Xác định hướng đến trong băng rộng có xét ảnh hưởng ghép tương hỗ điện tử giữa các phần tử anten

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------------

LƯU CHÍ CƯỜNG

XÁC ĐỊNH HƯỚNG ĐẾN TRONG BĂNG RỘNG
CĨ XÉT ẢNH HƯỞNG GHÉP TƯƠNG HỖ
ĐIỆN TỪ GIỮA CÁC PHẦN TỬ ANTEN
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2009


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Đỗ Hồng Tuấn

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS - TS. Lê Tiến Thường

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Phan Hồng Phương

Luận văn được bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 30 tháng 12 năm 2009.


TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP. HCM

PHỊNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Tp. HCM, ngày . . ..tháng . . . năm . . . .

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: LƯU CHÍ CƯỜNG

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 2-3-1982

Nơi sinh: DakLak

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

MSHV: 01408361

I- TÊN ĐỀ TÀI:
 “Xác định hướng đến trong băng rộng có xét ảnh hưởng ghép tương hỗ điện từ
giữa các phần tử anten”.
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
 Nghiên cứu kỹ thuật xác định hướng đến trong băng rộng.
 Sử dụng kỹ thuật FDFIB dựa trên MUSIC để xác định hướng đến.
 Xét trường hợp có ghép tương hỗ điện từ giữa các phần tử anten trong mảng.
 Cải tiến phương pháp FDFIB nhằm bù lại ảnh hưởng của lỗi mảng và ghép
tương hỗ điện từ.
 Thực hiện mô phỏng.

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02-02-2009
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15-12-2009
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH


Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------------------

LƯU CHÍ CƯỜNG

XÁC ĐỊNH HƯỚNG ĐẾN TRONG BĂNG RỘNG
CĨ XÉT ẢNH HƯỞNG GHÉP TƯƠNG HỖ ĐIỆN
TỪ GIỮA CÁC PHẦN TỬ ANTEN

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh 12 – 2009


LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tơi xin kính gửi đến TS. Đỗ Hồng Tuấn lời trân trọng với lòng biết ơn

sâu sắc nhất. Thầy đã dành nhiều thời gian quý báu trực tiếp hướng dẫn, giải đáp
những thắc mắc, khó khăn, tạo mọi điều kiện thuận lợi về tài liệu cũng như đã tận
tình chỉ bảo và cho tơi những lời khun bổ ích, giúp tơi hồn thành luận văn này.
Tơi cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô ở trường Đại học Bách Khoa TP.
Hồ Chí Minh, là những người truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian học tập và
nghiên cứu trong những năm sau đại học tại trường.
Tôi cũng nhận được sự giúp đỡ của các bạn cùng khố, cùng lớp và đồng nghiệp
nơi cơng tác. Các bạn đã đóng góp cho tơi những ý kiến và những tài liệu giá trị. Xin
gởi đến các bạn lời cảm ơn chân thành của tơi.
Cuối cùng, tơi xin kính gởi đến gia đình lịng biết ơn chân thành, sâu sắc nhất.
Gia đình, Cha Mẹ đã động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi
trong suốt quá trình học tập cũng như nghiên cứu đã qua.
TP. HCM, ngày 05 tháng 12 năm 2009
Lưu Chí Cường


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 ............................................................................................................ 1
1.1 Đặt vấn đề và tình hình nghiên cứu hiện nay .................................................... 1
1.2 Mục đích – Đối tượng – Phạm vi nghiên cứu .................................................... 5
1.3 Bố cục của đề tài.................................................................................................. 6
1.4 Ý nghĩa của đề tài ................................................................................................ 7
CHƯƠNG 2 ............................................................................................................ 8
2.1 Phân loại các hệ thống anten .............................................................................. 8
2.1.1 Anten đẳng hướng – Omnidirectional antennas ...................................... 8
2.1.2 Anten định hướng – Directional antennas ............................................... 8
2.1.3 Anten chia sector – Sectorized antennas ................................................. 9
2.1.4 Anten phân tập – Diversity antennas....................................................... 9
2.1.5 Anten thông minh – Smart antennas ..................................................... 10
2.2 Anten thông minh .............................................................................................. 10

2.2.1 Giới thiệu anten thông minh ................................................................. 10
2.2.2 Các ứng dụng của anten thông minh ..................................................... 12
2.2.3 Lợi ích của anten thơng minh ............................................................... 12
2.2.4 Phân loại anten thông minh .................................................................. 16
2.2.5 So sánh hệ thống mảng búp sóng chuyển đổi và thích nghi................... 20
2.3 Kết chương......................................................................................................... 21
CHƯƠNG 3 .......................................................................................................... 22
3.1 Bài toán ước lượng DOA .................................................................................. 22
3.2 Giải thuật MUSIC ............................................................................................. 24
3.3 MUSIC trong thực tế......................................................................................... 27
3.4 Ước lượng số tín hiệu đến ................................................................................. 27
3.5 Tóm tắt các bước thực hiện giải thuật MUSIC................................................ 28
3.6 Các giải thuật MUSIC khác .............................................................................. 29
3.7 Kết chuơng ......................................................................................................... 29
CHƯƠNG 4 .......................................................................................................... 30


4.1 Mơ hình tín hiệu băng rộng............................................................................... 31
4.2 Các phương pháp khơng gian con tín hiệu ...................................................... 32
4.3 Phương pháp khơng gian con tín hiệu Incoherent ........................................... 33
4.4 Các phương pháp khơng gian con tín hiệu Coherent [14] .............................. 34
4.4.1 Phương pháp CSS lựa chọn không gian con hội tụ tối ưu [14] .............. 36
4.4.2 Phương pháp biến đổi TCT [14] ........................................................... 38
4.5 Phương pháp búp sóng – khơng gian ............................................................... 46
4.5.1 Kỹ thuật TDFIB [15] ............................................................................ 48
4.5.2 Kỹ thuật FDFIB [15] ............................................................................ 49
4.6 Kết quả mô phỏng ............................................................................................. 53
4.7 Kết chương......................................................................................................... 63
CHƯƠNG 5 .......................................................................................................... 64
5.1 Mơ hình tín hiệu băng rộng với mảng thực [17] ............................................. 64

5.2 Phương pháp TCT và FDFIB với mảng thực .................................................. 67
5.3 Phương pháp TCT biến đổi danh định – TCT cải tiến [17] ............................ 68
5.4 Phương pháp FDFIB cải tiến ............................................................................ 69
5.4.1 Ý tưởng của phương pháp FDFIB cải tiến ............................................ 69
5.4.2 Cơ sở của phương pháp FDFIB cải tiến ................................................ 70
5.4.3 Xây dựng phương pháp FDFIB cải tiến ................................................ 70
5.4.4 Tóm tắt phương pháp FDFIB cải tiến với LMS .................................... 71
5.5 Kết quả mô phỏng ………………………………………………………...72
5.5.1 Phương pháp TCT ................................................................................ 72
5.5.2 Phương pháp FDFIB ............................................................................ 78
5.5.3 Phương pháp FDFIB cải tiến ................................................................ 84
5.5 Kết chương .......................................................................................................... 90
CHƯƠNG 6 .................................................................................................................... 91
6.1 Kết luận ............................................................................................................... 91
6.2 Hướng phát triển của đề tài .................................................................................. 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 93
PHỤ LỤC ............................................................................................................. 95


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1: Sơ đồ tổng qt của anten thơng minh. ........................................................ 11
Hình 2.2: Xử lý tín hiệu phát – thu tại trạm gốc và đầu cuối di động. ............................ 12
Hình 2.3: Vùng phủ của anten đẳng hướng và anten thơng minh. ................................. 14
Hình 2.4: Giảm nhiễu đồng kênh nhờ lái búp sóng chính. ............................................ 15
Hình 2.5: Phân chia không gian truy cập cho một kênh tần số. ..................................... 16
Hình 2.6: Hiệu ứng đa đường. .................................................................................. 16
Hình 2.7: Kiến trúc hệ thống búp sóng chuyển đổi. ..................................................... 17
Hình 2.8: Ma trận Butler 8 × 8. ................................................................................ 18
Hình 2.9: Đồ thị bức xạ của mảng với ma trận Butler 8×8. .......................................... 18

Hình 2.10: Hệ thống mảng thích nghi. ....................................................................... 19
Hình 2.11: Vùng phủ của anten thơng minh và kỹ thuật truyền thống. ........................... 20
Hình 3.1: Một số phương pháp ước lượng phổ. ........................................................... 22
Hình 3.2: Mảng và tín hiệu trong bài tốn ước lượng DOA .......................................... 23
Hình 4.1: Phân loại kỹ thuật khơng gian con tín hiệu. ................................................. 32
Hình 4.2: Kỹ thuật ISS. ............................................................................................ 33
Hình 4.3: Kỹ thuật CSS. ........................................................................................... 35
Hình 4.4: Kỹ thuật FIBs. .......................................................................................... 47
Hình 4.5: Phân loại kỹ thuật xử lý FIBs. .................................................................... 47
Hình 4.6: Dilation filter cho beamformer xử lý trong miền thời gian. ............................ 48
Hình 4.7: Cấu trúc hệ thống beamforming.................................................................. 52
Hình 4.8: Cấu trúc bộ beamforming thứ ................................................................... 52
Hình 4.9: Cấu trúc mảng UCA 16 phần tử.................................................................. 55
Hình 4.10: Phổ TCT/FDFIB/G–MUSIC [200, 128, 128]. ............................................. 56
Hình 4.11: Phổ MUSIC – 3D của G–MUSIC. ............................................................. 56
Hình 4.12: Phổ MUSIC – 3D của TCT–MUSIC. ......................................................... 57
Hình 4.13: Phổ MUSIC – 3D của FDFIB–MUSIC. ..................................................... 57
Hình 4.14: RMSE của TCT/FDFIB/G-MUSIC [200, 128, 128]và độ lệch RMSE của
FDFIB/G so với TCT–MUSIC, ∅: 800. ....................................................................... 58


Hình 4.15: RMSE của TCT/FDFIB/G-MUSIC [200, 128, 128]và độ lệch RMSE của
FDFIB/G so với TCT–MUSIC, ∅: 900. ....................................................................... 58
Hình 4.16: RMSE của TCT/FDFIB/G-MUSIC [200, 128, 128]và độ lệch RMSE của
FDFIB/G so với TCT–MUSIC ∅: 1000. ...................................................................... 59
Hình 4.17: Bias của TCT/FDFIB/G-MUSIC [200, 128, 128]và độ lệch Bias của FDFIB/G
so với TCT–MUSIC, ∅ : 80 0....................................................................................... 59
Hình 4.18: Bias của TCT/FDFIB/G-MUSIC [200, 128, 128] và độ lệch Bias của FDFIB/G
so với TCT–MUSIC, ∅ : 90 0....................................................................................... 60
Hình 4.19: Bias của TCT/FDFIB/G-MUSIC [200, 128, 128] và độ lệch Bias của FDFIB/G

so với TCT–MUSIC, ∅ : 1000. .................................................................................... 60
Hình 4.20: Prs TCT/FDFIB/G-MUSIC [200, 128, 128]và độ lệch Prs của FDFIB/G so với
TCT–MUSIC, ∅: 80 0. ............................................................................................... 61
Hình 4.21: Prs TCT/FDFIB/G-MUSIC [200, 128, 128] và độ lệch Prs của FDFIB/G so với
TCT–MUSIC, ∅: 90 0. ............................................................................................... 61
Hình 4.22: Prs TCT/FDFIB/G-MUSIC [200, 128, 128]và độ lệch Prs của FDFIB/G so với
TCT–MUSIC, ∅: 1000. ............................................................................................. 62
Hình 5.1: Bù lỗi mảng và ghép tương hỗ. ........................................................................ 70
Hình 5.2: Phổ TCT/EE/EEC/NT–MUSIC [200,128,128]. ............................................. 72
Hình 5.3: Phổ MUSIC – 3D của TCT–MUSIC–EE. ..................................................... 73
Hình 5.4: Phổ MUSIC – 3D của TCT–MUSIC–EEC. .................................................. 73
Hình 5.5: Phổ MUSIC – 3D của NT–MUSIC. ............................................................. 73
Hình 5.6: RMSE của TCT/EE/EEC/NT–MUSIC [200,128,128], ∅: 800. ........................ 74
Hình 5.7: RMSE của TCT/EE/EEC/NT–MUSIC [200,128,128], ∅: 90 0. ....................... 74
Hình 5.8: RMSE của TCT/EE/EEC/NT–MUSIC [200,128,128], ∅: 100 0........................ 75
Hình 5.9: Bias của TCT/EE/EEC/NT–MUSIC [200,128,128], ∅: 80 0. ........................... 75
Hình 5.10: Bias của TCT/EE/EEC/NT–MUSIC [200,128,128], ∅: 900. ......................... 76
Hình 5.11: Bias của TCT/EE/EEC/NT–MUSIC [200,128,128], ∅: 100 0......................... 76
Hình 4.12: Prs TCT/EE/EEC/NT–MUSIC [200, 128, 128], ∅: 800. ............................... 77
Hình 5.13: Prs TCT/EE/EEC/NT–MUSIC [200, 128, 128], ∅: 900. ............................... 77
Hình 5.14: Prs TCT/EE/EEC/NT–MUSIC [200, 128, 128], ∅: 1000. ............................. 78
Hình 5.15: Phổ FDFIB/EE/EEC–MUSIC [200,128,128]. ............................................ 78
Hình 5.16: Phổ MUSIC – 3D của FDFIB–MUSIC–EE. ............................................... 79
Hình 5.17: Phổ MUSIC – 3D của FDFIB–MUSIC–EEC.............................................. 79


Hình 5.18: RMSE của FDFIB/EE/EEC–MUSIC [200,128,128], ∅: 800 ......................... 80
Hình 5.19: RMSE của FDFIB/EE/EE–MUSIC [200,128,128], ∅: 900 ........................... 80
Hình 5.20: RMSE của FDFIB/EE/EEC–MUSIC [200,128,128], ∅: 100 0 ....................... 81
Hình 5.21: Bias của FDFIB/EE/EEC–MUSIC [200,128,128], ∅: 800 ............................ 81

Hình 5.22: Bias của FDFIB/EE/EEC/NT–MUSIC [200,128,128], ∅: 90 0 ...................... 82
Hình 5.23: Bias của FDFIB/EE/EEC–MUSIC [200,128,128], ..................................... 82
Hình 5.24: Prs FDFIB/EE/EEC–MUSIC [200, 128, 128], ∅: 800. ................................ 83
Hình 5.25: Prs FDFIB/EE/EEC–MUSIC [200, 128, 128], ∅: 900. ................................ 83
Hình 5.26: Prs FDFIB/EE/EEC–MUSIC [200, 128, 128], ∅: 1000................................ 84
Hình 5.27: Quá trình hội tụ trọng số. ......................................................................... 84
Hình 5.28: Phổ MUSIC của FDFIB/EE/EEC và FDFIB–ADV [200,128,128]. ............... 85
Hình 5.29: RMSE của FDFIB/EE/EEC–MUSIC [200,128,128], ∅: 800. ........................ 85
Hình 5.30: RMSE của FDFIB/EE/EE–MUSIC [200,128,128], ∅: 900. .......................... 86
Hình 5.31: RMSE của FDFIB/EE/EEC–MUSIC [200,128,128], ∅: 1000. ...................... 86
Hình 5.32: Bias của FDFIB/EE/EEC/AVD–MUSIC [200,128,128], ∅: 80 0. ................... 87
Hình 5.33: Bias của FDFIB/EE/EEC/ADV–MUSIC [200,128,128], ∅: 90 0. ................... 87
Hình 5.34: Bias của FDFIB/EE/EEC–MUSIC [200,128,128], ∅: 1000. ......................... 88
Hình 5.35: Prs FDFIB/EE/EEC–MUSIC [200, 128, 128], ∅: 800. ................................ 88
Hình 5.36: Prs FDFIB/EE/EEC–MUSIC [200, 128, 128], ∅: 900. ................................ 89
Hình 5.37: Prs FDFIB/EE/EEC–MUSIC [200, 128, 128],∅ : 1000................................ 89

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Ứng dụng anten thông minh trong các hệ thống truyền thông vô tuyến...39
Bảng 4.1: So sánh các trị riêng của 2 phương pháp CSS và TCT [14]……………..46
Bảng 4.2: Fractional bandwidth với số bin tần số khác nhau .………………………55


TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Tồn bộ luận văn được chia thành 6 chương.
Chương 1: Giới thiệu. Giới thiệu yêu cầu trong xu hướng phát triển truyền
thông vô tuyến. Xu hướng khai thác phân tập khơng gian tín hiệu vơ tuyến. Đồng
thời, trình bày các kết quả nghiên cứu gần đây về anten thơng minh nói chung và các
kỹ thuật xác định hướng đến tín hiệu: DOA tín hiệu băng hẹp, băng rộng và nguồn

phân bố. Đặt vấn đề về xác định DOA cho nguồn băng rộng – mảng thực. Đồng thời
cũng chỉ rõ mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài.
Chương 2: Giới thiệu hệ thống anten thông minh. Giới thiệu một số hệ thống
anten khác nhau được ứng dụng trong các hệ thống thông tin vơ tuyến. Do đặc tính
phức tạp của mơi trường vô tuyến và yêu cầu ngày càng cao của các ứng dụng mà
các hệ thống anten truyền thống trước khi anten thông minh ra đời ngày càng thể
hiện các nhược điểm cần giải quyết. Các vấn đề này được giải quyết tương đối tốt
với anten thơng minh và do đó nâng cao chất lượng đường truyền, độ lợi xử lý và
tăng cường dịch vụ. Ta cũng so sánh các hệ thống anten truyền thống và anten thông
minh. Đồng thời, hai kỹ thuật được sử dụng trong anten thông minh cũng được so
sánh để chỉ ra ưu và nhược điểm của chúng nhằm đáp ứng được yêu cầu cho các ứng
dụng cũng như chi phí phát triển.
Chương 3: Ước lượng hướng đến với tín hiệu băng hẹp – nguồn điểm –
mảng lý tưởng. Giới thiệu kỹ thuật ước lượng DOA băng hẹp với giải thuật MUSIC
làm cơ sở cho việc ứng dụng kỹ thuật này trong băng rộng sau khi thực hiện phương
pháp chia băng thơng của tín hiệu băng rộng thành các tín hiệu băng hẹp và qua biến
đổi FFT để thực hiện xử lý trong miền tần số.
Chương 4: Ước lượng hướng đến với tín hiệu băng rộng – nguồn điểm –
mảng lý tưởng. Giới thiệu một số kỹ thuật ước lượng DOA được sử dụng dựa trên
phương pháp khơng gian con tín hiệu. Các kỹ thuật được giới thiệu gồm: CSS, TCT


và FDFIB. Trong chương này ta xét bài toán ước lượng DOA cho tín hiệu băng
rộng, mảng lý tưởng. Đồng thời, các kết quả được thể hiện thông qua phần mô
phỏng. Trong luận văn này ta chỉ tập trung vào nghiên cứu và ứng dụng các kỹ thuật
vừa giới thiệu.
Chương 5: Ước lượng hướng đến với tín hiệu băng rộng – nguồn điểm –
mảng thực. Sử dụng các kỹ thuật được giới thiệu trong chương 4 để xét bài toán
ước lượng DOA băng rộng cho mảng thực. Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng đối với
mảng thực, các kết quả ước lượng DOA kém hơn nhiều so với kết quả của mảng lý

tưởng. Kết quả mô phỏng cũng làm sáng tỏ mức độ ảnh hưởng các lỗi của mảng và
ghép tương hỗ. Nếu chỉ xét các lỗi của mảng thì kết quả ước lượng DOA tiệm cận
với trường hợp lý tưởng. Tuy nhiên, khi xét thêm ghép tương hỗ, thì kết quả kém
hơn rất nhiều so với trường hợp mảng lý tưởng. Cũng trong chương này ta đã giới
thiệu kỹ thuật Biến đổi danh định được phát triển dựa trên TCT. Phương pháp này
cho kết quả ước lượng cải thiện đáng kể so với TCT truyền thống ứng dụng cho
mảng thực. Cuối cùng, một phương pháp dựa trên FDFIB truyền thống được đề
xuất, Phương pháp FDFIB cải tiến. Phương pháp này dựa trên ý tưởng biến đổi sao
cho ma trận trọng số của mảng lỗi và ghép tương hỗ (mảng thực) “hội tụ” về ma trận
trọng số trong trường hợp lý tưởng. Việc hội tụ này được thực hiện bằng giải thuật
thích nghi LMS. Kết quả mơ phỏng cũng chỉ ra rằng phương pháp này cải thiện
DOA hơn so với sử dụng FDFIB truyền thống cho mảng thực
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài. Tổng kết các vấn đề đã được
trình bày trong luận văn. Kết quả đạt được trong nghiên cứu và mô phỏng của đề tài.
Tính thực tiễn của nội dung nghiên cứu. Các tồn tại và hạn chế của luận văn. Và
cuối cùng là hướng phát triển, mở rộng của đề tài.


DANH SÁCH CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
1D

: 1 dimension

2D

: 2 dimensions

3D

: 3 dimensions

ADC

: Analog to Digital Converter

AIC

: Akaiake Information Criterion

AMPS

: Advanced Mobile Phone Service

APE

: Array Position Error

BASS–ALE : Broadband Signal–Subspace Spatial–Spectrum Estimation
BER

: Bit Error Rate

BTS

: Base Transceiver Station

CDMA

: Code Division Multiple Access

C/I

: Carrier to Interference ratio

CRB

: Cramér Rao lower Bound

CSS

: Coherent Signal Subspace

DFT

: Decret Fourier Transformation

DOA

: Direction of arrival

DSP

: Digital Signal Processing

ESPRIT

: Estimation of the Signal Parameter via Rotational Invariance
Technique

FFT

: Fast Fourier Transformation

FDFIB

: Frequency–Domain Frequency–Invariant Beamformer

FIB

: Frequency–Invariant Beamformer

FDD

: Frequency Division Duplex

FDMA

: Frequency Division Multiple Access

GPE

: Gain – Phase Error

GSM

: Global System of Mobile

ISS

: Incoherent Signal Subspace

LMS

: Least Mean Square

MC

: Mutual Coupling

MDL

: Minimum Description Length

MIMO

: Multi Input – Multi Output

ML

: Maximum Likelihood

MUSIC

: MUltiple SIgnal Classification

NLOS

: Non – Light Of Sight

NT

: Nominal Transformation

RF

: Radio Frequency

RLS

: Rescursive Least Square

RMSE

: Root Mean Square Error

SDMA

: Space Division Multiple Access

SIR

: Signal to Interference Ratio

SNR

: Signal to Noise Ratio

STCM

: Steer Covariance Matrix

TDD

: Time Division Duplex

TDMA

: Time Division Multiple Access

TCT

: Two–side Correlation Transformation

TDFIB

: Time–Domain Frequency–Invariant Beamformer

UCA

: Uniform circular array

ULA

: Uniform linear array


ABSTRACT
The DOA estimation techniques that are used in array signal processing depend on the
incident signal spatial and temporal characteristics. In this thesis, we consider wideband

point sources. For these sources, we consider one approach to wideband array signal
processing is based on sampling the spectrum of the source signals to generate narrowband
signals. Then, using a focusing approach, the information at different frequency bins are
combined.
Here, an optimal method to select a focusing subspace for the well–known coherent
signal–subspace method (CSS) is pressented. It is also shown that with the CSS method
unbiased estimation of the direction–of–arrival (DOA) is not possible. Inspired by the CSS
algorithm, a method for wideband array processing is mentioned which is based on two–
sided transformation of the correlation matrices (TCT). The TCT estimator can generate
unbiased estimates of the DOAs and has a lower resolution threshold than the CSS
algorithm.
Besides, in this thesis, we also use another wideband DOA estimation method for
wideband smart antennas based on Frequency–Invariant Beamformers network and then
processes output, is called as beam–space signals, in frequency domain. It is called FDFIB
method. This method transform from the (antenna) element–space into the beam–space. It
provides low computational time and simple implementation. The performance of it in
comparison with conventional wideband methods is illustrated in simulation results.
In array signal processing it is frequently assumed that the arrays are ideal. This
assumption is not satisfied in reality. There are no ideal arrays. In practice, arrays always
have some errors such as: element position, gain–phase errors and especially having mutual
coupling between elements within the array. An array with these characteristic is called as
real array. DOAs of real arrays are always worse than ideal arrays’. In this thesis, an
advanced method based on TCT is developed for compensation real array problems.
Besides, a new method based on FDFIB is also proposed to enhance DOA estimations.
All of these methods mentioned so far are applied for coherently wideband source
points. Their simulation results will be presented at the end of Chapter 4 and chapter 5.


Chương 1: Giới thiệu

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU

1.1 Đặt vấn đề và tình hình nghiên cứu hiện nay
Ngày nay, cơng nghệ truyền thơng nói chung, truyền thơng vơ tuyến nói riêng
đang phát triển mạnh mẽ. Các công nghệ và ứng dụng luôn thay đổi, đặc biệt là đối
với kỹ thuật truyền thông vô tuyến. Các ứng dụng trên thiết bị vô tuyến đòi hỏi ngày
càng cao về tốc độ truyền dữ liệu. Điều này đồng nghĩa với việc sử dụng các tín
hiệu băng rộng để truyền thông là cần thiết. Tuy nhiên, phổ tần số là nguồn tài
nguyên hữu hạn. Điều đó bắt buộc giới khoa học phải ln tìm và phát triển các kỹ
thuật mới để khai thác nguồn tài nguyên này: phân tập về mã, không gian, thời gian,
các phương pháp điều chế, mã hóa hiệu quả… nhằm tiết kiệm băng thông và tăng
SNR, giảm BER và cực đại tốc độ truyền dữ liệu.
Một kỹ thuật được đưa ra gần đây và được hưởng ứng nhiều từ các cơng trình
nghiên cứu là kỹ thuật MIMO làm tăng số kênh truyền vô tuyến bằng cách tăng số
anten thu – phát cho các tín hiệu, dẫn đến tăng SNR. Tuy nhiên, kỹ thuật này đòi
hỏi khả năng xử lý cao, nhiều anten thu phát, nhiều bộ khếch đại nên khó tích hợp
vào các thiết bị cầm tay cá nhân. Song song đó một kỹ thuật khác đã và đang được
nghiên cứu, triển khai thực tế là kỹ thuật anten mảng kết hợp với các giải thuật thích
nghi được triển khai dưới dạng các chương trình tích hợp với phần cứng hay cịn gọi
là anten thông minh.
Sử dụng anten thông minh trong thông tin vơ tuyến có nhiều lợi điểm như:
 Đa truy cập theo không gian – SDMA.

1


Chương 1: Giới thiệu

 Tăng SNR do anten thông minh ước lượng hướng đến và tạo búp sóng tương
ứng hướng đến tín hiệu, làm giảm cơng suất phát, tăng cơng suất thu, giảm
nhiễu đồng kênh.
 Tăng dung lượng của hệ thống.
 Sử dụng hiệu quả phổ tần số vì khơng cần phân tập thêm về tần số.
 Giảm chi phí khi lắp đặt các trạm thu/phát sóng.
 Giảm hiện tượng fading – đa đường nâng cao chất lượng của hệ thống.
 Ứng dụng linh hoạt cho các hệ thống dùng CDMA, TDMA, ….
Với những thế mạnh, ưu điểm này, sử dụng anten thông minh chứng tỏ là sự lựa
chọn cần thiết, một ứng dụng quan trọng và là một lĩnh vực cần được quan tâm,
nghiên cứu và phát triển.
Anten thông minh hoạt động dựa trên kỹ thuật xử lý mảng. Một trong những vấn
đề quan trọng của kỹ thuật này là ước lượng hướng đến (ước lượng DOA) của tín
hiệu vơ tuyến. Các thơng tin về hướng đến của tín hiệu được sử dụng để tính tốn
cập nhật các trọng số thích hợp cho từng phần tử anten nhằm tạo búp sóng tối ưu
hướng đến nguồn tín hiệu và null tại các hướng khác giúp giảm ảnh hưởng của
nhiễu đồng kênh từ các nguồn tín hiệu khác. Về phía phát, anten mảng chỉ bức xạ
công suất về hướng máy thu bằng cách tạo các búp sóng lái. Bằng cách này, phía
máy phát có thể tập trung năng lượng về phía máy thu, dẫn đến tiết kiệm được năng
lượng, giảm ảnh hưởng nhiễu đồng kênh đến các máy thu khác, tăng độ lợi và tăng
dung lượng hệ thống.
Với tầm quan trọng của kỹ thuật ước lượng DOA như thế, nhiều kỹ DOA đã
được nghiên cứu và đề xuất. Các kỹ thuật ước lượng DOA được chia thành 2 nhóm:
Phương pháp ước lượng phổ: Phương pháp Bartlet, MVDR, dự đốn tuyến
tính, cực đại Entropy và phương pháp ML.

2


Chương 1: Giới thiệu

Các phương pháp dựa vào cấu trúc trị riêng: Phương pháp MUSIC, cực tiểu
chuẩn hóa (Min–Norm), CLOSET, ESPRIT.
Tuy nhiên, kỹ thuật DOA dùng các phương pháp dựa vào cấu trúc trị riêng nói
chung và MUSIC nói riêng đã và đang được quan tâm và nghiên cứu từ nhiều cơng
trình khoa học vì hiệu quả xử lý cao. Kỹ thuật MUSIC dựa trên cấu trúc trị riêng
cho hiệu suất tốt và độ phân giải cao hơn so với các kỹ thuật khác. Đây là kỹ thuật
sẽ được đề cập và sử sụng xuyên suốt luận văn này.
Các kỹ thuật xử lý mảng ban đầu được phát triển cho các nguồn tín hiệu băng
hẹp. Tuy nhiên, do yêu cầu của ứng dụng nên có nhiều cơng trình nghiên cứu các kỹ
thuật xử lý mảng cho tín hiệu băng rộng. Các tín hiệu băng rộng thường có tỷ lệ
băng thơng/tần số trung tâm lớn hơn 1%. Các kỹ thuật DOA băng hẹp hiệu quả như
MUSIC hay ESPRIT không thể áp dụng trực tiếp cho băng rộng do phổ tín hiệu trải
rộng trên một dải tần số. Để có thể áp dụng các kỹ thuật này cho băng rộng, trước
tiên, tín hiệu băng rộng được phân tích FFT trong miền tần số để tạo ra các tín hiệu
băng hẹp. Có nhiều phương pháp ước lượng DOA đã được đề xuất:
 Phương pháp khơng gian con tín hiệu Incoherent – ISS:
Các kỹ thuật DOA băng hẹp được áp dụng cho các mẫu tín hiệu băng hẹp sau
khi thực hiện FFT và sau đó chúng được kết hợp để có kết quả cuối cùng. Tuy
nhiên, kỹ thuật này chỉ áp dụng cho các nguồn incoherent. Với các nguồn coherent,
kỹ thuật này không hiệu quả khi SNR thấp và khoảng cách giữa hai nguồn nhỏ.
 Phương pháp khơng gian con tín hiệu Coherent – CSS:
Phương pháp này tập trung năng lượng tín hiệu băng hẹp vào một không gian
con được định nghĩa sẵn. Quá trình này gọi là hội tụ. Ma trận tương quan tổng quát
được tạo ra bằng cách kết hợp các thành phần băng hẹp. Do đó có các đặc tính của
ma trận tương quan băng hẹp. Sau đó sử dụng các kỹ thuật ước lượng DOA băng
hẹp như MUSIC hay ESPRIT cho ma trận tương quan tổng quát. Kỹ thuật này cải
thiện xác suất phân giải các nguồn và ước lượng được các nguồn coherent. Một số
3

Chương 1: Giới thiệu

kỹ thuật CSS được đề xuất: BASS–ALE, STCM cải thiện sai lệch giữa DOA ước
lượng và DOA thực. Tuy nhiên, các phương pháp CSS đòi hỏi giá trị DOA tiền ước
lượng tiệm cận với DOA thực. Giá trị DOA tiền ước lượng ảnh hưởng đến độ hiệu
quả của kỹ thuật.
Ngoài ra, phương pháp TCT xử lý mảng băng rộng dựa trên việc tính ma trận
biến đổi hội tụ sao cho cực tiểu không gian con fitting lỗi. Phương pháp này cho các
giá trị DOA không sai lệch với SNR nhỏ và đồng thời có phương sai tổng quát nhỏ
hơn so với CSS. Tuy nhiên, kỹ thuật này cũng cần giá trị DOA tiền ước lượng.
Gần đây, phương pháp TDFIB được đề xuất cho tín hiệu băng rộng dựa trên việc
xử lý trong miền búp sóng–khơng gian sử dụng các bộ beamformer tần số bất biến
trong miền thời gian. TDFIB không cần các giá trị DOA tiền ước lượng và có độ
phức tạp tính tốn thấp. Tuy nhiên, đặc tính bất biến tần số phụ thuộc vào số anten,
cấu trúc mảng và độ phức tạp khi thiết kế các bộ lọc.
Để khắc phục các vấn đề này, phương pháp FDFIB được đề xuất dựa trên việc
sử dụng các bộ FIBs xử lý trong miền tần số. Kỹ thuật này có thể áp dụng cho mảng
anten bất kỳ, khơng cần DOA tiền ước lượng và giảm độ phức tạp tính tốn. Các bộ
FIBs tính tốn các trọng số tại mỗi tần số khác nhau để đảm bảo đáp ứng của các bộ
FIBs là bất biến trên tồn băng thơng. Trong phương pháp này, FIBs đóng vai trị là
các bộ xử lý không gian, biến đổi từ miền phần tử – khơng gian sang miền búp sóng
– khơng gian. Các phương pháp băng hẹp như MUSIC được sử dụng để ước lượng
DOA trong miền búp sóng – khơng gian tại tần số chọn trước trong băng thông. Kỹ
thuật này cho kết quả tốt so sánh được với phương pháp TCT.
Trong xử lý mảng, người ta giả định rằng các mảng là lý tưởng. Điều này có
nghĩa là các phần tử là đồng nhất, khơng lỗi về vị trí, pha – độ lợi và ghép tương hỗ
điện từ giữa các phần tử. Với mảng lý tưởng, các kết quả ước lượng DOA thường
tốt. Tuy nhiên, các mảng này không tồn tại trong thực tế. Thực tế các phần tử mảng
không đồng nhất, ln có lỗi vị trí, pha – độ lợi và ghép tương hỗ. Các mảng có một

hoặc tất cả các đặc tính trên được gọi là mảng thực. Với mảng thực, các kết quả ước
4


Chương 1: Giới thiệu

lượng DOA thường rất kém. Đây là vấn đề có tính thực tế và được xem xét, nghiên
cứu trong luận văn này.
Ngồi ra, các nguồn tín hiệu đến mảng cũng được giả định là nguồn điểm. Trong
trường hợp này, chiều của khơng gian con tín hiệu bằng với số tín hiệu đến khơng
tương quan. Do đó, mỗi nguồn có một chiều trong khơng gian con tín hiệu. Tuy
nhiên trong thực tế, do các hiện tượng trễ, tán xạ, phản xạ nên tín hiệu tới mảng
khơng cịn là nguồn điểm nữa mà bị trải ra trong không gian gọi là nguồn phân bố.
Nguồn phân bố được xem là sự kết hợp của nhiều nguồn điểm gần nhau đến mảng.
Để xấp xỉ tốt thì số nguồn phải lớn. Nếu số nguồn lớn hơn số phần tử mảng thì
khơng thể ước lượng DOA được. Khi đó, chiều của ma trận vị trí trải dài trên tồn
bộ khơng gian tín hiệu và không gian nhiễu trống. Đây là lý do dẫn đến các phương
pháp ước lượng DOA cổ điển như MUSIC và ESPRIT dựa vào phân tích khơng
gian con nhiễu và tín hiệu gây ra lỗi lớn khi áp dụng cho các tín hiệu phân bố.
Việc xây dựng mơ hình nguồn phân bố không gian cho các nguồn coherent và
noncoherent, đồng thời tổng qt hóa thuật tốn MUSIC để ước lượng DOA cho
băng rộng là cần thiết để xem xét các ảnh hưởng của nguồn phân bố đến tín hiệu
băng rộng. Điều này có giá trị lớn trong thực tế cần xem xét và nghiên cứu.

1.2 Mục đích – Đối tượng – Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi của Luận văn tốt nghiệp tập trung vào nghiên cứu, trình bày các kỹ
thuật xác định hướng đến của tín hiệu băng rộng, nguồn điểm, các tín hiệu đến
khơng tương quan, mảng thực cho các kỹ thuật: CSS, TCT và FDFIB. Đồng thời,
các chương trình sử dụng Matlab được phát triển để mơ phỏng các kỹ thuật ước
lượng này. Từ đó thể hiện tính hiệu quả của các kỹ thuật ước lượng DOA băng rộng

khác nhau. Ngoài ra, một phương pháp FDFIB cải tiến được đề xuất trong luận văn
nhằm bù lại ảnh hưởng của các yếu tố trong mảng thực. Kết quả mô phỏng các lý
thuyết đã trình bày dựa trên các tiêu chí: phổ MUSIC, sai số trung bình bình phương
RMSE theo SNR, xác xuất phân giải nguồn theo SNR, ảnh hưởng của số bin tần số.

5


Chương 1: Giới thiệu

1.3 Bố cục của luận văn
Luận văn được chia thành 6 chương chính bao gồm:
Chương 1: Giới thiệu
 Đặt vấn đề và nêu ra mục đích cũng như ý nghĩa của đề tài.
Chương 2: Giới thiệu hệ thống anten thông minh
 Giới thiệu chung về các anten truyền thống.
 Giớ thiệu anten thông minh.
 Hai kỹ thuật được sử dụng trong anten thông minh.
 So sánh ưu và nhược điểm của anten truyền thống và anten thông minh.
 So sánh hai kỹ thuật được sử dụng trong anten thông minh.
 Ứng dụng của anten thông minh.
Chương 3: Ước lượng hướng đến với tín hiệu băng hẹp – nguồn điểm –
mảng lý tưởng
 Giới thiệu bài toán DOA.
 Mơ hình dữ liệu băng hẹp.
 Giải thuật MUSIC.
 Các giải thuật MUSIC khác.
 Các phương pháp xác định số nguồn tín hiệu đến.
Chương 4: Ước lượng hướng đến với tín hiệu băng rộng – nguồn điểm –
mảng lý tưởng

 Mơ hình tín hiệu băng rộng.
 Giới thiệu phương pháp khơng gian con tín hiệu.
 Phương pháp khơng gian con tín hiệu Incoherent.
6


Chương 1: Giới thiệu

 Phương pháp khơng gian con tín hiệu Coherent.
 Phương pháp CSS lựa chọn không gian con hội tụ tối ưu.
 Phương pháp TCT.
 So sánh phương pháp CSS và TCT.
 Phương pháp búp sóng – khơng gian.
 Phương pháp TDFDB.
 Phương pháp FDFIB.
 Kết quả mô phỏng.
Chương 5: Ước lượng hướng đến với tín hiệu băng rộng – nguồn điểm –
mảng thực
 Mơ hình tín hiệu với mảng thực.
 Phương pháp TCT và FDFIB với mảng thực.
 Phương pháp TCT biến đổi danh định – TCT cải tiến.
 Phương pháp FDFIB cải tiến.
 Kết quả mô phỏng.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài
 Kết luận
 Hướng phát triển đề tài

1.4 Ý nghĩa của đề tài
Đề tài nghiên cứu và mô phỏng các phương pháp ước lượng DOA băng rộng
dựa trên kỹ thuật CSS, TCT và FDFIB với mảng thực. Đồng thời, đề xuất phương

pháp FDFIB cải tiến nhằm bù lại các lỗi trong mảng thực. Đây là một hướng nghiên
cứu khá mới mẻ, góp phần nhỏ vào lĩnh vực phát triển và ứng dụng hệ thống anten
thông minh vào thực tế, đáp ứng yêu cầu băng rộng ngày càng cao của các ứng
dụng. Các kết quả mô phỏng là tiền đề cho việc thử nghiệm phần cứng, từ đó thiết
kế các ASIC, các hệ thống phần mềm nhúng, DSP phục vụ trong một số hệ thống
thực.
7


Chương 2: Giới thiệu hệ thống anten thông minh

CHƯƠNG 2

GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ANTEN THÔNG MINH

Giới thiệu và mục tiêu của chương
Chương này giới thiệu sơ lược hệ thống anten thơng minh cùng các ứng dụng
cũng như lợi ích mà hệ thống anten thông minh mang lại trong các ứng dụng truyền
thông vô tuyến. Đồng thời cũng so sánh ưu và nhược điểm giữa các loại anten thông
minh khác nhau và giữa anten thông minh cùng các loại anten truyền thống.

2.1 Phân loại các hệ thống anten
Trên quan điểm bức xạ – tổ hợp bức xạ của các anten/hệ thống anten, ta chia
thành các loại sau:

2.1.1 Anten đẳng hướng – Omnidirectional antennas
Các dipole lý tưởng tạo ra bức xạ băng hẹp đẳng hướng. Tín hiệu bức xạ và thu
được của loại anten này đồng nhất theo mọi hướng. Khi sử dụng trong các hệ thống
vơ tuyến, do tính đẳng hướng nên chỉ một phần năng lượng nhỏ trên tổng năng
lượng bức xạ đến được máy thu. Loại này có zimuth là 3600. Khi sử dụng trong các

hệ thống thông tin di động, nhiễu giao thoa đồng kênh (đơn giản ta gọi là nhiễu
đồng kênh) tăng lên, hệ số tái sử dụng tần số giảm và do đó giảm dung lượng hệ
thống.

2.1.2 Anten định hướng – Directional antennas
Khi kết hợp các dipole riêng biệt theo một cấu trúc hình học thích hợp để tạo
thành mảng và đặt vào một nguồn kích thích (dịng, áp) thì mảng tạo ra bức xạ có

8


Chương 2: Giới thiệu hệ thống anten thơng minh

hướng tính. Với loại anten này, không gian xung quanh anten được chia thành 3
sector, mỗi sector 1200. Do đó năng lượng bức xạ được tập trung theo một hướng
nhất định được quyết định bởi azimuth nhưng không khắc phục được nhiễu đồng
kênh. Tuy nhiên, độ lợi tăng.

2.1.3 Anten chia sector – Sectorized antennas
Loại anten này được cải tiến từ anten có hướng tính ở trên bằng cách chia các
sector 1200 thành các sector nhỏ hơn. Để thực hiện người ta ghép nhiều anten
hướng tính có góc phủ bé hơn lại với nhau. Bằng phương pháp này, độ định hướng
của anten tăng lên và do đó giảm thiểu được nhiễu đồng kênh.

2.1.4 Anten phân tập – Diversity antennas
Loại anten này có thể giảm thiểu ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường, do đó tăng
cường tín hiệu. Các anten được phân tập khơng gian. Có hai phương pháp phân tập
khơng gian cho loại anten này:
1) Phân tập luân chuyển – switched diversity
Với loại phân tập này, ta giả định rằng tại một thời điểm có ít nhất một anten

nằm trong miền thu được tín hiệu mạnh. Có sự ln chuyển giữa các anten sao cho
tín hiệu thu được mạnh nhất. Do đó giảm ảnh hưởng của fading nhưng không tăng
độ lợi do tại một thời điểm chỉ có một anten hoạt động.
2) Phân tập kết hợp
Phương pháp này sửa pha của hai tín hiệu và đồng thời kết hợp cơng suất của hai
tín hiệu nhằm tăng độ lợi.
Hầu hết các hệ thống phân tập được sử dụng tại trạm thu phát gốc, BTS (cho
đường uplink).

9


Chương 2: Giới thiệu hệ thống anten thông minh

2.1.5 Anten thông minh – Smart antennas
Hệ thống anten thông minh khắc phục được hầu hết các hạn chế của các hệ
thống anten ở trên; đồng thời có những ưu điểm vượt trội và do đó được ứng dụng
rộng rãi hơn trong các hệ thống thông tin vô tuyến hiện nay. Trong mục 2.2 sẽ trình
bày tổng quan về hệ thống anten thông minh.

2.2 Anten thông minh
2.2.1 Giới thiệu anten thông minh
Các thế hệ hiện tại và tương lai của hệ thống thông tin di động, chẳng hạn như
3G và 4G, các mạng truy cập băng rộng được phát triển nhằm cung cấp nhiều dịch
vụ khác nhau, chẳng hạn như: multimedia, video conference, quảng bá… thông qua
các kênh vô tuyến tin cậy tốc độ cao. Các kênh vô tuyến tốc độ cao có thể có được
với băng thơng rộng ở các dải tần cao như vi ba, Ka, và sóng milimet. Hệ thống
anten thông minh được phát triển từ những năm 90 và hiện nay trở thành cơng nghệ
chính cho các ứng dụng trong các hệ thống thông tin di động. Hơn nữa, trong các hệ
thống thơng tin tương lai, các tín hiệu băng rộng sẽ được sử dụng để đáp ứng các

yêu cầu tốc độ dữ liệu cao, cải thiện chất lượng đường truyền vô tuyến mà các hệ
thống anten thông thường trước đây vẫn bị giới hạn bởi nhiễu (đây là vấn đề chính
ảnh hưởng đến dung lượng của hệ thống), tán xạ cục bộ, truyền đa đường. Tốc độ
dữ liệu biên đơn người dùng tăng tuyến tính với số anten tại máy phát và máy thu.
Do đó, việc tăng băng thơng tín hiệu cùng với việc sử dụng mảng anten là một
phương pháp hiệu quả để tăng tốc độ trong các hệ thống thông tin vô tuyến.
Hệ thống anten thơng minh trong hình 2.1 là sự kết hợp anten mảng với xử lý tín
hiệu để tối ưu tự động bức xạ hoặc beam–pattern trong đáp ứng cho tín hiệu thu
được, [1]. Bản thân mảng anten “không thông minh”, sự thông minh của hệ thống
được quyết định bởi việc xử lý tín hiệu bằng phần cứng và phần mềm được cài đặt
với các chương trình thực hiện những giải thuật tối ưu. Dựa vào tín hiệu thu được,
các trọng số của bộ beamformer có thể được xác định bởi quá trình thích nghi (hiệu
10