Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu tham khảo đồ án tốt nghiệp chuyên ngành viễn thông xử lý tín hiệu không gian - thời gian
Mở đầuVấn đề xử lý tín hiệu không gian-thời gian bắt đầu đợc quan tâm từ năm 1958 và đợc kết hợp với xử lý thích nghi vào khoảng năm 1970, nhng việc nghiên cứu đi sâu và hình thành những hệ thống thực hiện hữu hiệu chỉ xuất hiện trong vài năm gần đây nhờ sự tiến bộ của công nghệ máy tính. Xử lý tín hiệu không gian-thời gian thích nghi đợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nh thông tin liên lạc, hàng không, hàng hải, địa chất, thiên văn, xử lý ảnh .Mục đích của quá trình xử lý tín hiệu không gian-thời gian thích nghi là nhằm tách lọc tín hiệu có ích ra khỏi các tín hiệu không mong muốn khác nh can nhiễu, tạp âm từ một tập hợp các tín hiệu thu đợc. Sự loại bỏ hoàn toàn nhiễu và tạp âm và một công việc lý tởng, không thể thực hiện đợc trên thực tế. Thực chất, ta chỉ có thể làm sáng rõ tín hiệu có ích trên nền các tín hiệu không mong muốn khác càng nhiều càng tốt, mà về mặt kỹ thuật đợc hiểu là làm tăng công suất của tín hiệu có ích trong khi làm giảm công suất của nhiễu và tạp âm.Những vấn đề lý thuyết và thực tế kỹ thuật trên đây là cơ sở chủ yếu để hình thành nội dung đề tài luận án: Xử lý tín hiệu không gian-thời gian.Mục tiêu của luận án là đi sâu nghiên cứu vấn đề làm cực đại hoá tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm SINR, với đối tợng nghiên cứu là kỹ thuật xử lý tín hiệu không gian- thời gian thích nghi.Nhiệm vụ chính của luận án là đa ra các kỹ thuật biến đổi không gian con, điển hình là hai phơng án bộ xử lý vector riêng phụ và bộ xử lý kênh phụ, đồng thời phân tích các u nhợc điểm của mỗi loại dựa trên các khái niệm cơ bản.Phạm vi nghiên cứu của luận án không đề cập đến tất cả lĩnh vực áp dụng của xử lý không gian- thời gian, mà chỉ nhấn mạnh về xử lý tín hiệu trong radar, bởi môi trờng hoạt động của tín hiệu radar là khốc liệt nhất và điển hình nhất.1 Phơng pháp nghiên cứu của luận án là dựa trên các lập luận giải tích, đồng thời thể hiện và kiểm chứng bằng các mô phỏng máy tính. Do đó kết qủa cuối cùng thờng đợc đánh giá và so sánh thông qua các đồ thị đặc tính.Cấu trúc luận án gồm phần mở đầu, 3 chơng và phần kết luận:Chơng 1: Tổng quan về xử lý không gian và xử lý thời gian.- Các khái niệm cơ bản về tín hiệu không gian và các giả thiết ban đầu.- Cách biểu diễn tín hiệu không gian và miền đối ngẫu của nó trong hệ toạ độ cực.- Cách biểu diễn tín hiệu không gian và miền đối ngẫu của nó trong hệ toạ độ Decade (Cartesian).- Bộ tạo tia (Beamformer) và các cấu trúc cơ bản của bộ tạo tia.- Mảng tuyến tính cách đều ULA.- Hiệu ứng Doppler và nguyên lý phát hiện mục tiêu trong nhiễu phản xạ qua xử lý Doppler.- Bank lọc Doppler.Chơng 2: Xử lý tín hiệu không gian thời gian thích nghi- Tổng quan về quá trình xử lý tín hiệu không gian- thời gian tối u.- Phân tích quá trình xử lý không gian- thời gian tối u.- Mạch lọc không gian- thời gian thích nghi.- Các khái niệm và kỹ thuật liên quan trong xử lý tín hiệu không gian- thời gian thích nghi.Chơng 3: Giải pháp cải thiện xử lý tín hiệu không gian- thời gian thích nghi.- Nguyên lý biến đổi không gian con.- Bộ xử lý vector riêng phụ AEP.- Bộ xử lý kênh phụ ACP.2 Phần kết luận: Đánh giá các kết quả nghiên cứu và đề xuất hớng phát triển của đề tài.3 Chơng 1Tổng quan về xử lý không gian và xử lý thời gian1.1.Các khái niệm cơ bản về tín hiệu không gianTín hiệu không gian- thời gian, gọi tắt là tín hiệu không gian, là tín hiệu đợc mang bởi các sóng truyền lan trong không gian, nh sóng điện từ, sóng âm thanh . thuộc loại tín hiệu nhiều chiều vì ngoài biến thời gian còn có các biến độc lập khác mang thông tin về vị trí không gian. Các sóng truyền lan mang tín hiệu không gian có biểu thức nhận đợc từ nghiệm của các phơng trình sóng. Đối với sóng điện từ, phơng trình sóng có thể đợc suy ra từ các phơng trình Maxwell.Tín hiệu không gian đợc mang bởi các sóng truyền lan liên tục, đa tới cho chúng ta thông tin về các sự kiện xảy ra từ một khoảng cách không gian nhất định. Chúng ta thu nhận và xử lý các tín hiệu đó bởi các hệ thống thụ động hoặc tích cực. Hệ thống thụ động thực hiện thu nhận và xử lý các tín hiệu phát ra từ một nguồn ở cách xa trong không gian (ví dụ nh thiết bị thu trong hệ thống thông tin), còn hệ thống tích cực tự phát xạ ra các sóng và các sóng này bị phản xạ từ các đối tợng quay trở lại phần thu của hệ thống, mà ở đó sẽ đợc phân tích để xử lý tách lọc ra thông tin (ví dụ nh các hệ thống radar, siêu âm). Từ đó xử lý tín hiệu không gian có thể hiểu nh việc tách lọc thông tin từ các sóng truyền lan. Khái niệm này còn có thể hiểu theo một ý khác nữa là quá trình cố gắng tách biệt tín hiệu có ích khỏi tạp âm, nhiễu hay thậm chí cả các tín hiệu khác nữa. Thông thờng điều này thực hiện trên cơ sở là năng lợng tín hiệu có ích có khác biệt so với các tín hiệu khác theo các biến thời gian, tần số, hớng truyền lan. Nh vậy có thể áp dụng quá trình lọc số nhiều chiều để thực hiện xử lý tín hiệu không gian vì nó cung cấp một cơ chế để tách riêng tín hiệu với một tập hợp đặc biệt các thông số tiêu chuẩn ra khỏi các tín hiệu khác.4 1.2. Các giả thiết ban đầuHoàn toàn không mất tính tổng quát và để đơn giản trong phân tích, ta có thể đa ra các giả thiết đối với tín hiệu không gian:1.2.1. Môi trờng truyền dẫn là tổn hao tối thiểu, không phân tán. Đó là môi trờng không làm suy yếu tín hiệu truyền lan so với các giá trị lý tởng nhận đợc từ các phơng trình sóng nói trên và tốc độ truyền lan sẽ không bị thay đổi. Một môi trờng phân tán sẽ làm tăng thêm sự phụ thuộc tần số vào quá trình truyền lan của sóng. Khi đó tín hiệu chuyển động đúng nhịp theo thời gian do môi trờng không phân tán và có một sự liên quan trực tiếp giữa không gian và thời gian mà chúng ta có thể xác định một thông số quan trọng của tín hiệu, đó là bớc sóng đợc tính bởi công thức:=ccF(1.1)đây chính là quãng đờng mà tín hiệu di chuyển đợc trong thời gian một chu kỳ.1.2.2. Các tín hiệu truyền lan đợc giả thiết là sinh ra bởi 1 nguồn điểmNghĩa là kích thớc của nguồn rất nhỏ so với khoảng cách giữa nguồn và các cảm biến đo tín hiệu. Mặt khác ta luôn có giả thiết là các cảm biến đo tín hiệu cũng có kích thớc không gian là một điểm (gọi là điểm thu) và đặt ngay tại tâm của hệ toạ độ không gian. Khi đó đờng thẳng nối giữa nguồn điểm và điểm thu đợc gọi là phơng truyền lan. Trờng hợp có nhiều nguồn điểm và một điểm thu, thì không gian lân cận điểm thu chính là môi trờng hoạt động của tín hiệu SOE (Signal Operational Environment) và tại điểm thu sẽ có sự chồng chất của các tín hiệu từ các nguồn điểm khác nhau.1.2.3. Môi trờng truyền lan là đẳng hớngKhi đó việc bức xạ năng lợng từ 1 nguồn điểm tạo thành các mặt sóng truyền lan đồng pha hình cầu. Nếu giả thiết rằng khoảng cách giữa nguồn và 5 các cảm biến đo tín hiệu là rất lớn thì có thể suy ra rằng mặt sóng truyền lan hình cầu xấp xỉ thành mặt sóng truyền lan phẳng gọi là mặt phẳng sóng. Nh vậy mặt phẳng sóng luôn vuông góc với phơng truyền lan. Sự xấp xỉ này đợc minh hoạ nh hình vẽ 1.11.3. Tín hiệu không gian trong hệ toạ độ cực1.3.1. Biểu diễn tín hiệu không gian trong hệ toạ độ cựcTrờng hợp tổng quát, cách biểu diễn trực quan nhất của tín hiệu không gian là ở hệ toạ độ cực, đó là một hàm theo 3 chiều không gian và 1 chiều thời gian, ký hiệu là s(R,t), trong đó ( ), ,az elR r = là biến véc tơ không gian chỉ vị trí theo toạ độ cực, với r R= gọi là độ lớn hay khoảng cách tới gốc, azlà góc phơng vị, el là góc ngẩng. Nh vậy tại một thời điểm ti , tín hiệu không gian ( , )i is R tđợc biểu diễn bằng một điểm ( ), ,i az elR r = trong không gian (hình 1.2)6Nguồn phát xạTrường gầnTrường xa. . . .Hình 1.1Phương truyền lanelazconeTín hiệu tớiNN-11 2 3Các cảm biếnHình 1.2 Đối với các sóng truyền lan đợc phát ra từ một nguồn đặt tại R0 , từ ph-ơng trình sóng suy ra một nghiệm là tín hiệu không gian có dạng:00( , ) exp 2cR RAs R t j F tR R c = (1.2)Trong đó: A Biên độ phức.Fc Tần số sóng mang.c Vận tốc truyền lan của sóng.Trong biểu thức này, ngầm định công nhận một giả thiết đặc biệt về vị trí của nguồn phát sóng tín hiệu là tại vô cùng, nghĩa là ( , )s R t = , khi đó do tính chất truyền lan cách xa nguồn ta đã loại bỏ đợc sự phụ thuộc vào góc phơng vị 0và góc ngẩng 0. Nghĩa là tín hiệu đi theo một đờng thẳng từ điểm có toạ độ R0 tới gốc toạ độ (là nơi đặt điểm thu). Nh vậy góc phơng vị 0và góc ngẩng 0 không thay đổi mà chỉ thay đổi khoảng cách r0 . Đờng thẳng này chính là phơng truyền lan và các mặt phẳng vuông góc với phơng truyền lan chính là mặt phẳng sóng. Góc lập bởi phơng truyền lan và đờng thẳng đi qua gốc vuông góc với trục gốc (cùng nằm trong một mặt phẳng với phơng truyền lan) đợc gọi là góc tới . Tất cả các tín hiệu truyền lan có cùng góc tới lập thành một mặt nón (Hình 1.2), đặc trng bằng góc đỉnh nón cone và ta có:sin sin .cosaz el =Mặc dù cách biểu diễn trong hệ toạ độ cực là dễ hình dung nhất, nhng trong các cách biểu diễn sang miền đối ngẫu bằng các phép biến đổi lại trở nên rất phức tạp. Vì thế, khi thực hiện các phân tích tín hiệu và hệ thống, ngời ta th-ờng sử dụng cách biểu diễn trong hệ toạ độ Cartesian.7 1.3.2 Miền đối ngẫu của tín hiệu không gian trong hệ toạ độ cựcTơng tự nh định nghĩa về tần số f, đại lợng đối ngẫu của thời gian (là số lần chu kỳ thời gian trong một đơn vị thời gian) là:1fT=Trong đó T gọi là chu kỳ thời gian để chỉ thời gian thực hiện một quá trình, ví dụ nh quá trình truyền lan của tín hiệu theo dạng sóng.Tần số không gian góc (hay số sóng góc) f đợc đinh nghĩa là:1fT=(1.3)Trong đó là chu kỳ góc không gian, chính là một góc không gian quay đợc trong khoảng thời gian 1 chu kỳ thời gian T của chuyển động truyền lan tín hiệu sóng. Tần số không gian góc f là đại lợng đối ngẫu của góc không gian và là số lần góc không gian quay đ-ợc cách quãng nhau theo góc trong một đơn vị góc (Hình 1.3)Nh vậy tơng ứng với góc phơng vị az và góc ngẩng el trong hệ toạ độ cực, ta cũng có các đại lợng tần số không gian góc phơng vị f và tần số không gian góc ngẩng f.Tần số không gian khoảng cách (số sóng khoảng cách):1rfR=(1.4)Trong đó R là chu kỳ khoảng cách không gian (theo phơng truyền lan của tín hiệu) hay cũng chính là khoảng cách giữa hai mặt phẳng sóng đồng pha liên tiếp. Lúc đó, tần số không gian khoảng cách rf là đại lợng đối ngẫu của khoảng 8Hình 1.3 cách không gian và là số lần dịch chuyển qua các khoảng cách chu kỳ R theo phơng truyền lan của tín hiệu sóng trên một đơn vị độ dài không gian. Theo hình 1.4, giả sử phơng truyền lan của tín hiệu là trục gốc của toạ độ cực có chu kỳ khoảng cách là (bớc sóng của tín hiệu truyền lan) thì tín hiệu có phơng truyền lan lập với trục gốc góc tới có chu kỳ khoảng cách không gian là sinR=, khi đó tần số không gian khoảng cách rf của tín hiệu này là:1 sinrfR= =(1.5)Nh vậy với một tín hiệu truyền lan có sóng mang xác định, nghĩa là bớc sóng xác định, thì tơng ứng với mỗi tần số không gian khoảng cách rf là một góc xác định. Hay nói cách khác miền đối ngẫu của chuyển dịch vị trí không gian chính là một góc không gian.Từ các khái niệm trên, đối ngẫu với vector không gian ( ), ,az elR r = là vector tần số không gian ( , , )R rf f f f =. Kết quả, phổ của tín hiệu không gian ( , )RS f f đợc xác định qua biến đổi Fourier:[ ]( , ) ( , )exp 2 ( . ) .R RS f f s R t j ft f R dR dt = (1.6)và ngợc lại, tín hiệu không gian s(R,t) trong (1.6) đợc xác định thông qua biến đổi Fourier ngợc là:9Hình 1.4 [ ]( , ) ( , )exp 2 ( . ) .R R Rs R t S f f j ft f R df df = (1.7)1.4. Tín hiệu không gian trong hệ toạ độ Decac1.4.1. Biểu diễn tín hiệu không gian trong hệ toạ độ Decac (Cartesian)Trong hệ toạ độ Decac, tín hiệu không gian đợc biểu diễn nh một hàm của vị trí không gian X và thời gian t, ký hiệu là s(X,t), trong đó X=(x,y,z) là biến vector không gian chỉ vị trí theo toạ độ Decac. Nh vậy tại một thời điểm ti, tín hiệu không gian s(X,ti) đợc biểu diễn bằng một điểm Xi=(xi, yi, zi) trong không gian (hình 1.5)Từ hình 1.5, ta có quan hệ giữa các toạ độ không gian hệ Decac và toạ độ không gian hệ cực là:sin cossincos cosaz elelaz elx ry rz r ===(1.8) Trong một khoảng thời gian liên tiếp, do sự truyền lan của tín hiệu, các điểm biểu diễn tín hiệu theo thời gian sẽ vạch thành đờng truyền trong không gian. Sự truyền lan của tín hiệu và đờng truyền tín hiệu là các hàm không gian phức tạp đợc giải theo các phơng trình sóng, phụ thuộc vào môi trờng truyền dẫn, thờng rất khó phân tích trực tiếp. Mặt khác việc phân tích các hệ thống xử lý tín hiệu 10Hình 1.5 [...]... không gian thời gian thích nghi- STAP (Spatial Temporal Adaptive Processing) 2.1 Tổng quan về xử lý tín hiệu không gian- thời gian tối u 2.1.1 ý nghĩa của xử lý không gian- thời gian tối u Mục đích của xử lý tín hiệu không gian- thời gian tối u, là nhằm tách lọc tín hiệu quan tâm ra khỏi các tín hiệu không quan tâm khác nh nhiễu và tạp âm, thực hiện đồng thời trên cả 2 chiều không gian và thời gian Thực... Thực chất của quá trình xử lý tối u thờng gồm 2 giai đoạn: Lọc nén triệt nhiễu và lọc phù hợp tín hiệu, nên đây là một quá trình rất phức tạp Xét một ví dụ hay gặp trong xử lý tín hiệu không gian- thời gian tối u của radar Hình 2.1 mô tả ví dụ này trong không gian tần số Doppler (đối ngẫu của miền thời gian) và góc phơng vị tơng ứng với tần số không gian (đối ngẫu của miền không gian) Hình 2.1 35 Phổ... trình lọc trong không gian số sóng- tần số Nó cũng tơng tự nh việc muốn tách biệt các thành phần tần số nhất định của tín hiệu thông thờng (1 biến thời gian) bằng cách sử dụng các mạch lọc thông dải 1.5.2 Đáp ứng xung và đáp ứng số sóng- tần số Tín hiệu không gian s(X, t) có phổ số sóng- tần số S (, ) nhận đợc từ (1.9) Thực hiện xử lý tín hiệu không gian này bằng một hệ thống tuyến tính dịch chuyển... Trong trờng hợp mạch lọc tối u không gian- thời gian, đáp ứng của mạch lọc có dạng vết khía này Khi đó có thể thấy rằng các mục tiêu chuyển động chậm cũng có thể phát hiện đợc Chính vì khả năng phát hiện mục tiêu rất cao của mạch lọc tối u không gian- thời gian nh trên, trong radar đặc biệt có sự quan tâm đến vấn đề xử lý tín hiệu không gian- thời gian Trong đề tài này, mặc dù không phải thuộc lĩnh vực... vector của tín hiệu rời rạc tác động lên ULA Tín hiệu không gian- thời gian liên tục (truyền lan với tần số f 0) s(X, t) đợc rời rạc hoá theo thời gian, trở thành s(X, n) với tần số lấy mẫu fs ( fs 2 Fmax ) Tín hiệu thu trên cảm biến thứ i là: ri ( n) = s( X i , n) = s( xi , n) = s(id , n) (1.40) Với i=0, đặt r0 ( n) = s(0, n) = s(n) Từ hình 1.12, tín hiệu thu đợc trên cảm biến thứ i chính là tín hiệu. .. trong không gian để thu nhận và xử lý các tín hiệu không gian Các cảm biến này trong trờng hợp thực tế cụ thể có thể là một chấn tử antenna, micro thu thanh và nói chung là một thiết bị cảm nhận đợc tín hiệu mang bởi sóng truyền lan Cảm biến thứ i đặt tại toạ độ Xi và tín hiệu mà nó cảm nhận đợc ký hiệu là ri(t) Vì vị trí xác định của các cảm biến, nên chúng thực hiện lấy mẫu của tín hiệu không gian. .. Một mạch lọc đợc gọi là phối hợp với tín hiệu khi đáp ứng của nó có dạng trùng hợp với dạng thời gian hoặc không gian của tín hiệu Nh vậy ULA đợc gọi là phối hợp không gian với tín hiệu đến theo góc tới 0 , nếu vector trọng số của ULA bằng với vector đáp ứng của tín hiệu, nghĩa là: w( 0 ) = v( 0 ) Khi đó, từ (1.52), ta có hệ số cải thiện của ULA phối hợp không gian là: IFULA = SNRULA =N SNRelem w... [ j ( t .X )] d.d (2 )4 Trong đó: (1.10) - Tần số góc, là đại lợng đối ngẫu của thời gian t = ( x , y , z ) - Véc tơ số sóng (số lợng các sóng trên một đơn vị khoảng cách không gian, còn có thể gọi là tần số không gian góc) là đại lợng đối ngẫu của vector không gian X Tơng tự nh trên, miền đối ngẫu của không gian- thời gian (X,t) là miền số sóng góc- tần số góc (, ) Tần số góc có quan hệ rất... chung Trong quá trình xử lý các tín hiệu không gian, mà các tín hiệu này đợc xét nh một hàm của không gian và thời gian đã nêu trong phần trớc, chúng ta thờng quan tâm đến việc tách biệt các thành phần tín hiệu theo một tần số nhất định nào đó và theo một tốc độ truyền lan nhất định nào đó (cả vận tốc và hớng) Vấn đề này có thể đợc giải quyết nh một bài toán lọc nhiều chiều, định nghĩa lý thuyết nh một... biến 4 chiều, hay cũng chính là một mạch lọc không gian có 13 đáp ứng xung h(X, t) Khi đó nhận đợc trên đầu ra của hệ thống là tín hiệu không gian f(X, t) Đáp ứng xung h(X, t) của mạch lọc này đợc thiết kế để cho qua các thành phần của tín hiệu quan tâm và loại bỏ các thành phần của các tín hiệu khác không mong muốn, ví dụ nh nhiễu Khi đó các tín hiệu không gian vào và ra của mạch lọc đợc xác định qua . xử lý không gian và xử lý thời gian1 .1.Các khái niệm cơ bản về tín hiệu không gianTín hiệu không gian- thời gian, gọi tắt là tín hiệu không gian, là tín. Xử lý tín hiệu không gian thời gian thích nghi- Tổng quan về quá trình xử lý tín hiệu không gian- thời gian tối u .- Phân tích quá trình xử lý không gian-