Xử Lý Tín Hiệu Mimo Rada Bằng Phương Pháp Lấy Mẫu Nén..pdf

MC LC
MC LC ..................................................................................................................1
DANH MC HÌNH V ............................................................................................5
DANH MC BNG ..................................................................................................8
DANH MC T VIT TT....................................................................................9
LU .........................................................................................................11
NG QUAN H THNG RADAR ............................................13
1.1

Gii thiu......................................................................................................13

1.2

Các h thng radar......................................................................................13

1.3

 nguyên lý ca radar..........................................................................17

1.4

 phân gii v khong cách ......................................................................20

1.5

Doppler .........................................................................................................21

1.6

.....................................................................................26

1.7

Dng tính hiu ca radar............................................................................31

1.8

t phát trung bình ca radar xung.................36

1.8.1 a radar xung .......................................................................36
1.8.2 Cơng sut phát trung bình .........................................................................36
1.9

H thng radar qun lý FIR band L, S .....................................................37

1.9.1 Các khái nim............................................................................................37
1.9.1.1

Khái nip (PSR-Primary Surveillance Radar) .............37

1
1706674950946cd1f72d4-101d-41ee-972f-581df6afd1e1
1706674950946c892e7e0-de91-4388-9d92-21ae584b0964
170667495094653d1346e-358f-40b2-882c-37fd60e644ce


1.9.1.2

Khái nim radar th cp (SSR-Secondary Survaillance Radar) .......38

1.9.2 p ATCR-33S...........................................................................40

1.9.3 Radar th cp SIR  M..............................................................................43

1.10

1.9.3.1

Nguyên lí làm vic ............................................................................45

1.9.3.2

Các thông s k thut ca radar th cp SIR-M ...............................47

Các h thng radar khác ............................................................................51

T LY MU NÉN TRONG RADAR ..........................52
2.1 Chun b toán hc .............................................................................................52
2.1.1 Vec-n .........................................................................................52
2.1.2 Phép bii Fourier ...................................................................................54
2.1.3 Mt s c bit ..................................................................................... 56
2.1.4 Lý thuyt xác sut ........................................................................................58
2.1.5 Ký hiu Landau ............................................................................................60
2.1.6 Gii thiu v Compressed Sensing ..............................................................60
2.1.7 K thut Compressive sensing .....................................................................63
u din tín hiu ....................................................................63
2.1.9Ma tr .................................................................68
u kin khơi phc li tín hiu trong Compressive sensing......................70
2.1.10.1 Restricted isometric Property (RIP) ....................................................70
u kic lp) .........................................................71
c tín hiu ..........................................................72
2.1.11 Thut tốn khơi phc l1 minimization ........................................................72

2.1.12 Thut tốn khơi phc Orthogonal Matching Pursuit.................................76
2.2 K thut nén xung trong Radar.......................................................................79

2


 ....................................................................82
 ......................83
2.3 Các dng nén xung( các dc mã hóa) .........................................84
 ..................................................84
 ..............................................87
-coded waveforms )............................................88
-coded) ................................................88
......................................................................90
-length sequences) .....................91
 ..............................................................93
-frequency-coded waveforms)
............................................................................................................................... 94
2.4 Mt s c nén xung .........................................................................95
 ...................................................95
......................................................................................95
2.................................................................................................97
.....................................97
2.

 ...........................................98

-wave pulse compression ) .........................98
2.5

B lc và b x ..............................................................100

2.5.1  ..........100
 ............................................................................100
            
Response) ........................................................................................................100
 .......................................................................101

3


 ................................................................................................101
 .......................................101
 ......................................104
2.5.2 Nén xung trong radar atcr 33s-dpc ..........................................................104
.............................................................................................104
2.5.2.2

........................................................................................105

2.5.2.3

 ..................................................................106

2.5.2.4

....................................................................108

NG K THUT NÉN XUNG .....................................113
3.1 Các chn và các k thut x lý ci ..................113

3.2 To dng sóng và gii pháp phát mã xen k.................................................116
3.3 K thut nén xung tín hiu ch BPSK mã Barker xen k mã M .......121
3.4 Các yu t n quá trình nén xung ............................................129
3.5 S ng c tín hiu ................................................................132
 tr ca các mt tr trong khâu lc nén....................................................134
KT LUN ............................................................................................................137
TÀI LIU THAM KHO ....................................................................................138

4


DANH MC HÌNH V
Hình 1.1 H thng chân tri 5-28MHz .................................15
Hình 1.2 H thng cnh báo so hong  tn s 245MHz ......16
Hình 1.3 Radar band S trên máy bay E2-C ..............................................................17
 nguyên lý ca radar xung................................................................17
Hình 1.5 Chui xung phát và thu ..............................................................................18
Hình 1.6 S nhp nhng v khong cách ................................................................19
 phân gii mc tiêu ...............................................................................21
Hình 1.8 Hiu ng ca mc tiêu di chuyi vi sóng vơ tuyn..........................22
Hình 1.9Minh ha ng ca vn tc mi vi 1 xung.........................23
Hình 1.10Minh ha hiu ng ca mc tiêu di chuyi vi radar xung.  
n sau. ............24
hình 1.11Ph ca tín hiu do hiu ng doppler gây ra .............................................25
Hình 1.12Mc tiêu 1 có hiu ng doppler bng 0. Mc tiêu 2 to ra hiu ng
doppler ln nht. Mc tiêu 3 nm ging hp ...............................................26
Hình 1.13 Giá tr vn tc ca mc tiêu t l vi góc ng .........26
Hình 1.14Ph ca tín hiu dng sin ..........................................................................32
Hình 1.15Ph ca m..............................................................................33
Hình1.16Ph biên ca chui xung vơ hn ................................................................34

Hình 1.17Ph  ca chui xung hu hn ........................................................35
Hình 1.18H thp và th cp PSR/MSSR ti sân bay quc t
Ni Bài là thit b thuc h AMS G-33I. ..................................................................40
Hình 1.19: H thng thit b ca radar ATCR-33S...................................................41
Hình 1.20 Khi phát (trái) và thu (phi) ca radar ATCR-33S ............................... 42
 khi phát cp ATCR-33S ........................................43
 khi tng quan h t trên máy bay ........................44
 khi tng quát trt. ..............................................45
Hình 2.2 Ly mu s dng Compressive sensing .....................................................68
 ......................................................69

5


Hình 2.4 Khơi phc li tín hip li l1 trng s hóa.......76

 ..................................................................81

..........................................................................................82
..........................82
 ............................................................85
 ...........................................................................86
 .............................................................................86
......................................................88
 ......................................................................................89
 ............................................................ 89
 ...................................................................91
 .........................91
 ............................................92
 .............................................................92

 .................................................94
.............................................................................................95
 ...................................................97
 ..............................................................98
               
 ..........................................................................................................99
 ...............102
.....................................................104
...............................................107
Hình 3.1 Mã Barker 13 bít ......................................................................................117
Hình 3.2 Mơ hình khi to mã Barker và mã M phát xen k ................................118
Hình 3.4 u ch BPSK...........................................................................120
Hình 3.5 u ch khóa dch pha nh phân BPSK cho chui mã ...........................121

6


a dãy x(n), y(n) ................................................124
Hình 3.7 Hàm t a dãy x(n), y(n) .....................................................124
Hình 3.9 Mơ phng q trình nén xung tín hiu mã xen k ..................................126
Hình 3.10 Mch nén xung cho 2 loi mã ................................................................127
Hình 3.11 Kt qu ca vic nén xung (khi mc nhiu thp) ..................................128
Hình 3.12 Kt qu ca vic nén xung khi mc nhiu thp .....................................129
Hình 3.13 Chui mã Barker 7 và tín hiu BPSK mã xen k ng. ................130
Hình 3.14 Chui mã Barker 7 , nén xung mc nhiu thp 0,00005 ......................130
Hình 3.15 Chui mã Barker 7 , nén xung mc nhiu thp 0,1 ...............................130
Hình 3.16 Chui mã Barker 7 , nén xung mc nhiu thp 0,5 ..............................131
Hình 3.17 Chui mã Barker 7 , nén xung mc nhiu thp 0,7 ..............................132
 tín hip 3 ln, cơng sut nhiu thp 0,00005
.................................................................................................................................132

Hình 3.19  tín hip 7 ln, cơng sut nhiu thp 0,00005
.................................................................................................................................133
    tín hi     p 10 ln, công sut nhiu thp
0,00005 ....................................................................................................................133
 tín hip 10 ln, cơng sut nhiu ln 0, 5.134
Hình 3.22 Mơ hình h thng to và lc nén tín hiu cu trúc mã Barker_7 ..........135
u ra khi l tr trong mi mt lc ca
c 12 mt lc lên 2 ln.............................................................................................135

7


DANH MC BNG

Bn ca radar hàng không ...........................................................14
Bng 0.2 Các tham s k thut ca radar th cp SIR-M........................................50
Bng 0.3 Các chui mã Barker ...............................................................................117
Bng 0.4 Quá trình t a mã Barker ..................................................125

8


DANH MC T VIT TT
AM

Amplitude modulation

u ch 

ATC

Air Traffic Control

u khi

ASR

Airport Surveillance Radar

Radar giám sát vịng
ngồi sân bay

BMEW

Ballistic Missile Early Warning

Radar cnh báo s

S

System

o

CDMA

Code Division Multiple Access

p theo mã.

CW

Continuous Wave

Sóng mang liên tc

CWFM

Continuous Wave Frequency

Sóng mang liên tu

Modulation

tn

DANL

Displayed Average Noise Level

Nhiu nn

DME

Distance Measuring Equipment

 ly

EIRP

Effective Isotropic Radiated Power

Công sut phát x ng
ng 

ESD

Energy Spectral Density

M ph ng

EWR

Early Warning Radar

Radar cnh báo sm

FT

Fourier Transtorm

Bii Fourier

FIR

Flight Information Region

Vùng thơng báo bay

hF

high Frequency

Sóng ngn

HCC
ICAO

H ct cánh

NBD

International Civil Aviation
Organization
Non Directional radio Beacon

T chc Hàng không
Dân dng Quc t
nh v

PR

Pulse Radar

Radar xung

PRF

Pulse Repetition Frequency

Tn s lp li xung

9


PSD

Power Spectral Density

Hàm m ph công
sut

PSR

Primary Surveillance Radar

p

SMR

Surface Movement Radar

Radar giám sát di chuyn
b mt.

SNR

Signal to Noise Ratio

T s tín hiu trên tp âm

SSR

Secondary Survaillance Radar

Radar th cp

TOI

Third Order Intercept point

m nén bc 3

UHF

Ultra High Frequency

Sóng decimet

VHF

Very High Frequency

Sóng mét

VOR

VHF Ommidirectional radio Range

ng

10


LU
Trong nh phát trin nhy vt ca khoa hc k thuc
bit là k thun t - tin hi v n n
chng ca các thit b n t. Công ngh ch to linh kin t 
phép chj tc các IC t hp ln và nhng dng tín hiu phc t
bc ng dng rng rãi trong tt c c vô tuyn vin thơng,
u khin , vv.. Tín hiu phc tc các u cu rt cao
v  , chin thut cn có ca mt h thnh v vô tuyn hin
i. Trong các h nh v vô tuyn hiu di rc
ng dng ru ch 
tín hiu tn, tín hiu ma  nip tn s , tín hiu ma -níp pha. Vic u ch
tín hiu di r rng c
cơng sut trung bình ca tín hi n
mc tiêu theo c i vi h nh v vô tuy
 m b phân gii khi thu tín hiu di rng cn thit phi thc hin bài
tốn nén tín hiu xung rng. Ngồi ra khi thc hin nén tín hiu xung rng, t
s tín hiu trên tc nâng cao nh la chu ch thích hp.
 tìm hiu v k thut x lý tín hiu Mimo radar by mu
nén, trong khuân kh lu chính:
 bày khái quát chung v Rada.
 thut ly mu nén trong radar.
ng k thut nén xung trong radar.
 tài là mc mi, bn than kin thc còn nhiu hn ch 
tài khó tránh khi nhiu thiu sót,em mong nhc s góp ý và ch bo ca
11

các thy và các b   n   c hoàn thin và phong

Khi thc hi tài này, em xin gi li cn các thy cô trong b
môn K thut thông tin,Vin t-Vii hc Bách Khoa
Hà Nc bit là PGS.TS Nguyn Hu Trung      em
nh,tìm hiu và thc hi i li cm
i PGS.TS Nguyn Thúy Anh p thêm cho em kin thc và giúp
em ging thc m tài ca em.
Em xin chân thành c

12


CHNG 1: TNG QUAN H THNG RADAR
1.1 Gii thiu
RADAR là thut ng vit tt t Radio A   


c
t
Các tín hiu phn x


tiêu.
1.2 Các h thng radar
Radar có th c chia làm các lo
tr, radar hàng không, radar tàu th c phân loi da
vào mt s c bit cn hong, loi anten và
dng sóng s dng. Mt s cách phân loi khác li da trên nhim v hoc

ch  dng ca radar bao gm radar thi tit, radar bám, bám trong
  u khin ha lc, cnh báo s    a hình, radar
mng pha (hay cịn g. Tuy nhiên, cách phân loi ph bin nht
ng da trên dn t mà chúng s dng hoc tn s hong.
Xét ti dn t s dng thì radar có th phân loi thành radar sóng
liên tc CW(Continuous Wave); Radar CWFM và radar xung PR (Pulsed
Radars)... Radar liên tc là loi bc x n t mt cách liên tc
và s dng cùng mt anten phát và thu. Radar phát tín hiu
ch có th c vn tc ca mc tiêu da trên hiu ng dch tn Dopplervà
 da trên búp sóng ca anten tuy nhiên, s không th c
khong cách ca mc tiêu nu không s dng mt lou ch 
13


Radar FMCW t lo tuy nhiên có s du ch
FM, nh có tín hiu ch mà radar FMCW có kh c c vn
tc, c .
Radar xung s dng mt chui xung u chi vi loi này li có th
phân loi theo tn s lp li xung và chia làm 3 loi: tn s lp li (PRF) thp,
trung bình và cao. Radar PRF th ng s d   ng cách ti
mng s d n tc ca mc tiêu.
C radar liên t    u có th s d    2 tham s là
khong cách và vn tc nu s dng nhng k thu u ch khác nhau.
Trong band L, S, X hin nay ch yu s dng radar xung, vì vy trong phn
tip theo chúng ta s nghiên cu chi ti radar xung.
n
HF
VHF

Các n theo IEEE

3-30MHz
30-300MHz

nh ca ITU
138-144MHz
216-225MHz
420-450MHz
850-942MHz
1215-1400MHz
2300-2500MHz
2700-2900MHz
5250-5925MHz
8500-10680MHz
13.4-14GHz
15.7-17.7GHz
24.05-24.25GHz

UHF

300-3000MHz

L
S

1-2GHz
2-4GHz

C
X
Ku

4-8GHz
8-12GHz
12-18GHz

K

18-27

V

75-100GHz

76-81GHz
92-100GHz

W

75-110GHz

76-81GHz
92-100GHz

Bng 0.1 n ca radar hàng không

14


Xét v tn s hong thì radar có th c phân lo
bng 0.1. Nhng radar HF s dn t có kh n x bi tng

n li nên có th phát hic c nhng mc tiêu nng chân
tri. Ví d  thng radar United States Over Horizon Backscatter hot
ng   tn t 5  28MHz và h thng Woodpecker ca Nga. Các radar
hong  ng s dng cho nhng radar tm xa
nh báo sm (EWR). Hình 1.1 là radar cnh báo sn
o (BMEWS) dị tìm và bám mc tiêu  tn s 245MHz.

Hình 1.1 H thng chân tri 5-28MHz

15


Hình 1.2 H thng cnh báo so hong  tn s 245MHz

Các radar vịng ngồi có c ly hong lng là nhng radar mng pha
bc sóng ca tn s thp rt dài và yêu c nhy thu  mt khong
cách ln nên nhng h thng radar này cn  m hiu dng ln.
Các radar  ng là nhng h tht trên mt và trên tàu bin
c s du khin các ho (aTC) và các
radar quân s tm xa. bc s dng cho các radar tm trung, ví
d  du khing
bay và các h thng radar mng pha trên tàu khu trc. Radar cnh báo su
khin h thng trên E2-C ca M  dng radar band S.

16


Hình 1.3 Radar band S trên máy bay E2-C

ng s dng cho các h thc vt lý anten radar b

gii h
K, ng có ch suy hao bi khí quyn vì vy
ng s dng cho các radar tm ngn.
1.3  nguyên lý ca radar

Hình 1.4  nguyên lý ca radar xung

17


Hình 1.4  khi ca mn. B u khin thi gian
to ra tín hing b thi gian cho tồn b h thng. B u ch tín hiu
to và gi tín hiu ti anten. S chuyn mch gia b thu và b i vi
c thc hin bng b duplexer. B duplexer cho phép mt anten có
th s dng v phát và thu tín hiu. Khi phát, b phát gi tín hiu qua b
duplexer ti anten và khi thu, tín hiu phn x t mc tiêu qua b duplexer
c gi ti b thu. B thu khui tín hic t mc tiêu và chun
hóa tín hii ti b x lý tín hiu. Q trình thu thp các thơng tin
ca m  c thc hin bi khi x lý tín hiu.   n t di
 m/s nên khong cách ca mc tiêu,
chuyn bng t ánh sáng,     

Rc tính theo thi gian tr, tbi công thc:


 


(1.1)

 ng mét và  ng giây.
Nhìn chung, mt radar xung s phát và thu mt chu    c
minh ha  Hình 1.5.Khong cách gi r
Khong cách gic gi là thi gian thu nhn xung (PRi)
và ngho ca nó là tn s lp li xung PRF c ký hiu bi ,
(1.2)

Hình 1.5 Chui xung phát và thu

18


Trong mi chu k xung radar bc x ng ch ng nghe
tín hiu phn x t mc tiêu trong khong thi gian còn li. H s làm vic
trong mt chu k  ng t s     
su
    
   là công sunh. nng xung       


Khong vi thi gian tr T gi là khong nhp nhng
(ambiguous) . Xem hình minh ha 0.6 

Hình 1.6 S nhp nhng v khong cách

c 2 xung là echo1 và echo2, ta có  




và  

󰇛󰇜


Rõ ràng, khong nhp nhng này có liên quan ti xung echo2. Vì vy, mt
xung radar truyi mt th  thu tín hiu phn x t
m       p theo. Kt qu là khong không nhp
nhng cnh bng mt na chu k xung,

19




    


(1.3)

Tham s  nhp nhng khá quan tr hn ch s nhp nhng này, các
radar cn phi có chu k  ln. Tuy nhiên, nu chu k 
làm gim cơng sut phát trung bình ci làm gim vùng phc
v ca radar. Còn khi mu   c v ca radar thì li làm gim
vùng khơng nhp nhng. S thun nghch trong các tham s k thut ln là
v hóc búa,  phn tip theo chúng ta cịn gp li tính cht này.
1.4  phân gii v khong cách
 phân gii khoc ký hiR, là mt tham s radar cho bit
kh n ra 2 mc tiêu riêng bit mà 2 mc tiêu này có khong cách
 i gn nhau. Các h th  c thit k  ho ng

gia khong cách  và . Khong cách gia  và  chia cho
R s c M hàng có cùng khong cách.


 


(1.4)

Các mc tiêu s chc chn nm trong khong      a
trong hình 1.7

20