Tóm tắt luận án tiến sĩ nâng cao chất lượng xác định hướng sóng tới cho hệ thống vô tuyến tìm phương sử dụng dàn ăng ten

1

MỞ ĐẦU
1. Vai trò hệ thống vô tuyến tìm phương trong lĩnh vực điện tử viễn thông.
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. 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
anten 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. 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
Vấn đề nghiên cứu các kỹ thuật xử lý tín hiệu, các thuật toán với độ phân giải cao trong
ước lượng 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.
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
trung bình do đó 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 ước lượng 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 không phù hợp trong việc triển
khai trên các thiết bị di động. Chính vì vậy, việc nghiên cứu các phương pháp nhằm tăng hiệu
năng hoạt động, giảm nhỏ kích thước cho các hệ thống đa kênh là cấp thiết.
Ngoài ra, việc 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 tuy nhiên kết quả còn chưa được như mong muốn. Chính vì vậy, việc
tiếp tục phát triển nghiên cứu các kỹ thuật ước lượng 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
ước lượng 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 ước lượng hướng sóng tới với số
lượng nhỏ số lượng mẫu tín hiệu áp dụng cho hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh.
 Nghiên cứu các kỹ thuật xử lý tín hiệu đa đường trong môi trường có tính tương quan
và các tín hiệu băng thông rộng.
Đối tượng nghiên cứu:
 Hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh và đa kênh.


2



Các mô hình anten mảng thường sử dụng trong các hệ thống vô tuyến tìm phương
Các kỹ thuật ước lượng 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. Chương 1 giới thiệu sơ lược về các hệ thống vô
tuyến tìm phương, các phương pháp phân loại hệ thống cũng như các kỹ thuật ước lượng
hướng sóng tới. Chương 2 trình bày đề xuất kỹ thuật cải tiến mới nhằm làm giảm độ phức tạp
tính toán cho phương pháp dựa trên vòng khóa pha nhằm xác định hướng sóng tới của các tín
hiệu băng hẹp sử dụng hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh. Chương 3 sẽ tập trung phân

tích đề xuất áp dụng thuật toán Total Forward Backward Matrix Pencil (TFBMP) trong ước
lượng hướng sóng tới của các tín hiệu băng hẹp với hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh sử
dụng dàn anten đồng dạng tuyến tính (ULA) và dàn anten 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.
Chương 04 kế thừa và phát triển các kết quả nghiên cứu của chương 3 trong việc phân tách
các tín hiệu đa đường và ước lượng hướng sóng tới của tín hiệu băng rộng được thu bởi dàn
anten ULA.

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 thông thường 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
o Hệ thống vô tuyến tìm phương xử lý Pha tín hiệu
o Hệ thống vô tuyến tìm phương kết hợp Biên độ – Pha
- Phân loại dựa vào kiến trúc hệ thống:
o Hệ thống vô tuyến tìm phương với kiến trúc đa kênh
o Hệ thống vô tuyến tìm phương kiến trúc đơn kênh
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 anten: Hiệu năng hoạt động của các hệ thống thông tin viễn thông
đa anten 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 anten.
Cải tiến các phương pháp xử lý tín hiệu áp dụng cho máy thu SDR: Việc nghiên cứu, phát
triển các thuật toán ước lượng hướng sóng tới nhằm nâng cao độ chính xác, độ phân giải cũng
như giảm độ phức tạp của thuật toán có vai trò rất quan trọng đặc biệt trong các hệ thống thời
gian thực. Đây chính là vấn đề xuyên suốt mà luận án sẽ tập trung nghiên cứu.

1.2. Tổng quan các kỹ thuật ước lượng hướng sóng tới


3
Thông thường, các hệ thống vô tuyến tìm phương thường sử dụng các dàn anten nhiều
phần tử để thu tín hiệu từ đó tìm ra hướng tới của các tín hiệu đó bằng các kỹ thuật ước lượng
hướng sóng tới. Các phương pháp ước lượng hướng sóng tới đã được các nhà khoa học
nghiên cứu và phát triển từ những năm cuối thế kỷ 19. Các kỹ thuật điển hình áp dụng cho các
hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh như kỹ thuật Wattson – Watt, Doppler hay giả
Doppler sử dụng dàn anten Adcock hoặc dàn anten UCA. Đối với các hệ thống vô tuyến tìm
phương đa kênh, có rất nhiều các phương pháp ước lượng hướng sóng tới đã được phát triển
bao gồm các phương pháp dựa trên bộ tạo định dạng búp sóng như Barllett, Capon, các
phương pháp phân chia không gian con như MUSIC, ESPRIT…
1.3. Mô hình tín hiệu trong ước lượng hướng sóng tới
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. Xét một dàn
anten có phần tử với một tín hiệu tới dàn, tín hiệu đầu ra
tại phần tử thứ được định
nghĩa là
( )=ℎ ( )∗ ( −

)+

( )

(1.1)

trong đó ℎ ( ) là đáp ứng xung của phần tử thứ , (∗) biểu thị cho phép tích chập,
là độ
trễ tín hiệu tại phần tử anten thứ còn

là thành phần nhiễu trắng. Giả sử
( ) là tín hiệu
giải điều chế của tín hiệu ( ) khi đó ta có
( )=

( )

(1.3)

Mô hình tổng quát cho cả tín hiệu băng hẹp và tín hiệu băng rộng được biểu diễn như
phương trình sau.

( )≈
=

(
(

) ( )
) ( )

(
(

)
/

+
)

+

( +
( +

)

(1.6)

)

1.3.1. Khái quát về tín hiệu băng hẹp
Căn cứ vào phương trình (1.6), nếu như tín hiệu có băng thông
đó chúng ta có tín hiệu băng hẹp được biểu diễn như sau
( )=
( ) ( )
+
( +

= 2∆

)

và

∆

≪ 1, khi
(1.7)

1.3.2. Khái quát về tín hiệu băng rộng
Đối với các tín hiệu như được mô tả trong phương (1.6) có băng thông ∆
∆

không quá bé so với 1 (Băng thông ∆

lớn, với tỷ số

có thể so sánh được với thành phần tần số sóng

mang ) thì tín hiệu ( ) được coi là tín hiệu băng rộng và không thể xấp xỉ hóa như phương
trình (1.7). Nói một cách khác thì các thành phần số mũ của phương trình (1.6) không phải là
một hằng số và tín hiệu ra của các phần tử anten sẽ không biểu diễn được dưới dạng véc tơ
của các tín hiệu băng
1.4. Tổng quan một số dàn anten nhiều phần tử sử dụng trong ước lượng
hướng sóng tới.
1.4.1. Các đặc trưng cơ bản của dàn anten
1.4.1.1. Đặc trưng biên độ của dàn anten.


4
Đặc trưng biên độ củaa dàn anten xác định sự phụ thuộc của biên độộ cường độ trường của
anten tại các điểm nằm trong vùng xa và cách đều anten vào hướng quan sát.
1.4.1.2. Đặc
c trưng pha của
c dàn anten.
Đặc trưng pha của dàn anten là mặt hình học
ọc tạo bởi các điểm trong trường vùng xa mà
tại đó véctơ cường độ trường
ờng có cùng

c
một giá trị về pha.
1.4.1.3. Đặc
c trưng phân cực
c
của dàn anten.
Đặc trưng phân cựcc của
c dàn anten là hướng dao động củaa véc tơ cư
cường độ trường theo
thời gian.
1.4.2. Mô hình tín hiệu
u thu của
c
một số dàn anten hay sử dụ
dụng trong kỹ thuật
ước lượng hướng
ng sóng tới.
t
1.4.2.1. Mô hình tín hiệu
hi thu với dàn anten đồng nhất tuyến
n tính ULA
Dàn anten đồng nhấtt tuyến
tuy tính ULA có thể được mô tả như là tậập hợp gồm phần tử
anten đẳng hướng được sắpp xếp
x trên các đường thẳng
ng song song cách đđều nhau một khoảng
cách trong không gian như mô tả
t trong Hình 1.6.

Hình 1.6. Dàn anten ULA trong hệ tọa độ Đề các

Với K nguồnn phát sóng vô tuyến
tuy đặt rất xa dàn anten, dạng tín hiệu liên tục theo thời gian
nhận được tại mỗi phần tử anten với các góc tới nằm trong mặt phẳng
ng phương vvị là:
(1.33)
( )=∑
( )
+ ( )
Trong đó,
là thành phần
ph nhiễu can thiệp vào tín hiệu. Tín hiệuu này sau đó có th
thể được
lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫuu tại mỗi khoảng thời gian rời rạc là
như sau:

(

)=∑

(

)

+

(

)

(1.34)

Tín hiệu thu đượcc khi biểu
bi diễn theo phương trình (1.34) có thể coi là ddữ liệu tín hiệu
nhận được với nhiều mẫuu tín hiệu.
hi
Mỗi một mẫu tín hiệuu (snapshot) đư
được định nghĩa là một
mẫu dữ liệu thu được và có thể
th được đơn giản hóa như sau:

=∑

+

(1.35)

1.4.2.2. Mô hình tín hiệu
hi thu với dàn anten đồng dạng tròn đ
đều UCA
Dàn anten đồng dạng tròn đều (Uniform Circular Antenna – UCA)) là dàn anten bao gồm
phần tử anten sắp xếpp trên một
m đường tròn bán kính như mô tả trong hình 1.8. Xét tới sự
ảnh hưởng của nhiễu đốii với
v tín hiệu thu được, với các nguồn tín hiệuu nnằm ở trường vùng xa
của dàn anten, tín hiệu nhậnn được
đư tại mỗi phần tử anten của dàn UCA sẽẽ là:
( )= ( )

+

( )

(1.43)


5

Hình 1.8. Mô hình dàn anten UCA trong hệ tọa độ Đề Các

Mẫu rời rạc củaa tín hiệu
hi thu được tại phần tử anten thứ với tín hi
hiệu tiếp cận đến mảng
từ các hướng trong mặt phẳẳng phương vị với các góc tới lần lượt là , , … . , , là
=∑

(

)

+

(1.2)

1.5.Các thông số ảnh
nh hưởng
hư
và điều kiện đặt ra trong bài toán ư
ước
lượng hướng

ng sóng tới.
t
1.5.1. Các yếu tố ảnh
nh hưởng
hư
tới độ chính xác trong việc
c ư
ước lượng hướng
sóng tới
- Số lượng phần tử anten trong dàn
- Khoảng cách giữaa các phần
ph tử anten –
- Số lượng mẫuu tín hiệu
hi
- Tỷ số tín hiệu trên tạạp âm (SNR)
- Tính tương quan giữ
ữa các tín hiệu
1.5.2. Điều kiện
n ràng buộc
bu ban đầu trong bài toán ước lượng
ợng hư
hướng sóng tới
của luận án
- Số lượng tín hiệu tớ
ới dàn anten là biết trước
- Môi trường truyềnn dẫn
d đồng nhất, đẳng hướng và tuyến tính
- Nguồn tín hiệu tớii nằm
n trong trường vùng xa của dàn anten
- Các tín hiệu bị ảnh

nh hưởng
hư
bởi nhiễu trắng
1.5.3. Phương pháp đánh giá kết
k quả các nội dung đề xuất

CHƯƠNG 2
XÁC ĐỊNH HƯỚNG
NG SÓNG TỚI
T CỦA TÍN HIỆU
U BĂNG H
HẸP SỬ DỤNG
HỆ THỐNG
NG VÔ TUYẾN
TUY
TÌM PHƯƠNG ĐƠN KÊNH
2.1.Giới thiệu chung về
ề hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh

Hình 2.1. Sơ đồ
đ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh

Hệ thống vô tuyếnn tìm phương
ph
kiến trúc đơn kênh là hệ thống
ng vô tuyến tìm phương sử
dụng dàn anten nhiều phầnn tử,
t các phần tử được kết nối tới cùng mộtt máy thu qua thông qua
một chuyển mạch cao tần với
v sơ đồ khối được mô tả như hình 2.1. Các thu

thuật toán điển hình


6
được ứng dụng với hệ thống
ng thu loại
lo này có thể kể đến như thuậtt toán Watson – Watt, thuật
toán giả Doppler (Pseudo – Doppler) và kỹ thuật ước lượng hướng
ng sóng ttới dựa trên vòng
khóa pha– PLL.
Ưu điểm của hệ thống
ng vô tuyến
tuy tìm phương đơn kênh đó là kiếnn trúc máy thu đơn gi
giản,
nhỏ gọn, tiết kiệm về giá thành cũng
c
như công suất tiêu thụ. Kiếnn trúc này phù hhợp với việc
triển khai trong các thiết bịị di động nhưng có độ chính xác kém hơn so vvới hệ thống đa kênh,
thuật toán xử lý khá phứcc tạp
t cũng như yêu cầu về độ ổn định hệ thống,
ng, ttốc độ cao đối với bộ
chuyển mạch cao tần đặcc biệt
bi trong các ứng dụng thời gian thực.
2.2. Một số thuậtt toán điển
đi
hình áp dụng cho hệ thống
ng vô tuy
tuyến tìm phương
đơn kênh
2.2.1. Kỹ thuậtt Wattson – Watt

2.2.2. Kỹ thuậtt Doppler và giả
gi Doppler
2.3. Kỹ thuật xác định hướng
hư
sóng tới dựa
a trên vòng khóa pha
2.3.1. Kiến trúc hệ thống
ng

Hình 2.5. Sơ đồ khối
kh hệ thống vô tuyến tìm phương dựaa trên phương pháp PLL.

Hệ thống vô tuyếnn tìm phương
ph
đơn kênh áp dụng phương pháp PLL – DOA. Hệ thống
này bao gồm một dàn anten UCA có M phần tử kết nối tới một bộ chuy
chuyển mạch sang 1 và
một máy thu được định
nh nghĩa
ngh bằng phần mềm. Tín hiệu thu được từ các ph
phần tử anten được
rời rạc hóa rồi đưa đến bộộ vòng khóa pha nhằm xác định pha củaa tín hi
hiệu tại mỗi phần tử
anten. Dữ liệu về pha củaa các tín hiệu
hi thu được tại các phần tử anten sau đó đư
được đưa tới khối
xác định DOA để tìm ra thông tin về
v hướng sóng tới.
2.3.2. Mô tả phương pháp PLL – DOA truyền thống
Như đãã phân tích trong chương

ch
1, tín hiệu đầu ra không nhiễu trên m
mỗi phần tử anten sẽ
có đường bao phức đượcc biểu
bi diễn như sau:

(2.28)
( )= ( )
= ( )
Trong đó: ( ):: là tín hiệu
hi tin tức;
: độ tăng ích của anten thứ m
m; : là góc tới của tín
hiệu;
: Thành phần dịch
ch pha ngẫu
ng nhiên do đường truyền : số phầần tử anten,
= 0÷
− 1. Trong trường hợpp tín hiệu
hi không có điều chế pha, căn cứ vào phương tr
trình (2.28), về
mặt lý thuyết chúng ta thấyy rằng
r
pha của tín hiệu nhận được tại phần tử
ử anten thứ chính là
đầu ra của bộ PLL thứ tương ứng:
=

cos

−

+

Dựa vào phương trình
ình (2.29), chúng ta có thể dễ dàng xác định
nh đư
được góc tới
hiệu theo công thức:
=
Với Λ =

, trong trườ
ờng hợp

−
= thì Λ = .

(2.29)
của tín

(2.30)


7

Hình 2.8. Pha tín hiệu tới dàn anten

Tuy nhiên, trong thực tế
là thành phần pha ngẫu nhiên do đó chúng ta không thể biết

trước. Do đó, không thể tính được từ công thức (2.30). Mặt khác, trong trường hợp tín hiệu
được điều chế, pha của tín hiệu sẽ bị biến đổi theo quy luật điều chế. Hơn nữa, một đặc điểm
cần lưu ý đối với đặc tính của vòng khóa pha đó là vòng khóa pha sẽ khống chế pha đầu ra
của tín hiệu bị khóa nằm trong khoảng (− ÷ ). Hình 2.8 biểu diễn các đường pha của tín
hiệu thu được tại dàn anten 8 phần tử.
Như vậy, theo các phân tích ở trên, pha của tín hiệu nhận được tại phần tử anten thứ có
thể biểu diễn lại như sau:

=

(

−

)+

(2.31)

+

Với
= 0 ÷ − 1 ; = 0, ±1, ±2; Rõ ràng, với thành phần pha của tín hiệu nhận
được như mô tả trong phương trình (2.31) chúng ta không thể ước lượng ngay được hướng tới
= của tín hiệu từ các giá trị pha đầu ra của các bộ PLL. Để làm điều đó chúng ta cần
phải xác định được
cũng như chuỗi
tương ứng. Thành phần
là ngẫu nhiên, không
xác định được. Còn đối với chuỗi
, giả sử trong trường hợp đã biết , chúng ta phải tạo ra

bộ cơ sở dữ liệu về pha bao gồm tất cả các giá trị có thể có của chuỗi
ứng với mỗi giá trị
cho trước. Từ đó ta đem so sánh chuỗi giá trị pha đầu ra của các bộ vòng khóa pha với cơ sở
dữ liệu vừa tạo lập (không gian tìm kiếm) và lựa chọn được chuỗi phù hợp nhất bằng
phương pháp bình phương tối thiểu. Do đó với một giá trị của chúng ta phải tạo ra trong
trường hợp này 5 chuỗi giá trị của . Kết hợp với số lượng xét đến (giả sử là 1 giá trị),
thì bộ dữ liệu tạo ra là rất lớn, khối lượng phép tính rất nhiều sẽ khiến tốc độ tính toán chậm
gây khó khăn trong việc triển khai các ứng dụng thời gian thực.
Để ước lượng được DOA, phương pháp PLL – DOA truyền thống đề xuất đặt ra các điều
kiện biên cho bài toán, từ đó giảm thiểu được không gian tìm kiếm và tăng tính khả thi của
giải thuật.
Trước tiên, phương pháp PLL – DOA truyền thống tiến hành loại bỏ thành phần sai pha
đường truyền
đơn giản bằng cách xác định sai khác của các pha đầu ra (hiệu pha) của tín
hiệu ở các phần tử anten liên tiếp. Trong trường hợp lý tưởng sai khác pha đầu ra ở các phần
tử ăng tên liên tiếp là:
∆

=

−

= −2Λ

( )sin (

−

+ )

(2.32)

Như vậy, thành phần sai pha đường truyền đã bị loại bỏ. Mặt khác, hiệu pha của từng cặp
phần tử anten biến đổi theo quy luật điều hòa biến thiên theo chỉ số phần tử anten ( ) với
biên độ 2Λ

như biểu diễn trong Hình 2.9.


8

Hình 2.9. Đường cong sai khác đích

Tuy nhiên, trong thực tế tín hiệu bị điều chế cũng như xét tới đặc tính khống chế pha của
các bộ PLL, sai khác pha đầu ra được tính toán bởi các bộ PLL của các phần tử anten liên tiếp
là:
∆

=

−

= −2Λ

sin

−

+

+∆

(2.33)

Qũy tích các điểm biểu diễn các giá trị sai khác pha thực tế như mô tả trong phương trình
(2.33) được gọi là “Đường cong sai khác thu được”. Từ hai phương trình (2.32) và (2.33)
chúng ta có thể thấy “Đường cong sai khác đích” và “Đường cong sai khác thu được” khác
nhau một đại lượng là Δ
. Như vậy, đối với bài toán xác định
= giờ đây chỉ còn
phải xác định đại lượng Δ
hay đơn giản là chuỗi Δ . Tuy nhiên, chúng ta cũng có thể
thấy rằng dải biến thiên của Δ
lớn hơn nhiều so với dải biến thiên của
như trong
phương trình (2.31). Điều đó có nghĩa là không gian tìm kiếm bị mở rộng ra. Để giải quyết
bài toán, chúng ta cần phải đặt ra các điều kiện biên nhằm thu hẹp không gian tìm kiếm của
Δ . Để ý rằng, dựa vào phương trình (2.32), chúng ta nhận thấy tất cả các giá trị có thể có
của các điểm nằm trên “Đường cong sai khác đích” không thể lớn hơn . Đây chính là điều
kiện biên để chúng ta có thể loại bỏ tất cả các trường hợp có thể có của “Đường cong sai khác
thu được” tương ứng các giá trị Δ
ngoại trừ 2 trường hợp:
- Trường hợp 1: Giá trị của điểm nằm trên “Đường cong sai khác thu được” chính là giá trị
của điểm tương ứng trên “Đường cong sai khác đích” (Δ
= 0).
- Trường hợp 2: Giá trị của điểm nằm trên “Đường cong sai khác thu được” bằng giá trị
của điểm tương ứng trên “Đường cong sai khác đích” cộng hoặc trừ thêm (
=
1 hoặc −1.
Như vậy, tổng số các giá trị có thể có của Δ

như trên đã giảm xuống còn 2 giá trị có
thể có của Δ
tức là không gian tìm kiếm bây giờ chỉ là 2 khả năng có thể có của “Đường
cong sai khác thu được” tương ứng với mỗi giá trị xác định của . Giả sử có 1 tập 1 giá trị
của thì chúng ta sẽ tạo ra bộ dữ liệu bao gồm 1 × 2 khả năng của “Đường cong sai khác
thu được giả định”. Dựa vào dữ liệu vừa tạo được về “Đường cong sai khác thu được giả
định”, chúng ta sẽ tìm ra được một đường cong gần giống với “Đường cong sai khác thu
được” nhất qua thuật toán bình phương tối thiểu tức là sẽ xác định được chuỗi Δ
tương ứng
và loại bỏ nó khỏi phương trình (2.33). Để xác định chính xác DOA, véc tơ đánh giá DOA sẽ
được thiết lập dựa trên tính chất của biến đổi DFT. Véc tơ bao gồm các giá trị của “Đường
cong sai khác đích” sau khi đã loại bỏ chuỗi Δ
tương ứng với các giá trị của :


9
⎡ −2Asin( )sin ( − + ) ⎤
⎢
⎥
[ ] = ⎢ −2Asin( )sin ( − + ) ⎥
…
⎢
⎥
− + )⎦
⎣−2Asin( )sin (

(2.35)

Với mỗi một giá trị của ( ) tương ứng với một điểm lấy mẫu của hàm số mô tả đường
cong sai khác đích. Từ đó chúng ta tính DFT của véc tơ ( ):

M 1

F[ ] =

(2.36)

 f [ m]
m 0

Nhận thấy tất cả các giá trị của [ ] = 0 chỉ trừ trường hợp

[1] = ∁(

( −

) +

( −

))

= 1. Khi đó

(2.37)

Từ đó thông tin về góc tới DOA của tín hiệu được tính như sau:
=

( [1]) −

+
(2.38)
2
2.3.3. Mô tả phương pháp PLL – DOA cải tiến
2.3.3.1. Đánh giá hiệu năng phương pháp PLL – DOA truyền thống
Với phương pháp PLL, để xác định thông tin về DOA chúng ta cần tạo lập một cơ sở dữ
liệu các giá trị có thể có của chuỗi Δ . Số lượng khả năng trong không gian tìm kiếm là hàm
số mũ của . Để giảm thiểu số khả năng này tức giảm không gian tìm kiếm trong khi vẫn
đảm bảo độ chính xác trong ước lượng DOA, luận án đề xuất một phương pháp mới được gọi
là phương pháp PLL - DOA cải tiến.
2.3.3.2. Phương pháp PLL - DOA cải tiến
2.3.3.2.1. Trường hợp tín hiệu không điều chế
Trong trường hợp tín hiệu không điều chế pha của tín hiệu thu được tại mỗi phần tử anten
biến đổi theo quy luật điều hòa hình như mô tả trong phương trình (2.29). Tuy nhiên do ảnh
hưởng đặc tính của các bộ PLL, “Đường cong sai khác thu được” trong nhiều trường hợp sẽ
không còn là hình
như minh họa trong Hình 2.11.

Hình 2.11. Đường cong sai khác thu được từ
PLL

Hình 2.12.Đường cong sai khác thu được thứ 2 từ
PLL

Do đó để xác định được DOA theo phương pháp DFT, chúng ta cần phải khôi phục
“Đường cong sai khác đích” từ “Đường cong sai khác thu được”, tức là chúng ta cần xác định
được điểm tương ứng đã bị bộ PLL thay đổi pha. Muốn vậy, “Đường cong sai khác thu được
thứ 2” sẽ được xây dựng theo phương trình (2.39) như mô tả trên Hình 2.12. Chúng ta sẽ sử

10
dụng đường cong này để chuẩn hóa “Đường cong sai khác thu được” bằng cách tìm tất cả
những điểm pha thuộc đường cong này có giá trị lớn hơn π hoặc nhỏ hơn – π.
2
(2.1)
∆
=∆
−∆
=−
( )cos (
− + )
2.3.3.2.2. Trường hợp tín hiệu bị điều chế
Trong trường hợp tín hiệu có điều chế bài toán xác định DOA cần phải giải quyết hai vấn
đề đó là loại bỏ thành phần
và chuỗi Δ
có thể có. Tương tự như phương pháp PLL DOA truyền thống, phương pháp PLL - DOA cải tiến cũng tiến hành khôi phục “Đường cong
sai khác đích” từ “Đường cong sai khác thu được”. Với “Đường cong sai khác thu được” từ
dữ liệu pha được tính toán từ các bộ PLL, chúng ta thấy rằng với tín hiệu được điều chế
mức thì số lượng thay đổi pha có thể có của tín hiệu là (2 − 1). Giả sử sẽ có một mức sai
pha nào đó trong (2 − 1) khả năng xuất hiện tại một trong phần tử anten. Tức là ta đã giả
thiết giá trị
tại phần tử anten đó đã biết. Dựa vào giả thiết này sử dụng phương trình (2.33)
chúng ta tính ra giá trị DOA tương ứng. Giá trị DOA này được gọi là giá trị DOA giả định.
Từ giá trị DOA giả định này, áp dụng phương trình (2.32) chúng ta tính ra được “Đường cong
sai khác đích giả định”. Sau đó dựa vào “Đường cong sai khác thu được” để chúng ta tính ra
chuỗi
tạm thời đồng thời áp dụng thuật toán bình phương tối thiểu xác định sai số giữa
“Đường cong sai khác thu được” với “Đường cong sai khác thu được giả định” với chuỗi
vừa tính được. Chuỗi
nào ứng với sai số bé nhất sẽ được chọn để ước lượng DOA.

2.3.3.2.3. Phương pháp PLL - DOA cải tiến trong môi trường đa đường
Giả sử có hai tín hiệu như đã nói ở trên đến dàn anten cùng một lúc. Tín hiệu số 1và số 2
đến từ các góc , và tín hiệu đầu ra tại mỗi phần tử anten lần lượt là:
,

( ) =

(

+

(

–

) +

)

(2.40)

,

( ) =

(

+

(

–

) +

)

(2.41)

Với
là tần số sóng mang; ,
là sai pha đường truyền của hai tín hiệu; , là góc
tới DOA của hai tín hiệu đó.Tín hiệu đầu ra tại mỗi phần tử anten sẽ là tổng của 2 tín hiệu
trên. Như vậy, khi chúng ta sử dụng các bộ PLL như đã nói ở trên, pha đầu ra tại mỗi bộ PLL
sẽ là:
=

+

(

)

(

−

)

(2.49)

Từ đó chúng ta áp dụng phương pháp PLL - DOA cải tiến ước lượng ra thông tin DOA.
Tuy nhiên, giá trị về hướng sóng tới DOA ước lượng được sẽ là:

(2.53)

=
Mặt khác, dựa vào “Đường cong sai khác thu được” ta có
Δ
=
( )=
−2Λsin( )sin(
– – )

(2.54)

Vậy
’=

( )

(2.55)

Do đó ta tính được:
=

+

và

=

−

(2.56)

2.3.4. Kết quả mô phỏng đánh giá hiệu năng phương pháp PLL - DOA cải tiến


11
Phương pháp đề xuất đã xác định thành công DOA = 45 của tín hiệu BPSK có tần số
= 750
trong môi trường nhiễu trắng có SNR =10dB như kết quả mô phỏng trên
Hình 2.14.

Hình 2.14. Kết quả ước lượng hướng sóng tới DOA = 450

Khi so sánh, với phương pháp PLL – DOA truyền thống, phương pháp đề xuất đã cải
thiện đáng kể tốc độ tính toán với các kết quả mô phỏng được trình bày trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1.Bảng so sánh thời gian tính toán của hai phương pháp PLL
DOA (độ) Phương pháp PLL - DOA truyền thống
Phương pháp PLL - DOA cải tiến
(giây(s))
(giây(s))
35
0.5131
0.0134
40
0.5019
0.0131

45
0.5103
0.0129
53
0.5139
0.0134
68
0.5115
0.0129
77
0.5253
0.0132
89
0.5505
0.0130
Độ chính xác trong xác định DOA bởi phương pháp đề xuất bị ảnh hưởng bởi các tham
số như số lượng phần tử anten, số lượng mẫu tín hiệu như các kết quả mô phỏng được chỉ ra
trên Hình 2.15 và Hình 2.16.

Hình 2.15. Kết quả ước lượng DOA với số lượng
anten thay đổi

Hình 2.16. Kết quả ước lượng DOA với số
lượng mẫu thay đổi

Trong trường hợp có hiện tượng đa đường như đã phân tích ở phần trên, giả sử có 2 tín
hiệu đến dàn anten có cùng tần số và năng lượng ở hai góc lần lượt là 40 và 50 trong môi
trường nhiễu trắng có
= 10
với kết quả mô phỏng được trình bày trong Hình 2.18.

12

Hình 2.18. Kết quả ước lượng hướng tới của hai tín hiệu ở hai góc 400 và 500

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

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

Hình 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh

Hệ thống vô tuyến tìm phương có kiến trúc đa kênh là hệ thống sử dụng dàn anten 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. Sơ đồ khối của hệ thống
vô tuyến tìm phương đa kênh được mô tả như Hình 3.1. Các thuật toán được ứng dụng với hệ
thống loại này bao gồm các thuật toán có độ phân giải cao như MUSIC, ESPRIT, Correlative
Vector (CV).
Ưu điểm của hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh đó là độ chính xác cao, thuật toán xử
lý đơn giản. Tuy nhiên hệ thống kiểu này có một số nhược điểm như kiến trúc 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. Phần tiếp theo của luận án sẽ đi sâu phân tích chi tiết một số
thuật toán ước lượng hướng sóng tới ứng dụng cho hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh.
3.2. Một số thuật toán điển hình áp dụng cho hệ thống vô tuyến tìm phương đa
kênh
3.2.1. Thuật toán Véc tơ tương quan

3.2.2. Thuật toán MUSIC
3.2.3. Một số thuật toán khác
3.3. Sơ lược về thuật toán Matrix Pencil


13
3.3.1. Thuật toán Matrix Pencil
Thuật toán Matrix Pencil – MP bắt nguồn từ một định nghĩa hàm bút chì. Với hai hàm số
bất kỳ biến thiên theo tham số thời gian , nếu hai hàm này có thể được kết hợp lại bởi một
thông số vô hướng theo công thức sau:

(3.11)
( , ) = ( ) + ℎ( )
Khi đó hàm ( , ) được gọi là hàm bút chì của các hàm ( ) và ℎ( ). Hàm bút chì chứa
các đặc tính rất quan trọng trong việc đưa ra thông tin về các điểm cực của các hàm số bị kết
hợp và được ứng dụng trong việc ước lượng các tham số của các tín hiệu hàm số mũ.
3.3.2. Thuật toán TFBMP
Thuật toán TFBMP là thuật toán kế thừa và phát triển dựa trên thuật toán gốc MP. Đối
với thuật toán MP, ma trận thu được xây dựng từ các tín hiệu gốc thu được tại các phần tử
anten. Đối với thuật toán TFBMP, ma trận thu được xây dựng dựa trên các tín hiệu gốc thu
được từ các phần tử anten đồng thời kết hợp với các liên hợp phức của những tín hiệu này.
Giả thiết ta có tín hiệu được thu từ một dàn anten gồm phần tử. Ở mỗi phần tử anten thứ
tín hiệu thu được được mô tả như sau:
K

xm 

| bk |e((  j )m  j )  n

k 1

k

k

(3.42)

k

k

Đối với thuật toán TFBMP, chúng ta xây dựng hai ma trận

và

như sau:

 z z  zL2 zL 1 
Y0 fb2 M LL   0* 1 *
*
* 
 z L zL 1  z2 z1 

(3.43)

 z z  z L1 z L 
Y1 fb2 M LL   *1 2 *
*
*
 zL1 zL 2  z1 z0 
Trong đó dấu “ ∗ ” biểu thị liên hợp phức của tín hiệu,

điều kiện sau:
≤ ≤ − nếu là số chẵn
≤ ≤ − + 1 nếu là số lẻ.
và ( = 0 , … , ) được định nghĩa bởi công thức:

= [

…

(3.44)
là tham số bút chì thỏa mãn

(3.45)
(3.46)

]

Từ (3.43)0 và (3.44) ta có thể xây dựng một hàm Pencil là
−
( là một số
phức) để ước lượng hướng tín hiệu đến (DOA). Nhưng với tín hiệu bị nhiễu, cách tốt nhất là
thực hiện việc phân tích giá trị kì dị (SVD) của ma trận toàn dữ liệu. Ma trận toàn dữ liệu
được định nghĩa như sau:
 z z  z L 1 z L 
(3.47)
Y fb2 M L  L1   *0 1*
*
*
z
z


z
z
L 1
1
0
 L
Mặt khác khai triển SVD của
ta có:
(

)×(

)

=

(

)× (

)

(

)×(

) (

)×(

)

(3.50)

Trong đó “ ” là biểu diễn phép biến đổi chuyển vị liên hiệp phức của ma trận. Các ma
trận , , và được cho bởi:
=
( , , … , ), với =
(2( − ) , + 1)


14
≥
= [

,

=

≥ … ≥

,…,

) ];

(

≥ 0
= [ ,

, = 1, … , ;

(3.53)
,…,

=

= ,

)]

(

;

, = 1, … ,

=

(3.58)

là giá trị kì dị của
và các véc tơ và tương ứng là véc tơ kì dị thứ phía trái và
phía phải ứng với các giá trị kỳ dị đó. Từ những giá trị thu được, chúng ta áp dụng kỹ thuật
lọc giá trị kì dị để thu được giá trị kì dị lớn nhất của
với chính là số nguồn tín hiệu
đến dàn anten bằng cách xây dựng ma trận
như sau:
(

)×(

)

=

(

)×

×

×(

)

(3.59)

Trong đó

{ ,

=

,…,

}

(3.60)

chứa giá trị kì dị lớn nhất của , và các ma trận và được xây dựng bằng cách thiết
lập các cột chính là các véc tơ riêng tương ứng với các giá trị kỳ dị đó. Từ đó ta thiết lập hai
ma trận
và
bằng cách xóa cột thứ + 1 và cột thứ 1 của ma trận như sau:

= [

],

,

= [ ,

]

(3.61)

Tương tự như các bước đã phân tích ở trên, ta cũng thiết lập các ma trận như sau:

=

=

;

(3.62)

Từ những kết quả trên, ta xây dựng mà trận bút chì:

−

(3.64)

Và nhân phía phải của (3.64) với
riêng ta được

đồng thời thiết lập phương trình khai triển giá trị

−
Trong đó

= 0

(3.65)

là ma trận giả nghịch đảo Moore – Penrose của

= (

)

(3.66)

Thay (3.63) và (3.66) vào (3.65), ta có

(

−

Nhân hai vế theo phía phải của 0 với

(

−

)= 0

(3.67)

, ta có

)= 0

(3.68)

Như vậy, bằng việc tính giá trị riêng tổng quát từ (3.68) ta sẽ ước lượng được các giá trị
điểm cực xuất hiện trong tín hiệu .
3.4. Kỹ thuật xác định hướng sóng tới sử dụng thuật toán TFBMP
3.4.1. Xác định hướng sóng tới của tín hiệu thu được từ dàn anten ULA
3.4.1.1. Phân tích lý thuyết
Giả sử hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh sử dụng dàn anten đồng dạng tuyến tính
ULA với
phần tử. Như phân tích ở chương 1, dạng rút gọn của mô hình tín hiệu thu tại
phần tử anten thứ sẽ có dạng rời rạc theo thời gian như biểu diễn trong phương trình (1.35),
phương trình này được nhắc lại là:

=∑

+

(3.70)


15
Rõ ràng, mô hình tín hiệu biểu diễn trong phương trình (3.70) có dạng tương tự như dạng
của phương trình (3.15). Do đó, từng bước áp dụng triển khai thuật toán TFBMP cho tín hiệu
trên và dựa vào phương trình (3.68), thông số
= của tín hiệu sẽ được tìm ra theo công
thức:

=

ℑ[

Trong đó ℑ[ ( )] là thành phần ảo của
3.4.1.2. Kết quả mô phỏng và đánh giá

(

)]

(3.72)

( ).

Hình 3.9. Kết quả ước lượng DOA của 3 tín hiệu Hình 3.10. Kết quả ước lượng DOA bằng thuật toán
đến dàn anten ULA với một mẫu tín hiệu.
MUSIC của 3 tín hiệu đến dàn anten ULA với một
mẫu tín hiệu.

Thuật toán được kiểm thử với trường hợp có nhiều nguồn tín hiệu không tương quan tới
dàn anten cùng một lúc ở các góc DOA lần lượt là −20 , 40 và 65 trong môi trường nhiễu
trắng có
= 5
với chỉ một mẫu tín hiệu với kết quả mô phỏng trên Hình 3.9. Cũng
trong cùng điều kiện như vậy, thuật toán MUSIC đã không tìm ra được góc tới như kết quả
trên Hình 3.10.

Hình 3.11. Kết quả ước lượng DOA của 3 tín
hiệu tương quan ở các góc -20,40 và 65 độ với
1 mẫu tín hiệu sử dụng anten ULA.

Hình 3.12. Kết quả ước lượng 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.

Trong trường hợp các tín hiệu đến là các tín hiệu tương quan, thuật toán cũng được tiến
hành mô phỏng nhằm đánh giá hiệu năng hoạt động. Trong mô phỏng này, thuật toán đề xuất
đã xác định được hướng tới của các tín hiệu tương quan có tần số 1 GHz với cùng các góc đến
như trường hợp trước lần lượt là −20 , 40 và 65 . Trong khi đó, dù với 1000 mẫu tín hiệu
thuật toán MUSIC đã không xác định được DOA của tín hiệu. Kết quả mô phỏng như chỉ ra
trên Hình 3.11 và Hình 3.12.


16
Độ chính xác của thuật toán TFBMP trong xác định DOA cũng chịu sự tác động bởi số
lượng mẫu tín hiệu và nhiễu trong môi trường truyền dẫn. Sự ảnh hưởng này được thể hiện
trong các kết quả mô phỏng được trình bày trên các Hình 3.15 và 3.16.

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

Hình 3.16. Độ chính xác trong xác định DOA( 20, 40 và 65) với dàn ăng ten ULA khi thay đổi số
lượng mẫu tín hiệu

Thuật toán TFBMP được đánh giá là tốt hơn so với thuật toán MP. Các kết quả mô phỏng
đó đã chứng minh rằng thuật toán TFBMP có hiệu năng hoạt động tốt hơn hay nói cách khác
là đã cải thiện được hiệu năng hoạt động của thuật toán MP, đặc biệt trong môi trường bị ảnh
hưởng lớn bởi nhiễu và môi trường có tính tương quan cao.

Hình 3.17. So sánh độ chính xác giữa TFBMP Hình 3.18. So sánh độ chính xác giữa TFBMP với
với MP trong trường hợp các tín hiệu không MP trong trường hợp các tín hiệu tương quan sử
tương quan sử dụng dàn anten ULA.
dụng dàn anten ULA.

Trong điều kiện nhiễu trắng có SNR = 5dB, thuật toán có khả năng phân biệt được 2 góc
tới cách nhau 3 đối với các tín hiệu không tương quan và 5 đối với trường hợp các tín hiệu
tới tương quan lẫn nhau. So với một số thuật toán có độ phân giải cao khác như MUSIC thì
thuật toán này có độ phân giải kém hơn trong trường hợp tín hiệu không tương quan.
3.4.2. Xác định hướng sóng tới của tín hiệu thu được từ dàn anten UCA
3.4.2.1. Phân tích lý thuyết
Giả sử hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh sử dụng dàn anten UCA với phần tử để
thu tín hiệu đến trong môi trường nhiễu trắng, tín hiệu đầu ra rời rạc theo thời gian ở phần
tử anten thứ được biểu diễn như phương trình (1.2) được nhắc lại như sau:


17
−

=

2

2

−

+ 0

(3.73)

+

=1

Rõ ràng, với mô hình tín hiệu thu như trong phương trình (3.73) không có dạng
như
mô tả trong phương trình (3.15). Do đó để áp dụng được thuật toán TFBMP, tín hiệu trên sẽ
được biểu diễn lại thông qua chế độ kích thích chế độ pha hay
. Khi đó, chúng ta có

( )=∑
Với −

≤ ≤

độc lập với

lượng

≈

( )

(3.86)

; ℐ ( ) là hàm Bessel loại 1 bậc . Mặt khác, hảm Bessel tại

và luôn khác 0 với mọi mode . Do đó, ta có thể thiết lập đại lượng chuẩn

= ℐ| |

hóa

;

( ) +

ℐ| |

để nhân vào vế phải của phương trình (3.86) hay chính là nhân đại

với các mẫu dữ liệu nhận được từ dàn anten. Từ đó ta có:
̅

,

( )=

,

,

( )=

,

( )

ℐ| | (

)

=∑

( )

+

,

( )

(3.87)

Với
=
. Như vậy, với mô hình tín hiệu thu được biểu diễn lại như phương trình
(3.87) đã có dạng giống như dạng tín hiệu trong phương trình (3.15). Từ đó, luận án áp dụng

thuật toán TFBMP với sự lựa chọn giá trị
=

thỏa mãn

≤

≤

để xác định tham số

theo công thức:

= ℑ( ( ))

(3.88)

( ).
Trong đó ℑ[ ( )] là thành phần ảo của
3.4.2.2. Kết quả mô phỏng và đánh giá
Cũng tương tự như trường hợp xét với dàn anten ULA, trong trường hợp này, thuật toán
TFBMP cũng được thử nghiệm với các tình huống như sau. Trước tiên, thuật toán được kiểm
thử trong trường hợp có 3 nguồn tín hiệu tới không tương quan ở các tần số khác nhau tới dàn
anten UCA ở các góc DOA là −50 , 60 và 160 và các tín hiệu tương quan ở các góc DOA
(−30 , 0 và 110 ) trong môi trường bị ảnh hưởng bởi nhiễu trắng có
=5
với chỉ
một mẫu tín hiệu. Kết quả mô phỏng được trình bày trong Hình 3.20 và Hình 3.27.

Hình 3.20. Kết quả ước lượng DOA của các tín Hình 3.27. Ước lượng hướng sóng tới của các tín

hiệu không tương quan đến dàn anten UCA
hiệu tương quan tới dàn anten UCA

Từ Hình 3.200, ta có thể thấy rằng thuật toán TFBMP đã ước lượng thành công góc tới
của các tín hiệu được thu bởi dàn anten UCA với chỉ một mẫu tín hiệu. So với trường hợp sử


18
dụng dàn anten ULA, độ chính xác trong trường hợp này đã bị giảm xuống. Hiện tượng này là
do để ước lượng được tham số góc tới của tín hiệu đối với dàn anten UCA thuật toán phải lấy
xấp xỉ các giá trị của dữ liệu được chuẩn hóa bởi mô hình định dạng búp sóng kích thích pha.
Tuy nhiên kết quả mô phỏng cũng đã chứng minh khả năng ước lượng các góc tới lớn hơn
góc 90 của dàn anten UCA. Sự phụ thuộc của độ chính xác thuật toán vào số lượng mẫu tín
hiệu và nhiễu được minh họa bởi các kết quả mô phỏng trình bày trên các Hình 3.21 và Hình
3.25. Rõ ràng, thuật toán TFBMP đã xác định được góc tới của tín hiệu với một mẫu tín hiệu
và khi số mẫu tín hiệu lớn hơn 600 mẫu thì độ chính xác dường như không thay đổi.

Hình 3.21. Độ chính xác trong ước lượng DOA
của các tín hiệu không tương quan ở các
góc −50 , 60 và 160 đến dàn anten UCA theo
dải SNR

Hình 3.25. Độ chính xác trong ước lượng DOA
của các tín hiệu không tương quan ở các
góc −50 , 60 và 160 theo số lượng mẫu tín
hiệu

Tương tự như trong trường hợp sử dụng dàn anten ULA, độ chính xác của thuật toán đề
xuất cũng được so sánh với thuật toán MP thông thường. Trong so sánh này, cả hai thuật toán
được thực thi để ước lượng hướng sóng tới của các tín hiệu đến từ các góc −50 , 60 và

160 với các tín hiệu không tương quan và ở các góc −30 , 0 và 110 với các tín hiệu
tương quan khi sử dụng 1 mẫu tín hiệu. Kết quả mô phỏng được cho trên Hình 3.26 và Hình
3.30 đã cho thấy trong trường hợp sử dụng dàn anten UCA, thuật toán TFBMP tốt hơn so với
thuật toán MP.

Hình 3.26. So sánh độ chính xác giữa TFBMP Hình 3.30. So sánh độ chính xác giữa TFBMP
với MP trong trường hợp các tín hiệu không với MP trong trường hợp các tín hiệu không
tương quan tới dàn anten UCA.
tương quan tới dàn anten UCA

Trong mô phỏng cuối cùng, luận án đánh giá độ phân giải của thuật toán trong cả hai
trường hợp tín hiệu không tương quan và tương quan trong môi trường nhiễu trắng có
= 10 . Các kết quả mô phỏng đã cho thấy độ phân giải góc của thuật toán với dàn


19
anten UCA là 5 trong trường hợp tín hiệu không tương quan và 6 đối với tín hiệu tương
quan. Rõ ràng, độ phân giải là kém hơn các thuật toán có độ phân giải cao như thuật toán
MUSIC. Đây chính là yếu điểm của thuật toán TFBMP so với các thuật toán siêu phân giải
khác.

CHƯƠNG 4
XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CỦA CÁC TÍN HIỆU ĐA ĐƯỜNG VÀ
TÍN HIỆU BĂNG RỘNG
4.1.Xác định hướng sóng tới của các tín hiệu đa đường
4.1.1. Phân tích lý thuyết
Giả thiết hệ thống vô tuyến tìm phương sử dụng dàn anten ULA thu được
đường, tín hiệu thu được tại mỗi phần tử anten có thể được mô hình hóa như sau:
( )=∑

( )

tín hiệu đa

( , )+

(4.1)

( , ) là véc tơ
Trong đó là thời gian truyền của tín hiệu trên đường truyền thứ ;
quét thời gian – góc tới của tín hiệu đến thứ tại phần tử anten thứ . Trong các hệ thống vô
tuyến tìm phương thu tần số với bước nhảy Δ , thì véc tơ quét thời gian – góc tới sẽ phụ
thuộc vào tần số bậc . Sự phụ thuộc này được biểu diễn như sau:

Trong đó ∆

,

()=2

∆

( , )=

,

∆

+

,

()

(4.2)

( ) là sự sai pha của tín hiệu đa đường thứ

được thu bởi phần tử anten thứ m tại tần số thứ với phần tử tham chiếu ở tần số trung tâm
. Với tín hiệu tín hiệu đa đường thứ được thu bởi phần tử anten thứ tại tần số thứ (tức
=
+ ∆ ), phương trình (4.1) được biểu diễn lại như sau:
,

( )

∆

≈∑

+ =∑

(4.3)

+

( )
∆
Trong đó =
và =

. Nhằm thể hiện tính liên quan giữa thông
số góc tới và thời gian truyền sóng của tín hiệu, chúng ta xây dựng ma trận dữ liệu như sau:

=
∑
⎡
⎢∑
⎢⋮
⎢
⎣∑

( )
(

)

(

∑
∑
⋮
)
∑

∆
( )

∆
(

∆

)

( )

…∑
…∑
⋮
…∑

(

)∆

(

)∆

(

)∆

( )
(

)

(

⎤
⎥
⎥
⎥
)
⎦

+
×

(4.5)
Để triển khai phương pháp TFBMP, trước tiên chúng ta xây dựng hai ma trận
như sau:
 X m,0

 X m,1
Ym  
...

 X m, L1 1

X m,1
X m,2
...
X m, L1

X m, N  L1 

... X m, N  L1 1 
...

... 

... X m, N 1 
L1 ( N  L1 1)

và

...

(4.7)


20
 Y0
Y1

Y2
 Y
Yb   1
...
 ...
Y
Y
 L2 1 L2

... YM L2 


... YM L2 1 
...

...



(4.8)

... 
YM 1 

 L1L2 ( M  L2 1)( N  L1 1)

Trong đó
và
là các tham số bút chì để tính toán các tham số DOA và TOA tương
ứng tương ứng. Các tham số bút chì được chọn thỏa mãn điều kiện sau:

( − 1) ≥
( − 1) ≥
+ 1)( − + 1) ≥

( −

(4.9)

Tiếp theo, chúng ta thiết lập ma trận , để từ đó xác định các thông tin về hướng sóng tới
= và thời gian truyền sóng
= . Ma trận được thiết lập như sau:

=

(4.11)

∗
)(

×(

)

Đối với môi trường bị ảnh hưởng bởi nhiễu, khai triển SVD của ma trận
được:

=

chúng ta nhận

(4.12)

Trong đó “ ” biểu thi phép toán chuyển vị liên hợp, ma trận và là các ma trận Unita
còn ma trận là ma trận đường chéo được hình thành bởi giá trị kỳ dị
≥
≥⋯≥
của ma trận , với =
(2
, ( − + 1)( − + 1)). Ma trận
cũng có thể
phân tích thành hai ma trận biểu thị không gian tín hiệu
và không gian nhiễu
có khai
triển SVD là

=

+

(4.14)

Từ ma trận không gian tín hiệu
chúng ta thiết lập hai ma trận
và
bằng cách
xóa
hàng cuối và
hàng đầu tiên của ma trận
tương ứng. Tiếp theo, chúng ta thiết lập
ma trận vuông kích thước × là
với
là ma trận giả nghịch đảo Moore –
Penrose của ma trận
. Nhận thấy ma trận
có các giá trị riêng chính là các giá trị
của . Do đó bằng việc tính toán các giá trị riêng tổng quát của ma trận
chúng ta có
thể ước lượng được góc tới DOA của tín hiệu bởi công thức sau:
=

ℑ( ( ))]

sin[ −

(4.18)

Trong đó ℑ( ( )) là phần ảo của ( ).
Đối với việc ước lượng thông số thời gian truyền sóng
= , chúng ta cần phải tính
toán được giá trị của đại lượng . Để tính toán được đại lượng này, trước tiên chúng ta xây
dựng ma trận xáo trộn
=[
Ma trận

…

...

được tạo dựng từ các ma trận con

=[

]

(4.19)

được định nghĩa như sau:

…

(

)

],

(4.20)

( = 1, 2 … )
Ở đây ( ) với ( = + (2 − 1) ) là các véc tơ cột bao gồm 2
phần tử. Phần tử
thứ của véc tơ này được gán bằng 1 còn các phần tử khác được gán bằng 0. Từ ma trận ,


21
hai ma trận
trận
với

và

được lần lượt tạo ra bằng cách xóa

hàng đầu và hàng cuối của ma

=

(4.21)

Cũng tương tự như trên, nếu chúng ta coi thông số
= là độc lập với thông số
DOA, thì thông số đó cũng được tính toán bằng các khai triển các giá trị riêng của ma trận
với
là ma trận giả nghịch đảo của

.
= −

ℑ( ( ))

(4.22)

Để xác định được TOA, chúng ta thực hiện phép khai triển các giá trị riêng EVD của ma
trận
.
=
(4.23)
Với là véc tơ riêng của ma trận
trong đó bao gồm giá trị riêng của
=

, là ma trận đường chéo kích thước
. Từ đó, chúng ta thiết lập ma trận

×

(4.25)

Với cũng chính là véc tơ riêng của ma trận
. Điều này có nghĩa thứ tự các
phần tử trên đường chéo chính của ma trận sẽ tương ứng với thứ tự các phần tử nằm trên
đường chéo chính của ma trận . Vì vậy, sau khi ma trận được thiết lập, chúng ta sẽ sử
dụng các phần tử trên đường chéo chính của nó để ước lượng thông số
= .
4.1.2. Kết quả mô phỏng và đánh giá

Trong mô phỏng đầu tiên, luận án tiến hành thực thi phương pháp đề xuất nhằm ước
lượng đồng thời các tham số hướng sóng tới và thời trễ truyền sóng của các tín hiệu đa đường
có tần số = 1
với các cặp giá trị lần lượt là (0 , 15 ), (60 , 25 ) và (−60 , 20 )
trong môi trường nhiễu có
= 5 . Kết quả mô phỏng trình bày trên Hình 4.2.

Hình 4.2. Kết quả mô phỏng ước lượng đồng thời các thông số TOA và DOA của các tín hiệu đa
đường

Độ chính xác của phương pháp ở bài toán này sẽ được đánh giá theo từng thông số riêng
biệt. Việc ước lượng thông số hướng sóng tới DOA đã được luận án đánh giá trong phần
3.4.1. Do đó, trong phần này, luận án sẽ chỉ đi sâu phân tích đánh giá hiệu năng hoạt động của
thuật toán trong ước lượng thời gian truyền sóng TOA của tín hiệu. Trong mô phỏng, thuật
toán TFBMP được thực thi nhằm ước lượng thời gian trễ truyền sóng của 3 tín hiệu đa đường
lần lượt là 15, 20 và 25 . Kết quả mô phỏng được trình bày trong Hình 4.4 và Hình 4.5 đã
cho thấy thuật toán hoạt động tốt với chỉ một mẫu tín hiệu và sai số càng giảm đi khi số lượng
mẫu tăng lên.


22

Hình 4.4. Độ chính xác kết quả ước lượng thông Hình 4.5. Độ chính xác kết quả ước lượng thông
số TOA của các tín hiệu đa đường với 1 mẫu tín số TOA của các tín hiệu đa đường với số lượng
hiệu khi SNR thay đổi
mẫu tín hiệu thay đổi

4.2. Xác định hướng sóng tới của các tín hiệu băng rộng
4.2.1. Phân tích lý thuyết
Giả sử hệ thống vô tuyến tìm phương sử dụng dàn anten ULA gồm

phần tử để thu
tín hiệu băng rộng đến từ hướng khác nhau. Tín hiệu băng rộng nhận được ở phần tử anten
thứ có thể được biểu diễn như sau
( )=∑
Trong đó

( −

)+

.

là tín hiệu thứ đến dàn anten,

( )

(4.26)

là thành phần nhiễu trắng,

=

với

là khoảng cách giữa phần tử anten thứ
với điểm tham chiếu (trong trường hợp này là
gốc tọa độ) và là vận tốc truyền sóng điện từ trong không gian. Khi biểu diễn trong miền tần
số, dạng của tín hiệu sẽ là
( )=∑

( )

+

( )

(4.27)

Để có thể ước lượng được hướng tới DOA, tín hiệu băng rộng thu được ở các phần tử
anten sẽ được chia thành nhiều băng tần con ứng với các tín hiệu băng hẹp bằng cách sử dụng
các chuỗi bộ lọc dựa trên kỹ thuật DFT. Tín hiệu đầu ra của các bộ lọc được biểu diễn dưới
dạng véc tơ như sau:
(
Trong đó

)= (

, ) (

)+ (

), = 0, 1 …

(4.28)

số lượng các khoảng băng hẹp và
(
(

)=[

)=[

(
(

)
)

(
(

) …

(

) …

(

Với “ ” biểu thị cho phép chuyển vị ma trận,
( , ) là ma trận quét góc kích thước × :
(

, )=[ (

,

)

(

,

) …

Các cột của ma trận là các véc tơ quét (
băng con thứ . Véc tơ này được định nghĩa:
(
Với

−1

= 0,1, … ,

,
và

)= 1

(4.29)

)]
<

(
,

)]

,

(4.30)
<
)]

) kích thước

…

là góc tới của tín hiệu thứ .

với

= 0,1, …

− 1,

(4.31)
× 1 tại tần số

tức

(4.32)


23
Xét trong băng con thứ , nếu chúng ta đặt
hiệu băng hẹp trong khoảng đó có dạng:
(

)=∑

(

)

+

(

=
), với

với
= 1÷

= 1 ÷ , khi đó tín

−1

(4.33)

Như vậy, mô hình tín hiệu biểu diễn trong phương trình (4.33) có dạng tương tự như dạng
của phương trình (3.15). Do đó, từng bước áp dụng triển khai thuật toán TFBMP cho tín hiệu
trên với tham số bút chì được lựa chọn thỏa mãn:
≤ ≤ − , khi là số chẵn
(4.34)
≤ ≤ − + 1, khi là số lẻ
Từ đó thông tin về hướng tới của các tín hiệu trong khoảng tần số thứ dễ dàng được ước
lượng theo công thức sau:

=

[ −

2
4.2.2. Kết quả mô phỏng và đánh giá

ℑ( ( ))]

(4.35)

Trong các mô phỏng, luận án giả thiết các tín hiệu băng rộng đến từ trường vùng xa được
thu bởi dàn anten ULA 8 phần tử ở các góc −30 , 10 , 60 trong môi trường nhiễu trắng có
= 10 .. Các tín hiệu này nằm trong dải băng tần cao có tần số nằm trong dải
[ ÷ ] với f = 5.944 GHz và f = 10.234 GHz theo tiêu chuẩn IEEE 802.15.4a. Theo
chuẩn đó, các tín hiệu băng rộng được chia làm 11 băng tần con. Kết quả mô phỏng thuật toán
trong tất cả các băng con tín hiệu được lưu trong Bảng 4.2.
Bảng 4.2. Kết quả xác định DOA trong các băng tần con (độ)
Băng 1 Băng 2 Băng 3 Băng 4 Băng 5 Băng 6

Băng 7

Băng 8 Băng 9 Băng 10 Băng 11

9.5654 10.0934 9.9694 10.2815 10.3843 9.9177

10.0482 10.0652 10.0508

9.7124

10.2549

-29.7125 -30.2876 -29.7376 -30.3322 -30.001 -29.9195 -29.4940 -29.8096 -30.1135 -29.8361 -29.8824
59.8501 60.5859 58.9656 60.4346 60.1384 60.1657

60.6740 59.9616 60.0500 60.1861

59.8616

Tiếp theo, luận án tiến hành thực thi mô phỏng thuật toán trong môi trường nhiễu trắng
có tỷ số SNR thay đổi trong khoảng từ −10 đến 20
và mô phỏng trong điều kiện thay đổi
số lượng mẫu tín hiệu với
= 10 . Các kết quả mô phỏng được minh họa trên Hình 4.7
và Hình 4.8.

Hình 4.7. Độ chính xác ước lượng DOA của các Hình 4.8. Độ chính xác ước lượng DOA của các
tín hiệu băng rộng theo SNR
tín hiệu băng rộng theo số lương mẫu tín hiệu


24

KẾT LUẬN
Đóng góp khoa học của luận án
Nội dung của luận án đã tập trung nghiên cứu các phương pháp xác định hướng sóng tới
áp dụng cho các hệ thống vô tuyến tìm phương tiên tiến. Các vấn đề được luận án tập trung
nghiên cứu là độ phức tạp của thuật toán, số mẫu tín hiệu thu và khắc phục ảnh hưởng của
tính tương quan giữa các tín hiệu. Luận án đã đạt được một số kết quả nghiên cứu mới như
sau:

1. Đối với hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh:
 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 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. Đối với hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh:
 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.
 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.
Các kết quả nghiên cứu đã đạt được này của luận án sẽ góp phần vào nhóm giải pháp kỹ
thuật để cải thiện hiệu năng hoạt động của các hệ thống vô tuyến tìm phương tiên tiến. Điều
này có thể mở ra nhiều ứng dụng hơn nữa trong đời sống kinh tế xã hội, an ninh quốc phòng.
Hướng phát triển của luận án
Hiện nay, các kết quả đạt được của luận án mới chỉ là các mô phỏng trên máy tính. Để
tiếp tục nghiên cứu, phát triển những kết quả đã đạt được, mở rộng phạm vi nghiên cứu và
ứng dụng thực tế, trong thời gian tới hướng nghiên cứu tiếp theo của Luận án được đề xuất
như sau:
-

Nghiên cứu phát triển các giải pháp xác định số lượng tín hiệu tới dàn ăng ten.

-

Nghiên cứu ảnh hưởng và các phương pháp xử lý trong trường hợp bị ảnh hưởng bởi
nhiễu màu.

-

Nghiên cứu phương pháp khắc phục các vấn đề tồn tại như hiện tượng Jitter… đối với
các hệ thống máy thu dựa trên công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm.

-

Triển khai chế tạo thử nghiệm các thiết bị để đo thử, áp dụng giải pháp xác định
hướng sóng tới của tín hiệu đã đề xuất.