Ứng dụng thuật toán music trong định hướng sóng đến đối với hệ anten mảng tròn

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.18 MB, 82 trang )

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TẠ THỊ MAI

ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN MUSIC TRONG
ĐỊNH HƯỚNG SÓNG ĐẾN ĐèI VỚI HỆ
ANTEN MẢNG TRÒN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2011

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TẠ THỊ MAI

ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN MUSIC TRONG
ĐỊNH HƯỚNG SÓNG ĐẾN ĐèI VỚI HỆ
ANTEN MẢNG TRÒN

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS-TSKH Phan Anh

HÀ NỘI - 2011

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và những kết quả nghiên cứu đƣợc trong
luận văn là hoàn toàn thực tế khách quan. Những kết quả tƣơng tự chƣa từng
đƣợc sử dụng để bảo vệ một học vị nào.

Tác giả luận văn

Tạ Thị Mai
MỤC LỤC
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
LỜI MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ANTEN THÔNG MINH 2
1.1. Mở đầu. 2
1.2. Sơ đồ khối hệ thống anten thông minh [8]. 3
1.3. So sánh anten thông minh và anten thƣờng [8]. 4
1.3.1. Mô hình toán của hệ thống anten tuyến tính thông minh.

Error! Bookmark not defined.4
1.4. Phân loại Anten thông minh [1] 6
1.5. Anten định dạng búp sóng băng hẹp [1] 7
1.5.1. Định dạng búp sóng. 7
1.5.2. Mạng ấn định búp sóng. Error! Bookmark not defined.9
1.5.3. Hệ thống chuyển mạch chọn búp sóng.Error! Bookmark not
defined.10
1.6. Anten thích nghi [1] 11
1.6.1. Các hệ thức toán học 11
1.6.2. Các chuẩn tối ƣu trong điều khiển thích nghi. 13
1.7. Anten thích nghi băng rộng [1]. 14
1.7.1. Khái niệm: 14
1.7.2. Anten thích nghi dùng dây trễ. 14
1.7.3. Anten thích nghi băng tần con. 15
1.8. ứng dung của anten thông minh. 16
1.8.1. ứng dụng của anten thông minh trong mạng GSM [8]. 16
1.8.2. ứng dụng của anten thông minh trong mạng 3G[8] 16
1.8.3. Anten thông minh trong vệ tinh và truyền hình [8] 18
1.8.4. ứng dụng của anten thông minh trong việc xác định vị trí
[2] 19
CHƢƠNG 2. CÁC KỸ THUẬT XỬ LÝ ĐỐI VỚI ANTEN THÔNG
MINH 21
2.1. Kỹ thuật phân tập. 21
2.1.1. Kết hợp tỉ lệ cực đại(MRC) [3]. 23
2.1.2. Tăng ích phân tập. 24
2.1.3. Tăng ích anten. 24
2.2. Kỹ thuật tạo búp sóng. Error! Bookmark not defined.26
2.2.1. Chuyển mạch búp sóng [3]. 26
2.2.2. Kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi 26
2.2.3. Các thuật toán thích nghi [3] 29

CHƢƠNG 3 Error! Bookmark not defined.
ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN MUSIC TRONG XÁC ĐỊNH HƢỚNG
SÓNG ĐẾN ĐỐI VỚI HỆ ANTEN MẢNG TRÒN. 34
3.1. Thuật toán MUSIC (Multiple Signal Classifi cation algorithm)
[7]. 34
3.2. So sánh thuật toán MUSIC với các thuật toán khác. 34
3.2.1. Thuật toán ƣớc lƣợng phổ. 34
3.2.2. Thuật toán khả năng lớn nhất MLM (Maximum Kikehood
Method ) 34
3.2.3. Kết quả mô phỏng 3 thuật toán và kết luận. 35
3.3. Phƣơng pháp xác định hƣớng sóng tới (DOA) [1] 36
3.4. Thuật toán MUSIC trong xác định hƣớng sóng tới [1]. 37
3.5. ứng dụng thuật toán MUSIC xác định hƣớng sóng đến đối với
hệ anten thẳng (ULA) [6]. 39
3.5.1. Mô hình toán học. 40
3.5.2. Xây dựng chƣơng trình mô phỏng 40
3.6. ứng dụng thuật toán MUSIC xác định hƣớng sóng đến đối với
hệ anten tròn (UCA) [6]. 44
3.6.1. Mô hình toán học. 44
3.6.2. Xây dựng chƣơng trình mô phỏng 45
3.7. So sánh hai hệ thống ULA và UCA.Error! Bookmark not
defined.47
3.8. Độ chính xác của DOA đối với dàn anten UCA khi số phần tử
anten tăng hoặc giảm. 48
3.8.1. Chấn tử anten tăng. 48
3.8.2. Chấn tử anten giảm. 55
3.8.3. Kết luận: 59
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO 63
PHỤ LỤC 64

Danh Mục từ viết tắt
Từ viết
tắt
Diễn giải Tiếng anh
Diễn giải Tiếng việt
DOA
Direction of Arrival
Định hướng sóng tới
CNR
Carrier to Noise Ratio
Tỉ số công suất sóng mang trên
tạp
MUSIC
Multiple Signal Classification

MLM
Maximum Kikehood Method
Thuật toán khả năng lớn nhất
MRC
Maximum Ratio Combiner
Kết hợp tỉ lệ cực đại
UCA
Uniform Circular Array
Hệ anten sắp xếp theo đường
tròn
ULA
Uniform Linear Array
Hệ anten sắp xếp theo đường
thẳng

Danh Mục hình vẽ, đồ thị
Hình 1-1. Sơ đồ khối tổng quát của một anten thông minh.
Hình 1-2.Vùng bức xạ của anten thƣờng và anten thông minh
Hình 1-3.Mô hình dãy anten tuyến tính cách đều
Hình 1-4. Mô hình toán của anten thông minh
Hình 1-5. Hệ enten trong mặt phăng xy
Hình 1.6. Sơ đồ khối bộ thu/ phát anten định dạng búp sóng băng hẹp
Hình 1-7. Giản đồ hƣớng trong hệ tọa độ cực
Hình 1-8. Giản đồ hƣớng trong hệ tọa độ vuông góc
Hình 1-9. Hệ thống chuyển mạch chọn búp sóng
Hình 1-10. Mô hình của anten thích nghi
Hình 1- 11. Cấu trúc anten thích nghi dùng dây trễ
Hình 1-12. Bộ xử lý thích nghi băng tâng con
Hình 1-13. Xác định vị trí tầu thuyền nhờ 3 trạm bờ
Hình 2.1. Tăng ích đều
Hình 2.2. Anten mảng thích nghi
Hình 3-1. Thuật toán ƣớc lƣợng phổ
Hình 3-2. Thuật toán khả năng lớn nhất
Hình 3-3. Thuật toán MUSIC
Hình 3.4. Xác định hƣớng sóng đến
Hình 3-5. K sóng tới dàn M phần tử
Hình 3.6. Hai tham số hình học của anten mảng
Hình 3-7. Kết quả mô phỏng hệ ULA với góc tới =[20 22 60 90 100 120 140
170]
Hình 3-8. Kết quả mô phỏng hệ ULA với góc tới =[20 22 60 90 200 120 160
300]
Hình 3-9. Mô hình hệ thống anten mảng tròn
Hình 3-10. Kết quả mô phỏng hệ UCA với góc tới =[20 22 60 90 100 120 140

170].
Hình 3-11. Kết quả mô phỏng hệ UCA với góc tới =[20 22 60 90 200 120 160
300].
Hình 3-12. Kết quả mô phỏng hệ UCA khi số phần tử anten tăng lên Ne=11,
D=10, SNRs=25
Hình 3-13. Kết quả mô phỏng hệ UCA khi số phần tử anten tăng lên Ne=15,
D=10, SNRs=25
Hình 3-14. Kết quả mô phỏng hệ UCA khi số phần tử anten tăng lên Ne=20,
D=10, SNRs=25
Hình 3-15. Kết quả mô phỏng hệ UCA khi số phần tử anten tăng lên Ne=30,
D=10, SNRs=25
Hình 3-16. Kết quả mô phỏng hệ UCA khi số phần tử anten tăng lên Ne=40,
D=10, SNRs=25
Hình 3-17. Kết quả mô phỏng hệ UCA khi số phần tử anten tăng lên Ne=50,
D=10, SNRs=25
Hình 3-18. Kết quả mô phỏng hệ UCA khi số phần tử anten tăng lên Ne=60,
D=10, SNRs=25
Hình 3-19. Kết quả mô phỏng hệ UCA khi số phần tử anten tăng lên Ne=70,
D=10, SNRs=25
Hình 3-20. Kết quả mô phỏng hệ UCA khi số phần tử anten tăng lên Ne=80,
D=10, SNRs=25
Hình 3-21. Kết quả mô phỏng hệ UCA khi số phần tử anten tăng lên Ne=90,
D=10, SNRs=25
Hình 3-22. Kết quả mô phỏng hệ UCA khi số phần tử anten tăng lên Ne=120,
D=10, SNRs=25
Hình 3-23. Kết quả mô phỏng hệ UCA khi số phần tử anten tăng lên Ne=150,
D=10, SNRs=25
Hình 3-24. Kết quả mô phỏng hệ UCA khi số chấn tử anten giảm Ne=11,D=10,
SNRs=25
Hình 3-25. Kết quả mô phỏng hệ UCA khi số chấn tử anten giảm Ne=11,D=10,

SNR=30
Hình 3-26. Kết quả mô phỏng hệ UCA khi số chấn tử anten giảm Ne=11,D=10,
SNR=40
Hình 3-27. Kết quả mô phỏng hệ UCA khi số chấn tử anten giảm Ne=11,D=10,
SNR=70
Hình 3-28. Kết quả mô phỏng hệ UCA khi số chấn tử anten giảm Ne=11,D=10,
SNR=120
Hình 3-29. Kết quả mô phỏng hệ UCA khi số chấn tử anten giảm Ne=11,D=10,
SNR=180
Hình 3-30. Kết quả mô phỏng hệ UCA khi số chấn tử anten giảm Ne=11,D=10,
SNR=500
Hình 3-31. Kết quả mô phỏng hệ UCA khi số chấn tử anten giảm Ne=11,D=10,
SNR=20
Hình 3-32. Đồ thị quan hệ giữa Ne và A

1
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 0
0
đến 360
0

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 hƣớng sóng
đến đối với hệ anten mảng tròn “ ,
Với mục đích như trên , nội dung luận văn được chia thành 3 chương:
Chƣơng 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.
Chƣơng 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
Chƣơng 3: Ứng dụng thuât toán MUSIC định hƣớng 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.

2

CHƢƠNG 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. 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).
Hình 1-1. Sơ đồ khối tổng quát của một anten thông minh.

3
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 thƣờng [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.

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:
Hình 1-2.Vùng bức xạ của anten thường và anten thông minh

4
 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.

: 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.

Hình 1-3.Mô hình dãy anten tuyến tính cách đều nhau

5

6

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:

sincos xmd 
(1.1)
So với phần tử tham khảo tại gốc, hay phần tử m trễ hơn phần tử tham
khảo một khoảng thời gian: t
m
=
c
d
.
Như vậy, độ sai pha giữa thành phần tín hiệu đến phần tử thứ m và phần
tử tham khảo tại gốc là:

dt
m


với
f

2
, f: tần số sóng mang (Hz).




2

: hệ số truyền sóng.
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:

sincos
).().()(
xmjdj
m
etsetstu


(1.2)

Mặt sóng

đến phần tử
1
Mặt sóng
đến phần tử
m
Z(t)
Hình 1-4. Mô hình toán của anten thông minh

7
Tín hiệu lối ra của dãy sau khi nhân với bộ trọng số [w
0
, w
1
, w
M-1
] với
M là số phần tử anten trong dãy là:
),()(.).()(.)(
sincos.
1
0


ftsewtstuwtZ
xmj
m
M
m
mm






(1.3)
Với
),(

f
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, [w
0
, w
1
, w
M-1
], ta có thể hướng cho búp sóng chính của hệ số sắp
xếp theo hướng mong muốn (
),
00

.
Ta định nghĩa vector trọng số:
W = [w
0
w
1
w

M-1
]
T
(1.4)
Tín hiệu từ mỗi phần tử anten được nhóm thành một vector dữ liệu :
u = [u
0
(t) u
1
(t) u
M-1
(t)]
T
(1.5)
Tín hiệu lối ra z(t) là (1.4) nhân (1.5):
Z(t) = w
H
. u(t) (1.6)
Với w
H
là phép biến đổi Hermitian (chuyển vị rồi lấy liên hợp phức).
Hệ số sắp xếp theo hướng (
),
00

được viết lại như sau:

),(.),(

awf

H

(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
M
aaa ),( ),(1),(
11



(1.8)
Trong đó


sincos.
),(
xmj
m
ea



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
- Anten thích nghi
- Anten thích nghi băng rộng

8
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.

Máy thu
x(t)

Hình 1-5. Hệ enten trong mặt phăng xy

9
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(,) = w
H
. 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 w
m

có biện độ bằng 1, còn pha có giá
trị tùy thuộc vào m và góc hướng tương ứng 
i
.

|w
m
| = 1; argument(w
m
) = 
m
= k(m-1)dcos
i
(1.21)
Các trọng số w
m
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

.

s(t)


s(t)
Bộ chia công suất
Sơ đồ khối bộ thu
Sơ đồ khối bộ phát
Hình 1.6. Sơ đồ khối bộ thu/ phát anten định dạng búp sóng băng
hẹp

10
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
= 90
0
.

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.
Hình 1-7. Giản đồ hướng trong hệ tọa độ cực

Hình 1-8. Giản đồ hướng trong hệ tọa độ vuông góc

11
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) = T
H
u(t) (1.22)
y(t): là vectơ tín hiệu ra ứng với việc hình thành búp sóng thứ m.
[y
1

(t) y
2
(t) y
3
(t) y
m
(t) y
M
(t)]
sẽ được xác định tương ứng là cột thứ m của ma trận T. Ma trận T được viết
dưới dạng.
T = [w
1
w
2
w
m
w
M
]
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.

Mạng ấn
định búp
sóng NxN

Máy thu
tín hiệu 1
Điều khiển
chuyển
mạch
Máy thu
tín hiệu K-
1
Điều khiển

chuyển
mạch

Hình 1-9. Hệ thống chuyển mạch chọn búp sóng

12

* 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):

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
Hình 1-10. Mô hình của anten thích nghi

Thuật toán
điều khiển
thích nghi
Thuật toán
điều khiển
thích nghi

u
1
u
2
u
M
1

2

M
w

1
w
2
w
M
y

Bộ xử lý
thích
nghi

Mạng
anten

+

13
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)=[u
1
(t) u
2
(t) u

m
(t) u
M
(t)]
T
(1.23)
Trong đó:
u
m
(t) là tín hiệu thu được trên phần tử thứ m

u
m
(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
(1.25)
Vậy (1.23) viết lại như sau:
u(t)=s(t)e(

) (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) = [n
1
(t) n
2
(t) n
m
(t) n
M
(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

14
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 s
i
(t) gồm P đường tới, với biên độ phức
là

ip
, góc tới

ip
và trễ đường truyền là T

ip
, với p là chỉ số ký hiệu đường tới.
Vectơ tín hiệu thu được của đối tượng thứ i được biểu diễn:
 
   



P
p
ipipipip
Ttsetu
1

(1.29)
Khi có tác động đồng thời của K đối tượng và can nhiễu, vectơ tín hiệu
đầu vào sẽ có dạng:
 
   



P
p
ipipipip
K
i
Ttsetu
11


(1.30)
Với
 


P
p
ipip
e
1

gọi là vectơ đặc trưng không gian của đối tượng thứ i.
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).

15
 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: