Nâng cao chất lượng xác định hướng sóng tới cho hệ thống vô tuyến tìm phương sử dụng dàn ăng ten

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HÁN TRỌNG THANH

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CHO HỆ
THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG SỬ DỤNG DÀN ĂNG TEN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HÁN TRỌNG THANH

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CHO HỆ
THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG SỬ DỤNG DÀN ĂNG TEN

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 62520208

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. VŨ VĂN YÊM

Hà Nội – 2015

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành
quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất
hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực.
Tác giả luận án

Hán Trọng Thanh

Giáo viên hướng dẫn khoa học

PGS. TS Vũ Văn Yêm


ii

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến PGS. TS. Vũ Văn Yêm đã
trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trong quá trình nghiên cứu sinh. Thầy đã dành
nhiều thời gian và tâm huyết, hỗ trợ về mọi mặt để tác giả hoàn thành luận án.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào
tạo Sau Đại học, Viện Điện tử viễn thông, Bộ môn Hệ thống Viễn thông và Bộ môn Điện tử
Hàng không Vũ trụ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho nghiên cứu sinh trong suốt quá
trình học tập và nghiên cứu. Chân thành cảm ơn các cán bộ, giảng viên cũng như các anh chị
NCS của Viện Điện tử Viễn thông đã động viên, hỗ trợ và tận tình giúp đỡ tác giả trong quá
trình thực hiện luận án.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến bố mẹ, vợ và các con đã luôn động viên,
khích lệ và hy sinh rất nhiều trong thời gian vừa qua. Đây chính là động lực to lớn để tác giả

vượt qua khó khăn và hoàn thành luận án này.
Tác giả luận án

HÁN TRỌNG THANH


iii

MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................................... ii
MỤC LỤC

......................................................................................................................................iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .....................................................................................................vii
DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ..................................................................................................... ix
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ......................................................................................................... xii
MỞ ĐẦU
1.

....................................................................................................................................... 1
Vai trò hệ thống vô tuyến tìm phương trong lĩnh vực điện tử viễn

thông ............................................................................................................................................... 1
2.

Những vấn đề còn tồn tại ............................................................................................. 1

3.

Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu ............................. 2

4.

Cấu trúc nội dung của luận án .................................................................................... 3

5.

Các đóng góp khoa học của luận án .......................................................................... 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG ...................................... 5
1.1.

Giới thiệu chung về hệ thống vô tuyến tìm phương ........................................... 5

1.2.

Tổng quan các kỹ thuật xác định hướng sóng tới ............................................... 8

1.3.

Mô hình tín hiệu trong xác định hướng sóng tới ...............................................11

1.3.1.

Khái quát về tín hiệu băng hẹp ....................................................................................... 12

1.3.2.

Khái quát về tín hiệu băng rộng ..................................................................................... 13

1.4.

Tổng quan một số dàn ăng ten nhiều phần tử sử dụng trong xác định

hướng sóng tới ............................................................................................................................14
1.4.1.

1.4.2.

Các đặc trưng cơ bản của dàn ăng ten ......................................................................... 14
1.4.1.1.

Đặc trưng biên độ của dàn ăng ten .............................................................. 14

1.4.1.2.

Đặc trưng pha của dàn ăng ten. ..................................................................... 15

1.4.1.3.

Đặc trưng phân cực của dàn ăng ten. .......................................................... 16

Mô hình tín hiệu thu của một số dàn ăng ten hay sử dụng trong kỹ

thuật xác định hướng sóng tới. ...................................................................................................... 16

iv
1.4.2.1.

Mô hình tín hiệu thu với dàn ăng ten đồng nhất tuyến tính
ULA ........................................................................................................................... 17

1.4.2.2.
1.5.

Mô hình tín hiệu thu với dàn ăng ten đồng dạng tròn đều UCA........ 20

Các thông số ảnh hưởng và điều kiện đặt ra trong bài toán xác định

hướng sóng tới. ...........................................................................................................................21
1.5.1.

Các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác trong việc xác định hướng sóng

tới

.................................................................................................................................................... 21

1.5.2.

Điều kiện ràng buộc ban đầu trong bài toán xác định hướng sóng tới

của luận án ............................................................................................................................................. 22
1.5.3.
1.6.

Phương pháp đánh giá kết quả các nội dung đề xuất ............................................ 23

Kết luận chương............................................................................................................23

CHƯƠNG 2 XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CỦA CÁC TÍN HIỆU BĂNG HẸP SỬ
DỤNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG ĐƠN KÊNH ....................................................24
2.1.

Giới thiệu chung về hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh .....................24

2.2.

Một số thuật toán điển hình áp dụng cho hệ thống vô tuyến tìm

phương đơn kênh ......................................................................................................................25
2.2.1.

2.2.2.

2.3.

Kỹ thuật Wattson – Watt................................................................................................... 25
2.2.1.1.

Nguyên lý hoạt động .......................................................................................... 25

2.2.1.2.

Ưu điểm của thuật toán Watson - Watt ...................................................... 27

2.2.1.3.

Nhược điểm của thuật toán Watson - Watt .............................................. 27

Kỹ thuật Doppler và giả Doppler ................................................................................... 28
2.2.2.1.

Ưu điểm của kỹ thuật Doppler và giả Doppler ........................................ 30

2.2.2.2.

Nhược điểm của kỹ thuật Doppler và giả Doppler................................. 30

Kỹ thuật xác định hướng sóng tới dựa trên vòng khóa pha ..........................30

2.3.1.

Kiến trúc hệ thống ............................................................................................................... 31

2.3.2.

Mô tả phương pháp PLL – DOA truyền thống........................................................... 32

2.3.3.

Mô tả phương pháp PLL – DOA cải tiến ...................................................................... 37

2.3.4.
2.4.

2.3.3.1.

Đánh giá hiệu năng phương pháp PLL – DOA truyền thống .............. 37

2.3.3.2.

Phương pháp PLL – DOA cải tiến .................................................................. 37

Kết quả mô phỏng đánh giá hiệu năng phương pháp PLL – DOA cải tiến ..... 43

Kết luận chương............................................................................................................46


v
CHƯƠNG 3 XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CỦA CÁC TÍN HIỆU BĂNG HẸP SỬ
DỤNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG ĐA KÊNH .......................................................48
3.1.

Giới thiệu chung về hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh ........................48

3.2.

Một số thuật toán điển hình áp dụng cho hệ thống vô tuyến tìm

phương đa kênh .........................................................................................................................48
3.2.1.

Thuật toán Véc tơ tương quan........................................................................................ 48

3.2.2.

Thuật toán MUSIC................................................................................................................ 50

3.2.3.

Một số thuật toán khác ...................................................................................................... 52

3.3.

3.3.2.

3.2.3.2.

Thuật toán ước lượng phổ CAPON............................................................... 53

3.2.3.3.

Thuật toán ước lượng dự đoán tuyến tính ............................................... 53

3.2.3.4.

Thuật toán Entropy cực đại ............................................................................ 53

Thuật toán Matrix Pencil .................................................................................................. 53
3.3.1.1.

Áp dụng thuật toán trong môi trường không có nhiễu ........................ 54

3.3.1.2.

Áp dụng thuật toán trong môi trường có nhiễu ...................................... 56

Thuật toán Total Forward Backward Matrix Pencil .............................................. 57

Kỹ thuật xác định hướng sóng tới sử dụng thuật toán TFBMP ....................60

3.4.1.

3.4.2.

3.5.

Thuật toán Barlet ................................................................................................ 52

Sơ lược về thuật toán Matrix Pencil ......................................................................53

3.3.1.

3.4.

3.2.3.1.

Xác định hướng sóng tới của tín hiệu thu được từ dàn ăng ten ULA ............... 61
3.4.1.1.

Phân tích lý thuyết.............................................................................................. 61

3.4.1.2.

Kết quả mô phỏng và đánh giá....................................................................... 62

Xác định hướng sóng tới của tín hiệu thu được từ dàn ăng ten UCA ............... 69
3.4.2.1.

Phân tích lý thuyết.............................................................................................. 69

3.4.2.2.

Kết quả mô phỏng và đánh giá....................................................................... 72

Kết luận chương............................................................................................................80

CHƯƠNG 4 XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CỦA CÁC TÍN HIỆU ĐA ĐƯỜNG VÀ
TÍN HIỆU BĂNG RỘNG ...................................................................................................................81
4.1.

Xác định hướng sóng tới của các tín hiệu đa đường ........................................81

4.1.1.

Phân tích lý thuyết .............................................................................................................. 81

4.1.2.

Kết quả mô phỏng và đánh giá ....................................................................................... 85


vi
4.2.

Xác định hướng sóng tới của các tín hiệu băng rộng .......................................88

4.2.1.

Phân tích lý thuyết .............................................................................................................. 88

4.2.2.

Kết quả mô phỏng và đánh giá ....................................................................................... 89

4.3.

Kết luận chương............................................................................................................91

KẾT LUẬN

.....................................................................................................................................93

Đóng góp khoa học của luận án .............................................................................................93
Hướng phát triển của luận án ................................................................................................93
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ..............................................94
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................................95


vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ADC

Analog to Digital Converter

Bộ chuyển đổi tương tự sang số

BPF

Band Pass Filter

Bộ lọc thông dải

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Điều chế khóa pha nhị phân

CV

Correlative Vector

Véc tơ tương quan

DOA

Direction Of Arrival

Hướng sóng tới

DSP

Digital Signal Processing

Xử lý số tín hiệu

DFT

Discrette Fourier Transform

Biển đổi Fourier rời rạc

EVD

Eigen Value Decomposition

Khai triển các giá trị riêng

E–W

Easth – West

Đông Tây

ESPRIT

Estimation of Signal Parameters
via Rotation Invariance Technique

Ước lượng các tham số của tín hiệu
thông qua kỹ thuật quay bất biến

FFT

Fast Fourier Transform

Biển đổi Fourier nhanh

I/Q

In – Phase / Quarature

Điều chế I/Q

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu

LPF

Low Pass Filter

Bộ lọc thông thấp

LNA

Low Noise Amplifier

Bộ khuếch đại tạp âm thấp

LS

Least Square

Bình phương tối thiểu

LOS

Line Of Sight

Tầm nhìn thằng

MUSIC

MUltiple Signal Classification

Phân loại tín hiệu

MEM

Maximum Entropy Method

Phương pháp Entropy cực đại

MVDR

Minimum Variance Distortionless
Response

Đáp ứng cực tiểu không méo

ML

Maximum Likelihood

Khả năng lớn nhất

MP

Matrix Pencil

Ma trận bút chì

N–S

North – South

Bắc Nam

PLL

Phase Locked Loop

Vòng khóa pha

RADAR

Radio Detection And Ranging

Định vị bằng sóng điện từ

RMSE

Root Mean Square Error

Sai số căn quân phương

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

SDR

Software Defined Radio

Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm

SDMA

Space Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo không gian


viii
SNR

Signal to Noise Ration

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

SVD

Singular Value Decomposition

Khai triển các giá trị kỳ dị

SIR

Signal to Interference Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SONAR

Sound Navigation and Ranging

Hệ thống định vị bằng sóng âm

TFBMP

Total Forward Backward Matrix
Pencil

Ma trận bút chì thuận ngược

TOA

Time Of Arrival

Thời gian đến

UCA

Uniform Circular Antenna Array

Dàn ăng ten đồng dạng tròn đều

ULA

Uniform Linear Antenna Array

Dàn ăng ten đồng dạng tuyến tính

UHF

Ultra High Frequency

Tần số siêu cao

VHF

Very High Frequency

Tần số rất cao


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1. Kiến trúc máy thu sử dụng công nghệ SDR lý tưởng .................................................. 7
Hình 1.2. Phổ năng lượng của tín hiệu băng thông dải ............................................................... 11
Hình 1.3. Bộ giải mã tín hiệu I/Q.......................................................................................................... 13
Hình 1.4. Biểu diễn tín hiệu băng rộng và tín hiệu băng hẹp trong miền

− ............... 13

Hình 1.5. Mô hình không gian khảo sát tín hiệu............................................................................. 14
Hình 1.6. Dàn ăng ten ULA trong hệ tọa độ Đề các ....................................................................... 18
Hình 1.7. Mô hình sóng tới dàn ăng ten ULA trong mặt phẳng phương vị .......................... 18
Hình 1.8. Mô hình dàn ăng ten UCA trong hệ tọa độ Đề Các...................................................... 20
Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh ....................................... 24
Hình 2.2. Mô hình ăng ten Adcock dùng trong thuật toán Watson - Watt ........................... 26
Hình 2.3. Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật Doppler .................................................................. 28
Hình 2.4. Sơ đồ khối hệ thống vô tuyến tìm phương giả Doppler........................................... 28
Hình 2.5. Sơ đồ khối hệ thống vô tuyến tìm phương dựa trên phương pháp PLL –
DOA. ............................................................................................................................................. 31
Hình 2.6. Sơ đồ cấu tạo khối xác định DOA. ..................................................................................... 31
Hình 2.7. Mô hình dàn ăng ten UCA trong hệ tọa độ Đề Các...................................................... 32
Hình 2.8. Pha tín hiệu tới dàn ăng ten................................................................................................ 34
Hình 2.9. Đường cong sai khác đích.................................................................................................... 35
Hình 2.10. Pha tín hiệu không điều chế tại các phần tử ăng ten ................................................ 38
Hình 2.11. Đường cong sai khác thu được từ PLL ........................................................................... 38
Hình 2.12. Đường cong sai khác thu được thứ 2 từ PLL ............................................................... 39
Hình 2.13. Đường cong sai khác thu được đã hiệu chỉnh .............................................................. 40
Hình 2.14. Kết quả xác định hướng sóng tới DOA = 450 ................................................................ 43
Hình 2.15. Kết quả xác định DOA với số lượng ăng ten thay đổi ................................................ 44
Hình 2.16. Sai số kết quả xác định hướng sóng đến DOA khi thay đổi số lượng mẫu

tín hiệu ........................................................................................................................................ 45
Hình 2.17. Kết quả xác định hướng tới của hai tín hiệu ở hai góc 400 và 500 ....................... 46
Hình 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh .......................................... 48
Hình 3.2. Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh sử dụng thuật
toán CV........................................................................................................................................ 49
Hình 3.3. Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh sử dụng thuật
toán CV với bộ tạo định dạng búp sóng trễ - cộng ..................................................... 49
Hình 3.4. Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh sử dụng thuật
toán MUSIC................................................................................................................................ 50


x
Hình 3.5. Phổ giả không gian của thuật toán CV và MUSIC ứng với góc DOA 120o .......... 51
Hình 3.6. Phổ giả không gian của thuật toán CV và MUSIC ứng với DOA 120o và
200o .............................................................................................................................................. 52
Hình 3.7. Dàn ăng ten ULA trong hệ tọa độ Đề các ....................................................................... 61
Hình 3.8. Kết quả xác định hướng DOA = 65o của tín hiệu có SNR = 5dB đến dàn
ăng ten ULA với một mẫu tín hiệu. .................................................................................. 63
Hình 3.9. Kết quả xác định DOA của 3 nguồn tín hiệu từ 3 góc -20, 40 và 65 độ đến
dàn ăng ten ULA chỉ sử dụng một mẫu tín hiệu. ......................................................... 63
Hình 3.10. Kết quả xác định DOA bằng thuật toán MUSIC của 3 nguồn tín hiệu từ 3
góc -20, 40 và 65 độ đến dàn ăng ten ULA với một mẫu tín hiệu. ....................... 64
Hình 3.11. Kết quả xác định DOA của 3 tín hiệu tương quan ở các góc -20,40 và 65
độ với 1 mẫu tín hiệu sử dụng anten ULA..................................................................... 64
Hình 3.12. Kết quả xác định DOA với thuật toán MUSIC của 3 tín hiệu tương quan ở
các góc -20,40 và 65 độ với 1 mẫu tín hiệu sử dụng anten ULA. .......................... 65
Hình 3.13. Kết quả xác định góc DOA = 65o đến dàn ăng ten ULA với 1000 mẫu tín
hiệu. ............................................................................................................................................. 65
Hình 3.14. Kết quả xác định DOA của 3 nguồn tín hiệu từ 3 góc -20, 40 và 65 độ tới
dàn ăng ten ULA sử dụng 1000 mẫu tín hiệu. ............................................................. 66

Hình 3.15. Độ chính xác trong xác định DOA( -20, 40 và 65) với dàn ăng ten ULA
khi thay đổi số lượng mẫu tín hiệu .................................................................................. 66
Hình 3.16. Độ chính xác của kết quả xác định DOA với dàn ăng ten ULA trong môi
trường nhiễu trắng có SNR biến thiên với một mẫu tín hiệu. ............................... 67
Hình 3.17. So sánh độ chính xác giữa TFBMP với MP trong trường hợp các tín hiệu
không tương quan sử dụng dàn ăng ten ULA. ............................................................. 67
Hình 3.18. So sánh độ chính xác giữa TFBMP với MP trong trường hợp các tín hiệu
tương quan sử dụng dàn ăng ten ULA. ........................................................................... 68
Hình 3.19. Dàn ăng ten UCA trong hệ tọa độ Đề các ....................................................................... 69
Hình 3.20. Kết quả xác định DOA của các tín hiệu không tương quan đến dàn ăng
ten UCA ....................................................................................................................................... 73
Hình 3.21. Độ chính xác trong xác định DOA của các tín hiệu không tương quan ở
các góc -50O,60O và 160O đến dàn ăng ten UCA theo dải SNR ............................... 74
Hình 3.22. Kết quả xác định DOA tín hiệu không tương quan đến dàn ăng ten UCA
bằng thuật toán MUSIC với 1 mẫu tín hiệu ................................................................... 74
Hình 3.23. Kết quả xác định DOAcủa các tín hiệu không tương quan tới dàn ăng ten
UCA với 1000 mẫu tín hiệu. ................................................................................................ 75
Hình 3.24. Độ chính xác trong xác định DOA của các tín hiệu không tương quan ở
các góc-50O, 60O và 160O đến dàn ăng ten UCA với 1000 mẫu tín hiệu
theo dải SNR ............................................................................................................................. 75


xi
Hình 3.25. Độ chính xác trong xác định DOA của các tín hiệu không tương quan ở
các góc -50O, 60O và 160O theo số lượng mẫu tín hiệu ............................................ 76
Hình 3.26. So sánh độ chính xác giữa TFBMP với MP trong trường hợp các tín hiệu
không tương quan tới dàn ăng ten UCA......................................................................... 76
Hình 3.27. Xác định hướng sóng tới của các tín hiệu tương quan tới dàn ăng ten
UCA............................................................................................................................................... 77
Hình 3.28. Xác định hướng sóng tới của các tín hiệu tương quan tới dàn ăng ten

UCA sử dụng thuật toán MUSIC......................................................................................... 77
Hình 3.29. Độ chính xác trong xác định DOA của các tín hiệu tương quan ở các góc 30O, 0O và 110O tới dàn ăng ten UCA theo số lượng mẫu tín hiệu........................ 78
Hình 3.30. So sánh độ chính xác giữa TFBMP với MP trong trường hợp các tín hiệu
tương quan đến dàn ăng ten UCA. ................................................................................... 78
Hình 4.1. Mô hình các tín hiệu đa đường tới dàn ULA trong mặt phẳng phương vị ........ 81
Hình 4.2. Kết quả mô phỏng xác định đồng thời các thông số TOA và DOA của các
tín hiệu đa đường ................................................................................................................... 86
Hình 4.3. Kết quả mô phỏng xác định thông số TOA của các tín hiệu đa đường với
một mẫu tín hiệu..................................................................................................................... 86
Hình 4.4. Độ chính xác kết quả xác định thông số TOA của các tín hiệu đa đường
với 1 mẫu tín hiệu khi SNR thay đổi ................................................................................ 87
Hình 4.5. Độ chính xác kết quả xác định thông số TOA của các tín hiệu đa đường
với số lượng mẫu tín hiệu thay đổi .................................................................................. 87
Hình 4.6. Kết quả xác định DOA của các tín hiệu băng rộng...................................................... 90
Hình 4.7. Độ chính xác xác định DOA của các tín hiệu băng rộng theo SNR ....................... 91
Hình 4.8. Độ chính xác xác định DOA của các tín hiệu băng rộng theo số lương
mẫu tín hiệu .............................................................................................................................. 91


xii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 2.1. Bảng so sánh thời gian tính toán của hai phương pháp PLL – DOA.................... 45
Bảng 3.1. Bảng khởi tạo các tham số mô phỏng với dàn ăng ten ULA ................................... 62
Bảng 3.2. Độ phân giải góc tín hiệu không tương quan của thuật toán với dàn ăng
ten ULA ....................................................................................................................................... 68
Bảng 3.3. Độ phân giải góc tín hiệu tương quan của thuật toán với dàn ăng ten
ULA............................................................................................................................................... 69
Bảng 3.4. Bảng khởi tạo các tham số mô phỏng với dàn ăng ten UCA ................................... 73

Bảng 3.5. Độ phân giải góc của thuật toán với dàn ăng ten UCA với các tín hiệu
không tương quan .................................................................................................................. 79
Bảng 3.6. Độ phân giải góc của thuật toán với dàn ăng ten UCA với các tín hiệu
tương quan................................................................................................................................ 79
Bảng 4.1

Bảng khởi tạo các tham số mô phỏng trong trường hợp đa đường .................... 85

Bảng 4.2

Kết quả xác định DOA (độ) trong các băng tần con................................................... 90


1

MỞ ĐẦU
1. Vai trò hệ thống vô tuyến tìm phương trong lĩnh vực điện tử viễn
thông
Với xu hướng phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, các hệ thống định vị vô
tuyến điện ngày càng đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực của đời sống xã hội. Các hệ
thống định vị vô tuyến điện điển hình như các hệ thống Radar, hệ thống định vị vệ tinh toàn
cầu cũng như các hệ thống vô tuyến tìm phương đã và đang được xây dựng phát triển hoàn
thiện hơn. Các hệ thống đó với ngày càng nhiều tính năng giúp con người có khả năng tìm
kiếm, xác định vị trí của mình cũng như các vật thể khác một cách nhanh chóng và ngày càng
chính xác. Trong các thông tin định vị mục tiêu, thông tin về hướng sóng tới của nguồn phát
xạ so với điểm khảo sát có vai trò rất quan trọng [82]. Trong các lĩnh vực dân sự như lĩnh vực
quản lý tần số, thông tin về hướng sóng tới giúp con người có thể xác định vị trí các nguồn
bức xạ trái phép, các nguồn sóng gây nhiễu; Trong các hệ thống thông tin viễn thông hiện đại,
thông tin về hướng sóng tới giúp hệ thống thực hiện đa truy nhập phân chia theo không gian
SDMA…Trong lĩnh vực quân sự, thông tin về hướng sóng tới có vai trò rất quan trọng trong

việc thu thập thông tin chiến trường, tình báo quân sự, điều khiển dẫn hướng các khí tài quân
sự…
Trong các hệ thống thông tin viễn thông, việc ước lượng các tham số của tín hiệu thu
trong cả miền thời gian, miền tần số và miền không gian có vai trò rất quan trọng và được các
nhà khoa học trong và ngoài nước đặc biệt quan tâm nghiên cứu [4, 18, 20, 68, 73, 74, 102].
Bên cạnh những thông số cơ bản của tín hiệu như tần số, biên độ, pha… thì tham số như
hướng sóng tới và thời gian truyền sóng cũng cần thiết phải được xác định chính xác đặc biệt
đối với các hệ thống viễn thông đa ăng ten hoặc các hệ thống thực hiện chức năng đa truy
nhập phân chia theo không gian SDMA. Thông tin về hướng sóng tới sẽ giúp hệ thống viễn
thông tăng khả năng khôi phục kênh truyền, phối hợp đồng bộ, bù lệch tần số hay tự động
điều chỉnh đồ thị bức xạ theo hướng cần thiết để tăng chất lượng tín hiệu thu [66]. Chính vì
những lý do trên, nhiệm vụ nghiên cứu phát triển hệ thống vô tuyến tìm phương tiên tiến là
cấp thiết.

2. Những vấn đề còn tồn tại
Do các ứng dụng của các hệ thống vô tuyến tìm phương trong đời sống xã hội ngày càng
phát triển nên những yêu cầu về các chỉ tiêu kỹ thuật cũng như ứng dụng không ngừng tăng
lên. Vấn đề nghiên cứu các kỹ thuật xử lý tín hiệu, các thuật toán với độ phân giải cao trong
xác định chính xác hướng sóng tới áp dụng cho mỗi kiến trúc hệ thống vô tuyến tìm phương
đã và đang là chủ đề nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước. Khi dựa vào kiến
trúc hệ thống, các hệ thống vô tuyến tìm phương có thể được phân chia thành hai nhóm đó là


2
hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh (hệ thống đơn kênh) và hệ thống vô tuyến tìm
phương đa kênh (hệ thống đa kênh) với các ưu nhược điểm riêng biệt.
Hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh với ưu điểm nhỏ gọn, giảm công suất tiêu thụ,
thích hợp triển khai trong các thiết bị di động nhưng thuật toán xử lý phức tạp, độ chính xác bị
hạn chế bởi các yếu tố liên quan đến kiến trúc. Các phương pháp xác định hướng sóng tới áp
dụng cho hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh đã được nghiên cứu phát triển trong [39-41,

52, 72, 79, 97]. Trong [40, 41, 52], các tác giả đã đề xuất phương pháp xác định hướng sóng
tới dựa trên pha của tín hiệu tới được xác định bởi các vòng khóa pha. Phương pháp này đã
xác định thành công hướng sóng tới của tín hiệu với độ chính xác cao. Tuy nhiên, thuật toán
của phương pháp là tương đối phức tạp. Mặt khác với việc sử dụng vòng khóa pha kết hợp
với bộ chuyển mạch cao tần đặt ra yêu cầu phải giảm độ phức tạp từ đó tăng tốc độ hội tụ của
thuật toán nhằm triển khai cho các ứng dụng thời gian thực.
Hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh có khả năng xác định được hướng sóng tới với độ
chính xác và độ phân giải cao so với các hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh nhưng
thông thường có kiến trúc cồng kềnh, tiêu thụ năng lượng lớn, gặp khó khăn trong việc triển
khai trên các thiết bị di động. Các phương pháp xác định hướng sóng tới điển hình áp dụng
cho hệ thống đa kênh như được đề xuất trong [22, 65, 84, 85, 88, 90]. Một trong những vấn đề
còn tồn tại đối với các phương pháp nêu trên đó là số lượng mẫu tín hiệu thu khá lớn cần phải
xử lý để xác định hướng sóng tới. Số lượng mẫu tín hiệu càng nhiều thì độ chính xác cũng
như độ phân giải của thuật toán sẽ tăng lên nhưng kéo theo đó là việc tăng dung lượng bộ nhớ
đệm, tăng tốc độ lấy mẫu cũng như tăng thời gian xử lý tính toán. Từ đó sẽ làm giảm hiệu
năng của hệ thống trong các ứng dụng thời gian thực. Chính vì vậy, việc nghiên cứu các
phương pháp nhằm làm giảm số lượng mẫu tín hiệu áp dụng cho các hệ thống đa kênh là cấp
thiết.
Ngoài các vấn đề còn tồn tại đã nêu trên, vấn đề xác định hướng sóng tới trong môi trường
đa đường cũng như đối với các tín hiệu tương quan và tín hiệu băng rộng cũng đã được các
nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu [89, 96, 100, 104], tuy nhiên kết quả
còn chưa được như mong muốn. Chính vì vậy, việc tiếp tục phát triển nghiên cứu các kỹ thuật
xác định hướng sóng tới cho các trường hợp nêu trên là cần thiết đối với các hệ thống vô
tuyến tìm phương tiên tiến.

3. Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu:


Nghiên cứu đề xuất phương pháp cải tiến nhằm làm giảm độ phức tạp trong tính toán

xác định hướng sóng tới của hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh sử dụng vòng
khóa pha.



Nghiên cứu các phương pháp, thuật toán, kỹ thuật xác định hướng sóng tới với số
lượng nhỏ mẫu tín hiệu áp dụng cho hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh.


3


Nghiên cứu các kỹ thuật xử lý các tín hiệu đa đường và các tín hiệu băng rộng.

Các nội dung đề xuất nêu trên đều hướng tới một mục tiêu chung là nghiên cứu phát triển
nâng cao hiệu năng hoạt động của các hệ thống vô tuyến tìm phương tiên tiến.
Đối tượng nghiên cứu:


Hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh và đa kênh.



Các mô hình dàn ăng ten thường sử dụng trong các hệ thống vô tuyến tìm phương.



Các kỹ thuật xác định hướng sóng tới của tín hiệu không tương quan và tương quan.

Phương pháp và phạm vi nghiên cứu:



Phương pháp nghiên cứu của luận án bao gồm việc nghiên cứu lý thuyết, xây dựng
mô hình, đề xuất, cải tiến các thuật toán kết hợp với mô phỏng trên máy tính.

4. Cấu trúc nội dung của luận án
Cấu trúc của luận án gồm có 04 chương với các nội dung được tóm tắt như sau:
Chương 1: Tổng quan hệ thống vô tuyến tìm phương: Chương này giới thiệu sơ lược
về các hệ thống vô tuyến tìm phương, các phương pháp phân loại hệ thống cũng như các kỹ
thuật xác định hướng sóng tới. Chương này cũng sẽ mô tả khái quát các hệ thống ăng ten
nhiều phần tử cũng như phân tích mô hình tín hiệu thu được từ các hệ thống ăng ten đó. Từ đó
đặt ra các điều kiện ràng buộc và phạm vi nghiên cứu của luận án.
Chương 2: Xác định hướng sóng tới của các tín hiệu băng hẹp sử dụng hệ thống vô
tuyến tìm phương đơn kênh: Chương 2 mô tả kiến trúc hệ thống vô tuyến tìm phương đơn
kênh, tập trung phân tích một số kỹ thuật xác định hướng sóng tới điển hình áp dụng cho hệ
thống loại này như phương pháp Watson – Watt, phương pháp Doppler và giả Doppler và
phương pháp dựa trên vòng khóa pha. Dựa vào những phân tích đó, trong chương này, một đề
xuất kỹ thuật cải tiến mới nhằm làm giảm độ phức tạp tính toán cho phương pháp dựa trên
vòng khóa pha, tăng hiệu năng hoạt động của hệ thống sẽ được phân tích đánh giá một cách
chi tiết.
Chương 3: Xác định hướng sóng tới của các tín hiệu băng hẹp sử dụng hệ thống vô
tuyến tìm phương đa kênh: Kiến trúc hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh cũng như một
số kỹ thuật xác định hướng sóng tới điển hình áp dụng cho hệ thống loại này sẽ được giới
thiệu, phân tích đánh giá trong chương 3. Chương này sẽ tập trung phân tích đề xuất áp dụng
thuật toán Total Forward Backward Matrix Pencil (TFBMP) trong xác định hướng sóng tới
trong cả hai trường hợp sử dụng dàn ăng ten đồng dạng tuyến tính (ULA) và dàn ăng ten đồng
dạng tròn đều (UCA) với các tín hiệu tương quan, không tương quan và việc xác định tách
biệt các tín hiệu đa đường.

4
Chương 4: Xác định hướng sóng tới của các tín hiệu đa đường và tín hiệu băng
rộng: Chương này kế thừa và phát triển các kết quả nghiên cứu của chương 3 trong việc phân
tách các tín hiệu đa đường và xác định hướng sóng tới của tín hiệu băng rộng được thu bởi
dàn ăng ten ULA. Chương này tập trung phân tích đề xuất áp dụng thuật toán TFBMP nhằm
xác định đồng thời các tham số hướng sóng tới (DOA) và thời gian trễ truyền sóng (TOA) của
các tín hiệu tới từ cùng một nguồn nhưng đi theo các đường khác nhau. Chương 4 cũng tập
trung phân tích cách xử lý các tín hiệu băng rộng rồi kết hợp thuật toán nói trên nhằm đưa ra
được thông tin về hướng sóng tới của các tín hiệu băng rộng đó.
Phần kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án: Phần này trình bày tóm tắt
các kết quả đạt được của luận án và nêu ra hướng phát triển tiếp theo của đề tài, cũng như các
nghiên cứu dự kiến sẽ được thực hiện trong tương lai.

5. Các đóng góp khoa học của luận án
Luận án đã thực hiện được 03 đóng góp khoa học sau đây:
1. Đề xuất phương pháp PLL – DOA cải tiến có khả năng giảm độ phức tạp tính toán từ
đó tăng tốc độ xử lý cũng như giải pháp khắc phục nhược điểm nhầm lẫn của vòng
khóa pha khi có 2 tín hiệu tương tự nhau đến dàn anten cùng một thời điểm trong hệ
thống vô tuyến tìm phương đơn kênh dựa trên vòng khóa pha.
2. Đề xuất áp dụng thuật toán TFBMP trong xác định hướng sóng tới áp dụng cho các
hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh sử dụng dàn ăng ten ULA và dàn ăng ten UCA
với chỉ một mẫu tín hiệu trong điều kiện bị ảnh hưởng nhiễu, có khả năng xác định
được hướng sóng tới của các tín hiệu tương quan và tín hiệu băng rộng.
3. Đề xuất phương pháp xác định đồng thời thông số DOA và TOA của các tín hiệu thu
được bởi dàn ăng ten ULA dựa trên thuật toán TFBMP từ đó xác định được hướng tới
của tín hiệu trong tầm nhìn thẳng (LOS).


5

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG
1.1. Giới thiệu chung về hệ thống vô tuyến tìm phương
Các hệ thống vô tuyến tìm phương là các hệ thống thông tin nhằm xác định hướng tới
của sóng vô tuyến lan truyền trong không gian được thu bởi các dàn ăng ten nhiều phần tử.
Dựa vào thông tin về hướng tới của sóng vô tuyến, người ta có thể xác định sơ bộ phương
hướng của các nguồn bức xạ trong không gian so với điểm khảo sát để từ đó có thể định vị
chính xác các nguồn bức xạ. Việc nghiên cứu các kỹ thuật xác định hướng sóng tới cũng như
nghiên cứu thiết kế, xây dựng và triển khai các hệ thống vô tuyến tìm phương trên thực tế đã
được các nhà khoa học trong và ngoài nước đặc biệt quan tâm. Ở nước ta, đã có rất nhiều các
khí tài quân sự cũng như các thiết bị vô tuyến tìm phương dân dụng đã được thiết kế, xây
dựng và triển khai ở Bộ Quốc Phòng, Bộ Công An, Cục quản lý tần số cũng như trong lĩnh
vực Hàng Không dân dụng. Các thiết bị, hệ thống vô tuyến tìm phương đều do các nhà khoa
học trong nước thiết kế hoặc được nhập khẩu từ Mỹ và Châu Âu với độ chính xác rất cao với
sai số

≤ 1.5 trong các điều kiện tiêu chuẩn [83].

Có nhiều cách để phân loại các hệ thống vô tuyến tìm phương trong đó thông thường
chúng được phân loại dựa trên kiến trúc hệ thống và dựa trên cách thức xử lý tín hiệu.
-

Phân loại dựa vào phương thức xử lý tín hiệu: Dựa vào phương thức xử lý tín hiệu
của các hệ thống vô tuyến tìm phương người ta có thể chia ra làm ba loại như sau:
o Hệ thống vô tuyến tìm phương xử lý Biên độ tín hiệu: Đây là hệ thống xác định
hướng tới của tín hiệu sóng vô tuyến bằng cách so sánh biên độ tín hiệu thu được
giữa các phần tử của dàn ăng ten từ đó tìm vị trí mà tại đó tín hiệu được phát xạ ra
không gian.
o Hệ thống vô tuyến tìm phương xử lý Pha tín hiệu: Đây là hệ thống xác định
hướng sóng tới dựa trên pha của tín hiệu thu được tại các phần tử của dàn ăng ten.

Thông tin về hướng sóng tới có thể xác định từ chính pha của tín hiệu hoặc độ sai
pha của tín hiệu thu được giữa các phần tử ăng ten.
o Hệ thống vô tuyến tìm phương kết hợp Biên độ – Pha: Đây là hệ thống xác định
hướng sóng tới dựa vào cả biên độ và pha của tín hiệu thu được tại các phần tử
của dàn ăng ten. Hệ thống dạng này thường áp dụng các phương pháp định dạng
búp sóng và các thuật toán phân giải cao.

-

Phân loại dựa vào kiến trúc hệ thống [72, 81]:


6
o Hệ thống vô tuyến tìm phương với kiến trúc đa kênh: Hệ thống vô tuyến tìm
phương kiến trúc đa kênh là hệ thống sử dụng dàn ăng ten nhiều phần tử trong đó
tín hiệu đến từng phần tử của dàn được thu và xử lý bởi từng máy thu độc lập. Các
máy thu có vai trò như bộ tiền xử lý tín hiệu, đầu ra của từng máy thu là cơ sở để
hệ thống xác định được thông tin về hướng tới của tín hiệu sóng cao tần.


Ưu điểm của hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh đó là độ chính xác cao,
tốc độ xử lý cao và có độ phân giải tốt.



Nhược điểm của hệ thống đa kênh: kiến trúc máy thu cồng kềnh, thuật toán
xử lý phức tạp, chi phí cao về giá thành cũng như công suất tiêu thụ, nhiều
trường hợp trong thực tế là không khả thi đối với các thiết bị di động.

o Hệ thống vô tuyến tìm phương kiến trúc đơn kênh: Hệ thống vô tuyến tìm

phương có kiến trúc đơn kênh là hệ thống sử dụng dàn ăng ten nhiều phần tử
nhưng dùng chung một máy thu tín hiệu. Máy thu được kết nối với các phần tử
của dàn ăng ten qua một chuyển mạch cao tần. Luồng dữ liệu đầu ra của máy thu
được xử lý để tìm ra thông tin về hướng sóng tới.


Ưu điểm của hệ thống đơn kênh: Kiến trúc máy thu đơn giản, nhỏ gọn, tiết
kiệm về giá thành cũng như công suất tiêu thụ; Trong nhiều ngữ cảnh, hệ
thống đơn kênh có khả năng được triển khai ứng dụng trong các thiết bị di
động.



Nhược điểm của hệ thống đơn kênh: độ chính xác trung bình, thuật toán xử lý
phức tạp, yêu cầu bộ chuyển mạch cao tần có tốc độ cao.

Như vậy, các hệ thống vô tuyến tìm phương đều bao gồm một hoặc nhiều máy thu kết nối
tới dàn ăng ten nhiều phần tử. Các máy thu này làm nhiệm vụ xử lý tín hiệu thu được từ các
phần tử ăng ten từ đó đưa ra thông tin về hướng sóng tới của tín hiệu. Với vai trò quan trọng
như vậy, việc nghiên cứu thiết kế kiến trúc máy thu là nhiệm vụ cấp thiết đối với các hệ thống
vô tuyến tìm phương. Trên thực tế, có hai kiểu kiến trúc đã và đang được phát triển áp dụng
cho các hệ máy thu trong lĩnh vực thông tin vô tuyến đó là kiến trúc máy thu truyền thống và
kiến trúc máy thu định nghĩa bằng phần mềm.
Kiến trúc máy thu truyền thống là kiến trúc dựa trên công nghệ phần cứng. Trong các
máy thu loại này bao gồm các khối phần cứng thực hiện các chức năng riêng biệt theo một vài
chuẩn đã định nghĩa sẵn nào đó. Điều này dẫn tới sự cứng nhắc, thiếu linh hoạt trong việc
thay đổi các chức năng làm việc của máy thu. Thông thường, khi áp dụng các chuẩn mới, các
máy thu loại này thường bị loại bỏ thay thế bởi các máy thu khác theo đúng chức năng dẫn tới
sự lãng phí vật tư. Mặt khác, các khối xử lý được thiết kế bằng phần cứng do đó rất khó giảm
kích thước mạch điện tử cũng như công suất tiêu thụ.

7
Nhằm khắc phục các nhược điểm của kiến trúc máy thu truyền thống, trong những năm
trở lại đây, các nhà khoa học đã và đang phát triển kiến trúc máy thu mới: Kiến trúc máy thu
vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm – máy thu SDR. Máy thu SDR là loại máy thu bao gồm
hầu hết các khối xử lý được xây dựng bằng phần mềm. Đây được coi là một kiến trúc mở dựa
trên một phần nhỏ nền tảng phần cứng chung được sử dụng để cung cấp, hỗ trợ nhiều chuẩn
truyền thông khác nhau. Với kiến trúc định nghĩa bằng phần mềm, các máy thu trở nên linh
hoạt hơn và có khả năng tái cấu hình nhanh chóng, thích ứng với nhiều loại tín hiệu, phương
thức điều chế khác nhau. Hơn nữa, với việc các khối được thiết kế bằng phần mềm sẽ giảm
đáng kể kích thước mạch điện tử, công suất tiêu thụ cũng như chi phí sản xuất. Chính vì vậy,
việc ứng dụng công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm cho các máy thu trong lĩnh vực
thông tin vô tuyến nói chung cũng như các hệ thống vô tuyến tìm phương nói riêng sẽ đem lại
nhiều lợi ích to lớn.

Hình 1.1. Kiến trúc máy thu sử dụng công nghệ SDR lý tưởng

Các hệ thống vô tuyến tìm phương với các máy thu được xây dựng trên nền tảng vô tuyến
điều khiển bằng phần mềm được coi là các hệ thống vô tuyến tìm phương tiên tiến. Đối với
các máy thu định nghĩa bằng phần mềm, kiến trúc lý tưởng như trình bày trong Hình 1.1 sẽ
bao gồm các thành phần xử lý tín hiệu tương tự được tối thiểu hóa chỉ gồm ăng ten thu, khối
lọc thông dải cao tần (RF – BPF), khối khuếch đại tạp âm thấp (LNA). Tín hiệu tương tự sau
đó được số hóa ở tần số cao rồi đưa đến khối xử lý tín hiệu để từ đó đưa ra được thông tin
mong muốn mà cụ thể là thông tin hướng sóng tới của tín hiệu.
Với các hệ thống vô tuyến tìm phương tiên tiến, nhiệm vụ nghiên cứu phát triển và cải
thiện hiệu năng hoạt động của các hệ thống đó có thể được chia làm hai hướng chính:
Cải tiến cấu trúc dàn ăng ten: Hiệu năng hoạt động của các hệ thống thông tin viễn thông
đa ăng ten nói chung cũng như các hệ thống vô tuyến tìm phương nói riêng bị ảnh hưởng khá
lớn bởi cấu trúc vật liệu, hình học… của dàn ăng ten. Việc nghiên cứu phát triển, cải tiến cấu

trúc của dàn ăng ten nhằm làm giảm lỗi ước lượng, tăng độ phân giải, tính vô hướng… đã và
đang được các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu [5, 6, 38, 69, 78, 101].
Cải tiến các phương pháp xử lý tín hiệu áp dụng cho máy thu SDR: Các phương pháp xử
lý tín hiệu triển khai trên khối DSP được coi là phần cốt lõi của các máy thu SDR. Các
phương pháp xử lý tín hiệu ở đây bao gồm các kỹ thuật chuẩn hóa tín hiệu cho đầu ra của
khối ADC cũng như các kỹ thuật xác định hướng sóng tới áp dụng trên các tín hiệu đã được


8
chuẩn hóa đó. Trong các máy thu SDR, các tín hiệu thu được sẽ được lấy mẫu ở tần số cao.
Chính điều này gây ra nhiều thách thức khiến tín hiệu bị sai lệch so với giá trị mong muốn
như hiện tượng chồng phổ, lỗi lượng tử và đặc biệt là hiện tượng sai pha do sự không ổn định
của pha sóng tới trong quá trình lấy mẫu (Jitter) [60, 98]. Các kỹ thuật xử lý chuẩn hóa tín
hiệu nhằm bù trừ các sai lệch nói trên đã và đang được phát triển và đạt được những kết quả
khả quan [77, 86, 92]. Sau quá trình chuẩn hóa tín hiệu, các thuật toán xác định hướng sóng
tới sẽ được thực thi nhằm đưa ra thông tin chính xác về hướng tới của tín hiệu. Đó là thông tin
quan trọng nhất của hệ thống vô tuyến tìm phương. Chính vì vậy, việc nghiên cứu, phát triển
các thuật toán xác định hướng sóng tới nhằm nâng cao độ chính xác, độ phân giải cũng như
giảm độ phức tạp của thuật toán có vai trò đặc biệt quan trọng. Đây chính là vấn đề xuyên
suốt mà luận án sẽ tập trung nghiên cứu.

1.2. Tổng quan các kỹ thuật xác định hướng sóng tới
Thông thường, các hệ thống vô tuyến tìm phương thường sử dụng các dàn ăng ten nhiều
phần tử để thu tín hiệu từ đó tìm ra hướng tới của các tín hiệu đó bằng các kỹ thuật xác định
hướng sóng tới. Các phương pháp xác định hướng sóng tới đã được các nhà khoa học nghiên
cứu và phát triển từ rất lâu [82]. Ngay từ năm 1888, Heinrich Hertz phát hiện đặc tính hướng
của ăng ten khi tiến hành thí nghiệm trong dải sóng decimet. Một ứng dụng cụ thể của nó là
xác định hướng tới của sóng điện từ đã được đề xuất vào năm 1906 trong phương pháp định
hướng đích do Scheller phát minh ra. Các hệ thống vô tuyến tìm phương đầu tiên là các hệ
thống vô tuyến tìm phương phân cực. Các hệ thống này bao gồm ăng ten lưỡng cực điện hoặc

từ trường với trục trùng với hướng của điện trường hoặc từ trường của tín hiệu tới. Từ hướng
phân cực, sẽ suy ra hướng tới của sóng điện từ. Hệ thống vô tuyến tìm phương vòng quay là
một trong những máy định hướng thuộc loại này được biết tới nhiều nhất. Vào những năm
đầu của thế kỷ 20, Belini và Tosi [13] cùng với Marconi [62] đã tìm ra phương pháp xác định
hướng sóng tới dựa trên đặc tính hướng của các phần tử ăng ten. Năm 1907, Bellini và Tosi
phát hiện ra phương pháp định hướng kết hợp giữa hai ăng ten có hướng tính giao nhau (ví dụ
như ăng ten vòng) với một máy đo góc để xác định hướng. Sau đó, việc sử dụng dàn ăng ten
nhiều phần tử trong xác định hướng sóng tới đã được đề xuất bởi Adcock [10] và Keen [53].
Đề xuất đó là bước tiến lớn trong việc nâng cao tính chính xác của định hướng đối với tín
hiệu trong dải sóng dài. Vào năm 1917, Adcock đã nhận ra rằng bằng cách sử dụng ăng ten
tuyến tính phân cực đứng (ăng-ten cần hoặc lưỡng cực) có thể tạo được giản đồ ăng ten tương
tự với các ăng ten vòng mà không bị bất kỳ ảnh hưởng nào từ thành phần trường phân cực
ngang. Tuy nhiên, năm 1972 G. Eckard đã chứng minh rằng điều này không đúng trong mọi
trường hợp. Mãi cho đến năm 1931 ăng-ten Adcock mới lần đầu tiên được sử dụng ở Anh và
Đức.
Vào những năm 1925-1926, Watson-Watt đã xây dựng hệ thống vô tuyến tìm phương
điện tử trực quan phát triển từ hệ thống dùng máy đo góc theo kiểu cơ khí. Năm 1931, xuất


9
hiện các máy định hướng được ngụy trang sử dụng trên xe cũng như máy định hướng có thể
mang vác được để phát hiện lính do thám chiến trường. Kể từ năm 1943, tàu hải quân Anh
được trang bị hệ thống vô tuyến tìm phương Watson-Watt 3 kênh với các vòng tương hỗ cho
phạm vi sóng ngắn (“huf-duff” để phát hiện các tàu ngầm của Đức).
Đến năm 1941, hệ thống vô tuyến tìm phương sóng ngắn đã được xây dựng dựa trên
nguyên lý Doppler. Vào thời điểm này với sự phát triển nhanh chóng về kỹ thuật xây dựng
các đài radar, các nhà khoa học ở Anh đã tập trung phát triển mở rộng dải tần hoạt động của
các hệ thống vô tuyến tìm phương đó. Năm 1943, hệ thống vô tuyến tìm phương đầu tiên
dùng để “Phát hiện và quan sát radar” ở dải tần khoảng 3.000 MHz đã được đưa vào sử dụng.
Đến năm 1943, thiết bị định hướng sử dụng dãy ăng ten được bố trí theo hình tròn có độ

mở lớn (còn được gọi là phương pháp định lý Wullenweber) được xây dựng để định hướng từ
xa. Từ những năm 1950, sân bay trên toàn thế giới đã được trang bị hệ thống vô tuyến tìm
phương Doppler VHF/ UHF Doppler để kiểm soát không lưu.
Đầu những năm 1970, công nghệ kỹ thuật số được áp dụng vào định hướng và định vị
sóng radio; tạo tín hiệu hướng và điều khiển số từ xa là những sản phẩm từ sự phát triển đó.
Kể từ năm 1980, xử lý tín hiệu số đã được sử dụng ngày càng nhiều trong các hệ thống vô
tuyến tìm phương. Nó cho phép hiện thực hóa các thiết bị định hướng giao thoa và hướng tới
việc thực hiện định hướng đa sóng (siêu phân giải). Mặc dù việc nghiên cứu về lý thuyết đã
được thực hiện trước đó rất nhiều.
Một yếu tố quan trọng khác thúc đẩy sự phát triển xa hơn của các thiết bị định hướng là
yêu cầu định hướng các phát xạ biến đổi được tần số như nhảy tần và trải phổ tín hiệu. Từ
những yêu cầu đó, các hệ thống thiết bị định hướng băng thông rộng, có khả năng đồng thời
thực hiện dò tìm và định hướng dựa trên chuỗi các bộ lọc số (và sử dụng biến đổi Fourier
nhanh (FFT)) đã được nghiên cứu phát triển [100, 106].
Với sự phát triển rất nhanh về công nghệ Điện tử Viễn thông cho phép chúng ta có thể
ước lượng pha và biên độ của tín hiệu tới một cách chính xác với tốc độ xử lý cao, cùng với
đó là các yêu cầu ngày một cao và khắt khe hơn về khả năng định hướng đa sóng, độ chính
xác và độ phân giải siêu cao trong xác định hướng sóng tới. Một trong những phương pháp
đầu tiên nhằm xác định tham số hướng đến của tín hiệu sử dụng dàn ăng ten nhiều phần tử là
phương pháp hay kỹ thuật định dạng búp sóng (Beamforming) [11]. Trong kỹ thuật định dạng
búp sóng, người ta sử dụng một bộ xử lý được gọi là “Bộ tạo định dạng búp sóng”
(Beamformer) cùng với một tập hợp các cảm biến (hoặc các phần tử ăng ten trong dàn ăng ten
nhiều phần tử) để nhận tín hiệu phát ra từ một nguồn bức xạ cụ thể nào đó và làm suy giảm
các tín hiệu đến từ các nguồn khác. Mô hình bộ tạo định dạng búp sóng đầu tiên được ra đời
với tên gọi “Trọng số - Trễ - Tổng” (Weight – Delay – Sum Beamformer). Với bộ tạo định
dạng búp sóng kiểu này, đầu ra của các cảm biến được đánh trọng số và làm trễ theo một cảm
biến tham chiếu để đưa các thành phần tín hiệu từ một vài hướng đích về thẳng hàng và sau


10

đó lấy tổng. Các trọng số được lựa chọn là các hằng số đối với các hướng khác nhau. Khi tín
hiệu đến các bộ cảm biến từ cùng một nguồn, năng lượng trung bình đầu ra của bộ tạo định
dạng búp sóng sẽ đạt cực đại khi nó được định hướng đến đúng nguồn phát. Độ phân giải của
bộ tạo định dạng búp sóng đó phụ thuộc vào khẩu độ của tập hợp các cảm biến và hướng lái
theo. Tuy nhiên, phương pháp này hoạt động không hiệu quả trong trường hợp có nhiều
nguồn tín hiệu tới.
Trong điều kiện bị tác động bởi nhiễu và tạp âm cũng như trong trường hợp có nhiều
nguồn tín hiệu tới, để có thể sử dụng được các bộ tạo định dạng búp sóng, người ta phải sử
dụng phương pháp đánh hệ số thích ứng. Năm 1967, Burg đề xuất phương pháp ước lượng
phổ với Entropy cực đại (Maximum Entropy Method – MEM) [15] dựa trên hoạt động của
một bộ lọc dự đoán tuyến tính. Hệ số đầu tiên của bộ lọc được khởi tạo duy nhất, các hệ số
còn lại được lựa chọn nhằm làm cực tiểu công suất nhiễu đầu ra của dàn ăng ten. Một phương
pháp đánh hệ số tương ứng rất nổi tiếng khác được đề xuất bởi Capon trong [17] với tên gọi
“Phương pháp đáp ứng không méo phương sai cực tiểu” (Minimum Variance Distortion
Response – MVDR). Ý tưởng cơ bản của Capon là chọn trọng số để làm cực tiểu công suất
của nhiễu và tín hiệu từ các nguồn khác với hướng quan tâm. Việc xác định hướng sóng tới
dựa trên phương pháp của Capon có độ phân giải tốt hơn nhiều so với phương pháp của
Bartllet. Tuy nhiên phương pháp này sẽ cho kết quả không chính xác trong trường hợp các tín
hiệu tới là các tín hiệu tương quan. Các ưu nhược điểm của phương pháp Capon được phân
tích trong [35]. Ngoài ra, đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu mở rộng phương pháp của
Capon đã được đề xuất như bởi Borgiottia và Kaplan trong [14] hay của Gabriel trong [31].
Trong bài toán xác định hướng sóng tới, mặc dù cả phương pháp Capon và Brug đều
hoạt động tốt và được sử dụng rộng rãi, chúng vẫn có những hạn chế vì chúng không có một
mô hình dữ liệu hiệu quả. Sự ra đời và phát triển của các phương pháp phân tách không gian
con, dựa trên các trị riêng của ma trận hiệp phương sai của tín hiệu nhận được là một đóng
góp quan trọng cho việc ước lượng các tham số của tín hiệu. Pisarenko đã ứng dụng thành
công phương pháp này khi phục hồi lại được các thành phần tín hiệu từ một phần của ma trận
hiệp phương sai của tín hiệu [76]. Ý tưởng của Pisarenko có thể được áp dụng vào việc xác
định hướng góc tới cho tín hiệu khi sử dụng dàn ăng ten đồng dạng tuyến tính ULA. Vào đầu
những năm 1980, Schmidt đã đề xuất một thuật toán rất mạnh có tên là MUSIC [88]. Thuật

toán MUSIC ra đời có ý nghĩa như một cuộc cách mạng đối với vấn đề ước lượng các tham số
của tín hiệu trong đó có tham số hướng sóng tới. Một trong những đóng góp quan trọng của
thuật toán MUSIC là ước lượng được các tham số của tín hiệu theo hướng hình học. Đối với
phương pháp này, không gian tín hiệu được ước lượng bằng các giá trị riêng của ma trận hiệp
phương sai. Để thực hiện điều đó, chúng ta phải xây dựng bản sao mảng tín hiệu thu “Array
manifold” bằng cách kiểm tra tất cả các trường hợp có thể xảy ra của đáp ứng mảng pha so
với tín hiệu đơn. Với những thiết kế dàn ăng ten phù hợp, không gian tham số của tín hiệu
liên hệ chính xác với “Array manifold”, vì thế tham số của tín hiệu có thể được xác định


11
chính xác bằng cách tìm vùng gần nhất giữa không gian tín hiệu con và “Array manifold”
theo một vài ngưỡng chuẩn nào đó. Ví dụ như chuẩn bình phương tối thiểu “Least Squares –
LS” chọn mô hình mà làm cho tổng bình phương sai số giữa dữ liệu và mô hình là nhỏ nhất,
hay chuẩn khả năng lớn nhất “Maximum Likelihood – ML” chọn véc tơ tham số có liên quan
đến những đo đạc giống nhất. Trong thuật toán MUSIC ban đầu được đề xuất, người ta sử
dụng quá trình tìm kiếm một chiều cho các tham số nên giảm được tải tính toán trong khi cho
những kết quả phân cực khi ước lượng với số mẫu giới hạn. Ngoài ra có rất nhiều kỹ thuật đã
được áp dụng để cải tiến thuật toán MUSIC.

1.3. Mô hình tín hiệu trong xác định hướng sóng tới
Như trên đã phân tích, các hệ thống vô tuyến tìm phương dựa trên tín hiệu thu được từ
các dàn ăng ten nhiều phần tử, sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu để tìm ra thông tin về
hướng sóng tới. Chính vì vậy, việc nghiên cứu mô hình tín hiệu sóng tới cũng như đặc điểm
tính chất các hệ dàn ăng ten khác nhau là một yêu cầu cơ bản nhất đối với bài toán thiết kế hệ
thống vô tuyến tìm phương.
Trong lĩnh vực vô tuyến điện, các tín hiệu sóng điện từ được phát đi lan truyền trong
không gian và được thu nhận bởi các hệ ăng ten. Các tín hiệu sóng điện từ lan truyền đều có
băng thông nhất định. Dựa vào các phân đoạn băng thông là tỷ số giữa băng thông trên tần
số trung tâm người ta có thể chia tín hiệu ra làm hai loại là tín hiệu băng hẹp và tín hiệu băng

rộng. Trong [91, 109], xét một dàn ăng ten có
ra

tại phần tử thứ

phần tử với một tín hiệu tới dàn, tín hiệu đầu

được định nghĩa là
( )=ℎ ( )∗ ( −

trong đó ℎ ( ) là đáp ứng xung của phần tử thứ
trễ tín hiệu tại phần tử ăng ten thứ

còn

)+

( )

, (∗) biểu thị cho phép tích chập,

(1.1)
là độ

là thành phần nhiễu trắng. Thông thường thành

phần nhiễu
được coi là không tương quan với tín hiệu trong tất cả các miền. Nếu thành
phần nhiễu khác nhiễu trắng nhưng trong trường hợp chúng ta biết thành phần hiệp phương
sai thì cũng có thể coi đó là nhiễu trắng. Tín hiệu sóng điện từ ( ) thông thường là tín hiệu

điều chế từ tín hiệu băng cơ sở. Nếu tín hiệu ( ) là tín hiệu thực, thì mật độ phổ công suất
của tín hiệu đó sẽ đối xứng xung quanh gốc tọa độ như biểu diễn trong Hình 1.2.

Hình 1.2. Phổ năng lượng của tín hiệu băng thông dải