Nghiên cứu các phương pháp và thuật toán xác định hướng sóng đến, sử dụng dàn anten có cấu trúc đặc biệt, ứng dụng cho hệ anten thông minh

Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G IA H À N Ộ I
NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ THUẬT TOÁN
XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG ĐÉN, s ử DỤNG DÀN ANTEN
CÓ CÁU TRÚC ĐẶC BIỆT, ỨNG DỤNG CHO HỆ ANTEN
THÔNG MINH
M ã số: QC.08.15
C hủ n hiệm đề tài: G S.TSKH Phan Anh
Đ A I H O C Q U Ố C G I A H À N Ộ I
T R Ụ N G Ị A M I H Ó N G U N T H Ư V l Ệ N
000600000 Ĩ0
Hà nội, 11/2010
MỤC LỤC
DAN H SÁ CH N H Ữ N G NG Ư ỜI TH AM GIA T H ự C HIỆN Đ Ề TÀI 2
DANH M ỤC CÁ C HÌN H 3
TÓM TẮ T CÁ C KẾT QU Ả N G HIÊN c ứ u C HÍN H CỦ A Đ Ề TÀI 4
BÁO C ÁO TỐ N G H Ợ P 5
PHỤ LỤC
1
r 1
DANH MỤC CÁC HÌNH
H ình 1 - Tín hiệu được thu thập bởi dàn anten U LA
H ình 2 - M ô phỏng thuật toán M Ư SIC dùng dàn anten ULA
H ình 3 - Cấu trúc dàn anten U LA và ƯCA
H ình 4 - Phổ D O A của dàn anten U CA và U LA
H ình 5 - Cấu trúc hệ anten không tâm pha eồm 4 phần tử anten phân cực đứng
Hìnlí 6 - Giản đồ biên độ của anten trong mặt phẳng H
H ình 7 - Giản dồ pha của anten trong mặt phầng H
H ình 8 - Cấu trúc dàn anten U CA với mỗi phần tử anten là một hệ anten không tâm pha
H ình 9 - Phổ không gian cùa dàn U CA với mỗi phần từ là m ột hệ anten khône tâm pha.
H ình 10 - Phổ không gian của dàn nonlinear W PA.
H ình 11 - Phổ không gian của dàn U CA với m ỗi phần tử là m ột hệ anten không tâm pha

trong Irường hợp 27 nguồn tín hiệu đến.
BÁO CÁO TỎNG HỢP
I. Đ ẶT VÁN ĐỀ
“N gh iên cứ u các phư ơ n g plĩáp và thuật toán x ác định h ướn g són g đến, sử dụng
dàn anten có cấu trúc đặc biệt, ứ ng dụng clio hệ anten thông m in h " là một trong các
hướng nghiên cứu tiếp theo cùa đề tài QC07.21 nhầm tim ra thuật toán xác định hướng
sóng đến tối ưu nhất dựa trên cơ sở thay đổi cấu trúc dàn anten.
Nội dung cùa đề tài tập trung nghiên cứu vào các vấn đê sau:
1. Dựa trên các m ô phỏng đã thực hiện ở đề tài QC07.21 với nội dung mô phong
thuật toán M U SIC và ESP RIT ứng với dàn các phần tử anten tuyến tính cách
đều (ULA), tiến hành mô phỏng các thuật toán trên khi dàn anten với các phần
tử được sắp xếp theo hình tròn trone không gian (UCA).
2. K hác phục các hạn chế về: số nguồn tín hiệu có thê xác dịnh được phụ thuộc
vào số phần từ anten trong m ảng và khả năn e xác định chính xác phò khôna
gian của tín hiệu trong khoàne 360° dựa trên phươna pháp sử dụna các phần ui
trong dàn anten UC A là các hệ anten pha phi tuyến. So sánh với phư ơne pháp
đã sử dụng trong đề tài QC07.21 (chỉ sử dụng hệ anten pha phi tuyến trons
írna dụng tim hướng sóne đên).
II. TỎNG QUAN CÁC VẤN ĐÈ NGHIÊN c ứ u CỦA ĐÈ TÀI
Đe tài “Nghiên cứ u các ph ư ơng pháp và th uật toán xác định h ướn g sóng đến,
sử dụng dàn anten có cấu trúc đặc biệt, ứ ng dụn g ch o h ệ crnten tlíông m in h " tập trune
nehiên cứu theo các m àne chính:
1. Sử dụng kết quà đã nghiên cứu tại đề tài Ọ C 0 7.2 1 về mô phỏne khả năne xác định
hướng sóng đến D OA dùng dàn anten tuyến tính cách đều (U LA ) với các thuật
toán M U SIC và ESPRIT.
2. Mô phỏng khả năng xác định hướng sóna đến DO A dùne dàn anten tròn cách đều
(UCA).
3. Nghiên cứu. mô phỏn a khả năng xác định h ưóne sóna đến D OA dùne dàn anten
UCA với mỗi phần tử anten là một hệ anten pha phi tuyến.
III. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN c ứ u CỦA ĐÈ TÀI

Mục tiêu và nội dung nehiên cứu cùa dề tài dã dược trình bày rò tro ns phẩn l)ậi
vân đê và Tôna quan các vân dè nahiên cửu cua dè tài. Nuoài ra. bén cạnh V nnliìa khoa
học, mục tiêu cùa đè tài còn nhàm đào tạo con naưòi.
IV. ĐỊA ĐIẺM , TH Ờ I G IAN VÀ PH ƯƠN G PHÁ P N GH IÊ N c ứ u
Đề tài được thực hiện tại Bộ môn Thông tin Vô tuyến. Khoa Điện tứ - Viễn thông,
trường Đại học Công nghệ, Đại học Q uốc gia Hà nội.
Thời gian thực hiện: 12 tháng
Phương pháp nghiên cứu cùa dề tài: nghiên cứu ỉý ihuyếụ IĨ1Ỏ phỏng, đánh giá kei
quả đối với thuật toán tìm phương. Đe tài sử dụng các trane thiết bị của Bộ môn Thông
tin Vô tuyến và Trung tâm nghiên cứu Điện tử Viễn thông.
V. KẾT QUẢ NGHIÊN c ứ u
Bao gồm 3 chương:
Chương 1: Thuật toán tỉm phương M U SIC và ES PR IT sử đụna dàn anten
tuyến tính cách đều ULA.
Chương 2: Thuật toán tìm phương M U SIC sử dụne dàn anten tròn cách đều
UCA .
Chương 3: Thuật toán MU SIC kết họp với dàn anten UC A mà mỗi phần tư
anten là m ột hệ anten pha phi tuyến.
6
CHƯƠNG 1: THUẬT TOÁN TÌM PHƯƠNG MUSIC VÀ ESPRIT s ử DỤNG DÀN
ANTEN TUYÉN TÍNH CÁCH ĐÈU ULA [8]
Các p hương pháp xử lí tín hiệu thu thập được từ mảng anten nhăm xác định hướng
sóng đến đưực pliál Iriển íù nhùng Iiăui 70. Các liệ ÍÌI11 phương D OA thường được ứng
dụng trong:
- Hệ phát hiện m ục tiêu trong quân sự.
- Quản lý tàn số (phát hiện các nguồn thông tin không được cấp phép).
- Công tác tìm kiếm cứu nạn trên biển.
- Bổ trợ cho anten thône minh nhàm tăng tốc độ truyền thông vô tuyến không dây.
Lịch sử ph át triển các thuật toán DOA có th ể m ô lả vắn lắt n h ư sau Ị lị:
1967

Phương pháp M axim um Entropy (M E) của
Burg
1969
Phương pháp M axim um Likelihood (M L) của
Capon
1973
Phương pháp hiệp phươna sai của
Pisarenko
1977
Phương pháp không 2 Ían con M USIC của
Schmidt
1979
Phương pháp không gian con M USIC cùa
Bienvenu
(độc lập với Schmidt)
fI'heo đánh giá cùa phòng thí nghiệm Lincoln thuộc MIT thì "MUSIC lù thuật loán húp dãn VÌI
hữa hẹn nhắt để nghiên cứu và chế lạo phần cứng thực lé trong lương lai" [2]).
1989 Phương pháp khône gian con E SPR IT của Richard Roy và Thom as Kailath
Các phương pháp DO A cơ bản dựa trên phươn g pháp khône eian con bao aôm:
thuật toán phân lớp đa tín hiệu (MUItiple Sicnal Classiíĩcation) và thuật toán đánh aiá
các thông số tín hiệu thông qua kỹ thuật quav bất biến E SPR IT (Estim ation oí' Sienal
Parameters Via Rotalional Invariance Techniques). T ron e đó thuật loán MU SIC lù thuật
toán đơn giàn, dễ áp dụng cho mọi cấu trúc dàn anten nên M U SIC thư ờne được sử dụne
nhiều hơn.
I. THUẬT TOÁN MUSIC ĐỎI VÓÌ DÀN ANTEN ULA
1. Hệ an ten ULA : bao gồm M phần tử anten vô hư ớn e đặt thẩne hàng, cách đều nhau
một khoảng í / = Ả/2 như trên hình 1.
7
s
V

\ /
M-1
H ìnli 1 - Tín hiệu được thu thập bởi dàn anten ULA
Các m ẫu tín hiệu được thu thập theo thời gian tại mỗi đàu vào cùa anten từ phần ÚI'
anten thứ 0 đến M - l. Thành phần tín hiệu thu thập tại 2 anten liền kề ứng với mỗi nguồn
tín hiệu tương ứng sẽ lệch pha do quãng đườne một khoàne pd cos(ớ) với 0 là góc tạo
bởi nguồn tín hiệu và trục của đàn anten.
2. Thuật toán MUSIC
M ô IùiìIí: Giả sử có D nguồn tín hiệu độc lập đến dàn anten ULA ẹồm M phần tử. Các
nguồn tín hiệu được giả thiết là băng hẹp để có thể coi trễ truyền dẫn (trễ về mặt thời
gian) chỉ gây ra sự lệch pha của tín hiệu [3].
Khi đó. tại một thời điểm, tín hiệu lấy mẫu tại phần tử anten thứ k sẽ là:
u ( n T ) - Z s ( n T ) e A'"{‘ 'u°'^l, +n ( n ĩ)
(i:
Với:
uk (?ĩT) là mẫu tín hiệu thu thập tại phần tử anten thứ k tại thời điểm n.
s,(n ĩ) là mẫu tín hiệu của neuôn thứ / tới dàn anten U LA tại thời điểm /7.
)\ (»7')là mẫu tín hiệu nhiễu đi vào phàn từ anten thứ k tại thời điểm n.
Biểu diễn tổng quát cùa cà hệ như sau:
'w ,(0
ỵ j a{0,)sl(t)+n{t)
= ]
«(/) =
«!(/)
( 2 )
Với ứ(0 ) -
được gọi là vectơ lái của neuồn thứ i.
-V,(/) là nguồn tín hiệu đến với i=ỉ+D ; /;(/) là vectư nhicu M chiòu.
Hay n(i)= ,í(0)s{i)+ 11(1 )
s

Thuâí toán:
Thuật toán M U SIC thực hiện việc tìm thông tin D OA dựa trên các m ẫu thu thập
được từ dàn anten.
Các bước được thực hiện như sau:
Đánh giá ma trận liiệp pliuong sai cùa các m âu íín liiệu íìiu đưọc.
(Giả sử các nguồn tín hiệu đến là không tương quan với nhau)
R „ = e [u u " j = A E [ s s h \ a h + E [ m H \ = A R n A H + ơ ] l ( 3 )
- Tính giá trị riêng và các vectơ riêng của ma trận hiệp phư ơng sai
Gọi } là các giá trị riêng của Rm: thì |/?„„ — A,/| = 0 hay
IAR„Ah + ơ ]l - Ằ,l\ = 0 hay IAR„AH + (cr; - Ẫ, )/| = 0 (4)
Do ma trận AR A H là ma trận M xM có hạng bàng D nên sẽ tồn tại M -D vectơ riêng
q , ứng với M-D giá trị riêng của A R ^A H bằna 0 hay [aR „Ah ỵI , „ = 0 (5)
- Dựa trên các giá trị riêng, phân chia không gian tín hiệu và không 2Ían nhiễu
Từ (4), dựa trên các giá trị riêng ta thấy ràne có thể phân chia khôn e gian tín hiệu u
thành 2 không gian con: không gian tín hiệu E s và khône gian nhiễu E n bàng cách sắp
xếp các giá trị riêng cùa khônR gian chung Eu. (M -D) giá trị riêne có giá trị bàng nhau
và bằng công suất nhiễu và D giá trị riêng có £Ìá trị bane cône suất tín hiệu trone
không gian Es.
- Tính phổ khône gian
Từ (5) ta thấv rằng: các vectơ riêng qm ứ ne với (M -D) giá trị riêna bàne 0 sẽ trực giao
với tất cả các vectơ lái ứng với không eian gồm M tín hiệu. Hav A Hqm = 0 (6)
- Xác định các điểm cực đại trone phổ khône eian
psa >7< ( ^ ) = 77 7 ( 7 '
Ễ
m = M~D
Nếu 0 bàng m ột trong số các hướng tín hiệu đến thì .4(0 ) 1 qm và m ẫu số sẽ bàng 0.
Do đó. hướng sóne đến chính là các đỉnh của Ps,rsic{d).
Chú ý:
I rên thực tế, không thể xác định được ma trận hiệp ph ươ na sai của tín hiệu nên
ma trận này phải được đánh giá thông qua các mẫu tín hiệu thu thập được từ dàn

1 Ả
anten. Và đưực tính bởi Rm = — . N eu các m ẫu dữ liêu có phân hổ G auss
K Í.I
thì có thể coi nó tiên dến m a trận hiệp phương sai thực tế.
- Số mẫu tín hiệu phải lớn hơn 2 lần số phần tư anten (K > 2 N )
- Số nguồn tín hiệu phát hiện được luôn nhỏ hơn số phản tư anten.
9
- Các giá trị riêng của ma trận hiệp phương sai lí tườ ne ứng với các vectơ nhiêu
luôn bằng nhau. Tuy nhiên, trong thực tế các giá trị nàv lại khác nhau.
II. THUẬT TOÁN ESPRĨT ĐỐI VỚI DÀN ANTEN ULA
1. H ệ a nten U L A: bao gồm 2M phần tử anten vô hướng đặt thảng hàng, cách đêu nhau
một khoảng ù = Ắ/2 tương tụ nhu mô liìiiỉi liên hình ỉ.
Đe áp dụng thuật toán E SPR IT nhằm tính DOA . Hệ U LA trên được chia thành 2 màng
con với tín hiệu thu thập dịch pha nhau một lượne /Wcos(ớ) với 6 là eóc tạo bởi nauôn
tín hiệu và trục của dàn anten.
N hư vậy, với một dàn anten U LA gồm M phần tử sê được chia thành 2 m àna con: màne
con 1 bao gồm M -l phần tử từ phần tử 0 đến phần tử M -2. m àng con 2 eồm M -1 phần tử
từ phàn tử 1 đến phàn tử M. M ảng con thứ 2 được coi là dịch m ảng con 1 đi 1 phần tứ.
2. Thuật toán ESPRIT
M ô hình: Giả sử có D nguồn tín hiệu độc lập đến dàn anten ULA gồm M phàn tử. Khi
đó, tại một thời điểm, tín hiệu lấy mẫu tại phần tử anten thứ Ả: sẽ là:
I/, ( « r ) = + nt ( n ĩ) (8)
Với:
uk( n ĩ) là mẫu tín hiệu ihu thập tại phần tử anten thứ k tại thời điểm n.
s\n T ) là mẫu tín hiệu của neuồn thử ị tới dàn anten ULA tại thời điểm n.
nk (/77') là mẫu tín hiệu nhiễu đi vào phần tử anten thứ k tại thời điểm n.
Biểu diễn tồng quát của cả hệ như sau:
m
Á').
5 > , (* ,> .(')+ «,(/)

I= \
(ớ,V (ớ ,k (/)+ »,(/)
. /=l
A\d)s{l)+nX<)
/l,(ổ)ct).v(/)+ n2{l)
(9)
Với n i|e C M''. m2GCM''
,(0>
là vectơ lái của nauồn thứ i.
ỏ(0 )-« •

•V, ( / ) là neuồn tín hiệu đến với i= l~ D
/?,(/),»,(/) là vectơ nhiễu M chiều.
Từ (9) có thể viết dưới dạns m a trận như sau:
■/(/) =
/«,(/)
.4,
s(í) +
” .(/)'
»:(/)
,í,o
■v(/) +
10)
10
Với <J> = diag {ộ {o \ ,ộ {elì)}
Tlíuât toán:
Thuật toán ESP RIT thực hiện việc tìm thông tin D OA bàna cách tinh trực tiếp.
Dựa trên / 2Ị:
- Quan hệ giữa các vectơ lái trên 2 m ảng anten như sau: Az = .4,0 (11)
- Thực hiện khai triển riêng đối với ma trận hiệp phương sai cùa dữ liệu thu thập bởi

2 m ảng anten được sẽ thu được 2 ma trận gồm các vectơ riêng:
ơ, = và u 2 = A2T (12)
- Đặt y = 7’' ,07 ' (điều này có nghĩa là í) là m a trận đường chéo của các 2Ìá trị
riêng cùa T )
- Ta có thể biểu diễn: U2 = ơ , ^ (13)
Sử dụng phương pháp bình phương tôi thiêu (LS) và bình phư ơng tôi thiểu tôna
cộng (TLS) để tính ¥ .
'-arg(e/g (T))"
Góc D OA được xác định bời: 6, = arccos
pd
Các bước được ílĩự c hiện T L S-E S P R IT n hu sau:
- Đánh giá m a trận hiệp phương sai của các mẫu tín hiệu thu được.
(Giả sử các nguồn tín hiệu đến là khôna tươ ne quan với nhau)
e \u u h ] =
’ A \
H
r ,, 1
1
+ E \ m H \
L J
L
A ] o
L J
R„G "+ ơ ]ì (14)
- Tính giá trị riêne và các vectơ riêne của m a trận hiệp ph ươn e sai
Gọi {Ảr À2U} là các giá trị riêna của RUII thì \Rini- Ă / \ = 0 hay
|C Í„G " + ơ ] l- Ả ,ì\ = ữ hay \GR„GH +{ơị - Ằ' )/Ị = 0 (15)
- Do ma trận GR„GH là ma trận 2M -2x2M -2 có hạnR bằng D nên sẽ tồn tại 2M -2-D
vectơ riêng qm ứng với 2M -2-D giá trị riêng cùa GR G H bàno 0 hay
=0 ( 16)

- Dựa trên các giá trị riêng, phân chia không gian tín hiệu và khôna aian nhiễu. Nhu
vậy. không gian u có thể chia thành không gian tín hiệu u s (bao eồm các D vectơ
riêng ứng với các giá trị riêng > ơ] ) và không gian nhiễu U N (bao sồm 2M -2-D
các vectơ riêne ứnc \ ới các siá trị riêna = a] ).
- Tính D OA : c ầ u trúc cùa màng anten trong thuật toán ILSPRIT dưọc sư dụna dè
phàn tách khỏna eian tín hiệu u s thành 2 kh ône aian con: ( =
Khai triển riêng ma trận hiệp phư ơna sai cùa u s như sau
ư
V :
£.1 £|2
^21 ^22
với E =
Tính các giá trị riêng <?, của - [En E ll)
Hướng sóng đến cùa tín hiệu được tính bởi: ớ, = arccos
- arg(e, y
pd
với i = \.D
III. MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN MUSIC VÀ ESPRIT DÙNG DÀN ULA
1. Mô hình
Anten:
- Số phần tử anten: 10
- Giả thiết mỗi phần tử anten là vô hướng
Nguồn tín hiệu:
- Số nguồn tín hiệu: 4
- Phân bố góc của mỗi nguồn tín hiệu lần lượt là: DO A(độ)= [5; 60; 111: 113]
- Tỷ số SN R của mỗi nauồn tín hiệu lần lượt là: SN R(dB)=[25: 21: 20: 25]
Số mẫu: 1000
2. Thuật toán MUSIC
Ket quả IT1Ô phỏng:
H ìn h 2 - Mô phỏng thuật toán M U SIC dùna dàn anten U LA

Thời gian mô phòne: 0.6s
3. Thuật toán ESPRIT
Ket quà mô phỏne:
112.9999 111.0003 60.0001 5.0000
Thời gian m ô phỏn s: 0.3s
12
4. Nhận xét
Trong cùng một m ô hình anten và tín hiệu:
- X ét vê độ chính xác: hai thuật toán có độ chính xác như nhau.
- X ét về thời gian thực hiện: thời gian tính toán cùa thuật toán ES PR IT ít hơn một
Iiửa lliuậl luán PvíUSIC. pỉgoài ỉ'à, ílìuâí íoáiì CSí^ívỉT cho rì£sy k ít Cjuả của 4
nguồn tín hiệu còn thuật toán M U SIC phải có quá trình tìm các điểm cực đại trone
phổ không gian. Vì vậy, xét tổng thể thuật toán E SPRIT sẽ cho thời £Ìan tính toán
ít hơn nhiều và theo đúng tiêu chí của tác eiả thuật toán nhàm khác phục vấn đề
thời gian tính toán trong MƯSIC.
CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN TỈM PHƯƠNG MUSIC s ử DỤNG DÀN ANTEN
TRÒN CÁCH ĐỀU (UCA)
Chương 2 và 3 sẽ chỉ xét với trường hợp thuật toán M U SIC do cấu trúc dàn anten
Ihay đôi pliúc tạp, không phù liựp vói yêu câu của thuật toán ESPR IT.
I. LÝ THUYÉT ÁP DỤNG THUẬT TOÁN MUSIC VỚI DÀN ANTEN UCA ĐE
TÍNH DOA
1. Cấu trúc dàn anten UCA
Khác với dàn anten thẳng cách đều (ULA ). dàn anten UCA được thiết kế sao cho các
phần tử anten nằm trên một đường tròn như trên hình 3.
2. Thuật toán MUSIC vói dàn ULA và dàn UCA
Từ sự thay đổi trong cấu trúc hình học của dàn anten. ta thấy ràng vectơ lái sẽ thay
đổi như sau:
Véctơ lái của dàn ULA:
Thuật toán MUS1C trong UCA vẫn được uiữ nguvẽn như đồi với ULA.
II. MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN MUSIC VỚI DÀN ANTEN ULA VẢ l CA

TRONG KHOẢNG 360".
1. Mô hình
Anten:
Y
Y
X
0
•

•
d 2<i
''
H ìnlì 3 - Cấu trúc dàn anten ULA và UCA
(b)
(17)
Véctơ lái của dàn UCA:
a „ ,( 0 ) = s (0 ) ỉ é "
e
(18)
14
- s ố phần tử anten: 8
- G iả thiết mỗi phần tử anten là vô hướng
Nguồn tín hiệu:
- Số nguồn tín hiệu: 3
- Phân bố góc của mỗi nguồn tín hiệu lần lượt !à: Đ OA (độ)“ [40: 70; 90]
- Tỷ số SN R của mỗi nguồn tín hiệu lần lượt là: SNR (dB)=[25: 25; 25]
Số mẫu: 1000
2. Kết quả mô phỏng
M U S IC U L A D O A - d egre e
MUSIC UCA DOA - degree

lỉìn h 4 - Phổ DO A cùa dàn antcn l 'CA vá U LA
3. Nhận xét
a. về độ chính xác của kết quả phổ M Ư SỈC :
- Hình 4 m ô tả kết quả xác định hướng sóng đến D OA trong trường hợp dàn anten
là U LA và U CA trong khoảng 360°.
Đ ỏi vó i hư ờ n g liỢp Ư L A . kct CỊLiả m ô pliOiig xá c địiih 6 ngu on tín 'ũiCii íậi cac VỊ tri
[40°; 70°; 90°; 270°; 290°: 320°].
- Đối với trường hợp U CA. kết quả m ô phỏne xác định 3 neuồn tín hiệu tại các vị
trí [40°: 70°; 90°].
- So sánh với già thiết về điều kiện m ô phỏng ban đầu D OA =[40°; 70°: 901'] trong
phần 1 thì kết quả đối với dàn UCA là chính xác. Đối với dàn U LA neoài 3 nguồn
như điều kiện ban đầu đã đưa ra thi còn xuất hiện 3 nguồn không mong muốn
khác. N guyên nhân của hiện tượng này là do phư ơng trinh biểu diễn vectư lái ha\
do cấu trúc hình học cùa dàn anten. T rona trườna hợp dàn ULA.
a (9 ) = a t (- 0 ) do mỗi phần tử = e ‘“'v ớ i I = [ 0 : L -l] dẫn đến kết
quả phổ khôna eian đánh aiá D OA ở góc 9 cũne a iố ns với sóc - 9 . Trona trường
hợp dàn UCA. a„ ( 0 )* a „ (- 9 ) và số các phần tử trone vectơ lái khác nhau
chiếm da số dẫn đến kết quả phổ không gian đánh giá DO A ờ eóc 0 khác với với
góc - 0 một lượna lớn hay nếu phổ khôns eian đánh eiá DOA ở góc 9 là rất lớn
thì với góc - 0 sẽ rât nhỏ. Như vậy. nó phụ thuộc vào sô các phân tử trone vectơ
lái ứne với hai sóc 0 và - 0 khác nhau nhiêu hay ít.
b. Hạn cliế cùa thuật toán M U S IC klìi áp dụ ng với (iíìn nnten ƯLA và ƯCA
- Đổi với cấu trúc ULA và UCA. khi cho số phần tử anten nhỏ han số nguồn tín
hiệu dến thì việc mô phỏne khône the thực hiện được do trong thuật toán MU SIC.
sự phân tách eiữa khô ns sian con cùa tín hiệu và nhiều phân biệt bơi các 2ÍÚ trị
riêng của ma trận hiệp phương sai lối vào (m ục 1.2). Và vì vậy. theo thuật toán n;n
thì sổ giá trị riêng ứng với khône eian tín hiệu phải nhò hơn số phần từ anten tronu
màng. Nói cách khác, số nguồn tín hiệu phát hiện được bị hạn chế bời sổ phần tử
anten trong inảne.
16

CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN MUSIC KÉT HỢP VỚI DÀN ANTEN UCA MÀ MỎI
PHÀN TỬ ANTEN LÀ MỘT HỆ ANTEN PHA PHI TUYÉN
I. CẤU TRÚC DÀN ANTEN UCA VỚI MỎI PHÀN TỦ ANTEN LÀ MỘT HỆ
ANTEN FHA FHI T U Y Ế N
1. Anten ph a phi tuy ến
Lý thuyết, phương pháp cũng như mô phỏng cấu trúc của một anten pha phi tuyên
được m ô tả chi tiết trong đề tài QC .07.2 1.
Trong phần này chỉ nhác lại một số đặc điểm chính cùa hệ anten pha phi tuyến.
- Khái niệm: A nten pha phi tuyến là m ột cấu trúc anten có giản đồ pha khôna phái
là hằng số mà là m ột hàm phi tuyến (xét trone m ặt phang khảo sát).
- Cấu trúc: được mô tả như trên hình 5. bao gồm 4 dipole được tiếp điện lệch pha
nhau 90°. Dạng giản đồ pha của anten phụ thuộc vào khoàne cách d). d: cùa các
cặp anten thành phần.
Y Ặ
1-1
-«

(h/2-
-2 o
X
H ình 5 - Cấu trúc anten không tâm pha gồm 4 phần lử anten phân cực đứníi
Hàm phương hư ớn s pha được xác định bởi:
■ í kd1 .
sin — sin 0
■ (kd,
sin —-cosớ
l 2
(19)
Kêt quả mô phỏng giản đồ biên độ và giàn đồ pha cùa anten pha phi tuyến tronu
trường hợp d = — và d = ~k là:

2
Đ A I H O C Q U O C G I A H À N Ộ I
T R U N G 1 Â M l H O N < o ỈI N I H Ư V I Ẻ N
0 0 0 6 0 0 0 0 0 5 0
17
Parlield (Ainyt 'lartield |f=915) n r E-Field(r=1m)_Theta|Phi): Theta = 90.0 đeg
H ìn h 6 - Giản đô biên độ cùa anten trona m ặt phảng H
Far1ie ld lA n ay ) 'lo r lie ld (1=915) |1 |' E -Field[r= 1 m )_Th e ta P h a s e ( P hi); Th e la = 9 Ũ .0 d e g .
0
H ình 7 - Giản đô pha của anten tron s m ật phẳne H
2. Dàn anten UC A vói mỗi phần tử anten là một hệ anten pha phi tuyến.
Thông thườne với dàn anten U CA truyền thốne. mỗi phần từ trona dàn là 1 dipolc.
Trone khi đó. với cấu trúc mới được mô tả trẽn hình 8. tại mỗi vị trí phẩn tư anten cua
UCA truyền thốne được thay thế bởi ] hệ anten pha phi tuyến eồm: một anten pha la
hàng số (1 dipole) và anten pha phi tuyên (gồm 4 dipole).
18
H ình 8 - Cấu trúc dàn anten U CA với mỗi phần tử anten là một hệ anten pha phi tuyến
Cũng tương tự như phân tích ở phần 1.2 của chương 2. vectơ lái sẽ được thay đổi như
sau :
a*(0 )4 /Mfcw[ !•-— Ị <I»(0)+ )ÍR cos •• -(/ / I \
l e e / e
( 20)
Với Nr là số lần quay phần tử anten pha phi tuyến.
A0 là mỗi Mước quay phần từ anten pha phi tuyến.
L là số phần tử cùa dàn UCA (sô hệ anten pha phi tuyên).
Như vậy, kích thước dàn anten dược coi nlur m ở rộng gồm L*N r phần tử (số dipolc
thực tế là 5*L), so với dàn UCA là L phần tử (số dipole thực tế là L) và hệ anten pha phi
tuyến là Nr phần tử (sổ dipole thục tế là 5) [8].
II. MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN MUSIC KÉT HỌP DÀN ANTEN UCA VỚI M ỏ]
PHÀN TỦ ANTEN LÀ MỘT HỆ ANTEN PHA PHI TUYÉN

1. Mô hình
Anten:
- Số phần tử anten: bao gồm 8 phàn tử anten pha phi tuyến đặt theo cấu trúc của dàn
UCA (Tổng cộne 5x8=40 dipole)
- Già thiêt mỗi phân từ anten là vô hướne.
- Số lần quay hộ anten pha phi tuyến: 100
Nauồn tín hiệu:
Sô nguôn tín hiệu: 8
- Phàn hố cóc cùa mỗi nguồn tín hiệu lần lượt là:
D OA (dộ)=[20°; 30°: 60°: 70°: 90°: 120°: 130°: 140°]
- Tỳ số SNR của mỗi nguồn tín hiệu lần lượt là:
SN R(dB )=Ị25: 25: 25: 25; 25: 25: 25: 25 1
Số mầu: 1000
10
2. Kết quả mô phỏng
25
20
m
T J
i
I 15
€>
Ol
ơ)
o
n
w 10
<ằ>
n
«>

ã
5
0
0 50 100 150 200 250 300 350
MUSIC UCA + nonlinear WPA DOA - degree
H ình 9 - Phổ không gian của dàn UCA với mỗi phần tử là một hệ anten pha phi tuyến.
Thời gian mô phỏng: I22s.
3. So sánh vói các cấu trúc khác
a. Vói (làn ULA và UCA
Do số nguồn tín hiệu đến là 8 nguồn nên với thuật toán M U SIC - ULA và M USIC -
UCA đều không thể thực hiện m ô phỏng để tìm ra kết quả.
b. Với dàn an ten plia p lii tuyến (nonlinear WPA)
Anten:
- Số phần tử anten: 1 (Tổne cộns 5 dipole)
- Giả thiêt phân tử anten là vô hướng.
Số iân quay hệ anten: 100
Nguôn tín hiệu:
- Số neuồn tín hiệu: 8
- Phân bô góc của mỗi nauồn tín hiệu lần lượt là:
DOA =[20°: 30°: 60°: 70°: 90°: 120°: 130°; 140°]
- Tỳ số SNR cúa mỗi neuồn tín hiệu lần krcỵt là:
SN R=[25: 25: 25; 25: 25: 25: 25: 25]
Sổ mẫu: 1000
20
É
TJ
ẻ
ề
co
V

o
(D
Q
w
Cì
3 t
MUSIC nonlinear W PA DOA - degree
H ình 10 - Phổ không gian cùa dàn nonlinear WPA.
Các kết quà mô p hỏna cho thấy: các hướng không mone muốn trone khoảne 36()u
ở hình 10 đã được khử hoàn toàn bời hệ ƯCA với các phần tử anten là hệ anten pha phi
tuyến (hình 9).
Ngoài ra. khả n ãne có thể tách được nguồn tín hiệu lớn hơn số phần tử anten trone
mảng được m inh họa qua trườna hợp sau:
Anten:
Sô phân tử anten: bao gôm 5 phân tử anten pha phi tuvến đặt theo cấu trúc U CA
(Tổng cộng 5x5=25 dipole).
- Giả thiết mỗi phân tử anten là vô hướns.
Số lân quay hệ anten không tâm pha: 200
Nguôn tín hiệu:
- Số nguồn tín hiệu: 27
Phân bố eóc cùa mỗi neuồn tín hiệu lần lượt là:
DOA(độ)=[5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115
120 125130 135]
- Tỷ sô SN R của mỗi neuôn tín hiệu lân lượt là:
SNR(dB)=|25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25
25 25]
Số mầu: 1000
0 50 100 150 200 250 3 00 350
MUSIC UCA + nonlinear W PA DOA - degree
H ình 11 - Phổ không gian của dàn UCA với mỗi phần tử là một hệ anten pha phi tuyên

trona trường hợp 27 nauôn tín hiệu đên.
Kết luận: Như vậy, với cấu trúc mới - dàn U CA với mỗi phần tư anten là một hệ anlen
pha phi tuyến, có thể xác định chính xác các nguồn tín hiệu đến cà trone trường hợp so
phần tử anten nhỏ hơn số n&uôn tín hiệu đên và khôníi còn xuât hiện các đỉnh phô không
mong muốn Irone khoảng 360° cùa phô khỏna eian.
VI. CÁC C ÔNG BÓ LIÊN Q UAN ĐÉ N K ẾT QUẢ CỦA ĐÈ TÀI
T.T.T.Quynh, p.p.H ung, P.T.Hong. T.M .Tuan and P.A nh. ‘"Direction-Of-Arrival
Estimation Using Special Phase Pattem Antenna Elements in U nitbrm Circular
Array” , 20 1 0 In te rn a tio n a l C on ýeren ce o n C o m p u ta iìo n a i im e iiiiỉe iu-í' (IIUÌ
Vehicular System (C IV S2010), Cheịu. Korea.
Tran Thi Thuy Q uynh, Tran Minh Tuan. P ha n A nh. “A ne\v anlenna arra)
structure applied for Direction-Of-AưivaI Estimation", subm ilted lo Journal on
Jnformation and Communications Technologies.
VII. KẾT QUẢ ĐÀO TẠO
- Khóa luận tốt nghiệp năm 2010: “N ghiên cứu, mô phỏng ảnh hưở ns ehép tươns
hỗ giữa các phần tử anten đến kết quả phổ M U SIC trong dàn anten ULA".
- K hóa luận tốt nghiệp năm 2010: “Nghiên cứu. m ô p hỏne ánh hướng ehép tưcms
hỗ giữa các phân tử anten đên kết quả phô M U SIC trone dàn anten UCA".
- Khóa luận tốt nshiệp năm 2010: “Thiết kế đâu thu phục vụ cho ứ ns dụne DOA.
tần sổ hoạt độne 915 MI Iz'\
VIII. KÉT QUẢ ỨNG DỤNG
Ket quả của đề tài có thể ứne dụng để triền khai hệ th ốns tìm các neuồn phát sóne
không phép cho quản lý tần số. các ứne dụne tìm kiếm cứu nạn trên biển
IX. THẢO LUẬN
Các kêt quả đạt được đã khẳne định răng khả năna tạo ra một cấu trúc dàn anten
mới khác phục một số nhược điểm của các dàn anten đã có (U CA và nonlinear W PA) đê
xác định chính xác hướng sóng đến cùa các nguồn tin hiệu trons khoàne 360° la có thê
thực hiện được.
X. KÉT LUẬN VÀ KIÉN NGHỊ
De tài đã thực hiện đầy đủ các nội dune đ ăne kí trone đề cưưng. Tuv nhiên, cần

phải có thêm thời gian và kinh phí để thực hiện triển khai ứne dụna thực tố. Các nôi duno
sẽ được tièp tục phát triên trone các dê tài của nhữ ne năm sau.
XI. TÀI LIỆU T H AM K H ẢO
1. Tài liệu Tiếng Việt
[1] Phan Anh, L ý thuyết và K ỹ thuật anten, NX B K hoa học và Kỹ thuật.
2. Tài liệu Tiếng Anh
[2] Richard Roy and Thom as Kailath, ESPR IT - E stimation o f Signaì Parameters Via
Rotational Invariance Techniques. IEEE Transactions on Acoustics. Speech. and Sienal
Processing, Vol.37. N o.7, July 1989.
[3] Hamid K rim and Mats Viberg, Two D ecades o f Array Signal Processing Research.
IEEE Signal Processing M agazine, July 1996, pp 67-94.
[4] Joseph C.Liberti, Jr.& Theodore S.Rappaport, Smart Antenna fo r ÌVire/es.s
Comm unications IS-95 and Third Generation CDMA A pplications, Prentical Hall.
[5] Lal C hand Godara. Sm art Antenna. C RC Press.
[6] Theodore s. Rappaport, Sm art Antennas Adaptive Arrays, Aìgorithms, and IVireless
Position Location, IEEE, 1998.
[7] Phan A nh, Antennas without phase centres and their applications in radio
engineering, W roclaw . 1986.
[8] QC 07.21
24
PHỤ LỤC
PHỤ LỤC 1 - CÁC BÁO CÁO K H OA HỌC,
K HOÁ LUẬN TÓ T N GHIỆP ĐÃ CÔN G BÓ
1. T.T.T.Quynh, p.p.H ung, P.T.Hong, T.M .Tuan and P.Anh. ■‘Direction-O f-Arri\al
Estimation ưs ing Special Phase Pattern Antenna Elem ents in ư nitb rm Circular
A rray”, 2010 International Conference on Computational Intelligence and
Vehicular System (CIV S2010). Chẹịu. Korea.
2. Tran Thi Thuy Q uynh, Tran M inh Tuan. Phan Anh. “A ne\v antenna array
structure applied for Direction-Of-Arrival Estimation". subm itted to -ỉournal on
Information and Com munications T echnologies.

3. Khóa luận tôt nghiệp năm 2010: "Nghiên cứu, mô p hỏn g ảnh hường ạhép ttivng
hô giữa các phá n tử anten đến kết quả phô M U SIC trong dàn anten ULA
4. Khóa luận tốt nghiệp năm 2010: '‘Nghiên cứu, mô p hỏng ảnh hướng ghép Iưưng
hô giữa các phần từ anten đến kết quà phô M USIC trong dàn anten UCA
5. Khóa luận tốt nghiệp năm 2010: "Tlĩiết kế đầu thu phục vụ cho úu% dụng DOA.
tân sổ hoạt động 915 M Hz
25
2010 International Conference on
Computational Intelligence and Vehicular
System (CIVS2010)
Cheju, Korea (South), Novem ber 22-23, 2010
Edited by
Li Jian
Co-Sponsored by
Intelligent Inform ation Technology Application R esearch A ssocia tion , HonjỊ
Kong
Technical Co-Sponsored by
IEEE Scoul Scction VT Chapter