Nghiên cứu các tham số ảnh hưởng đến thuật toán music

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ

Hồng Văn Danh

NGHIÊN CỨU CÁC THAM SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN
THUẬT TOÁN MUSIC.

KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Điện tử - Viễn thông.

HÀ NỘI - 2008
1


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ

Hồng Văn Danh

NGHIÊN CỨU CÁC THAM SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN
THUẬT TOÁN MUSIC.

KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Điện tử - Viễn thông.
Cán bộ hướng dẫn: TH.S. Trần Thị Thúy Quỳnh.

HÀ NỘI - 2008

2

TÓM TẮT NỘI DUNG
Luận văn này nghiên cứu tới các tham số ảnh hưởng đến thuật toán music,
là một thuật tốn phổ biến dùng để xác định hướng sóng tới từ các nguồn tín hiệu.
Các tham số nghiên cứu được đặt ra ở đây bao gồm : tỉ số giữa khoảng cách giữa
các phần tử trong anten thu chia cho bước sóng sử dụng; mối tương quan giữa số
phần tử trong mảng và số nguồn tín hiệu tối đa có thể xác định được hướng tới; độ
phân giải hay độ chênh lệch góc nhỏ nhất mà thuật tốn music có thể phân biệt
được; ảnh hưởng khi nguồn sóng đến ở góc 90 độ hoặc lân cận; ảnh hưởng khi các
nguồn tín hiệu tương quan với nhau. Việc nghiên cứu được tiến hành bằng cách
xây dựng nên thuật toán music qua việc lập trình trên matlab và thay đổi các tham
số trên và quan sát sự thay đổi tương ứng của kết quả và từ đó tìm ra qui luật biến
đổi của kết quả thuật tốn khi các thơng số biến đổi. Luận văn này cũng đưa ra
một số giải pháp để thuật tốn music có thể thực hiện được chính xác trong điều
kiện áp dụng vào tình hình thực tế. Cuối cùng, luận văn nêu ra một số lĩnh vực có
khả năng ứng dụng anten có sử dụng thuật tốn music trong thực tế ở Việt Nam.

3


MỤC LỤC :
MỞ ĐẦU.....................................................................................................................................................6
CHƯƠNG I.................................................................................................................................................8
KHÁI QUÁT VỀ ANTEN THÔNG MINH...................................................................................................8
1.1. Mở đầu :..........................................................................................................................................8
1.2. Nguyên lý hoạt động :.....................................................................................................................9
1.3. Ứng dụng của anten thông minh :.................................................................................................10
1.3.1. Anten thông minh trong mạng GSM :..................................................................................11
1.3.3. Ứng dụng của anten thông minh trong việc xác định vị trí :................................................12
1.4.anten mảng thích nghi :..................................................................................................................13

1.4.1. Định nghĩa anten mảng thích nghi :......................................................................................13
1.4.2. Cấu trúc của anten thích nghi :.............................................................................................14
CHƯƠNG II..............................................................................................................................................17
MỘT SỐ THUẬT TỐN ƯỚC LƯỢNG HƯỚNG SĨNG TỚI.................................................................17
2.1.Thuật tốn ước lượng phổ:.............................................................................................................17
2.2. Thuật tốn khả năng lớn nhất MLM (maximum likehood method):............................................18
2.3 Thuật toán MUSIC :.......................................................................................................................18
2.4. So sánh các thuật toán :.................................................................................................................18
2.5.Ứng dụng thuật toán MUSIC xác định DOA:................................................................................19
2.6. Bài tốn mơ phỏng :......................................................................................................................25
CHƯƠNG III.............................................................................................................................................28
KHẢO SÁT CÁC THƠNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN THUẬT TỐN MUSIC...........................................28
3.1. Xây dựng chương trình để giải quyết thuật tốn MUSIC bằng ngôn ngữ matlab:.......................28
3.1.1. Đặt giả thiết ban đầu về số nguồn tín hiệu, số phần tử mảng và số mẫu quan sát :..............29
3.1.2. Đặt khoảng cách giữa các phần tử trong mảng và các góc ban đầu, xây dựng véctơ hướng.
.........................................................................................................................................................29
3.1.3. Xây dựng ma trận tín hiệu thu được :...................................................................................30
3.1.4. Xây dựng ma trận hiệp phương sai, các giá trị riêng, véctơ riêng của nó :..........................31
3.1.5. Xây dựng hàm độ lệch , xác định hướng sóng đến nhờ thuật tốn MUSIC :......................32
3.1.6. Chương trình thu được cuối cùng sẽ là :...............................................................................32
3.2. Sự ảnh hưởng của các tham số đến kết quả của thuật toán MUSIC :...........................................34
3.2.1. Ảnh hưởng của tham số dlamda ( d/  : khoảng cách giữa các phần tử anten trên bước
sóng sử dụng ) :...............................................................................................................................34
3.2.2. Sự ảnh hưởng của số phần tử anten và số nguồn tín hiệu tới độ chính xác của thuật tốn
MUSIC :..........................................................................................................................................37
3.2.3. Độ phân giải thuật tốn :.......................................................................................................40
3.2.4. Trường hợp khi có ít nhất một nguồn nằm ở góc 90 độ :.....................................................41
3.2.4.1. Trường hợp nguồn nằm ở góc lân cận 90 độ :..............................................................42
3.2.4.2. Khi có một nguồn nằm ở hướng đúng 90 độ :..............................................................46
3.2.5. Khi các nguồn tín hiệu tương quan với nhau :......................................................................47

4


3.3. Kết luận :.......................................................................................................................................51
CHƯƠNG IV.............................................................................................................................................54
KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA THUẬT TỐN MUSIC Ở VIỆT NAM...................................................54
4.1. Ứng dụng trong thơng tin di động :...............................................................................................54
4.2. Ứng dụng trong việc xác định vị trí tàu thuyền :..........................................................................56
4.3. Ứng dụng trong thơng tin vệ tinh Và truyền hình :.......................................................................58

5


MỞ ĐẦU
Ngày nay, khi lĩnh vực thông tin truyền thông ngày càng phát triển, các loại
anten có xử lý tín hiệu được sử dụng ngày càng phổ biến đem lại những ích lợi
trong nhiều lĩnh vực ứng dụng như thơng tin di động, truyền hình, thơng tin vệ
tinh, xác định vị trí vật thể… Một trong những hướng phát triển của kĩ thuật xử lý
tín hiệu trong anten là xác định hướng các sóng tới, xa hơn nữa là từ các hướng
sóng tới này xác định được vị trí các nguồn phát sóng và từ đó có những biện pháp
xử lý tùy thuộc vào mục đích xác định như điều chỉnh búp sóng anten, điều chỉnh
vị trí anten…. Có nhiều thuật toán được đề ra để xử lý phát hiện ra sóng tới như
thuật tốn ước lượng phổ, thuật tốn khả năng lớn nhất, thuật tốn MUSIC…
Trong đó thuật tốn được dùng phổ biến nhất hiện nay chính là thuật toán MUSIC
với những ưu điểm vượt trội như : Độ chính xác cao, phân giải được các nguồn
tốt, áp dụng phù hợp trong nhiều hoàn cảnh.
Tuy nhiên,những điều kiện hoàn cảnh khác nhau sẽ gây ảnh hưởng nhất
định đến kết quả của thuật toán MUSIC. Bài luận văn này nghiên cứu về sự ảnh
hưởng của các thông số hay thay đổi thường gặp trong thực tế qua đó có thể giúp

cho việc thiết kế, xử lý hệ thống anten hiệu quả hơn, phù hợp cho việc áp dụng
trong các ứng dụng thực tế với điều kiện hoàn cảnh biến đổi hơn. Các thông số
được đưa ra nghiên cứu ở đây bao gồm : tương quan giữa khoảng cách các phần tử
trong hệ anten tuyến tính với bước sóng sử dụng ; tương quan giữa số phần tử
mảng anten và số nguồn cần xác định hướng sóng tới ; độ phân giải của thuật
tốn ; trường hợp có nguồn nằm ở góc 90 độ hoặc những góc lân cận đấy ; trường
hợp các nguồn cần xác định hướng sóng đến có tương quan với nhau.
Phương pháp được sử dụng trong bài luận văn này là lập trình matlab mơ
phỏng hệ thống xử lý tìm hướng sóng đến MUSIC bao gồm giả lập các nguồn
sóng tới, sau đó thay đổi các thơng số cần nghiên cứu và xem xét sự thay đổi
tương ứng kết quả của thuật tốn để từ đó tìm ra được những qui luật biến đổi
cũng như sự phụ thuộc của kết quả thuật toán khi thay đổi các thơng số. Việc cuối
cùng sau khi tìm ra được những qui luật biến đổi là đề xuất những biện pháp khi

6


thiết kế, những chú ý để cho thuật toán MUSIC có thể được ứng dụng phù hợp với
điều kiện thực tế. Trong phần luận văn này cũng nêu ra một số lĩnh vực có tiềm
năng to lớn trong việc ứng dụng anten thơng minh có sử dụng thuật tốn tìm
hướng sóng đến MUSIC.

7


CHƯƠNG I
KHÁI QT VỀ ANTEN THƠNG
MINH.
1.1. Mở đầu :
Sóng điện từ truyền trong khơng gian tới điểm thu, ngồi các thơng tin biến

đổi theo thời gian cịn mang các thơng tin về đặc tính khơng gian, vì thế ta có thể
coi đó là dạng tín hiệu khơng gian – thời gian.
Khi sử dụng một anten thu đơn giản, ví dụ một phần tử đơn độc thì bản
thân tín hiệu nhận được ở đầu ra anten sẽ không phản ánh được đặc tính khơng
gian của sóng tới. Cịn khi sử dụng một hệ anten gồm nhiều phần tử sắp xếp trong
không gian thì việc xử lý các tín hiệu nhận được từ mỗi phần tử sẽ cho phép khai
thác được cả lượng tin tức mang đặc tính khơng gian của sóng đó.
Hệ anten, trong đó có kết hợp sử dụng các phương thức xử lý tín hiệu sẽ
làm tăng khả năng của hệ thống trong việc thu nhận thông tin, và ở mức độ cao
hơn có thể đáp ứng một cách linh hoạt những biến động có thể xảy ra để duy trì
các mục tiêu đã đặt ra cho hệ thống. Ta gọi đó là hệ anten có xử lý tín hiệu, hay ở
mức độ cao hơn là an ten thông minh.
Ngày nay, thuật ngữ anten thông minh được sử dụng khá rộng rãi để chỉ các
hệ anten có xử lý tín hiệu do các phương thức và các thuật tốn xử lý tín hiệu đã
đạt tới trình độ cao và đạt được hiệu quả rõ rệt.
Một anten thông minh (Smart Antennas) bao gồm nhiều phần tử anten. Tín
hiệu đến các phần tử này được tính tốn và xử lý giúp anten xác định được hướng
của nguồn tín hiệu, tập trung bức xạ theo hướng mong muốn và tự điều chỉnh theo
sự thay đổi của mơi trường tín hiệu. Cơng việc tính tốn này địi hỏi thực hiện theo
thời gian thực, để Anten thơng minh có thể bám theo nguồn tín hiệu khi nó chuyển
động. Vì vậy, Anten thơng minh cịn được gọi bằng một tên khác là “Anten thích

8


nghi” (Adaptive Antennas).Với tính chất như vậy, Anten thơng minh có khả năng
giảm thiểu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường và can nhiễu.
Anten thông minh là một trong những xu hướng được quan tâm nhiều trong
những năm gần đây. Với ứng dụng trong các hệ thống 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 ứng dụng trong các hệ thống rađa, định vị, 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 khơng có được.

1.2. Ngun lý hoạt động :
Công nghệ Anten thông minh giống như việc định hướng âm thanh của con
người. Con người có hai cái tai để nghe (thu tín hiệu), mồm để nói (phát tín hiệu)
và bộ não để suy nghĩ - định hướng (xử lý, phân tích tín hiệu).
Hãy tưởng tượng bạn đang đứng ở một cánh đồng và nhắm mắt lại. Một
người ở đằng xa nói với bạn. Để nghe rõ nhất người đó nói gì thì bạn phải quay về
phía người đó. Bạn có thể xác định vị trí của người nói nhờ vào sự khác nhau về
trễ của âm thanh mà hai tai của bạn nghe thấy. Bộ não sẽ phân tích sự khác nhau
này và chỉ cho bạn chính xác hướng của nguồn âm phát ra. Như vậy bạn có thể
quay đúng về hướng để bạn và người nói chuyện cùng có thể nghe rõ nhất. Lời nói
của bạn phát ra đúng với hướng của nguồn âm thanh mà bạn nghe được
Một trường hợp khác, bạn đang đứng ở trong một hội trường đơng người.
Phía bên kia của hội trường có một người bạn đang cố gắng nói chuyện với bạn
bằng cách gọi to tên của bạn. Bạn có thể nghe được người đó nói gì vì tiếng gọi đủ
lớn để bạn nghe thấy và một điều rất quan trọng là bạn nhận ra tên của mình (đó
chính là mã số của bạn). Não của bạn sẽ giải mã thông tin từ một mớ những tạp
âm ồn ào. Bạn quay về phía tiếng gọi và nói to để trả lời. Bằng cách này, bạn đã
cộng thêm tiếng ồn vào trong những âm thanh của hội trường và làm cho những
cuộc hội thoại của những người khác rất khó nghe.Thật tốt cho tất cả mọi người
đang nói chuyện trong hội trường nếu bạn có thể nói chuyện với bạn của mình mà
khơng cần phải nói to. Chỉ có thể thực hiện điều này nếu người bạn của bạn được

9


trang bị thiết bị nghe lén với độ nhạy cao cùng với micro định hướng. Khi đó bạn

chỉ cần thì thầm cũng đủ cho bạn của mình nghe thấy.
Một Anten thông minh bao gồm nhiều Anten thành phần. Cũng giống như
cách phân tích của bộ não về sự khác nhau giữa âm thanh thu được ở hai tai,
những tín hiệu phát ra từ những máy di động đến Anten thành phần được phân tích
giúp xác định hướng của nguồn tín hiệu. Trên thực tế thì các Anten thành phần
được phân bố tĩnh. Việc xác định được hướng của nguồn tín hiệu là kết quả của
việc tính tốn tín hiệu nhận được từ những Anten thành phần, và khơng có phần
nào của Anten phải quay đổi hướng cả.
Anten thông minh sử dụng các phép tính đơn giản, nhờ đó giúp giúp cho
những gói tin có thể truyền đến nguồn tín hiệu trong một búp sóng hẹp theo đúng
hướng từ nguồn tín hiệu phát ra đến nơi nhận, việc này giúp cho năng lượng sóng
truyền đi theo một hướng tập trung, nhờ đó giảm thiểu năng lượng ở máy phát mà
nơi thu vẫn có thể nhận được tín hiệu rõ ràng. Sử dụng Anten thơng minh để phát
tín hiệu rất giống như việc chiếu đèn vào các diễn viên trên sân khấu. Nếu như đèn
chiếu rộng thì rất ít ánh sáng chiếu đúng vào người diễn viên. Bằng một đèn chiếu
tập trung, hầu như toàn bộ ánh sáng chiếu đúng phần cần thiết cịn những khu vực
cịn lại thì tối, tăng hiệu dụng cơng suất phát sáng.
Cơng việc tính tốn phức tạp và đòi hỏi thời gian đáp ứng nhanh dẫn đến
việc phải gia tăng đáng kể công việc xử lý ở tại trạm phát sóng.
Lợi ích của việc sử dụng Anten thơng minh : Anten thơng minh đóng góp
hai lợi ích chính đối với đường truyền vơ tuyến là tối ưu hố cơng suất, giảm nhiễu
đường truyền. Bởi vì Anten thơng minh đặc biệt hiệu quả trong việc tăng cơng
suất tín hiệu thu được và giảm công suất phát đến ngưỡng nhỏ nhất. Bên cạnh đó,
nó được sử dụng giúp tăng dung lượng đường truyền. Việc giảm đáng kể công
suất phát ra chính là giảm sự can nhiễu trong một vùng phủ sóng của trạm phát
(làm tăng mức tín hiệu trên tạp âm - SNIR).

1.3. Ứng dụng của anten thông minh :

10

1.3.1. Anten thơng minh trong mạng GSM :
Đã có một số loại Anten thông minh được sản xuất cho thị trường mạng di
động sử dụng công nghệ GSM. Chúng giúp tối ưu công suất thu phát, giảm nhiễu.
Nhưng cho đến nay việc sử dụng Anten thông minh trong mạng GSM vẫn cịn rất
hạn chế. Đây khơng phải bởi lý do công nghệ mà bởi công nghệ GSM sử dụng đa
truy nhập theo thời gian (TDMA) và quản lý vị trí tần số. Điều này có nghĩa là mỗi
kênh vơ tuyến có một khe thời gian và một băng tần. Khơng có sự can nhiễu giữa
những người dùng trong một ơ (cell) trạm phát. Giống như hai người nói chuyện
với nhau trong một căn phịng vắng khơng có tiếng ồn của những cuộc hội thoại
khác. Điều này có nghĩa là lợi ích của Anten thông minh trong mạng GSM là rất
hạn chế.

1.3.2. Anten thông minh trong mạng 3G :
Bởi Anten thông minh giúp tăng công suất thu và giảm nhiễu nên điều này
đặc biệt có ý nghĩa đối với các mạng di động 3G sử dụng công nghệ 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 và phát từ những máy di động khác
(với những mã khác) đối với một máy điện thoại di động chính là nhiễu. Cho nên,
càng nhiều điện thoại trong một vùng phủ sóng của trạm thu phát thì nhiễu càng
nhiều. Điều đó làm giảm số điện thoại di động mà trạm thu phát có thể phục vụ
được. Tất cả các tiêu chuẩn điện thoại 3G (UMTS, cdma2000 và TD-SCDMA...)
đều sử dụng công nghệ CDMA. Đối với những hệ thống CDMA, Anten thông
minh giúp giảm nhiễu trong một ơ bởi vì nó tăng cơng suất phát để duy trì tất cả
các kênh vơ 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 mức
công suất cao gấp 10 lần một kênh thoại trong mạng GSM. Tăng mức cơng suất để
duy trì một kênh vơ tuyến cũng có nghĩa là giảm khả năng phục vụ các th bao

cịn lại trong ơ cũng như từ các ô liền kề.
Anten thông minh giảm sự can nhiễu bằng 2 cách:

11


- Búp sóng của Anten hướng chính xác đến th bao, do vậy công suất phát
chỉ phát đúng đến hướng cần thiết.
- Khả năng điều khiển tín hiệu định hướng, Anten thơng minh tránh phát tín
hiệu về phía nguồn can nhiễu.
Búp sóng của anten thơng minh giống như một bơng hoa với những cánh
hoa có độ dài khác nhau , mỗi cánh hoa là một búp sóng phục vụ một thuê bao.
Những búp sóng này sẽ bám theo đúng hướng của thuê bao khi di chuyển.
Kết hợp những lợi ích của Anten thơng minh, hệ thống CDMA giảm được
chi phí tính tốn cơng suất, tăng dung lượng phục vụ.

1.3.3. Ứng dụng của anten thông minh trong việc xác định vị trí :
Bằng cách xác định được hướng sóng tới từ anten phát tới ít nhất 2 hệ anten
thu ta có thể xác định được vị trí của anten phát từ giao điểm của 2 hướng đó. Việc
xác định hướng được thực hiện với một số thuật toán như thuật toán ước lượng
phổ, thuật toán khả năng lớn nhất hay phổ biến nhất là thuật tốn MUSIC. Hình
dưới mơ tả việc xác định nguồn phát qua việc xác định được hướng sóng tới từ
nguồn phát tới 3 trạm thu có sử dụng anten thơng minh có sử dụng phương pháp
xác định hướng sóng tới DOA.

12


Trạm 2
Nguồn phát

T2

T1
Trạm 1
Trạm 3
T3
Hình 1.1 . Xác định vị trí ứng dụng anten
thơng minh.

Anten thơng minh là một tập hợp các Anten thành phần được điều khiển để
có thể bức xạ ra các búp sóng hẹp với mức cơng suất phù hợp với yêu cầu nên nó
nâng cao được công suất thu, giảm nhiễu nội bộ giữa các kênh vô tuyến trong
cùng một trạm phát. Với những đặc điểm và nguyên lý hoạt động của Anten thông
minh, việc sử dụng Anten thông minh trong mạng 2G (GSM) không mang lại hiệu
quả cao. Đối với mạng di động 3G (CDMA), khi thiết kế, xây dựng cần xem xét
khả năng triển khai Anten thông minh ngay để giảm số trạm phát, tăng dung lượng
thuê bao, chất lượng dịch vụ.

1.4.anten mảng thích nghi :
1.4.1. Định nghĩa anten mảng thích nghi :
Anten thơng minh thông thường được chia làm 3 loại : Anten định dạng
búp sóng băng hẹp, Anten thích nghi và Anten thích nghi băng rộng. trong đó
anten định dạng búp sóng băng hẹp là các hệ anten có xử lý tín hiệu với thuật tốn
khơng phức tạp, trong khi anten thích nghi xử dụng các phương thức cũng như
thuật toán phức tạp hơn.

13


Một mảng anten là một dãy các anten được đặt theo một trật tự xác định tại

những điểm cố định trong khơng gian. Một mảng thích nghi là một hệ thống an ten
có thể biến đổi những mẫu tín hiệu bằng điều khiển phản hồi trong hệ thống anten
điều khiển.
Các phần tử của anten có thể được sắp đặt ở những vị trí bất kì trong khơng
gian, trên thực tế loại anten thường được sử dụng là anten mảng thích nghi phẳng,
là loại anten mà tâm các phần tử của anten được sắp xếp nằm trên cùng một mặt
phẳng. Có 2 loại anten mảng phẳng được biết đến rộng rãi là anten mảng trịn và
anten tuyến tính.
Một mảng vịng trịn là một mảng mà tâm của các phần tử anten được đặt
nằm trên một đường trịn.
Trong mảng tuyến tính, tâm các phần tử anten được sắp xếp theo một
đường thẳng, các phần tử của anten thường được đặt cách nhau một khoảng cách
cố định khác không, trong nhiều trường hợp khoảng cách này là một thơng số
quan trọng trong tính tốn về anten thơng minh.

os
dc


d

Hình 1.2. mảng anten tuyến tính

14

z


1.4.2. Cấu trúc của anten thích nghi :

1

U1
U2

2
.
.
.

W1

W2
U3

WM

M
Mảng
anten

Định dạng búp
sóng

Thuật tốn điều
khiển thích nghi

Xử lý tín hiệu

Bộ xử

lý
thích
nghi

Hình 1.3. Một mơ hình anten thích nghi

Hình trên mơ tả một trong các mơ hình của anten thích nghi, trong đó có 3
khối cơ bản là khối mảng anten, khối bộ xử lý thích nghi và khối định dạng búp
15


sóng. Mảng anten là một hệ thống bao gồm một dàn các anten phần tử, thường là
bao gồm M phần tử được sắp xếp tuyến tính. Bộ xử lý thích nghi xử lý với thời
gian thực, nó tiếp nhận các thong tin liên tục từ đầu vào của dàn rồi tự động điều
khiển các trọng số Wi của bộ định đạng 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 tốn được lựa chọn.
Trong hệ anten xử lý tín hiệu thích nghi, thơng thường ta 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, cịn các hướng khơng hoặc hướng cực
tiểu hướng theo các nguồn nhiễu để triệt tiêu hoặc giảm thiểu nhiễu. Trong trường
hợp này, việc xác định được hướng nguồn tín hiệu có ích hay hướng nguồn nhiễu
là rất quan trọng, nó là điều kiện thiết yếu để có thể định dạng được búp sóng như
mong muốn. Để tìm ra hướng các tín hiệu này, bộ xử lý tín hiệu thích nghi phải
bao hàm một số thuật tốn để tìm ra hướng sóng đến, thuật tốn được dùng phổ
biến với độ chính xác cao đó là thuật tốn MUSIC ( Multiple Signal Classification
algorithm ). Thuật toán này do Schmidt đề xuất năm 1979, đạt được độ phân giải
cao khi phát hiện và phân loại nhiều sóng đến đồng thời.

16


CHƯƠNG II
MỘT SỐ THUẬT TỐN ƯỚC
LƯỢNG HƯỚNG SĨNG TỚI

Một trong những cơng việc xử lý tín hiệu quan trọng nhất trong anten thơng
minh chính là việc xác định được hướng của búp sóng tới. Q trình nghiên cứu và
phát triển anten thông minh đã đưa ra được một số loại thuật tốn ước lượng
hướng sóng tới như thuật tốn ước lượng phổ, thuật toán khả năng lớn nhất và đặc
biệt được ứng dụng rộng rãi với độ chính xác cao là thuật toán MUSIC.

2.1.Thuật toán ước lượng phổ:
Trên cơ sở nếu ta ước lượng được ma trận tự tương quan đầu vào và biết
các véctơ hướng a(φ), thì ta có thể xác định được công suất đầu ra theo hàm của), thì ta có thể xác định được cơng suất đầu ra theo hàm của
góc sóng tới ( là giá trị góc φ), thì ta có thể xác định được công suất đầu ra theo hàm của ứng với giá trị của hàm phổ công suất này.

A( ) H .Ruu . A( )
P[ ] 
L2

17


Trong đó :
A(φ), thì ta có thể xác định được công suất đầu ra theo hàm của) là véctơ hướng hay còn gọi là véctơ dõi theo
R
là mà trận tự tương quan hay ma trận hiệp phương sai của tổng
các tín hiệu thu được U(t) tại mảng anten thu.

uu

P(φ), thì ta có thể xác định được cơng suất đầu ra theo hàm của) là hàm phổ cơng suất trung bình theo góc tới
L là cỡ của dãy tín hiệu hay số mẫu quan sát

2.2. Thuật toán khả năng lớn nhất MLM (maximum likehood method):
Thuật tốn này tối đa hóa hàm loglikehood để ước lượng DOA từ một bộ
mẫu chuỗi cho trước. Hàm likehood được cho bởi hàm mật độ xác xuất của dữ liệu
từ các thông tin về DOA :

M

F(x) =

1

  det[
i 1

2

I]

exp(

1
| x (t i )  A( ) S (t i ) | 2
2

Trong đó :

 2 là năng lượng tạp âm.

I : là ma trận đơn vị kích thước K x K.
A(φ), thì ta có thể xác định được công suất đầu ra theo hàm của) : là véctơ hướng .
X(t i ) : tín hiệu nhận được tại đầu ra của phần tử thứ i.
S(t i ) : tín hiệu đầu ra tại phần tử thứ i.
Khi các biến khơng tương quan, thuật tốn MLM cho kết quả khá tốt

2.3 Thuật toán MUSIC :
MUSIC là thuật toán sử dụng các phép toán mà trận để tìm ra DOA bằng
cách phân loại các nguồn tín hiệu đi tới từng phần tử anten theo góc độ khơng

18


gian. Thuật toán này cho phép xác định số lượng nguồn phát, cường độ của tín
hiệu và cơng suất nhiễu.

2.4. So sánh các thuật tốn :
Kết quả mơ phỏng khả năng ước lượng hướng sóng tới ( DOA) trong
trường hợp các góc tới bằng 30 o và 60 o của ba thuật tốn trên được trình bày ở
hình dưới :

Hình 2.1a. thuật tốn ước
lượng phổ

Hình 2.1b. thuật tốn khả
năng lớn nhất

Hình 2.1c. Thuật tốn MUSIC

19


Từ kết quả trên ta có thể thấy được thuật tốn DOA cho kết quả chính xác
vượt trội so với 2 thuật toán ước lượng phổ và khả năng lớn nhất.

2.5.Ứng dụng thuật toán MUSIC xác định DOA:
Giả sử ta có K nguồn phát phát đi K sóng, cùng tần số với các góc phương
vị tương ứng là φ), thì ta có thể xác định được cơng suất đầu ra theo hàm của 1 , φ), thì ta có thể xác định được công suất đầu ra theo hàm của 2 , …, φ), thì ta có thể xác định được công suất đầu ra theo hàm của

k

, … φ), thì ta có thể xác định được cơng suất đầu ra theo hàm của K tới dàn anten thông minh gồm M phần

tử với K < M (hình 2).

Hình 2.2. K sóng tới dàn M phần tử

Gọi U(t) là tổng các tín hiệu nhận được ở đầu ra của M máy thu Rx 1 ….Rx M
đặt trên M phần tử dàn, bao gồm cả nhiễu, và coi phần tử thứ nhất là chuẩn, ta có :
K

U(t) =

 a( )

k

.s k (t )  N (t )

k 1

1)

20

(2-