Nghiên cứu, mô phỏng và thiết kế hệ điều khiển búp sóng cho Anten mảng pha

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ


TRẦN THỊ THÚY QUỲNH


Nghiên cứu, mô phỏng và thiết kế hệ điều khiển búp
sóng cho Anten mảng pha




LUẬN VĂN THẠC SỸ



Người hướng dẫn: GS.TSKH. Phan Anh




Hà nội - 2005

Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học

1

MC LC
Trang Trang
MC LC 1
DANH MC CC Kí HIU V CC CH VIT TT 4
DANH MC CC BNG 4
DANH MC CC HèNH V, TH 5
M U 7 7
CHNG 1 ANTEN MNG PHA V MễI TRNG TRUYN SểNG 10
1.1. Khỏi nim anten mng pha 10
1.2. ng dng ca anten mng pha 11
1.3. Mụi trng truyn súng 12
1.3.1. Mụi trng truyn súng mt t 13
1.3.2. Mụi trng truyn súng trong khụng gian t do khụng vt cn 13
1.4. S khi hot ng ca mt h anten mng pha 14
1.4.1. Cu trỳc ca mt h anten mng pha 14
1.4.2. Nguyờn tc hot ng ca h anten mng pha 15
1.5. Kt lun chng 1 15
CHNG 2 H THNG X Lí TN HIU XC NH HNG SểNG N
CHO H ANTEN MNG PHA 16
2.1. S lc v cỏc thut toỏn xỏc nh hng súng n DOA 16

2.1.1. Xỏc nh DOA bng cỏch ỏnh giỏ cụng sut tớn hiu thu c theo khụng
gian 16
2.1.2. Xỏc nh DOA s dng vic phõn tớch cu trỳc riờng ca khụng gian tớn
hiu 17
2.2. ỏnh giỏ v la chn thut toỏn 18
2.3. Lý thuyt v mụ hỡnh tớn hiu s dng thut toỏn MUSIC 21

Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học

2

2.3.1. iu kin ỏp dng thut toỏn MUSIC 21
2.3.2. Mụ hỡnh h thng 21
2.4. Mụ phng thut toỏn MUSIC xỏc nh hng súng n bng chng trỡnh
MATLAB 30
2.4.1. Xõy dng h anten 30
2.4.2. Xõy dng vect tớn hiu thu thp 31
2.4.3. Kt qu mụ phng 31
2.5. Kt lun chng 2 32
CHNG 3 XY DNG DN ANTEN V H THNG IU KHIN BP
SểNG CHO ANTEN MNG PHA. 33
3.1. Vi nột v cụng ngh mch di 34
3.2. Nguyờn lý iu khin bỳp súng chớnh theo hng mong mun 36
3.3. Thit k h thng anten trong cu trỳc anten mng pha 37
3.3.1 Mụ phng mt mu anten mch di hỡnh ch nht 38
3.3.2 Mụ phng kh nng iu khin bỳp súng ca anten mng pha 39
3.4. Thit k h iu khin pha trong cu trỳc anten mng pha 43
3.4.1. Khỏi quỏt v b quay pha 43
3.4.2. Phõn tớch c ch hot ng ca b quay pha kt hp gia mch hybrid v cỏc
it bin dung. 49

3.5. Kt lun chng 3 52
CHNG 4 LP T V O C H THNG IU KHIN BP SểNG CHO
ANTEN MNG PHA 53
4.1. Thit k, ch to cỏc phn t trong h thng anten mng pha 53
4.1.1. S thc nghim h anten v khi iu khin bỳp súng cho anten mng
pha 53
4.1.2. H anten mch di gm hai phn t 54
4.1.3. B quay pha 55
4.2. o c gin hng ca h anten mng pha 57

TrÇn ThÞ Thuý Quúnh LuËn v¨n tèt nghiÖp cao häc

3

4.2.1. Điều kiện đo đạc 57
4.2.2. Giản đồ hƣớng của hệ anten mảng pha ứng với một số độ lệch pha giữa hai
phần tử. 59
4.3. Kết luận chƣơng 4 60
KẾT LUẬN 61
ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ LUẬN VĂN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 62
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO 64
PHỤ LỤC (Bảng các thông số đo đạc khả năng điều khiển búp sóng cho anten mảng
pha) 65

Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học

4

DANH MC CC Kí HIU V CC CH VIT TT

C/I Carrier/Interference
DOA Direction of Arrival
DSP Digital Signal Processing
ESPRIT Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Technique
MUSIC Multiple Signal Classification
ULA Uniform Linear Antenna




DANH MC CC BNG

Bng 1. ỏnh giỏ phc tp v chớnh xỏc ca cỏc thut toỏn DOA


Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học

5

DANH MC CC HèNH V, TH
Hỡnh 1. Gin hng ca cỏc loi anten khỏc nhau trong h anten thụng minh
Hỡnh 2. S khi hot ng ca h anten mng pha
Hỡnh 3. S xỏc nh hng súng n theo phng phỏp ỏnh giỏ ph

Hỡnh 4. S xỏc nh hng súng n theo phng phỏp phõn tớch cu trỳc
riờng ca khụng gian tớn hiu
Hỡnh 5. Mụ hỡnh tớn hiu thu c ti mi phn t anten
Hỡnh 6. Ph khụng gian ca tớn hiu (vi hng súng n l 100
0
)
Hỡnh 7. Cu trỳc mch di
Hỡnh 8. Cu trỳc anten mch di hỡnh ch nht
Hỡnh 9. Anten mch di hỡnh ch nht ti tn s 2.36 GHz
Hỡnh 10. H s phn x o ti li vo ca anten theo mụ phng
Hỡnh 11. th phng hng ca anten mch di hỡnh ch nht
Hỡnh 12. Cu trỳc h anten 2 phn t
Hỡnh 13. Trng hp cỏc phn t c tip in ng pha
Hỡnh 14. Trng hp cỏc phn t tip in lch pha nhau 90
0
Hỡnh 15. Cu trỳc h anten 4 phn t
Hỡnh 16. th phng hng ca dn anten khi cỏc phn t ca anten tip in
ng pha
Hỡnh 17. th phng hng ca dn anten khi cỏc phn t ca anten tip in
lch pha nhau 90
0
Hỡnh 18. Cu trỳc b quay pha dựng cụng ngh mch di
Hỡnh 19. Cu trỳc ca b hybrid 90
0
Hỡnh 20. Mch hybrid c chun hoỏ
Hỡnh 21. Khai trin mch hybrid mode chn
Hỡnh 22. Khai trin mch hybrid mode l
Hỡnh 23. Cu trỳc chun hoỏ ca b quay pha
Hỡnh 24. S khi h anten v khi iu khin bỳp súng (thc nghim)

TrÇn ThÞ Thuý Quúnh LuËn v¨n tèt nghiÖp cao häc

6

Hình 25. Hệ anten 2 phần tử (thực nghiệm)
Hình 26. Tham số return loss của các phần tử trong hệ anten
Hình 27. Hệ số sóng đứng của mỗi phần tử trong hệ anten
Hình 28. Cấu trúc bộ quay pha mạch dải
Hình 29. Độ suy giảm của bộ quay pha theo điện áp điều khiển
Hình 30. Khoảng dịch pha của bộ quay pha theo điện áp điều khiển
Hình 31. Anten thu trong thí nghiệm
Hình 32. Tham số return loss của anten thu tại tần số hoạt động
Hình 33. Đồ thị mô tả khả năng quay búp sóng của hệ anten


Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học

7


M U


Vi s bựng n ca cỏc dch v vin thụng cng nh s ũi hi ngy cng kht khe
ca khỏch hng v cht lng v chng loi dch v, nhng vn cụng ngh mi
luụn l ng lc thỳc y s tỡm tũi v sỏng to ca cỏc nh khoa hc v cỏc nh
kinh doanh.

Anten thụng minh l mt cụng ngh mi ha hn ci thin ỏng k dung lng
cng nh cht lng ca cỏc h thng khụng dõy trong mụi trng truyn thụng cú

t s C/I (tớn hiu/nhiu) thp. Đã có những công trình nghiên cứu và những ứng
dụng cụ thể dựa trên nhiều khía cạnh vật lý của hệ ph-ơng trình Maxwell; tuy nhiờn,
cũn mt khớa cnh c bit ca nguyên lý anten cn phi cp n, ú l anten
mng pha (phased antenna array) c dựng trong ng dng quõn s nh h
thng radar tỡm hng hoc trong mt s ng dng đặc bit phc v ph súng cho
cỏc mc tiờu di ng với tốc độ nhanh.

Bng nghiờn cu lý thuyt v thc nghim, lun vn ó thc hin c nhng ni
dung sau:

- Nghiờn cu lý thuyt anten mng pha v tng quan v anten thụng minh.
- Xõy dng mụ hỡnh hot ng ca anten mng pha.
- Mụ phng thut toỏn nh hng súng n cho anten mng pha (s dng
chng trỡnh MATLAB).
- ó xõy dng thnh cụng h anten v h iu khin bỳp súng cho anten mng
pha hot ng ti tn s 2.36 GHz.


Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học

8

Chi tit lun vn bao gm 4 chng v 1 mc hng phỏt trin tip theo ca
lun vn:

Chng 1: Anten mng pha v mụi trng truyn súng
- Gii thiu s lc v cỏc loi anten thụng minh m anten mng pha l mt
trong s ú.
- Mụi trng truyn súng i vi cỏc ng dng s dng anten mng pha.
- S khi hot ng ca anten mng pha.

Chng 2: H thng x lý tớn hiu xỏc nh hng súng n cho h anten mng
pha
- Gii thiu s lc cỏc thut toỏn xỏc nh hng súng n: ỏnh giỏ v la
chn mt thut toỏn.
- Lý thuyt v mụ hỡnh tớn hiu s dng thut toỏn MUSIC.
- Mụ phng thut toỏn MUSIC - xỏc nh hng súng n s dng chng
trỡnh MATLAB.

Chng 3: Xõy dng dn anten v h thng iu khin bỳp súng cho anten mng
pha.
- Gii thiu lý thuyt anten dn v nguyờn lý iu khin bỳp súng bng cỏch
iu khin pha trong anten dn (anten mng pha).
- Mụ phng kh nng iu khin bỳp súng ca anten mng pha.
- Nghiờn cu lý thuyt v mụ phng h anten gm 2 phn t.
- Nghiờn cu lý thuyt, thit k v ch to b quay pha tớn hiu cao tn.

Chng 4: Lp t v o c h thng iu khin bỳp súng cho anten mng pha.
- Hỡnh nh ca h thng.
- iu kin, mụi trng o.

TrÇn ThÞ Thuý Quúnh LuËn v¨n tèt nghiÖp cao häc

9

- Đo giản đồ bức xạ ứng với các trƣờng hợp lệch pha khác nhau của hệ thống
anten mảng pha.
Đánh giá kết quả của luận văn và hƣớng nghiên cứu tiếp theo.

TrÇn ThÞ Thuý Quúnh LuËn v¨n tèt nghiÖp cao häc

10

CHƢƠNG 1
ANTEN MẢNG PHA VÀ MÔI TRƢỜNG TRUYỀN SÓNG

- Giới thiệu sơ lược về các loại anten thông minh mà anten mảng pha là một
trong số đó.
- Môi trường truyền sóng đối với các ứng dụng sử dụng anten mảng pha.
- Sơ đồ khối hoạt động của anten mảng pha.

1.1. Khái niệm anten mảng pha – phân biệt anten mảng pha với các loại anten
khác trong họ anten thông minh.

Anten mảng pha là một loại anten thuộc họ anten thông minh mới phát triển trong
những thập niên gần đây.

Một cách tổng quát, anten thông minh là một hệ anten gồm nhiều phần tử anten đơn
giản kết hợp với bộ xử lý tín hiệu có khả năng thay đổi giản đồ hƣớng một cách tự
động theo những biến động của môi trƣờng.

Cho đến nay, anten thông minh đƣợc chia thành 3 loại chính - tuỳ theo mức độ xử

lý phức tạp của bộ xử lý tín hiệu:
- Anten chuyển mạch búp sóng (Switched beam system)
- Anten mảng pha (Phased Array Antenna)
- Anten thích nghi (Adaptive antenna system)

Anten chuyển mạch búp sóng thực chất nhằm mục đích chọn búp sóng chính (trong
số các búp sóng sẵn có) sao cho tín hiệu nhận đƣợc là mạnh nhất. Trong khi đó,
anten thích nghi lại thực hiện việc điều khiển búp sóng thích nghi để búp sóng chính
hƣớng về phía nguồn tín hiệu mong muốn còn các điểm 0 hƣớng về các nguồn

Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học

11

nhiu. Anten mng pha l trung gian gia anten chuyn mch bỳp súng v
anten thớch nghi. Gin hng ca anten mng pha cú bỳp súng chớnh hng v
phớa tớn hiu mong mun nhng li khụng quan tõm n cỏc bỳp súng ph v cỏc
im 0, ngha l khụng quan tõm n cỏc ngun nhiu khỏc.




a. Anten chuyn mch bỳp súng
b. Anten mng pha c. Anten thớch nghi

Hỡnh 1. Gin hng ca cỏc loi anten khỏc nhau
trong h anten thụng minh

1.2. ng dng ca anten mng pha

Vi nhng c trng v gin hng ó mụ t mc 1.1, h thng vụ tuyn s
dng anten mng pha cú nhng kh nng sau:
- S dng nhiu phn t nờn h anten cú:
tng ớch cao:
i vi mỏy thu: gim cụng sut phỏt yờu cu ca thuờ bao tng
thi gian s dng ca pin, gim kớch thc ca thuờ bao.
i vi mỏy phỏt: ti u hoỏ cụng sut phỏt gim chi phớ cho b
khuch i, gim mc tiờu th in nng v nõng cao tin cy ca
h.
Hng tớn
hiu mong
mun
Hng can
nhiu

Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học

12

Xỏc nh hng súng n: bng cỏch kt hp vi cỏc thut toỏn x lý
khụng gian, thi gian, vic xỏc nh hng súng n trong cỏc ng dng
quõn s khụng cn phi thc hin vic phỏt v thu tớn hiu cao tn cng
nh vic quay anten bng c khớ nh trong cỏc h rada trc õy.
- Bỳp súng chớnh cú kh nng quột hoc quay v mt hng nht nh trong
khụng gian:
Tng t s tớn hiu/nhiu: t s ny c nõng lờn nh gim c s
ngun nhiu tỏc ng lờn bỳp súng chớnh cho phộp gim nh khong
cỏch tỏi s dng, t ú tng thờm dung lng ca h thng.
Cú kh nng phõn tp theo khụng gian: do bỳp súng chớnh ch ph trong
mt phn khụng gian nht nh ca t bo tng dung lng ca h

thng.
Cú kh nng chng hiu ng a ng: h anten cú nng lng ch tp
trung v phớa ngun phỏt tớn hiu nờn gim ỏng k s lng súng n l
bn sao ca tớn hiu gc cho phộp nõng cao tc bớt m khụng cn
dựng n b cõn bng.
Tng s lng dch v: bỳp súng chớnh cú kh nng thay i bỏm theo s
chuyn ng ca vt th phc v cỏc dch v truyn thụng riờng bit
nh ph súng cho cỏc mỏy bay chin u, mỏy bay dõn dng m khụng
cn n v tinh.

1.3. Mụi trng truyn súng

cú c cỏc ng dng nờu trong mc 1.2, anten mng pha phi lm vic trong 2
mụi trng, ú l:





Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học

13

1.3.1. Mụi trng truyn súng mt t

- L mụi trng cú a hỡnh phc tp. Súng in t truyn trong mụi trng
ny cú th b hp th bi ao, h, sụng, sui; b phn x ti b mt trỏi t,
cỏc to nh hay cỏc bc tng; b nhiu x bi g, cnh ca cỏc to nh,;
b tỏn x khi súng in t gp nhng vt cn nh so vi bc súng nh b
mt xự xỡ, lỏ cõy, ct ốn,Tt c nhng nhõn t ny gõy nờn s suy gim

v hin tng phainh ti u thu tớn hiu. [12]
- Hn na, i vi cỏc ng dng luụn cú s di chuyn ca mỏy thu khin ỏp
ng kờnh luụn thay i theo tc chuyn ng ca mỏy thu v c coi
tng ng l hin tng di tn Doppler lm m rng rng bng ca tớn
hiu mt khong
c
vf
B
c
d

vi v l vn tc chuyn ng ca mỏy thu, f
c
l tn
s hot ng ca mỏy thu v c l vn tc ỏnh sỏng. [12]

1.3.2. Mụi trng truyn súng trong khụng gian t do khụng vt cn

Trong khụng gian t do khụng cú vt cn, súng in t chu nh hng nhiu nht
ca tng i lu v tng in ly bao quanh Trỏi t.
Nu ch xột cỏc vt th bay thụng thng ( cao nh hn 12.000 m so vi mt
nc bin) thỡ vic truyn súng c thc hin trong tng i lu.

Vi quỏ trỡnh thụng tin trong mụi trng ny, tớn hiu nhn c ti mỏy thu s ch
yu chu nh hng bi cỏc hin tng [2]:
- Suy gim trong mụi trng: ch yu do ma v sng mự v ch cỏc súng cú
bc súng centimột v milimột l b nh hng nhiu.
- Pha inh: do trong tng i lu, mt hi nc trong khớ quyn thay i
theo chiu cao lm thay i chit sut ca khớ quyn, t ú gõy ra cỏc hin
tng phn x v khỳc x cng vi s chuyn ng ca vt bay to nờn s

thng giỏng tớn hiu.

Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học

14

1.4. S khi hot ng ca mt h anten mng pha


Receiver
A/D
DOA
Receiver
A/D
Receiver
A/D
CONTROL
SPLITER
PA
Hỡnh 2. S khi hot ng ca h anten mng pha

1.4.1. Cu trỳc ca mt h anten mng pha

Nh trờn hỡnh 2, h anten mng pha gm 3 khi chớnh:
- H anten : gm nhiu phn t anten cú tng ớch thp. Cỏc phn t ny
cú th sp xp trong khụng gian mt cỏch tu ý.
- Khi thu v tớnh hng súng n DOA : bao gm cỏc b thu (bng s phn
t anten) nhm chuyn i t cao tn xung trung tn sau ú thc hin ly
mu ri a vo b x lý tớn hiu DSP tớnh ra hng súng ti DOA bng
thut toỏn ỏnh giỏ gúc.

Circulator
Phase Shifter

Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học

15

- Khi iu khin bỳp súng anten : l cỏc b quay pha c iu khin bi
cỏc thụng s in ỏp.

1.4.2. Nguyờn tc hot ng ca h anten mng pha

- H anten luụn trng thỏi nghe ngúng thụng tin trong khụng gian.
- Sau khi c chuyn v trung tn hoc tớn hiu bng gc (thng l trung
tn), sau mi khong thi gian u n, h anten li thc hin ly mu tớn
hiu n.
- Cỏc mu ny c a vo mt b x lý tớn hiu tớnh ma trn tng quan,
t ú xỏc nh c hng súng n nh cỏc thut toỏn ỏnh giỏ hng súng
n.
- Thụng tin t b tớnh hng súng n DOA c a vo mt b iu khin
a ra in ỏp iu khin cỏc b quay pha.
- Cỏc b quay pha s lm quay bỳp súng chớnh v hng mong mun (theo
hng m b ỏnh giỏ gúc súng n DOA xỏc nh c).

Quỏ trỡnh nghe ngúng v phỏt tớn hiu luụn c thc hin song song nh b
circulator. Vỡ vy, cu trỳc anten mng pha nh trờn hỡnh 2 hon ton cú kh nng
bỏm theo cỏc mc tiờu di ng vi tc nhanh.

1.5. Kt lun chng 1

Chng ny ó trỡnh by mt cỏch tng quỏt v cỏc ni dung hc thut liờn quan
n h anten mng pha v anten thụng minh nh: khỏi nim, phõn loi, ng dng,
mụi trng truyn súng, cu trỳc v nguyờn tc hot ng ca h thng.
Cỏc chng sau s tip tc tỡm hiu chi tit hn v thut toỏn xỏc nh hng súng
n cng nh cỏch xõy dng b iu khin pha ca h thng.


Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học

16

CHNG 2
H THNG X Lí TN HIU XC NH
HNG SểNG N CHO H ANTEN MNG PHA

- Gii thiu s lc cỏc thut toỏn xỏc nh hng súng n: ỏnh giỏ v la
chn mt thut toỏn.
- Lý thuyt v mụ hỡnh tớn hiu s dng thut toỏn MUSIC.
- Mụ phng thut toỏn MUSIC - xỏc nh hng súng n s dng chng
trỡnh MATLAB.

2.1. S lc v cỏc thut toỏn xỏc nh hng súng n DOA

K thut xỏc nh hng súng n DOA cú th chia lm 2 loi chớnh sau:
- Xỏc nh DOA bng cỏch ỏnh giỏ cụng sut tớn hiu thu c theo
khụng gian.
- Xỏc nh DOA s dng vic phõn tớch cu trỳc riờng ca khụng gian tớn hiu.

2.1.1. Xỏc nh DOA bng cỏch ỏnh giỏ cụng sut tớn hiu thu c theo
khụng gian
W0
sum
WM-1W1

Hỡnh 3. S xỏc nh hng súng n theo phng phỏp ỏnh giỏ ph

Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học

17

Theo phng phỏp ny, cỏc trng s ca mi phn t anten thc hin vic iu
khin bỳp súng anten quột liờn tc tt c cỏc gúc trong khụng gian. Cỏc gúc m ti
ú cụng sut thu c cc i chớnh l cỏc gúc cn xỏc nh.

in hỡnh ca phng phỏp ny l: phng phỏp cỏc b tr kt hp vi cỏc b cng
v phng phỏp ti thiu hoỏ phng sai ca Capon.

2.1.2. Xỏc nh DOA s dng vic phõn tớch cu trỳc riờng ca khụng gian tớn
hiu.

DOA

Hỡnh 4. S xỏc nh hng súng n
theo phng phỏp phõn tớch cu trỳc riờng ca khụng gian tớn hiu

Phng phỏp ny ch da trờn tp cỏc tớn hiu thu c t khụng gian m khụng
cn phi quột bỳp súng ca h anten theo cỏc gúc trong khụng gian.

H cỏc thut toỏn ca phng phỏp ỏnh giỏ DOA ny da trờn vic khai trin ma
trn t tng quan

H
uu
uuER
vi u l tp cỏc tớn hiu thu c t mi phn t ca
h anten.

Khụng gian ca ma trn hip bin c phõn chia thnh 2 khụng gian con l khụng
gian tớn hiu v khụng gian nhiu. Hai khụng gian ny trc giao vi nhau. Cỏc

Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học

18

vect tớn hiu nm trong khụng gian tớn hiu do ú s trc giao vi khụng gian
nhiu. Da vo nguyờn lý ny, cỏc thut toỏn thc hin vic tớnh toỏn tỡm ra cỏc
vect tớn hiu.

Cú 2 thut toỏn c s dng trong phng phỏp ny, ú l:
- Thut toỏn phõn lp nhiu tớn hiu MUSIC.
- V thut toỏn ỏnh giỏ tớn hiu thụng qua cỏc k thut bt bin luõn phiờn
ESPRIT.

Trờn thc t, MUSIC l thut toỏn c phỏt trin trc (bt u t nm 1979) v
khỏ ph bin. Trong khi ú, ESPRIT phỏt trin sau (bt u t nm 1986) vi
nhng tớnh nng u vit nh tc tớnh toỏn nhanh hn do ch cn tớnh mt s
vect lỏi tia trc giao vi khụng gian nhiu m khụng cn phi tớnh tt c nh thut

toỏn MUSIC. Tuy nhiờn, ch mt s mụ hỡnh anten nht nh mi cú th thc hin
c thut toỏn ny do nú ũi hi phi cú cỏc cp phn t cỏch u nhau.

2.2. ỏnh giỏ v la chn thut toỏn

Cỏc tiờu chớ ỏnh giỏ kh nng ca mt thut toỏn DOA l:
- Kh nng thc hin
- Tc tớnh toỏn (liờn quan n phc tp ca thut toỏn v tc x lý
ca phn cng)
- chớnh xỏc

Thut toỏn tt nht l thut toỏn hi t y c ba tiờu chớ trờn, ngha l: cú kh
nng thc hin bng phn cng, tc tớnh toỏn nhanh, chớnh xỏc cao.

Kh nng thc hin bng phn cng cng nh tc x lý ca phn cng ph thuc
vo s phỏt trin ca cỏc b DSP.

Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học

19

õy, vic ỏnh giỏ cỏc thut toỏn c thc hin ch yu da trờn tiờu chớ
phc tp v chớnh xỏc ca cỏc thut toỏn.


Bng 1. ỏnh giỏ phc tp v chớnh xỏc ca cỏc thut toỏn DOA

Phõn
loi
Cỏc thut toỏn

phc tp
chớnh xỏc
ỏnh giỏ cụng sut tớn hiu thu
trong khụng gian
Phng phỏp
to chựm c
in (kt hp
cỏc b tr v b
cng)
- Thut toỏn n
gin.
- chớnh xỏc ph thuc
vo cụng sut o c theo
mi hng. Trong khi ú
cụng sut ny li ph thuc
vo rng ca bỳp súng
chớnh v cỏc bỳp súng ph
ca h anten. Bỳp súng chớnh
ch c thu hp khi s phn
t ca h anten c tng
lờn, nhng iu ú dn n
vic tng s lng b thu v
yờu cu vic lu tr d liu
ln.
- Ch ỏnh giỏ tt trong
trng hp ch cú mt tớn
hiu n h anten.

Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học

20

Phõn
loi
Cỏc thut toỏn
phc tp
chớnh xỏc
Phng phỏp ti
thiu hoỏ
phng sai ca
Capon
- Thut toỏn c
lng phc tp.
- Thc hin vic ti
thiu hoỏ cụng sut
tớn hiu theo hng
khụng mong mun
nhng vn gi
nguyờn cụng sut tớn
hiu theo hng
mong mun.
- Phi tớnh ma trn
nghch o - tr giỏ
t khi s chiu ca
ma trn ln.
- Thut toỏn ny cú kh nng
phõn bit c 2 tớn hiu
cỏch nhau ln hn 10
0
.

- Tuy nhiờn, phng phỏp
ny s khụng chớnh xỏc khi
khụng gian tớn hiu xut hin
tớn hiu tng quan vi tớn
hiu mong mun do thut
toỏn ỏnh giỏ da trờn s
tng quan gia cỏc tớn hiu
ti thiu hoỏ cụng sut tớn
hiu theo hng khụng mong
mun.
Phõn tớch cu trỳc riờng
MUSIC
- Thc hin tớnh cỏc
vect riờng ca ma
trn t tng quan li
vo.
- Thut toỏn ny cú kh nng
phõn bit c 2 tớn hiu cú
khong cỏch gn hn so vi
thut toỏn ca Capon.
- Thut toỏn ny cng khụng
chớnh xỏc khi cỏc ngun tớn
hiu tng quan vi nhau.

Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học

21

Phõn
loi

Cỏc thut toỏn
phc tp
chớnh xỏc
ESPRIT
- Gim mnh yờu cu
tớnh toỏn v lu tr.
- Tuy nhiờn, ũi hi
h anten phi cú cu
trỳc gm 2 h anten
con cú cu trỳc nh
nhau v cỏch nhau
mt khong c nh.
- Nh MUSIC

Cỏc phng
phỏp khỏc
Ngoi ra cũn cú mt s phng phỏp nõng cao gii
quyt vn cỏc ngun tớn hiu tng quan vi nhau
nh: k thut lm trn khụng gian, MUSIC nhiu
chiu,

Cn c vo nhng phõn tớch bng 1, tỏc gi ó la chn thut toỏn MUSIC
nghiờn cu v mụ phng chi tit.

2.3. Lý thuyt v mụ hỡnh tớn hiu s dng thut toỏn MUSIC
(Thut toỏn ny c phỏt minh bi Schmidt vo nm 1979)

2.3.1. iu kin ỏp dng thut toỏn MUSIC
- S ngun tớn hiu n phi nh hn s phn t ca h anten.
- Cỏc tớn hiu n khụng tng quan vi nhau.

2.3.2. Mụ hỡnh h thng
Mụ hỡnh h thng bao gm:

Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học

22

- H anten.
- Tớn hiu thu
- Thut toỏn MUSIC tớnh hng súng n.

H anten: h anten c xột l h thng thng cỏch u ULA vi cỏc thụng s c
trng:
- Khong cỏch gia cỏc phn t l d: khong cỏch ny khụng c quỏ ln
biờn cỏc tớn hiu ti cỏc phn t ca h anten c coi l nh nhau; v
khụng c quỏ nh (ln hn na bc súng) trỏnh vic ghộp tng h
gia cỏc phn t.
- Mi phn t trong h l mt ngun ng hng.
- Cỏc phn t l ng pha vi nhau - ngha l tớn hiu ti b x lý khụng b
thay i v pha cng nh biờn so vi tớn hiu ti h anten.

Mụ hỡnh tớn hiu thu:

M-1 0
dcos
(
theta
)
th

et
a
d
M-2
s
u


Hỡnh 5. Mụ hỡnh tớn hiu thu c ti mi phn t anten


TrÇn ThÞ Thuý Quúnh LuËn v¨n tèt nghiÖp cao häc

23

Với mô hình anten là hệ gồm M phần tử cách đều nhau một khoảng d, tín hiệu đến
hợp với trục của hệ anten một góc

.

Tín hiệu nhận đƣợc tại phần tử thứ nhất (phần tử 0) đƣợc biểu diễn dƣới dạng:

      

 ttfcostatx
c
2
0
(2.1)
với a(t) : biên độ của tín hiệu

f
c
: tần số sóng mang

 
t

: thành phần mang tin


: pha của tín hiệu

Coi phần tử 0 của hệ là phần tử tham chiếu, nguồn tín hiệu xuất phát từ khu trƣờng
xa của hệ anten nên các tia sóng của nguồn tín hiệu đến hệ anten song song với
nhau và giả thiết rằng các sóng phẳng truyền qua môi trƣờng đồng nhất, đẳng
hƣớng thì các tia sóng tới mỗi phần tử của hệ anten đƣợc coi là các phiên bản trễ về
mặt thời gian so với tia sóng tới phần tử tham chiếu.

Cụ thể nhƣ trên hình 5, tia sóng tới phần tử 1 phải đi qua một quãng đƣờng bằng
quãng đƣờng đi tới phần tử 0 cộng với

cosd
, liên tục cho tới phần tử M-1.

Thời gian trễ truyền dẫn giữa hai phần tử liên tiếp sẽ là:

c
cosd




(2.2)
với c là vận tốc ánh sáng.

Tín hiệu thu đƣợc tại phần tử 1 là:

        

 ttfcostatx
c
2
1
(2.3)

Chỉ xét trong trƣờng hợp tín hiệu băng hẹp nên có thể coi tín hiệu điều chế ổn định
trong khoảng thời gian

hay (2.3) có thể biểu diễn thành:

Trần Thị Thuý Quỳnh Luận văn tốt nghiệp cao học

24




tftfcostatx
cc
22
1

(2.4)

n gin trong vic tớnh toỏn, ta cú th biu din cỏc tớn hiu ti h anten di
dng sau:







tftfj
cc
etaRetx
22
1
(2.5)
Trong phng trỡnh (2.5), thnh phn súng mang ch l thnh phn mang tin. Ch cú
ng bao tớn hiu l cú ý ngha. Vỡ vy, ta cú th b qua thnh phn súng mang.
khi ú tớn hiu xột s l:






tfj
c
etatx
~

2
1
(2.6)

Thay (2.2) vo (2.6) ta cú:



















tcosdj
t
c
cosd
fj
eta

etatx
~
c

2
1
(2.7)

Mt cỏch tng quỏt, phn t i ca h anten s nhn c tớn hiu:






tcosidj
i
etatx
~
(2.8)
vi



2

l h s truyn súng.

Nh vy, cỏc thnh phn tớn hiu ca h anten s l mt vect bao gm:

tx
~
Atx
~
e

e
tx
~

tx
~
tx
~
tX
~
cosdMj
cosdj
M
00
1
1
1
0

1

(2.9)


A
gi l vect hng súng n ca h anten. Mi gúc s tng ng vi mt
vect hng súng n.

Trong trng hp tng quỏt, vect ny ph thuc vo: