệu đến mặt sóng có đường bao phức là s(t). Tín hiệu nhận
được tại phần tử anten thứ m là:
8
um (t) s(t).e j .d s(t).e j .mx cos sin
(1.2)
Tín hiệu lối ra của dãy sau khi nhân với bộ trọng số [w0, w1, ....wM-1] với
M là số phần tử anten trong dãy là:
M 1
Z(t)
w .u (t) s(t). w .e j .mx cos sin s(t)f (,)
m
m
m
(1.3)
m0
f ( ,)
Với
được gọi là hệ số sắp xếp, nó xác định tỉ số giữa tín
hiệu nhận được tại lối ra dãy anten và tín hiệu s(t) đo được tại phần tử tham
khảo. Hệ số sắp xếp là hàm theo hướng sóng đến (DOA). Bằng cách điều chỉnh
bộ trọng số, [w0, w1, ....wM-1], ta có thể hướng cho búp sóng chính của hệ số sắp
xếp theo hướng mong muốn (0 ,0 ).
Ta định nghĩa vector trọng số:
W = [w0 w1 ....wM-1]T (1.4)
Tín hiệu từ mỗi phần tử anten được nhóm thành một vector dữ liệu :
u = [u0(t) u1(t) ..... uM-1(t)]T (1.5)
Tín hiệu lối ra z(t) là (1.4) nhân (1.5):
Z(t) = wH. u(t) (1.6)
Với wH là phép biến đổi Hermitian (chuyển vị rồi lấy liên hợp phức).
Hệ số sắp xếp theo hướng (0 ,0 ) được viết lại như sau:
f (,) wH .a(,)
(1.7)
Vector a(,) được gọi là vector lái theo hướng (,). Cho trước một mặt
phẳng sóng tới từ mặt phẳng sóng tới từ hướng (,) như hình 1-4, vector lái
a(,) biểu diễn pha của tín hiệu tại mỗi phần tử anten so với tín hiệu tham khảo
tại gốc.
T (1.8)
a(,) 1 a1 (,) ....aM 1 (,)
am (,) e j .mx cos sin
Trong đó
1.4. Phân loại Anten thông minh [1]
Tùy theo mục tiêu, phương thức xử lý tín hiệu và mức độ phức tạp của thuật
toán xử lý tín hiệu của antan thông minh ta có thể chia anten thông minh thành 3
loại chính:
-Anten định dạng búp song băng hẹp
9
- Anten thích nghi
- Anten thích nghi băng rộng
Anten định dạng búp sóng băng hẹp thuộc nhóm các hệ anten có xử lý tín
hiệu với thuật toán không phức tạp, chủ yếu là dùng các bộ quay pha ở tần số
sóng mang (xử lý tín hiệu ở tần số radiô) để tạo sự lệch pha cần thiết giữa các
phần tử anten nhằm tạo ra giản đồ hướng hoặc là có búp sóng hẹp hoặc là búp
sóng có hình dạng đặc biệt hoặc các búp sóng có thể thay đổi được trong không
gian mà không cần xoay giàn anten về mặt cơ học.
Anten thích nghi thuộc nhóm anten có xử lý tín hiệu vẫn ở dạng băng hẹp
nhưng sử dụng các phương thức và thuật toán phức tạp hơn nhằm đạt được tốc
độ cao, linh hoạt, đáp ứng mục tiêu đề ra. Mục tiêu của anten thích nghi thường
thực hiện việc điều khiển tự động giản đồ hướng sao cho các hướng không
hướng về các nguồn nhiễu để triệt tiêu hoặc giảm thiểu nhiễu. Anten gồm một
giàn các phần tử, liên kết với một bộ xử lý thích nghi thời gian thực. Bộ xử lý
thích nghi sẽ tự động điều chỉnh các trọng số để đạt dược một bộ trọng số tối ưu
theo một tiêu chuẩn nào đó, phù hợp với thuật toán đã lựa chọn.
Anten thích nghi băng rộng là hệ anten có xử lý tín hiệu theo phương thức
xử lý thích nghi với băng tần rộng và thuật toán phức tạp, là bước phát triển cao
của hệ anten có xử lý tín hiệu nói chung. Bộ xử lý tín hiệu trong anten thường là
bộ xử lý không gian -thời gian, không chỉ xử lý tín hiệu rời rạc, lấy mẫu trong
miền không gian mà cả tín hiệu rời rạc, lấy mẫu trong miền thời gian. Đây là
bước phát triển cao của hệ anten có xử lý tín hiệu.
1.5. Anten định dạng búp sóng băng hẹp [1]
1.5.1. Định dạng búp sóng.
x(t)
Máy thu
Hình 1-5. Hệ enten trong mặt phăng xy
10
Trong các ứng dụng thực tế, việc định dạng búp sóng thường là việc tạo ra giản
đồ hướng của hệ anten có búp sóng với độ rộng trong giới hạn cho phép và có
thể thay đổi được trong không gian.
Xét hệ anten hình 1 -5 và giả thiết sóng đến nằm trong mặt phẳng xy (=
/2) sóng đến chỉ phụ thuộc vào .
Giả sử hệ anten làm việc ở chế độ thu ta cần tạo giản đồ
Hướng búp sóng cực đại theo hướng = i. Coi các phần tử anten vô hướng
trong mặt khảo sát, ta có giản đồ hướng của hệ anten được xác định:
f(,) = wH. e(,) (1.19)
e(,): vectơ hướng.
e(,) = [1 e-jkdcos ...... e-jk(M-1)dcos] (1.20)
w: vectơ trọng số là tập các số phức wm có biện độ bằng 1, còn pha có giá
trị tùy thuộc vào m và góc hướng tương ứng i.
|wm| = 1; argument(wm) = m = k(m-1)dcosi (1.21)
Các trọng số wm sẽ không làm thay đổi biên độ của tín hiệu thu nhưng tạo
ra góc dịch pha của các tín hiệu trên các nhánh trước khi tổng hợp chúng và do
đó tạo thành búp sóng có hướng cực đại mong muốn.
Sơ đồ khối của mạng định dạng
.
Bộ chia công suất
s(t)
Sơ đồ khối bộ thu
s(t)
Sơ đồ khối bộ phát
Hình 1.6. Sơ đồ khối bộ thu/ phát anten định dạng búp sóng băng
11
Dưới đây là giản đồ hướng trong hệ tọa độ cực của anten tuyến tính với M=7 và
giản đồ hướng trong hệ tọa độ vuông góc với góc cực đại là i = 900.
Hình 1-7. Giản đồ hướng trong hệ tọa độ cực
Hình 1-8. Giản đồ hướng trong hệ tọa độ vuông góc
1.5.2. Mạng ấn định búp sóng.
Mạng dùng để tạo ra các búp sóng cố định, tại mỗi thời điểm tạo ra một
búp sóng có hướng xác định trong không gian gọi là mạng ấn định búp sóng.
12
Đây là một dạng anten điện tử nhưng thực hiện việc quét một cách gián
đoạn hay còn gọi là anten chuyển mạch búp sóng, phụ thuộc tín hiệu điều khiển
đầu vào, nó tạo ra M búp sóng từ M phần tử anten.
Mạng được đặc trưng bởi ma trận T vuông MxM là ma trận chuyển đổi
tín hiệu đầu vào u(t) thành đầu ra y(t).
y(t) = THu(t) (1.22)
y(t): là vectơ tín hiệu ra ứng với việc hình thành búp sóng thứ m.
[y1(t) y2(t) y3(t) ..... ym(t) .....yM(t)]
sẽ được xác định tương ứng là cột thứ m của ma trận T. Ma trận T được viết
dưới dạng.
T = [w1 w2 .... wm .... wM]
Các búp sóng sẽ trực giao nếu các vectơ trọng số tương ứng với chúng là
trực giao với nhau. Nếu ma trận T có các cột trực giao thì mạng ấn định búp
sóng sẽ có một số tính chất đặc biệt được ứng dụng trong hệ thống chuyển mạch
búp sóng và hệ thống ấn định búp sóng kết hợp với xử lý thích nghi.
1.5.3. Hệ thống chuyển mạch chọn búp sóng.
Hệ thống chuyển mạch búp sóng là hệ thống sử dụng mạng anten ấn định
búp sóng kết hợp với chuyển mạch nhằm lựa chọn búp sóng tốt nhất và thu được
tín hiệu xác định.
Mô hình đơn giản của hệ thống chuyển mạch chọn búp sóng.
Máy thu
Điều khiển
Mạng ấn
định búp
sóng NxN
.....
....
Máy thu
Điều khiển
Hình 1-9. Hệ thống chuyển mạch chọn búp sóng
13
* Ưu điểm của hệ thống chuyển mạch búp sóng.
Hệ thống đơn giản, giá thành hạ.
Yêu cầu độ tương thích vừa phải đối với máy thu trạm gốc.
* Nhược điểm của hệ thống chuyển mạch búp sóng.
Không khử được các thành phần đa đường có hướng sóng đến gần
với sóng mong muốn.
Không tận dụng được lợi thế của đặc tính đa dạng đường truyền
bằng cách kết hợp các thành phần đa đường có tương quan.
1.6. Anten thích nghi [1].
1.6.1. Các hệ thức toán học
Mô hình của anten thích nghi (hình 1-10):
u1
w1
u2
w2
+
y
uM
wM
Thuật toán
điều khiển
thích nghi
Mạng
Bộ xử lý
thích
Thuật toán
điều khiển
thích nghi
Hình 1-10. Mô hình của anten thích nghi
Anten là một hệ thống bao gồm một dàn anten chấn tử (giả thiết là giàn thẳng)
gồm M phần tử và một bộ xử lý thích nghi thời gian thực. Bộ xử lý thích nghi
tiếp nhận liên tục các thông tin đầu vào của dàn rồi tự động điều khiển các trọng
14
số bộ định dạng búp sóng nhằm điều khiển liên tục đồ thị phương hướng của
dàn sao cho thỏa mãn yêu cầu đề ra với các chỉ tiêu nhất định .
Các trọng số được điều chỉnh để đạt bộ trọng số tối ưu theo một tiêu
chuẩn nào đó, phù hợp với thuật toán đã lựa chọn .
Ta quy ước các tín hiệu thu được trên các phần tử là tín hiệu đường bao
phức ta có véctơ tín hiệu đầu vào của dàn anten dược biểu thị như sau:
u(t)=[u1(t) u2(t) ... um(t) ... uM(t)]T
(1.23)
Trong đó:
um(t) là tín hiệu thu được trên phần tử thứ m
um(t)=s(t)e-jk(m-1)dsin cos
(1.24)
s(t) là tín hiệu đường bao phức nhận từ nhánh thứ nhất.
Áp dụng khái niệm véctơ hướng và ký hiệu tổ hợp góc ( , ) = ta có:
e( ) = [1 e-jkdsin cos ... e-jk(M-1)dsin cos T
Vậy (1.23) viết lại như sau:
u(t)=s(t)e( )
]
(1.25)
(1.26)
Như vậy véctơ tín hiệu đầu vào u(t) được xác định bởi tín hiệu nhận được
tại phần tử thứ nhất s(t) và véctơ hướng e( ). Véctơ hướng xác định tại mỗi
hướng của không gian khảo sát tại mỗi tần số nhất định. Tập hợp tất cả các véctơ
hướng nói trên gọi là tập dữ liệu của dàn anten thích nghi. Quá trình xác định tập
dữ liệu nói trên còn được gọi là quá trình lấy chuẩn cho dàn anten.
Nếu hệ anten làm việc trong môi trường thực tế bao gồm cả tạp nhiễu thì
véctơ số liệu đầu vào được bổ sung thêm véctơ nhiễu n(t) biểu thức (1.26) sẽ trở
thành
u(t)=s(t)e( ) +n(t)
(1.27)
Trong đó : n(t) = [n1(t) n2(t) ... nm(t) ... nM(t)] (1.28)
Biểu thức (1.26) chỉ phù hợp với tín hiệu băng hẹp vì trong đó các thành
phần của véctơ hướng được xác định ứng với một tần số nhất định. Băng thông
của tín hiệu có liên quan đến sự khác biệt pha giữa các phần tử nằm trong dải sai
số cho phép.
Khảo sát mô hình tín hiệu cho trường hợp tổng quát khi có xảy ra hiệu
ứng đa đường (tín hiệu từ nguồn truyền tới điểm thu với nhiều đường khác nhau,
gây ra phading đa đường) và có tác động của nhiều đối tượng tham gia vào hệ
15
thống thông tin. Gọi K là số đối tượng có phát tín hiệu tác động vào dàn anten
và ký hiệu tín hiệu của đối tượng thứ i là si(t) gồm P đường tới, với biên độ phức
là ip, góc tới và trễ đường truyền là Tip, với p là chỉ số ký hiệu đường tới.
ip
Vectơ tín hiệu thu được của đối tượng thứ i được biểu diễn:
P
ip
u t e s t T
ip
ip ip
(1.29)
p1
Khi có tác động đồng thời của K đối tượng và can nhiễu, vectơ tín hiệu
đầu vào sẽ có dạng:
K
P
u t
ip
e s t T
ip
ip ip
(1.30)
i1 p1
P
e
Với
ip
ip
gọi là vectơ đặc trưng không gian của đối tượng thứ i.
p1
Trong hệ anten xử lý tín hiệu thích nghi thường sử dụng phép định dạng
búp sóng của dàn anten sao cho đồ thị phương hướng có cực đại của búp sóng
hướng theo phía nguồn tín hiệu có ích, còn các hướng không hoặc hướng cực
tiểu hướng theo nguồn nhiễu để triệt tiêu hoặc giảm nhiễu.
Quá trình triệt nhiễu hoặc giảm nhiễu được thực hiện với sự phân biệt
từng đối tượng tham gia thông tin trong tập hợp các nguồn nhiễu, dựa trên đặc
tính không gian của các tín hiệu hữu ích nên còn được gọi là “lọc không gian”.
Vậy một hệ anten xử lý thích nghi còn có thêm khâu lọc không gian thích nghi.
Có hai phương pháp xử lý thích nghi: xử lý thích nghi băng hẹp và xử lý
thích nghi băng rộng.
Xử lý thích nghi băng hẹp chỉ thực hiện việc lấy mẫu tín hiệu trong miền
không gian.
Xử lý thích nghi băng rông thực hiện lấy mấu cả trong miền không gian
và thời gian.
1.6.2. Các chuẩn tối ưu trong điều khiển thích nghi.
Có 4 tiêu chuẩn được sử dụng để nhận được các bộ trọng số tối ưu:
Tiêu chuẩn sai số trung bình phương nhỏ nhất (MMSE: minimum mean
square error).
Tiêu chuẩn tỉ số tín hiệu trên tạp nhiễu cực đại (MSINR: maximum signal
to interference plus noise ratio).
16
Tiêu chuẩn phương sai cực tiểu (MV: minimum variance).
Tiêu chuẩn khả năng cực đại (ML : maximum likelihood).
1.7. Anten thích nghi băng rộng [1].
1.7.1. Khái niệm:
Anen thích nghi băng rộng là anten có bộ xử lý thích nghi băng rông thực
hiện lấy mấu cả trong miền không gian và thời gian.
1.7.2. Anten thích nghi dùng dây trễ.
Hệ xử lý thích nghi băng rộng được gọi là hệ không gian - thời gian. Cấu
trúc của một hệ xử lý thích nghi băng rộng thường bao gồm một dây trễ còn gọi
là bộ lọc ngang cấp đối với mỗi phần tử của hệ anten.
Cấu hình hệ ănten thích nghi băng rộng dùng dây trễ:
Nếu cấu trúc dây trễ đủ dài và số khâu đủ rộng thì nó gần tới bộ lọc lý
tưởng, cho phép điều khiển chính xác độ lợi và pha của từng tần số trong dải tần
cần xem xét.
Xét hình 1-11: Ta có dãy tín hiệu vào và trọng số phức tại dây trễ có K
khâu mắc vào phần tử anten thứ m được biểu diễn:
X0
Z-1
Z-1
W0,0
W0,1
W0,(k-1)
X1
Z-1
Z-1
Z-1
W1,0
W1,1
W1,(k-1)
Y
XN-1
Z-1
Z-1
Z-1
WN-1,0
WN-1,1
W(N-1),(k-1)
Hình 1- 11. Cấu trúc anten thích nghi dùng dây trễ
17
xm' (t) [xm (t) xm (t Ts ) .... xm (t (K 1)Ts )]T (1.31)
wm' [wm1 wm2 ... wmK ]T (1.32)
Nừu đưa vào kí hiệu
x
t
[x1'T x2'T ... x'T ]T (1.33)
mK
w [w1'T w'T ... wM'T ] (1.34)
21
Thì tín hiệu đầu ra của hệ xử lý thích nghi băng rộng cũng có thể được
biểu diễn theo công thức có dạng của hệ thích nghi băng hẹp, tức là:
y(t) wH x(t) (1.35)
1.7.3. Anten thích nghi băng tần con.
Xét sơ đồ sau:
1
X0(t)
S
P
C
F
F
T
k
K
W0k
y(f1)
1
X1(t)
S
P
C
F
F
T
P
S
C
I
y(t)
y(f2)
y(fk)
k
F
F
T
K
W1k
1
XN-1(t)
S
P
C
F
F
T
k
K
W(N-1)k
Hình 1-12. Bộ xử lý thích nghi băng tâng con
18
Tín hiệu thu được từ mỗi phần tử được đưa qua khối thu để biến đổi thành tín
hiệu băng gốc, rồi đưa đến bộ lấy mẫu sử dụng bộ biến đổi A/D (để đơn giản ta
bỏ qua 2 khối này trên sơ đồ).Mỗi tín hiệu thu được trên mỗi phần tử thứ m ở
thời điểm t được phân thành K tín hiệu băng con và được biến đổi sang miền tần
số nhờ bộ FFT. Việc xử lý thích nghi sẽ cho một vecto trọng số tối ưứng với ăng
(k)
~
tần con w . Tín hiệu tham chiếu cũng được biến đổi sang miền tần số băng tần
con, sau đó nhân với trọng số tối ưu, các trọng số được tổ hợp tương ứng với
từng băng tần con. Các mẫu phức hợp được biến đổi trở lại miền thời gian nhờ
bộ IFFT, cuối cùng thực hiện nội suy với hệ số băng gốc K sẽ thu được tín hiệu
ra y(t).
Ưu điểm:
Giảm nhỏ khối lượng tính toán và tăng nhanh tốc độ hội tụ.
Trọng số được cập nhật nhanh vì trọng số phụ thuộc vào mỗi băng tần
con, nên việc xử lý lựa chọn tần số cần phải thực hiện song song.
Kết quả hội tự nhanh vì khi sử dụng thuật toán thích nghi LMS, bước tính
toán khác nhau có thể áp dụng cho mỗi băng tần con.
1.8. Ứng dung của anten thông minh.
1.8.1. Ứng dụng của anten thông minh trong mạng GSM [8].
Đã có một số anten thông minh được sản suất cho thị trường di động sử
dụng công nghệ GSM. Chúng giúp tối ưu công suất phát, giảm nhiễu. Cho đến
nay việc sử dụng anten thông minh trong mạng GSM vẫn còn hạn chế. Đây
không phải bởi lý do công nghệ mà bởi công nghệ GSM sử dụng đa truy nhập
theo thời gian (TDMA: Time Division Multiple Access) và quản lý vị trí tần số.
Điều này có nghĩa là mỗi kênh vô tuyến có một khe thời gian và một băng tần.
Không có sự can nhiễu giữa những người dùng trong một ô (cell) trạm phát.
Điều này có nghĩa lợi ích của anten thông minh trong mạng GSM rất hạn chế.
1.8.2. Ứng dụng của anten thông minh trong mạng 3G[8]
Với hệ thống GSM, anten thông minh có ứng dụng không lớn, nhưng khi
thông tin di động phát triển, hệ thống 3G với công nghệ đa truy nhập phân chia
theo mã (CDMA: Code Division Multiple Access) đang được ứng dụng ngày
càng rộng rãi thì việc sử dụng anten thông minh mang lại hiệu quả rất lớn. Trong
hệ thống thông tin di động trước đây, loại anten được sử dụng chủ yếu là anten
vô hướng hoặc anten sector. Trong anten thông minh, việc ứng dụng thuật toán
DOA (DOA: Direction Of Arrival ) định hướng sóng đếnvà các thuật toán sử lý
19
tín hiệu thích hợp có thể hướng búp sóng chính xác vào hướng thuê bao, tập
trung công suất phát vào hướng cần thiết, đồng thời khi xác định được hướng
thuê bao và nhiễu ta cũng có thể tránh phát sóng đến các nguồn can nhiễu. Như
vậy, cùng một công suất phát năng lượng bức xạ của anten đến nơi thu sẽ mạnh
hơn nhiều lần, việc này có thể giúp tiết kiệm năng lượng nơi nguồn phát hoặc
tăng lượng bức xạ nơi nhận.
Nghiên cứu thực tế về lợi ích của anten thông minh trong mạng di động so
với anten truyền thống cho thấy số Kbit truyền trong một giây tại một trạm
thu/phát (Kbit/s/cell) tăng lên rất nhiều.
Kbit/s/cell
920
Khả năng tăng
Dùng anten sector
-
72 trạm dùng anten thông minh
Tất cả dùng anten thông minh
1610
+75%
+36%
2193
Ngoài việc tăng dung lượng đường truyềnnếu sử dụng anten thông minh,
mạng di động có thể giảm được số trạm thu/ phát trong mạng.
Ví dụ, kết quả nghiên cứu sau:
Số trạm cần có
Khả năng giảm
Dùng anten sector
144
80
-
Swr dụng anten thông minh
- 44%
Sử dụng anten thông minh
một cách tối ưu
69
-14%
Anten thông minh làm tăng công suất thu và giảm nhiễu điều này đặc biệt
có ý nghĩa đối với mạng di động 3G sử dụng công nghệ đa trtruy nhập phân chia
theo mã. CDMA (CDMA: Code Division Multiple Access) chia phổ tần bằng
cách xác định mỗi kênh vô tuyến trong một trạm thu phát và thuê bao bằng một
mã số. Thuê bao chỉ được nhận ra bằng mã của mình. Tín hiệu thu phát từ
20
những máy di động khác (với những mã khác) đối với một máy di động chính là
nhiễu. Cho nên càng nhiều điện thoại di động trong một vùng phủ sóng của trạm
thu phát thì nhiễu càng nhiều. Điều này làm giảm số điện thoại di động mà trạm
hu phát có thể phục vụ được. Tất cả các tiêu chuẩn điện thoại 3G đều sử dụng
công nghệ CDMA. Đối với công nghệ này anten thông minh giúp giảm
nhiểutong một ô vì nó tăng công suất để duy trì tất cả các kênh vô tuyến từ trạm
phát tới mọi thuê bao. Điều này đặc biệt quan trọng khi nhu cầu tốc độ số liệu
cao ngày càng tăng. Một kênh vô tuyến tốc độ cao cần cần mức công suất cao
gấp 10 lần một kênh thoại trong mạng GSM. Tăng mức công suất để duy trì một
kênh vô tuyến cũng có nghĩa là giảm khả năng phục vụ các thuê bao còn lại
trong ô cũng như từ các ô liền kề.
Anten thông minh giảm sự can nhiễu bằng hai cách:
Búp sóng của anten hướng chính xác đến thuê bao, do vậy công suất phát
chỉ phát đúng đến hướng cần thiết.
Khả năng điều khiển tín hiệu định hướng , anten thông minh tránh phát tín
hiệu về phía nguồn can nhiễu.
Lợi ích chính triển khai anten thông minh trong mạng 3G:
Tăng số lượng thuê bao được thực hiện trong một trạm, tăng doanh thu,
giảm khả năng khoá và rơi cuộc gọi đối với các thuê bao.
Chất lượng tín hiệu truyền dẫn được cải thiện mà không cần tăng công
suất phát mà lại giảm được can nhiễu.
Giảm công suất thu phát ở cả hai hướng (thuê bao - trạm phát và ngược
lại), giúp cho pin của điện thoại dùng được lâu hơn.
1.8.3. Anten thông minh trong vệ tinh và truyền hình [8].
Việt Nam phóng vệ tinh VINASAT-1 vào quỹ đạo tháng 4 năm 2008 có
ý nghĩa rất lớn trong việc phủ sóng viễn thông, thông tin liên lạc không chỉ các
vùng nông thôn, vùng sâu, vùng xa, biên giới, hải đảo, tới tất cả mọi nơi trên
lành thổ Việt Nam mà còn phủ sóng cả khu vực Động Nam Á. Bên cạnh đó khi
đưa vào khai thác VINASAT-1 sẽ có ý nghĩa xã hội rất lớn, góp phần cải thiện
cơ sở hạ tầng thông tin quốc gia theo hướng hiện đại, nâng cao độ an toàn cho
21
mạng lưới viễn thông, thúc đẩy và phát triển các dịch vụ viễn thông, công nghệ
thông tin, thương mại, giải trí và các dịch vụ chuyên dùng khác.
Một trong những rắc rối liên quan đến truyền hình và thông tin vệ tinh đó
là việc anten thu nhiều lúc không hướng tới đúng vị trí để thu sóng từ vệ tinh
hay trạm phát mạnh nhất. Trong các loại anten sử dụng trước đây, thường khi
không đạt được hướng mạnh nhất người ta thường sử dụng phương pháp quay
thủ công bằng tay, việc này rất bất tiện và không ổn định do khó cố định vị trí
anten bởi các yếu tố thời tiết. Có một cách khác để giải quyết vấn đề này là
thông qua thuật toán DOA để xác định được hướng vệ tinh hay hướng trạm phát
tín hiệu và sau đó dùng thông số về hướng để điều khiển bộ phận môtơ gắn vào
anten giúp anten tự quay đến hướng tối ưu, đây là loại anten thông minh được
cải tiến giúp người dùng tiện lợi hơn rất nhiều so với việc sử dụng anten thông
thường.
1.8.4. Ứng dụng của anten thông minh trong việc xác định vị trí [2]
Bằng cách xác định được hướng sóng tới từ anten phát tói ít nhất hai hệ
anten thu ta có thể xác định được vị trí của anten phát từ giao điểm của hai
hướng đó. Việc xác định hướng được thực hiện với một số thuật toán như thuật
toán ước lượng phổ. Hình 1-13 mô tả việc xác định nguông phát thông qua việc
xác định hướng sóng tới từ nguồn phát tới 3 trạm thu sử dụng anten thông minh
và sử dụng phương pháp xác định hướng sóng tới DOA.
Hình 1-13. Xác định vị trí tầu thuyền nhờ 3 trạm bờ
22
Theo thống kê, hiện tại nước ta có tới hơn 50.000 tàu thuyền loại vừa và nhỏ
hoạt động ở những vùng biển cách bờ từ 50Km đến 70 Km trở lại với thiết bị
thông tin rất hạn chế. Vì lý do này, mỗi khi có bão lũ xẩy ra thì khả năng phát và
chống chọi của ngư dân là rất hạn chế. Một yêu cầu đặt ra là phải xác định được
vị trí của các tàu thuyền để có thể thực hiện việc cảnh báo cũng như cứu trợ kịp
thời. Trên thực tế, chúng ta hoàn toàn có thể sử dụng hệ thống GPS cho từng tầu
thuyền để xác định vị trí, tuy nhiên chi phí cho thiết bị định vị GPS là khá cao,
không phù hợp với laọi tầu thuyền nhỏ của ngư dân Việt Nam. Một phương
pháp đã được đề ra đó là xác định vị trí qua các thông số hướng sóng tới bằng
cách sử dụng dàn anten đã được đề xuất.
Chúng ta hoàn toàn có thể sử dụng hai dàn anten tuyến tính có sử dụng
thuật toán DOA để xác định được vị trí của tầu thuyền. Tuy nhiên, để có thể xác
định được vị trí hoàn toàn chính xác nên sử dụng ba anten để xác định vị trí.
23
CHƯƠNG 2. CÁC KỸ THUẬT XỬ LÝ ĐỐI VỚI ANTEN THÔNG MINH
2.1. Kỹ thuật phân tập.
Kỹ thuật phân tập là một trong những phương pháp được dùng để hạn chế
ảnh hưởng của fading.Trong hệ thống thông tin di động, kỹ thuật phân tập được
sử dụng để hạn chế ảnh hưởng của fading đa tia, tăng độ tin cậy của việc truyền
tin mà không phải gia tăng công suất phát hay băng thụng.
Các phương pháp phân tập thường gặp là phân tập tần số, phân tập thời
gian, phân tập không gian (phõn tập anten).
Ảnh hưởng của pha - đinh đa đường trong các hệ thống vô tuyến có thể
được giảm bớt bằng cách sử dụng phân tập theo không gian. Trong môi trường
pha - đinh, công suất sóng mang cần phải phát cao hơn công suất trung bình để
có thể đạt được một tỉ lệ lỗi bít (BER) mong muốn nào đó. Trong một anten
thông minh, tín hiệu thu được từ các phần tử khác nhau có thể được lấy trọng số
phù hợp để tạo ra tín hiệu kết hợp biến thiên chậm hơn từ tín hiệu thành phần.
Anten thông minh này sẽ yêu cầu công suất thấp hơn so với trường hợp chỉ sử
dụng anten một phần tử, mà vẫn đạt được BER mong muốn.
Để hệ thống phân tập không gian hoạt động một cách hiệu quả, các tín
hiệu thu được từ các nhánh anten khác nhau phải không hoặc ít tương quan với
nhau để nếu tín hiệu ở một phần tử pha - đinh sâu thì vẫn phục hồi được bằng
cách thu nó ở phần tử anten khác. Điều này có thể thực hiện được bằng cách
chọn khoảng cách giữa các phần tử một cách phù hợp.
Có 3 cách cơ bản để kết hợp tín hiệu [3]:
Chọn lọc: Bộ chọn lọc là phương pháp đơn giản nhất trong kỹ thuật phân
tập: từ một tập hợp M phần tử anten, nhánh có tỉ số tín hiệu trên nhiễu lớn nhất
được chọn ra và kết nối trực tiếp với máy thu. Do vậy anten thông minh có M
càng lớn thì khả năng có được tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu càng lớn.
Tỉ lệ cực đại: Phương pháp kết hợp tỉ lệ cực đại tận dụng tốt nhất khả
năng của các nhánh phân tập trong hệ thống. Tất cả M nhánh được nhân trọng số
với các tỉ số tín hiệu tức thời trên nhiễu tương ứng. Sau đó tín hiệu từ các nhánh
được đồng pha trước khi lấy tổng tín hiệu sao cho tất cả các nhánh được gộp vào
nhau theo pha cho tín hiệu đầu ra có tăng ích phân tập lớn nhất. Tín hiệu tổng
chính là tín hiệu đầu ra thu được của anten thông minh. Phương pháp tỉ lệ cực
đại có nhiều ưu điểm hơn phương pháp chọn lọc nhưng phức tạp hơn; do phải
24
đảm bảo tín hiệu từ các nhánh là hoàn toàn đồng pha và các trọng số phải được
cập nhật chính xác.
Tăng ích đều: Là một biến thể của kỹ thuật kết hợp tỉ lệ tối đa; trong
trường hợp này tất cả các giá trị tăng ích của các nhánh đều bằng nhau và không
thay đổi trong quá trình hoạt động.
Hình 2.1. Tăng ích đều
Các đầu ra sẽ là tổng của các tín hiệu đồng pha của tất cả các nhánh. Tín
hiệu thu được bởi các phần tử được kết hợp tuyến tính như trong (hình vẽ) trọng
*
số để kết hợp được chọn là w1* ,w2* , w3* , ...,wn* , trong đó kí hiệu là biểu diễn liên
hợp phức. Ký hiệu liên hợp phức được sử dụng trong biểu diễn trọng số chỉ
nhằm tiện lợi về mặt toán học để đầu ra kết hợp có thể được viết gọn là: wH .
S
Trong phần này giả thiết các nhánh là không tương quan. Tín hiệu thu được ở
mỗi phần tử không phải là hằng số, mà dao động theo hệ số pha-đinh. Tín hiệu
pha-đinh phụ thuộc vào tần số tín hiệu vô tuyến và được chứng minh xấp xỉ
bằng biến đổi Dopple cực đại. Biến đổi Doppler cực đại fdM tương ứng với tần
số fG và máy di động di chuyển với tốc độ v là:
fdM 1,4815 fGv
25
Theo đặc tính của kênh vô tuyến, thời gian nhất quán của kênh vô tuyến
xấp xỉ bằng nghịch đảo của hệ số pha-đinh. Môi trường đa đường giữa anten
phát và anten thu được coi như một bộ lọc tuyến tính thay đổi theo thời gian và
mỗi nhánh M được đặc trưng hóa bằng một hàm truyền đạt thông thấp tương
đương T ( f ;t), m 1,....,M với biến số (agumen) biểu diễn những thay đổi theo
t
m
thời gian của đáp ứng kênh vô tuyến và biến số f biểu diễn tính chất chọn tần
của kênh. Giả sử pha- đinh ở mỗi nhánh phân tập là không chọn tần (pha - đinh
phẳng), ta có thể biểu diễn hàm truyền đạt bằng Tm ( f ,t) gm (t) , trong đó gm (t) là
một đại lượng thống kê Gauss phức trung bình – bằng không. Như vậy các tín
hiệu thu được ở nhánh phân tập có thể được biểu diễn dưới dạng:
rm (t)e j2f t
e
gm (t)u(t)e j2f t (2 1)
c
c
sm (t) e
Trong đó fc là tần số sóng mang danh định,
u(t) là đường bao phức của tín hiệu phát,
rm (t) là đường bao phức của tín hiệu thu.
2.1.1. Kết hợp tỉ lệ cực đại(MRC) [3].
Trong kĩ thuật kết hợp tỉ lệ cực đại (MRC: Maximum Ratio Combiner),
tín hiệu ở các nhánh được lấy trọng số và kết hợp sao cho đạt được CNR
(Carrier to Noise Ratio: Tỉ số công suất sóng mang trên tạp) tức thời cao nhất có
thể với các kỹ thuật kết hợp tuyến tính. Sử dụng phương trình (2-1), đường bao
phức tổng ở nhánh thứ m có tạp cộng vm (t)được viết:
zm (t) gm (t)u(t) vm (t) (2 2)
Nếu tín hiệu thu được lấy trọng số bằng wm* thì đầu ra kết hợp U(t) của
mảng là:
U(t) wH z u(t)wH g wH v (2 3)
Trong đó: H kí hiệu liên hợp Hermitian (liên hợp phức, chuyển vị),
T
w
w ,....,wm
T ,v
v1,....,vm
T , g
g1,....,gm
1
Giả sử rằng mỗi thành phần tạp là độc lập với nhau, thì tổng công suất đầu
ra P (o/ p) là:
m0
2
M
wH v 2
w * P (2 4)
1
2
Pmo (o / p)
m
m
m1
Do đó CNR đầu ra tức thời là:
26
2
M
1
2
wm*
1
2
ET (u(t)wH g )
2
m1
N
(2 5)
M
w* 2 Pm
w* 2 Pm
m
m
m1
m1
gm*
Pm
wm*
(*)
Với
Các tín hiệu này phải được kết hợp với trọng số tỉ lệ thuận với liên hợp
của tín hiệu ở các nhánh và tỉ lệ nghịch với công suất tạp trên các nhánh đó.
Nhánh có CNR cao sẽ được lấy trọng số lớn hơn các nhánh có CNR thấp, tín
hiệu đã lấy trọng số đều cùng pha và đồng nhất. CNR đầu ra:
M
g
2 / Pm
2
1
m
M
M
gm
1
m1
(2 6)
m
M
g* 2 / Pm
2
2 m1 Pm
m1
m
m1
(2-6) là tổng CNR của tổng nhánh
Ưu điểm: Cho búp sóng lớn nhất.
Nhược điểm:
- Giá thành cao do các trọng số cần bám cả biên độ và pha của đáp ứng
kênh.
- Cần bộ chuyển pha và bộ khuếch đại tuyến tính dải dộng rộng các tín
hiệu đầu vào.
ứng dụng: Thường dùng để so sánh với các chỉ tiêu của các kỹ thuật kết
hợp tuyến tính khác.
2.1.2. Tăng ích phân tập.
Tăng ích phân tập M- phần tử được xác định bởi phần cải thiện năng
lượng đường truyền ứng với một chỉ tiêu kĩ thuật nhất định khi sử dụng kĩ thuật
phân tập, chỉ tiêu kĩ thuật này thường là tỉ lệ lỗi bit (BER: Bit Error Rate).
2.1.3. Tăng ích anten.
Tăng ích anten là tỉ số sóng mang trên tạp âm đầu ra của mảng trên tỉ số
sóng mang trên tạp âm đầu ra của một phần tử đối với các tín hiệu đầu vào có
tính định hướng cao.
Sóng tới phẳng đáp ứng ở các phần tử khác nhau chỉ khác nhau bởi hệ số
ej , với k0d cos phụ thuộc vào khoảng cách các phần tử, tần số cao tần và
góc của song phẳng so với trục của anten mảng.
27
Giả sử tín hiệu vào có dạng u(t) 2P
0
M 1
Với
1,ej ,e j2 ,...,ej
, P công suất trung bình của mỗi nhánh.
0
Kĩ thuật chọn lọc chỉ có một nhánh được kích hoạt tại một thời điểm nên
tăng ích anten bằng không.
Kĩ thuật kết hợp tỉ lệ cực đại và kết hợp tăng ích đều các trọng số tương
2P
0
ứng sẽ bằng hoặc là một phần của w
, P công suất tạp đầu vào của
m0
P
m0
mỗi nhánh.
2.1.4. So sánh 3 phương pháp.
Khảo sát hệ thống trong trường hợp đơn giản gồm 01 anten phát và nhiều
anten thu (Receiver Diversity). Thực hiện chương trình mô phỏng xác suất lỗi ký tự
của kỹ thuật phân tập anten, kênh truyền được thiết lập có nhiễu Gauss và fading
Rayleigh với các phương pháp kết hợp ta thu được đồ thị sau.
Hình 2.2. SER của 3 phương pháp khi số
anten l 2 v điều chế QAM
Từ đồ thị ta thấy,Trong 3 phương pháp MRC, EGC và SC, phương pháp kết hợp
MRC cho phép cải thiện xácsuất lỗi tốt nhất.
28
2.2. Kỹ thuật tạo búp sóng.
2.2.1. Chuyển mạch búp sóng [3].
Anten chuyển búp sóng gồm nhiều búp sóng kề nhau mà đầu ra của chúng
có thể thay đổi để chiếu tới một hay nhiều máy thu nhất định. Anten mảng bám
pha động cũng là anten chuyển mạch búp sóng nhưng nó thông minh hơn anten
chuyển mạch búp sóng thông thường là có thêm thông tin hướng tới từ người
dùng mong muốn để quay hướng cực đại búp sóng về hướng đó.
Hệ thống chuyển mạch búp sóng thông thường bao gồm một mạch tạo
búp sóng, một chuyển mạch cao tần có điều khiển logic để chọn búp sóng. Mỗi
máy thu phải lựa chọn búp sóng để có thể chọn được búp sóng mong muốn dựa
vào các vectơ trọng số đã định. Việc lựa chọn búp sóng hiệu quả rất phức tạp và
phụ thuộc vào phương thức truy cập là CDMA, FDMA hay TDMA.
Anten chuyển mạch búp sóng tao ra một tập hợp cố định các búp sóng
tương đối hẹp. Đầu ra cao tần tới các búp sóng này có thể là tín hiệu cao tần
hoặc tín hiệu đã qua xử lý số. Mỗi vùng phủ dẻ quạt (1200) được phục vụ bởi
một mảng các chấn tử phát xạ nối với nhau qua chuyển mạch búp sóng.
Ưu điểm của anten chuyển mạch búp sóng :
Đơn giản
Chi phí thấp
Nhược điểm của anten chuyển mạch búp sóng :
Không tránh được nhiễu của các thành phần đa đường đến từ các
hướng gần với tín hiệu mong muốn.
Không có khả năng lợi dụng được ưu điểm của phân tập đa đường
bằng cách kết hợp các thành phần đa đường.
Công suất nhận được từ thuê bao sẽ bị thăng giáng khi thuê bao di
chuyển vòng tròn quang trạm gốc do hiện tượng vỏ sò.
Tuy có nhiều nhược điểm nhưng anten chuyển mạch búp sóng vẫn
được sử dụng phổ biến vì:
Có khả năng mở rộng phạm vi phủ sóng từ các hệ thống phức tạp.
Tạo búp sóng cố định là trường hợp đơn giản nên ch phí thiết kế
thấp.
2.2.2. Kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi
Kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi cho phép hiệu chỉnh một cách mềm dẻo
giản đồ phương hướng của anten thông minh để tối ưu một số đặc tính của tín
29
hiệu thu được. Trong quá trình quay búp sóng, búp sóng chính của mảng có thể
thay đổi hướng một cách liên tục hược theo tong bước nhỏ. Anten thong minh
sử dụng kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi có thể loại bỏ nhiễu có hướng tới khác
với hướng mong muốn.
Xét sơ đồ tổng quát của anten mảng thích nghi:
Hình 2.2. Anten mảng thích
Gọi tín hiệu ra là y(t) , si (t) các tín hiệu nhận được từ các phần tử mảng,
gm (,) là tăng ích anten, n(t) là nhiễu.
Ta xét s1(t) là tín hiệu mong muốn còn (N-1) tín hiệu khác được coi là
nguồn gây nhiễu. Trong hệ thống thích nghi trọng số wm được xác định theo
phương pháp lặp dựa trên tín hiệu đầu ra y(t) , tín hiệu tham chiếu d(t)- là tín
hiệu gần đúng với tín hiệu mong muốn và các trọng số quá khứ. Tín hiệu tham
chiếu được giả thiết giống hệt tín hiệu mon tín hiệu có hướng tới là
, và
trạng thái phân cực P được tính:g muốn.
Đầu ra của mảng được tính bằng: y(t) wH x(t) (2 7),
wH : là biến đổi liên hợp phức chuyển vị của vectơ trọng số w .
30
2.2.2.1. Vectơ đáp ứng của mảng.
Vectơ đáp ứng của mảng đối với một
j 1 g1 ( , ,P )
e
e
j 2 g 2 ( , , P )
a
, , P
( 2 8 )
.
.
j g M ( , , P )
M
e
Trong đó: m là biên dịch pha tương ứng với trễ pha không gian của mặt sóng
phẳng của tín hiệu theo hướng
,
gm (,, P) là hệ số giản đồ phương hướng anten của phần tử thứ m.
2.2.2.2. Vết không gian - phân của mảng.
Vết không gian – phân cực là đáp ứng tổng đối với tín hiệu có N thành
phần đa đường và được biểu diễn:
N
v a( , , P ) (2 9)
n
n
n
n
n1
Trong đó:
n là biên độ và pha của thành phần thứ n.
n ,n ,P là góc tới và trạng thái phân cực của thành phần thứ n.
n
2.2.2.3. Ma trận vết không gian phân cực.
Đáp ứng của mảng đối với nhiều tín hiệu (trong trường một tín hiệu mong
muốn và L tín hiệu nhiễu) có thể được biểu diễn theo ma trận vết không gian –
phân cực. Các cột của ma trận là các vết không gian – phân cực của bản thân các
tín hiệu. Ma trận có dạng:
U v1 v2 ... vL1 Ud
U
(2 10)
i
Trong đó:
Ud là đáp ứng đối với tín hiệu mong muốn s1(t)
Ui là đáp ứng đối với các tín hiệu gây nhiễu.
Đầu ra của M máy thu trước khi thực hiện nhân trọng số là:
x(t) Us(t) n(t) (2 11)
2.2.2.4. Tín hiệu và tạp âm
Các tín hiệu tới (mọi hướng tới và phân cực) có thể được viết là :
T
s(t)
s1(t),s2 (t),...,sL1(t) T
(2 12)
sd (t) si (t)
Tải về để xem bản đầy đủ
72 trang
28/06/2025
120
Bạn đang xem 30 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Ứng dụng thuật toán music trong định hướng sóng đến đối với hệ anten mảng tròn", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
File đính kèm:
- luan_van_ung_dung_thuat_toan_music_trong_dinh_huong_song_den.pdf
