ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP bài toán ước lượng hướng sóng tới (DOA) sử dụng thuật toán MUSIC

LỜI NÓI ĐẦU
Bài toán ước lượng hướng sóng tới (DOA) trong xử lý tín hiệu mảng là một
trong những lĩnh vực nghiên cứu quan trọng và được quan tâm hiện nay. Việc giải
quyết tốt bài toán này có vai trò quyết định hiệu suất làm việc của các hệ thống
anten thông minh. Ước tính DOA có các ứng dụng quan trọng trong radar, sonar, đo
địa chấn, động đất, thiên văn học, y sinh học và truyền thông.
Đồ án này giới thiệu tổng quan về bài toán ước lượng hướng sóng tới và áp
dụng thuật toán MUSIC để giải quyết bài toán này. Thuật toán này là một phương
pháp tìm kiếm đỉnh để ước tính góc tới. Đồ án thực hiện mô phỏng sự tác động của
các yếu tố về cấu trúc hệ thống và nhiễu đến kết quả của quá trình ước lượng của
thuật toán MUSIC. Kết quả mô phỏng chỉ ra sự ảnh hưởng của các yêu tố khoảng
cách giữa các anten phần tử, số lượng anten phần tử và nhiễu lên tính chính xác và
độ phân giải của thuật toán MUSIC.
Để hoàn thành Đồ án Tốt nghiêp này, em xin chân thành cảm ơn tới các thầy,
cô trong Viện Kỹ thuật và Công nghệ đã cung cấp cho em những kiến thức quý
báu…., đặc biệt em xin cảm ơn tới Th.S Phan Duy Tùng đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ
bảo tận tình em trong quá trình làm Đồ án Tốt Nghiệp này.
Do điều kiện về thời gian và kiến thức còn nhiều hạn chế nên đồ án không
thể tránh khỏi những thiếu sót, em mong được sự góp ý từ các thầy cô.
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh Viên
Nguyễn Thanh Tuấn

1


TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Bài toán ước lượng hướng sóng tới (DOA) đang được quan tâm nghiên cứu
trong lĩnh vực xử lý tín hiệu và được ứng dụng rất rộng rãi. Nội dung của đồ án này
tìm hiểu về bài toán DOA và mô hình toán học biểu diễn của nó. Đồ án tập trung

mô phỏng sự ảnh hưởng của cấu trúc hệ anten phân bố thẳng (ULA) và hệ anten
phân bố tròn (UCA) tới tính chính xác và độ phân giải của thuật toán MUSIC áp
dụng trong bài toán DOA.

ABSTRACT
DOA (Direction of arrival) estimation plays an important role in array
signal processing, and has a wide range of application. In this thesis, I will describe
what DOA estimation is, and give a mathematical model of DOA estimation. Then
estimate DOA based on the MUSIC algorithm, and also give some simulations with
MATLAB to simulate how the structure factors of Uniform Linear Array (ULA) and
Uniform Circle Array (UCA) affect the accuracy and resolution of DOA estimation
when using the MUSIC algorithm.

2


MỤC LỤC
Tran

LỜI NÓI ĐẦU............................................................................................................i
TÓM TẮT ĐỒ ÁN....................................................................................................ii
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT........................................................................vii
PHẦN MỞ ĐẦU....................................................................................................viii
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ANTEN THÔNG MINH........................................1
1.1 Giới thiệu về anten thông minh.......................................................................1
1.1.1 Khái quát chung.....................................................................................1
1.1.2 Sơ đồ tổng quát của anten thông minh...................................................1
1.1.3 Ưu điểm của anten thông minh...............................................................2
1.1.4 Mô hình tính toán của hệ thống phân bố anten thẳng.............................3
1.1.5 Phân loại anten thông minh....................................................................5

1.2 Anten thích nghi..............................................................................................6
1.2.1 Các hệ thức toán học..............................................................................6
1.2.2 Các chuẩn tối ưu trong điều khiển thích nghi.........................................9
1.3 Ứng dụng của anten thông minh.....................................................................9
1.3.1 Ứng dụng của anten thông minh trong mạng GSM................................9
1.3.2 Ứng dụng của anten thông minh trong mạng 3G....................................9
1.3.3 Anten thông minh trong vệ tinh và truyền hình....................................11
1.3.4 Ứng dụng của anten thông minh trong việc xác định vị trí...................11
1.4 Kết luận chương 1.........................................................................................12
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ THUẬT TOÁN MUSIC............................13
2.1 Phương pháp xác định hướng sóng tới (DOA).............................................13
2.2 Thuật toán MUSIC (Multiple signal classifi cation algorithm).....................14
2.3 So sánh thuật toán MUSIC với các thuật toán khác......................................15
2.3.1 Thuật toán ước lượng phổ....................................................................15
2.3.2 Thuật toán khả năng lớn nhất MLM (maximum likehood method)......15
2.3.3 So sánh các thuật toán khác với thuật toán MUSIC..............................15
2.4 Thuật toán MUSIC trong việc xác định hướng sóng tới...............................16
3


2.5 Ứng dụng thuật toán MUSIC xác định hướng sóng đến đối với hệ anten
thẳng (ULA)............................................................................................................. 18
2.6 Ứng dụng thuật toán MUSIC xác định hướng sóng đến đối với hệ anten tròn
(UCA)................................................................................................................. 21
2.6.1 Mô hình toán học..................................................................................21
2.7 Kết luận chương 2.........................................................................................22
CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA THAM SỐ CẤU TRÚC
ANTEN LÊN THUẬT TOÁN MUSIC TRONG BÀI TOÁN DOA........................23
3.1 Sơ đồ khối mô phỏng thuật toán MUSIC......................................................23
3.2 Mô phỏng đối với hệ anten thẳng (ULA)......................................................24

3.2.1 Các bước thực hiện mô phỏng chương trình.........................................24
3.2.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá.............................................................26
3.3 Mô phỏng đối với hệ anten tròn UCA...........................................................36
3.3.1 Các bước thực hiện mô phỏng chương trình.........................................36
3.3.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá.............................................................37
3.4 Kết luận chương 3.........................................................................................48
KẾT LUẬN.............................................................................................................. 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................50
PHỤ LỤC................................................................................................................51

4


DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1 Sơ đồ khối tổng quát của anten thông minh...............................................1
Hình 1.2 Vùng bức xạ của anten thường và anten thông minh.................................2
Hình 1.3 Mô hình dãy anten tuyến tính cách đều nhau.............................................3
Hình 1.4 Mô hình toán của Anten thông minh..........................................................4
Hình 1.5 Mô hình anten thích nghi...........................................................................7
Hình 2.1 Thuật toán uớc lượng phổ, khả năng lớn nhất, MUSIC
Hình 2.2 Xác định hướng sóng
Hình 2.3 K sóng tới dàn M phần tử
Hình 2.4 Hai tham số hình học của anten
Hình 2.5 Mô hình hệ thổng anten tròn

Hình 3.1 Sơ đồ mô phỏng thuật toán MUSIC.........................................................24
Hình 3.2 Kết quả mô phỏng cho trường hợp các góc tới: θ1 = 40°, θ2 = 60°,θ3 = 70°,
θ4 = 90°, θ5 = 100°...................................................................................................26
Hình 3.3 Kết quả mô phỏng cho trường hợp các góc tới: θ1 = 40°, θ2 = 60°,θ3 = 90°,

θ4 = 120°, θ5 = 200°.................................................................................................26
Hình 3.4 Kết quả mô phỏng cho các góc tới: θ1 = 40°, θ2 = 60°,θ3 = 90°, θ4 = 150°, θ5
= 160°, cho trường hợp d/λ = 0.5............................................................................28
Hình 3.5 Kết quả mô phỏng cho các góc tới:θ1 = 40°, θ2 = 60°,θ3 = 90°, θ4 = 150°, θ5
= 160°,Cho trường hợp d/λ = 0.9............................................................................28
Hình 3.6 Kết quả mô phỏng cho các góc tới:θ1 = 40°, θ2 = 60°,θ3 = 90°, θ4 = 150°, θ5
= 160°,Cho trường hợp d/λ = 0.2............................................................................29
Hình 3.7 Kết quả mô phỏng cho các góc tới: θ1 = 40°, θ2 = 60°,θ3 = 90°, θ4 = 150°, θ5
= 160°.Cho trường hợp Ne=15, D=5 và d/λ = 0.5...................................................30
Hình 3.8 Kết quả mô phỏng cho các góc tới: θ1 = 40°, θ2 = 60°,θ3 = 90°, θ4 = 150°, θ5
= 160°.Cho trường hợp Ne=6, D=5 và d/λ = 0.5....................................................30
Hình 3.9 Kết quả mô phỏng cho các góc tới: θ1 = 40°, θ2 = 60°,θ3 = 90°, θ4 = 150°, θ5
= 160°Cho trường hợp Ne=5, D=5 và d/λ = 0.5.....................................................31
Hình 3.10 Kết quả mô phỏng cho các góc tới θ1 = 40°, θ2 = 40.5°, cho trường hợp
Ne=5, D=2 và d/λ = 0.5, SNR = 30.........................................................................32
Hình 3.11 Kết quả mô phỏng cho các góc tới: θ1 = 40°, θ2 = 40.2°.Cho trường hợp
Ne=5, D=2 và d/λ = 0.5, Ne = 30............................................................................32
Hình 3.12 Kết quả mô phỏng cho các góc tới: θ1 = 40°, θ2 = 40.2°.Cho trường hợp
Ne=5, D=2 và d/λ = 0.5, Ne = 30............................................................................33
5


Hình 3.13 Kết quả mô phỏng cho các góc tới: θ1 = 40°, θ2 = 60°,θ3 = 90°, θ4 = 150°,
θ5 = 160°. Cho trường hợp Ne=10, D=5 và d/λ = 0.5, SNR = 27.............................34
Hình 3. 14 Kết quả mô phỏng cho các góc tới: θ1 = 40°, θ2 = 60°,θ3 = 90°, θ4 = 150°,
θ5 = 160°. Cho trường hợp Ne=10, D=5 và d/λ = 0.5, SNR = 26.............................34
Hình 3.15 Kết quả mô phỏng cho các góc tới: θ1 = 40°, θ2 = 60°,θ3 = 90°, θ4 = 150°,
θ5 = 160°.Cho trường hợp Ne=10, D=8 và d/λ = 0.5, SNR = 26..............................35
Hình 3.16 Kết quả mô phỏng cho các góc tới: θ1 = 50°, θ2 = 80°,θ3 = 100°, θ4 = 110°,
θ5 = 160°, θ6 = 200°.Cho trường hợp Ne=10, D=6 và d/λ = 0.5, SNR = 30.............37

Hình 3.17 Kết quả mô phỏng cho các góc tới: θ1 = 50°, θ2 = 80°,θ3 = 100°, θ4 =
110°, θ5 = 160°, θ6 = 200°.Cho trường hợp Ne=10, D=6 và d/λ = 0.2, SNR = 30....38
Hình 3.18 Kết quả mô phỏng cho các góc tới: θ1 = 50°, θ2 = 80°, θ3 = 100°, θ4 =
110°, θ5 = 160°, θ6 = 200°.Cho trường hợp Ne=10, D=6 và d/λ = 0.2, SNR = 30....39
Hình 3.19 Kết quả mô phỏng cho các góc tới: θ1 = 50°, θ2 = 80°,θ3 = 100°, θ4 =
110°, θ5 = 160°, θ6 = 200°. Cho trường hợp Ne=7, D=6 và d/λ = 0.5, SNR = 30.....40
Hình 3.20 Kết quả mô phỏng cho các góc tới: θ1 = 50°, θ2 = 80°,θ3 = 100°, θ4 =
110°, θ5 = 160°, θ6 = 200°. Cho trường hợp Ne=6, D=6 và d/λ = 0.5, SNR = 30.....40
Hình 3. 21 Kết quả mô phỏng cho các góc tới: θ1 = 50°, θ2 = 80°,θ3 = 100°, θ4 =
110°, θ5 = 160°, θ6 = 200°Cho trường hợp Ne=20, D=6 và d/λ = 0.5, SNR = 30.....41
Hình 3. 22 Kết quả mô phỏng cho các góc tới: θ1 = 50°, θ2 = 80°,θ3 = 100°, θ4 =
110°, θ5 = 160°, θ6 = 200°. Cho trường hợp Ne=50, D=6 và d/λ = 0.5, SNR = 30...41
Hình 3. 23 Kết quả mô phỏng cho các góc tới: θ1 = 50°, θ2 = 80°,θ3 = 100°, θ4 =
110°, θ5 = 160°, θ6 = 200°. Cho trường hợp Ne=60, D=6 và d/λ = 0.5, SNR = 30...42
Hình 3.24 Kết quả mô phỏng cho các góc tới: θ1 = 50°, θ2 = 50.2°. Cho trường hợp
Ne=10, D=6 và d/λ = 0.5, SNR = 30.......................................................................43
Hình 3.25 Kết quả mô phỏng cho các góc tới: θ1 = 50°, θ2 = 50.1°. Cho trường hợp
Ne=10, D=6 và d/λ = 0.5, SNR = 30.......................................................................44
Hình 3.26 Góc tới nguồn tín hiệu: θ1 = 50°, θ2 = 80°,θ3 = 100°, θ4 = 110°, θ5 = 160°,
θ6 = 200°. Cho trường hợp Ne = 15, D = 8, SNR = 27, d/λ = 0.5............................45
Hình 3.27 Góc tới nguồn tín hiệu:θ1 = 50°, θ2 = 80°,θ3 = 100°, θ4 = 110°, θ5 = 160°,
θ6 = 200°. Cho trường hợp Ne = 10, D = 8, SNR = 26, d/λ = 0.5............................45
Hình 3.28 Góc tới nguồn tín hiệu:θ1 = 50°, θ2 = 80°,θ3 = 100°, θ4 = 110°, θ5 = 160°,
θ6 = 200°. Cho trường hợp Ne = 15, D = 8, SNR = 100, d/λ = 0.5..........................46
Hình 3.29 Góc tới nguồn tín hiệu:θ1 = 50°, θ2 = 80°,θ3 = 100°, θ4 = 110°, θ5 = 160°,
θ6 = 200°. Cho trường hợp Ne = 20, D = 6, SNR = 26, d/λ = 0.5............................47

6

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

Tên viết tắt
DOA
MUSIC

Tên đầy đủ
Direction of Arrival
Multiple Signal Classification

Tên Tiếng Việt
Hướng sóng tới
Thuật toán phân loại đa tín hiệu

MLM
SNR
ULA
UCA
CDMA
TDMA

algorithm
Maximum likehoot method
Signal to noise ratio
Uniform Linear Array
Uniform Circle Array
Code Division Multiple Access
Time Division Multiple Access

Thuật toán khả năng lớn nhất

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm
Hệ thống anten phân bố thẳng
Hệ thống anten phân bố tròn
Đa truy nhập phân chia theo mã
đa truy nhập theo thời gian

7


PHẦN MỞ ĐẦU
Hệ thống anten mảng kết hợp với các thuật toán xử lý tín hiệu tạo thành hệ
thống anten thông minh là xu hướng đang được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng
hiện nay. Hệ thống anten thông minh sử dụng các thuật toán ước lượng hướng sóng
tới (DOA) được ứng dụng rất rộng rãi trong radar, sonar, đo địa chấn, động đất,
thiên văn học, y sinh học và truyền thông.
Đề tài này tìm hiểu về lý thuyết anten thông minh và bài toán DOA. Đồ án đi
sâu tìm hiểu về ứng dụng thuật toán MUSIC trong hệ anten phân bố thẳng (ULA)
và hệ anten phân bố tròn (UCA). Quá trình mô phỏng sự ảnh hưởng của yếu tố cấu
trúc và nhiễu lên tính chính xác và độ phân giải của thuật toán được thực hiện sử
dụng phần mềm MALAB. Nội dung báo cáo đồ án được trình bày trong 3 chương:
Chương 1 Giới thiệu về anten thông minh và mô hình tính toán của hệ thống
anten tuyến tính thông minh. Trong chương này cũng phân loại anten thông minh và
ứng dụng của chúng trong thực tế.
Chương 2 Giới thiệu về bài toán ước lượng hướng sóng tới (DOA) và mô
hình toán học biểu diễn bài toán này. Trong chương này cũng trình bày về thuật toán
MUSIC và so sánh thuật toán MUSIC với một số thuật toán DOA khác.
Chương 3 Mô phỏng, đánh giá sự ảnh hưởng của các tham số về cấu trúc
anten và nhiễu tác động lên tính chính xác và độ phân giải của thuật toán MUSIC.
Trong chương này trình bày rõ các bước mô phỏng, quá trình mô phỏng và phân
tích kết quả đối với hệ anten phân bố thẳng và anten phân bố tròn.

8


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ANTEN THÔNG MINH
Trong chương này sẽ giới thiệu về anten thông minh, tìm hiểu sơ đồ tổng
quát và công thức toán học của anten thông minh. Tìm hiểu vè việc phân loại và
ứng dụng của anten thông minh trong thực tế. Giới thiệu về anten thích nghi.
1.1 Giới thiệu về anten thông minh
1.1.1 Khái quát chung
Anten thông minh (smart antennas) bao gồm nhiều phần tử anten. Tín hiệu
đến các phần tử này được tính toán và xử lý giúp anten xác định được hướng của
nguồn tín hiệu, tập trung bức xạ theo hướng mong muốn và tự điều chỉnh theo sự
thay đổi của môi trường tín hiệu. Quá trình tính toán này đòi hỏi thực hiện theo thời
gian thực, để anten thông minh có thể bám theo nguồn tín hiệu khi nó chuyển động.
Vì vậy, anten thông minh còn được gọi bằng một tên khác là anten thích nghi
(Adaptive Antennas). Với tính chất như vậy, anten thông minh còn có khả năng
giảm thiểu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường và can nhiễu.
1.1.2 Sơ đồ tổng quát của anten thông minh

RF module

.
.
.

.
.
.

RF module

A/D
converter

.
.
.

Ʃ

A/D
converter

Hình 1.1 Sơ đồ khối tổng quát của anten thông minh

1


Hình 1.1 Sơ đồ khối tổng quát của anten thông minh
Thông qua sơ đồ khối ta thấy:
-

Tín hiệu tới các phần tử anten được biến đổi từ tín hiệu tương tự sang tín
hiệu số, tiếp theo nó được nhân với bộ trọng số rồi tổng lại để được tín hiệu
ngõ ra. Bộ trọng số này giúp cho anten có thể tập trung bức xạ theo hướng
mong muốn. Bằng cách sử dụng các thuật toán thích nghi trong quá trình
Beamforming. Bộ trọng số này luôn được cập nhật để anten thông minh có
thể bám theo người sử dụng khi họ di chuyển

-

Biên độ trọng số quyết định búp sóng chính và búp sóng phụ (Side Lobe
Level)

-

Pha của bộ trọng số quyết định hướng của búp sóng chính

1.1.3 Ưu điểm của anten thông minh

Hình 1.2

Vùng bức

xạ của

anten

thường và

anten thông

minh [3]
Qua

hình 1.2 ta

có thể thấy

được

sự

khác

giữa

vùng

biệt

bức xạ của anten thường và anten thông minh. Anten thông minh có các búp sóng
hẹp hơn và có tính định hướng cao hơn so với anten thường.
Anten thông minh là một trong những xu hướng được quan tâm nhiều trong
những năm gần đây. Với các ứng dụng trong các hệ thông tin vô tuyến, nó có thể cải
2


thiện chất lượng tín hiệu, tăng dung lượng, mở rộng phạm vi hoạt động của hệ
thống. Với những ứng dụng trong các hệ thống rada, định vị, điện thoại GSM, 3G,
… anten thông minh cho phép nâng cao khả năng tìm kiếm mục tiêu, nâng cao độ
chính xác, xác định tọa độ và có thêm những khả năng mới mà anten thường không
có được.
Ưu điểm của anten thông minh [3]:
-

Cải thiện chất lượng tín hiệu của các hệ thống truyền thông vô tuyến bằng
cách triệt can nhiễu, loại bỏ hiệu ứng đa đường, thu và phát đúng hướng
mong muốn

-

Cải thiện dung lượng hệ thống do tăng khả năng sử dụng lại tần số trong
cùng một cell

-

Công suất phát thấp cho phép thời gian sử dụng năng lượng lâu hơn, do đó
có thể giảm kích thước và khối lượng của các thiết bị đầu cuối. Việc phát
công suất thấp sẽ giảm ảnh hưởng tới các kênh lân cận

-

Anten thông minh thích hợp được với hầu hết các hệ thống truyền thông vô
tuyến hiện nay

1.1.4 Mô hình tính toán của hệ thống phân bố anten thẳng
Z

θ

Δx

y

φ

X

3


Hình 1.3 Mô hình dãy anten phân bố thẳng cách đều nhau

Φ: Góc phương vị
θ: Góc ngẩng của mặt phẳng sóng tới trên dãy anten
Để đơn giản hóa việc phân tích hệ thống anten, ta giả thiết:
-

Không có sự kết nối tương hỗ giữa các anten

-

Tất cả những trường sóng tới đều có thể chia thành một lượng các mặt phẳng
sóng rời rạc. Vì vậy số tín hiệu đến anten là hữu hạn

Y

ѱ
X

Ʃ
Z(t)

4 Máy thu


Hình 1.4 Mô hình toán của anten thông minh

Đối với một mặt phẳng tới dãy anten từ hướng (θ.φ), tín hiệu đến phần tử thứ
m sẽ đi thêm một đoạn:
(1.1)
So với phần tử tham khảo tại gốc, phần tử m trễ hơn phần tử tham khảo một
khoảng thời gian:
(1.2)
Vì vậy, độ sai pha giữa thành phần tín hiệu đến phần tử thứ m và phần tử
tham khảo tại gốc là:
(1.3)
trong đó:
, f: tần số sóng mang (Hz)
: hệ số truyền sóng
Giả sử, mỗi phần tử anten là đẳng hướng và có độ lợi như nhau tại tất cả các
hướng. Tín hiệu đến mặt sóng có đường bao phức là s(t). Tín hiệu nhận được tại

5


phần tử anten thứ m như công thức (1.4).
(1.4)
Tín hiệu lối ra của dãy sau khi nhân với bộ trọng số với M là số phần tử
anten trong dãy như công thức (1.5)
(1.5)
Với được gọi là hệ số sắp xếp, nó xác định tỉ số giữa tín hiệu nhận được tại
lối ra của dãy anten và tín hiệu s(t) đo được tại phần tử tham khảo. Hệ số sắp xếp là
hàm theo hướng sóng đến (DOA). Bằng cách điều chỉnh bộ trọng số ta có thể hướng
cho búp sóng chính của hệ số sắp xếp theo hướng mong muốn
Ta định nghĩa vector trọng số:
(1.6)
Tín hiệu từ mỗi phần tử anten được nhóm thành một vector dữ liệu:

(1.7)
Tín hiệu lối ra z(t) là (1.6) nhân (1.7):
(1.8)
Với là phép biến đổi Hermitian (chuyển đổi đơn vị rồi lấy liên hợp phức).
Hệ số sắp xếp theo hướng được viết lại như sau:
(1.9)
Vector được gọi là vector lái theo hướng . Vector lái biểu diễn pha của tín
hiệu tại mỗi phần tử anten so với tín hiệu tham khảo tại gốc.
(1.10)
Trong đó:
(1.11)

6


1.1.5 Phân loại anten thông minh
Tùy theo mục tiêu, phương thức xử lý tín hiệu và mức độ phức tạp của thuật
toán xử lý tín hiệu của anten thông minh ta có thể chia anten thông minh thành 3
loại chính [1]:
-

Anten định dạng búp sóng băng hẹp

-

Anten thích nghi

-

Anten thích nghi băng rộng

Anten định dạng búp sóng băng hẹp thuộc nhóm các hệ anten có xử lý tín

hiệu với thuật toán không phức tạp, chủ yếu là dùng các bộ quay pha ở tần số sóng
mang (xử lý tín hiệu ở tần số radio) để tạo sự lệch pha cần thiết giữa các phân tử
anten nhằm tạo ra giản đồ hướng hoặc là có búp sóng hẹp hoặc búp sóng có hình
dạng đặc biệt, hoặc các búp sóng có thể thay đổi được trong không gian mà không
cần xoay giàn anten về mặt cơ học.
Anten thích nghi thuộc nhóm anten có xử lý tín hiệu vẫn ở dạng băng hẹp
nhưng sử dụng các phương thức và thuật toán phức tạp hơn nhằm đạt được tốc độ
cao, linh hoạt đáp ứng mục tiêu đề ra. Mục tiêu của anten thích nghi thường thực
hiện việc điều khiển tự động giản đồ hướng sao cho các hướng không hướng về các
nguồn nhiễu để triệt tiêu hoặc giảm nhiễu. Anten gồm một giàn các phần tử, liên kết
với một bộ xử lý thích nghi thời gian thực. Bộ xử lý thích nghi sẽ tự động điều
chỉnh các trọng số để đạt được một bộ trọng số tối ưu theo một tiêu chuẩn nào đó
phù hợp với thuật toán đã lựa chọn.
Anten thích nghi băng rộng là hệ anten có xử lý tín hiệu theo phương thức xử
lý thích nghi với băng tần rộng và thuật toán phức tạp, là bước phát triển cao của hệ
anten có xử lý tín hiệu nói chung. Bộ xử lý tín hiệu trong anten thường là bộ xử lý
không gian - thời gian, nó không chỉ xử lý tín hiệu rời rạc, lấy mẫu trong miền
không gian mà còn xử lý các tín hiệu rời rạc, lấy mẫu trong miền thời gian. Đây là
bước phát triển cao của hệ anten có xử lý tín hiệu.

7


1.2 Anten thích nghi
1.2.1 Các hệ thức toán học [1]
Mô hình của anten thích nghi được cho như Hình 1.5
1

U1
U2

2
.
.
.

W1

W2
U3

WM

M
Mảng anten

Định dạng búp sóng

Thuật toán điều khiển thích nghi
Bộ xử lý thích nghi

Xử lý tín hiệu

Hình 1.5 Mô hình anten thích nghi
Anten là một hệ thống bao gồm một dàn anten chấn tử (giả thiết là giàn
thẳng) gồm M phần tử và một bộ xử lý thích nghi thời gian thực. Bộ xử lý thích
nghi tiếp nhận liên tục các thông tin đầu vào của dàn rồi tự động điều khiển các
trọng số của bộ định dạng búp sóng, nhằm điều khiển liên tục đồ thị phương hướng

của dàn. Sao cho thỏa mãn yêu cầu đề ra với các chỉ tiêu nhất định.
Các trọng số được điều chỉnh để đạt được bộ trọng số tối ưu theo một tiêu
chuẩn nào đó, phù hợp với thuật toán đã lựa chọn.
Ta quy ước các tín hiệu thu được trên các phần tử là tín hiệu đường bao
phức. Vì vậy ta có vector tín hiệu đầu vào của dàn anten được biểu thị như sau:
(1.12)

8


Trong đó:
là tín hiệu thu được trên phần tử thứ m, ta có:
(1.13)
S(t) là tín hiệu đường bao phức nhận được từ nhánh thứ nhất.
Áp dụng khái niệm vector hướng và kí hiệu tổ hợp góc (θ,φ) =  ta có:
(1.14)
Vậy:
(1.15)
Như vậy vector tín hiệu đầu vào u(t) được xác định bởi tín hiệu nhân được
tại phần tử thứ nhất s(t) và vector hướng . Vector hướng xác định tại mỗi hướng của
không gian khảo sát tại mỗi tần số cố định. Tập hợp tất cả các vector hướng nói trên
gọi là tập dữ liệu của dàn anten thích nghi. Quá trình xác định tập dữ liệu nói trên
còn được gọi là quá trình lấy chuẩn cho dàn anten.
Nếu hệ anten làm việc trong môi trường thực tế có tạp nhiễu thì vector số
liệu đầu vào được cộng thêm vector nhiễu n(t) biểu thức sẽ trở thành:
(1.16)
Trong đó:
(1.17)
Biểu thức trên chỉ phù hợp với tín hiệu băng hẹp vì trong đó các thành phần
của vector hướng được xác định ứng với một tần số nhất định. Băng thông của tín

hiệu có liên quan đến sự khác biệt pha giữa các phần tử nằm trong dải sai số cho
phép.
Khảo sát mô hình tín hiệu cho trường hợp tổng quát khi có xảy ra hiệu ứng
đa đường (tín hiệu từ nguồn truyền tới điểm thu với nhiều đường khác nhau), gây ra
phading đa đường) và có tác động của nhiều đối tượng tham gia vào hệ thống thông
9


tin. Gọi K là số đối tượng có phát tín hiệu tác động vào dàn anten và kí hiệu tín hiệu
của đối tượng thứ i là gồm P đường tới, với biên độ phức là , góc tới và trễ đường
truyền là , trong đó p là chỉ số ký hiệu đường tới.
Vector tín hiệu thu được của đối tượng thứ i được biểu diễn:
(1.18)
Khi có tác động đồng thời của K đối tượng và can nhiễu, vector tín hiệu đầu
vào sẽ có dạng:
(1.19)
gọi là vector đặc trưng không gian của đối tượng thứ i.
Trong hệ anten xử lý tín hiệu thích nghi thường sử dụng phép định dạng búp
sóng của dàn anten. Sao cho đồ thị phương hướng có cực đại của búp sóng hướng
theo phía nguồn tín hiệu có ích, còn các hướng không hoặc hướng cực tiểu hướng
theo nguồn nhiễu để triệt tiêu hoặc giảm nhiễu.
Quá trình triệt nhiễu, giảm nhiễu được thực hiện với sự phân biệt từng đối
tượng tham gia thông tin trong tập hợp các nguồn nhiễu. Dựa trên đặc tính không
gian của các tín hiệu hữu ích nên còn được gọi là “lọc không gian”.
Có hai phương pháp xử lí thích nghi [1]:
-

Xử lý thích nghi băng hẹp:Chỉ thực hiện việc lấy mẫu tín hiệu trong miền

không gian

-

Xử lý thích nghi băng rộng: Thực hiện lấy mẫu cả trong miền không gian và

thời gian
1.2.2 Các chuẩn tối ưu trong điều khiển thích nghi
Có 4 tiêu chuẩn được sử dụng để nhận được các bộ trọng số tối ưu [1]:
-

Tiêu chuẩn sai số trung bình phương nhỏ nhất (MMSE: Minimum Mean
Square Error)

10


-

Tiêu chuẩn tỉ số tín hiệu trên tạp nhiễu cực đại (MSINR: Maximum Signal to
interference plus Noise Ratio)

-

Tiêu chuẩn phương sai cực tiểu (MV: Minimum Variance)

-

Tiêu chuẩn khả năng cực đại (ML: Maximum Likelihood)

1.3 Ứng dụng của anten thông minh
1.3.1 Ứng dụng của anten thông minh trong mạng GSM

Đã có một số anten thông minh được sản xuất cho thị trường di động sử dụng
công nghệ GSM. Chúng giúp tối ưu công suất phát, giảm nhiễu. Cho đến nay việc
sử dụng anten thông minh trong mạng GSM vẫn còn hạn chế. Bởi công nghệ GSM
sử dụng đa truy nhập theo thời gian (TDMA: Time Division Multiple Access) và
quản lý vị trí tần số. Điều này có nghĩa là mỗi kênh vô tuyến có một khe thời gian
và một băng tần, không có sự can nhiễu giữa những người dùng trong một ô (cell)
trạm phát. Điều này có nghĩa lợi ích của anten thông minh trong mạng GSM rất hạn
chế.
1.3.2 Ứng dụng của anten thông minh trong mạng 3G
Với hệ thống GSM, anten thông minh có ứng dụng không lớn. Nhưng khi
thông tin di động phát triển hệ thống 3G với công nghệ đa truy nhập phân chia theo
mã (CDMA: Code Division Multiple Access) đang được ứng dụng ngày rộng rãi,
thì việc sử dụng anten thông minh mang lại hiệu quả lớn. Trong hệ thống thông tin
di động trước đây loại anten được sử dụng chủ yếu là anten vô hướng hoặc anten
sector. Trong anten thông minh, việc ứng dụng thuật toán DOA (DOA: Direction Of
Arival) định hướng sóng đến và các thuật toán xử lý tin hiệu thích hợp có thể hướng
búp sóng chính xác vào hướng thuê bao, tập trung công suất phát vào hướng cần
thiết. Khi xác định được hướng thuê bao và nhiễu ta cũng có thể tránh phát sóng
đến các nguồn can nhiễu. Như vậy, cùng một công suất phát năng lượng bức xạ của
anten đến nơi thu sẽ mạnh hơn nhiều lần, việc này có thể giúp tiết kiệm năng lương
nơi nguồn phát hoặc tăng năng lượng bức xạ nơi nhận.
Anten thông minh làm tăng công suất thu và giảm nhiễu. Điều này đặc biệt
có ý nghĩa đối với mạng di động 3G sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia theo
11


mã CDMA (CDMA: Code Division Multiple Access). Chia phổ tần bằng cách xác
định mỗi kênh vô tuyến trong một trạm thu phát và thuê bao bằng một mã số. Thuê
bao chi được nhận ra bằng mã của mình. Tín hiệu thu phát từ những máy di động
khác (với những mã khác nhau) đối với máy di động chính là nhiễu. Vì vậy cho nên

càng nhiều điện thoại di động trong một vùng phủ sóng của trạm thu phát thì nhiễu
càng nhiều. Điều này làm giảm số điện thoại di động mà trạm thu phát có thể phục
vụ được. Tất cả các tiêu chuẩn điện thoại 3G đều sử dụng công nghệ CDMA. Đối
với công nghệ này anten thông minh giúp giảm nhiễu trong một ô vì nó tăng công
suất để duy trì tất cả các kênh vô tuyến từ trạm phát tới mọi thuê bao. Điều này đặc
biệt quan trọng khi nhu cầu tốc độ số liệu cao ngày càng tăng. Một kênh vô tuyến
tốc độ cao cần mức công suất cao gấp 10 lần một kênh thoại trong mạng GSM.
Tăng mức công suất để duy trì một kênh vô tuyến cũng có nghĩa là giảm khả năng
phục vụ các thuê bao còn lại trong ô cũng như từ các ô liền kề.
Anten thông minh giảm sự can nhiễu bằng hai cách [3]:
-

Búp sóng của anten hướng chính xác đến thuê bao, do vậy công suất
phát chỉ phát đúng đến hướng cần thiết.

-

Khả năng điều khiển tín hiệu định hướng, anten thông minh tránh phát
tín hiệu về phía nguồn can nhiễu

Lợi ích chính triển khai anten thông minh trong mạng 3G [3]:
-

Tăng số lượng thuê bao được thực hiện trong một trạm, tăng doanh
thu, giảm khả năng khóa và rơi cuộc gọi đối với các thuê bao

-

Chất lượng tín hiệu truyền dẫn được cải thiện trong một trạm mà
không cần tăng công suất phát mà lại giảm được can nhiễu

-

Giảm công suất thu phát ở cả hai hướng (thuê bao - trạm phát và trạm
phát - thuê bao), giúp cho Pin của điện thoại được dùng lâu hơn

1.3.3 Anten thông minh trong vệ tinh và truyền hình
Việt Nam phóng vệ tinh VINASAT-1 vào quỹ đạo vào năm 2008 [6], có ý

12


nghĩa rất lớn trong việc phủ sóng Viễn thông, thông tin liên lạc không chỉ các vùng
nông thôn, vùng sâu, vùng xa, biên giới, hải đảo, tới tất cả mọi nơi trên lãnh thổ
Việt Nam mà còn phủ sóng ở cả khu vực Đông Nam Á. Bên cạnh đó khi đưa vào
khai thác VINASAT-1 sẽ có ý nghĩa xã hội rất lớn, góp phần cải thiện cơ sở hạ tầng
thông tin quốc gia theo hướng hiện đại, nâng cao độ an toàn cho mạng lưới viễn
thông, thúc đẩy và phát triển các dịch vụ viễn thông, công nghệ thông tin, thương
mại, giải trí và các dịch vụ chuyên dùng khác.
Một trong những rắc rối liên quan đến truyền hình và thông tin vệ tinh đó là
việc anten thu nhiều lúc không hướng tới đúng vị trí để thu sóng từ vệ tinh hay trạm
phát mạnh nhất. Trong các loại anten sử dụng trước đây, thường khi không đạt
hướng mạnh nhất người ta thường sử dụng phương pháp quay thủ công bằng tay.
Việc này rất bất tiện và không ổn định do khó cố định vị trí anten bởi các yếu tố thời
tiết. Có cách khác để giải quyết vấn đề này là thông qua thuật toán DOA để xác định
hướng vệ tinh hay hướng trạm phát tín hiệu và sau đó dùng thông số về hướng để
điều khiển bộ phận mô tơ gắn vào anten giúp anten tự động quay đến hướng tối ưu,
đây là loại anten thông minh được cải tiến giúp người dùng tiện lợi hơn rất nhiều so
với việc sử dụng anten thông thường.
1.3.4 Ứng dụng của anten thông minh trong việc xác định vị trí

Bằng cách xác định được hướng sóng tới từ anten phát tới ít nhất 2 hệ anten
thu, ta có thể xác định được vị trí của anten phát ra từ giao điểm của 2 hướng đó.
Anten thông minh là một tập hợp các anten thành phần, được điều khiển để
có thể bức xạ ra các búp sóng hẹp với mức công suất phù hợp với yêu cầu. Nên nó
nâng cao được công suất thu, giảm nhiễu nội bộ giữa các kênh vô tuyến trong cùng
một trạm phát. Với những đặc điểm và nguyên lý hoạt động của anten thông minh,
việc sử dụng anten thông minh trong mạng 2G(GSM) không mang lại hiệu quả cao.
Đối với mạng di dộng 3G (CDMA), khi thiết kế, xây dựng cần xem xét khả năng
triển khai anten thông minh ngay để giảm số trạm phát, tăng dung lượng thuê bao,
chất lượng dịch vụ.

13


1.4 Kết luận chương 1
Trong chương này đã giới thiệu về anten thông minh. Tìm hiểu mô hình tính
toán của anten thông minh. Hiểu thêm về những ưu điểm của anten thông minh,
phân loại và những ứng dụng của anten thông minh. Tìm hiểu về anten thích nghi.
1.1

14


CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ THUẬT TOÁN MUSIC
Trong chương này, giới thiệu về thuật toán MUSIC. So sánh thuật toán
Music và những thuật toán khác để nêu ra ưu điểm của thuật toán MUSIC. Tìm hiểu
cơ sở lý thuyết xác định hướng sóng tới, ứng dụng thuật toán MUSIC trong việc xác
định hướng sóng tới trong hệ anten thẳng (ULA) và hệ anten tròn (UCA).
2.1 Phương pháp xác định hướng sóng tới (DOA) [1]
Đối với các hệ anten thông minh (anten có xử lý tín hiệu) thì DOA là một

thông tin rất quan trọng. Khi biết chính xác thông tin này thì việc xử lý tín hiệu để
có thể nhận được tín hiệu mong muốn một cách tốt nhất và loại trừ các tín hiệu
không mong muốn có thể thực hiện được một cách thuận lợi và đạt hiệu quả cao.
Hệ thống anten cho phép xác định đồng thời hướng sóng đến từ P nguồn phát
sóng độc lập. Có thể xác định được sóng đến một cách chính xác trong điều kiện có
nhiễu. Phương pháp phân tích hệ anten này cũng dựa trên mô hình của hệ anten có
xử lý tín hiệu.
Xét một hệ anten tuyến tính gồm có M phần tử dùng để phân biệt và xác định
P sóng tới hướng đến khác nhau, với Pđến nằm trong mặt phẳng θ = π/2 với các góc phương vị khác nhau [1]. Như Hình
2.1

15


Máy thu 1

Máy thu m

Máy thu 2

Máy thu M

Hình 2.1 Xác định hướng sóng
Trên mỗi máy thu đều nhận được P tín hiệu tới cùng nhiễu. Vậy tín hiệu ra
nhận được từ máy thu m:
(2.1)
Đặt ta có:
(2.2)
Vector tín hiệu đầu ra tại M cổng máy thu:

(2.3)
Ta có:
(2.4)
Trong đó là vector hướng của sóng tới tại hướng
(2.5)
Với n(t) là vector nhiễu, có thể viết công thức (2.3) dưới dạng rút gọn:
,
Trong đó là vector có thành phần là vector hướng như công thức (2.7)

16

(2.6)


(2.7)
S(t) là vector có thành phần là các biên độ đường bao phức của P sóng tới
(2.8)
n(t) là vector nhiễu nhận được trên M cổng máy thu
(2.9)
2.2 Thuật toán MUSIC (Multiple signal classifi cation algorithm)
Một trong những quá trình xử lý tín hiệu quan trọng nhất trong anten thông
minh chính là việc xác định được hướng của búp sóng tới. Quá trình nghiên cứu và
phát triển anten thông minh đã đưa ra được một số loại thuật toán ước lượng hướng
sóng tới như: thuật toán ước lượng phổ, thuật toán khả năng lớn nhất và đặc biệt
được ứng dụng rộng rãi với độ chính xác cao là thuật toán MUSIC.
Thuật toán MUSIC là thuật toán dựa trên tập các tín hiệu thu được từ không
gian mà không cần phải quét búp sóng của hệ anten theo các góc trong không gian.
Dựa trên việc khai triển ma trận tự tương quan với u là tập tín hiệu thu được từ mỗi
phần tử của hệ anten. Không gian của ma trận hiệp phương sai được chia làm hai
không gian con là không gian tín hiệu và không gian nhiễu. Hai không gian này trực

giao với nhau. Các vector tín hiệu nằm trong không gian tín hiệu sẽ trực giao với
không gian nhiễu [4]. Dựa trên nguyên lý này thuật toán MUSIC được ứng dụng để
tìm ra DOA bằng cách phân loại nguồn tín hiệu tới từng phần tử anten theo góc độ
không gian. Thuật toán này cho phép xác định số lượng nguồn phát, cường độ của
tín hiệu và công suất nhiễu.
2.3 So sánh thuật toán MUSIC với các thuật toán khác
2.3.1 Thuật toán ước lượng phổ
Trên cơ sở, nếu ta ước lượng được ma trận tự tương quan đầu vào và biết các
véctơ hướng a(φ).Thì ta có thể xác định được công suất đầu ra theo hàm của góc
sóng tới.Giá trị góc φ ứng với giá trị của hàm phổ công suất.
,

17

(2.10)