Luận văn Lập trình matlab mô phỏng hệ thống xử lý tìm hướng sóng đến MUSIC 1 MỤC LỤC : MỞ ĐẦU Ngày nay, khi lĩnh vực thông tin truyền thông ngày càng phát triển, các loại anten có xử lý tín hiệu được sử dụng ngày càng phổ biến đem lại những ích lợi trong nhiều lĩnh vực ứng dụng như thông tin di động, truyền hình, thông tin vệ tinh, xác định vị trí vật thể… Một trong những hướng phát triển của kĩ thuật xử lý tín hiệu trong anten là xác định hướng các sóng tới, xa hơn nữa là từ các hướng sóng tới này xác định được vị trí các nguồn phát sóng và từ đó có những biện pháp xử lý tùy thuộc vào mục đích xác định như điều chỉnh búp sóng anten, điều chỉnh vị trí anten…. Có nhiều thuật toán được đề ra để xử lý phát hiện ra sóng tới như thuật toán ước lượng phổ, thuật toán khả năng lớn nhất, thuật toán MUSIC…Trong đó thuật toán được dùng phổ biến nhất hiện nay chính là thuật toán MUSIC với những ưu điểm vượt trội như : Độ chính xác cao, phân giải được các nguồn tốt, áp dụng phù hợp trong nhiều hoàn cảnh. 2 Tuy nhiên,những điều kiện hoàn cảnh khác nhau sẽ gây ảnh hưởng nhất định đến kết quả của thuật toán MUSIC. Bài luận văn này nghiên cứu về sự ảnh hưởng của các thông số hay thay đổi thường gặp trong thực tế qua đó có thể giúp cho việc thiết kế, xử lý hệ thống anten hiệu quả hơn, phù hợp cho việc áp dụng trong các ứng dụng thực tế với điều kiện hoàn cảnh biến đổi hơn. Các thông số được đưa ra nghiên cứu ở đây bao gồm : tương quan giữa khoảng cách các phần tử trong hệ anten tuyến tính với bước sóng sử dụng ; tương quan giữa số phần tử mảng anten và số nguồn cần xác định hướng sóng tới ; độ phân giải của thuật toán ; trường hợp có nguồn nằm ở góc 90 độ hoặc những góc lân cận đấy ; trường hợp các nguồn cần xác định hướng sóng đến có tương quan với nhau. Phương pháp được sử dụng trong bài luận văn này là lập trình matlab mô phỏng hệ thống xử lý tìm hướng sóng đến MUSIC bao gồm giả lập các nguồn sóng tới, sau đó thay đổi các thông số cần nghiên cứu và xem xét sự thay đổi tương ứng kết quả của thuật toán để từ đó tìm ra được những qui luật biến đổi cũng như sự phụ thuộc của kết quả thuật toán khi thay đổi các thông số. Việc cuối cùng sau khi tìm ra được những qui luật biến đổi là đề xuất những biện pháp khi thiết kế, những chú ý để cho thuật toán MUSIC có thể được ứng dụng phù hợp với điều kiện thực tế. Trong phần luận văn này cũng nêu ra một số lĩnh vực có tiềm năng to lớn trong việc ứng dụng anten thông minh có sử dụng thuật toán tìm hướng sóng đến MUSIC. Em xin chân thành cảm ơn thạc sỹ Lê Quang Thảo, Giảng viên tổ Vô Tuyến – Khoa Vật Lý- Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – Đại Học Quốc Gia Hà Nội và bạn Đàm Trung Thông ( sinh viên cử nhân tài năng K11) đã giúp em hoàn thành khóa luận này Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong tổ Vô Tuyến – Khoa Vật Lý- Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã tham gia giảng dạy cho lớp Vô tuyến K52 3 Do điều kiện thời gian và trình độ có hạn nên trong khóa luận này không thể không có sai sót.Em rất mong được sự góp ý từ các thầy để khóa luận được hoàn thiện hơn CHƯƠNG I KHÁI QUÁT VỀ ANTEN THÔNG MINH. 1.1. Mở đầu : Sóng điện từ truyền trong không gian tới điểm thu, ngoài các thông tin biến đổi theo thời gian còn mang các thông tin về đặc tính không gian, vì thế ta có thể coi đó là dạng tín hiệu không gian – thời gian. Khi sử dụng một anten thu đơn giản, ví dụ một phần tử đơn độc thì bản thân tín hiệu nhận được ở đầu ra anten sẽ không phản ánh được đặc tính không gian của sóng tới. Còn khi sử dụng một hệ anten gồm nhiều phần tử sắp xếp trong không gian thì việc xử lý các tín hiệu nhận được từ mỗi phần tử sẽ cho phép khai thác được cả lượng tin tức mang đặc tính không gian của sóng đó. 4 Hệ anten, trong đó có kết hợp sử dụng các phương thức xử lý tín hiệu sẽ làm tăng khả năng của hệ thống trong việc thu nhận thông tin, và ở mức độ cao hơn có thể đáp ứng một cách linh hoạt những biến động có thể xảy ra để duy trì các mục tiêu đã đặt ra cho hệ thống. Ta gọi đó là hệ anten có xử lý tín hiệu, hay ở mức độ cao hơn là an ten thông minh. Ngày nay, thuật ngữ anten thông minh được sử dụng khá rộng rãi để chỉ các hệ anten có xử lý tín hiệu do các phương thức và các thuật toán xử lý tín hiệu đã đạt tới trình độ cao và đạt được hiệu quả rõ rệt. Một 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. Công việc 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 có khả năng giảm thiểu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường và can nhiễu. Anten thông minh là một trong những xu hướng được quan tâm nhiều trong những năm gần đây. Với ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến, nó có thể cải thiện chất lượng tín hiệu, tăng dung lượng, mở rộng phạm vi hoạt động của hệ thống. Với ứng dụng trong các hệ thống rađa, định vị, anten thông minh cho phép nâng cao khả năng phát hiện mục tiêu, nâng cao độ chính xác xác định tọa độ và tạo thêm những khả năng mới mà các hệ thống bình thường không có được. 1.2. Nguyên lý hoạt động : Công nghệ Anten thông minh giống như việc định hướng âm thanh của con người. Con người có hai cái tai để nghe (thu tín hiệu), mồm để nói (phát tín hiệu) và bộ não để suy nghĩ - định hướng (xử lý, phân tích tín hiệu). 5 Hãy tưởng tượng bạn đang đứng ở một cánh đồng và nhắm mắt lại. Một người ở đằng xa nói với bạn. Để nghe rõ nhất người đó nói gì thì bạn phải quay về phía người đó. Bạn có thể xác định vị trí của người nói nhờ vào sự khác nhau về trễ của âm thanh mà hai tai của bạn nghe thấy. Bộ não sẽ phân tích sự khác nhau này và chỉ cho bạn chính xác hướng của nguồn âm phát ra. Như vậy bạn có thể quay đúng về hướng để bạn và người nói chuyện cùng có thể nghe rõ nhất. Lời nói của bạn phát ra đúng với hướng của nguồn âm thanh mà bạn nghe được Một Anten thông minh bao gồm nhiều Anten thành phần. Cũng giống như cách phân tích của bộ não về sự khác nhau giữa âm thanh thu được ở hai tai, những tín hiệu phát ra từ những máy di động đến Anten thành phần được phân tích giúp xác định hướng của nguồn tín hiệu. Trên thực tế thì các Anten thành phần được phân bố tĩnh. Việc xác định được hướng của nguồn tín hiệu là kết quả của việc tính toán tín hiệu nhận được từ những Anten thành phần, và không có phần nào của Anten phải quay đổi hướng cả. Anten thông minh sử dụng các phép tính đơn giản, nhờ đó giúp giúp cho những gói tin có thể truyền đến nguồn tín hiệu trong một búp sóng hẹp theo đúng hướng từ nguồn tín hiệu phát ra đến nơi nhận, việc này giúp cho năng lượng sóng truyền đi theo một hướng tập trung, nhờ đó giảm thiểu năng lượng ở máy phát mà nơi thu vẫn có thể nhận được tín hiệu rõ ràng. Sử dụng Anten thông minh để phát tín hiệu rất giống như việc chiếu đèn vào các diễn viên trên sân khấu. Nếu như đèn chiếu rộng thì rất ít ánh sáng chiếu đúng vào người diễn viên. Bằng một đèn chiếu tập trung, hầu như toàn bộ ánh sáng chiếu đúng phần cần thiết còn những khu vực còn lại thì tối, tăng hiệu dụng công suất phát sáng. Công việc tính toán phức tạp và đòi hỏi thời gian đáp ứng nhanh dẫn đến việc phải gia tăng đáng kể công việc xử lý ở tại trạm phát sóng. Lợi ích của việc sử dụng Anten thông minh : Anten thông minh đóng góp hai lợi ích chính đối với đường truyền vô tuyến là tối ưu hoá công suất, giảm nhiễu đường truyền. Bởi vì Anten thông minh đặc biệt hiệu quả trong 6 việc tăng công suất tín hiệu thu được và giảm công suất phát đến ngưỡng nhỏ nhất. Bên cạnh đó, nó được sử dụng giúp tăng dung lượng đường truyền. Việc giảm đáng kể công suất phát ra chính là giảm sự can nhiễu trong một vùng phủ sóng của trạm phát (làm tăng mức tín hiệu trên tạp âm - SNIR). 1.3. Ứng dụng của anten thông minh : 1.3.1. Anten thông minh trong mạng GSM : Đã có một số loại Anten thông minh được sản xuất cho thị trường mạng di động sử dụng công nghệ GSM. Chúng giúp tối ưu công suất thu phát, giảm nhiễu. Nhưng cho đến nay việc sử dụng Anten thông minh trong mạng GSM vẫn còn rất hạn chế. Đây không phải bởi lý do công nghệ mà bởi công nghệ GSM sử dụng đa truy nhập theo thời gian (TDMA) 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. Giống như hai người nói chuyện với nhau trong một căn phòng vắng không có tiếng ồn của những cuộc hội thoại khác. Điều này có nghĩa là lợi ích của Anten thông minh trong mạng GSM là rất hạn chế. 1.3.2. Anten thông minh trong mạng 3G : Bởi Anten thông minh giúp tăng công suất thu và giảm nhiễu nên điều này đặc biệt có ý nghĩa đối với các mạng di động 3G sử dụng công nghệ 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 chỉ được nhận ra bằng mã của mình. Tín hiệu thu và phát từ những máy di động khác (với những mã khác) đối với một máy điện thoại di động chính là nhiễu. Cho nên, càng nhiều điện thoại trong một vùng phủ 7 sóng của trạm thu phát thì nhiễu càng nhiều. Điều đó làm giảm số điện thoại di động mà trạm thu phát có thể phục vụ được. Tất cả các tiêu chuẩn điện thoại 3G (UMTS, cdma2000 và TD-SCDMA ) đều sử dụng công nghệ CDMA. Đối với những hệ thống CDMA, Anten thông minh giúp giảm nhiễu trong một ô bởi vì nó tăng công suất phát 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 2 cách: - 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. Búp sóng của anten thông minh giống như một bông hoa với những cánh hoa có độ dài khác nhau , mỗi cánh hoa là một búp sóng phục vụ một thuê bao. Những búp sóng này sẽ bám theo đúng hướng của thuê bao khi di chuyển. Kết hợp những lợi ích của Anten thông minh, hệ thống CDMA giảm được chi phí tính toán công suất, tăng dung lượng phục vụ. 1.3.3. 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 từ giao điểm của 2 hướng đó. Việc xác định hướng được thực hiện với một số thuật toán như thuật toán ước lượng phổ, thuật toán khả năng lớn nhất hay phổ biến nhất là thuật toán MUSIC. Hình dưới mô tả việc xác định nguồn phát qua việc xác 8 định được hướng sóng tới từ nguồn phát tới 3 trạm thu có sử dụng anten thông minh có sử dụng phương pháp xác định hướng sóng tới DOA. 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 động 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. 1.4.anten mảng thích nghi : 1.4.1. Định nghĩa anten mảng thích nghi : T3 Trạm 3 T1 Trạm 1 Trạm 2 T2 Nguồn phát Hình 1.1 . Xác định vị trí ứng dụng anten thông minh. 9 Anten thông minh thông thường được chia làm 3 loại : Anten định dạng búp sóng băng hẹp, Anten thích nghi và Anten thích nghi băng rộng. trong đó anten định dạng búp sóng băng hẹp là các hệ anten có xử lý tín hiệu với thuật toán không phức tạp, trong khi anten thích nghi xử dụng các phương thức cũng như thuật toán phức tạp hơn. Một mảng anten là một dãy các anten được đặt theo một trật tự xác định tại những điểm cố định trong không gian. Một mảng thích nghi là một hệ thống anten có thể biến đổi những mẫu tín hiệu bằng điều khiển phản hồi trong hệ thống anten điều khiển. Các phần tử của anten có thể được sắp đặt ở những vị trí bất kì trong không gian, trên thực tế loại anten thường được sử dụng là anten mảng thích nghi phẳng, là loại anten mà tâm các phần tử của anten được sắp xếp nằm trên cùng một mặt phẳng. Có 2 loại anten mảng phẳng được biết đến rộng rãi là anten mảng tròn và anten tuyến tính. Trong mảng tuyến tính, tâm các phần tử anten được sắp xếp theo một đường thẳng, các phần tử của anten thường được đặt cách nhau một khoảng khác không. 1.4.2. Cấu trúc của anten thích nghi : z θ d d c o s Hình 1.2. mảng anten tuyến tính 10 [...]... đồ khối xác định hướng sóng tới 21 Góc tới CHƯƠNG III KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN THUẬT TOÁN MUSIC Và MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN BẰNG MATLAB 3.1 Xây dựng chương trình để giải quyết thuật toán MUSIC bằng ngôn ngữ MATLAB: Bài toán mô phỏng một cách đầy đủ phải bao gồm các thành phần : - Các nguồn phát - Không gian truyền sóng - Hệ thống thu - Xử lý tín hiệu Trong phạm vi nghiên cứu đến việc ảnh hưởng... búp sóng Thuật toán điều khiển thích nghi Xử lý tín hiệu Bộ xử lý thích nghi Hình 1.3 Một mô hình anten thích nghi 11 Hình trên mô tả một trong các mô hình của anten thích nghi, trong đó có 3 khối cơ bản là khối mảng anten, khối bộ xử lý thích nghi và khối định dạng búp sóng Mảng anten là một hệ thống bao gồm một dàn các anten phần tử, thường là bao gồm M phần tử được sắp xếp tuyến tính Bộ xử lý thích... số đến thuật toán tìm hướng sóng đến MUSIC, thay vì phải mô phỏng đầy đủ các thành phần kể trên, ta chỉ giả định các hướng sóng tới, theo đó xây dựng các véctơ chỉ phương A( ϕ ) Bước tiếp theo là xây dựng ma trận các thành phần biên độ đường bao phức S(t) và ma trận véctơ nhiễu N(t) để có tín hiệu tổng U(t) hay đáp ứng nhận được ở đầu ra của cả dàn anten thích nghi, đưa và xử lý theo thuật toán MUSIC. .. ra hướng các tín hiệu này, bộ xử lý tín hiệu thích nghi phải bao hàm một số thuật toán để tìm ra hướng sóng đến, thuật toán được dùng phổ biến với độ chính xác cao đó là thuật toán MUSIC ( Multiple Signal Classification algorithm ) Thuật toán này do Schmidt đề xuất năm 1979, đạt được độ phân giải cao khi phát hiện và phân loại nhiều sóng đến đồng thời CHƯƠNG II 12 MỘT SỐ THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG HƯỚNG SÓNG... kết quả của thuật toán MUSIC trong việc xác định hướng sóng tới Điểm cần chú ý là trong phần lập trình matlab này, góc được tính là góc của hướng sóng đến so với phương nằm ngang của dàn anten chứ không phải theo phương thẳng đứng như trong lý thuyết, do đó ta phải chuyển các góc ϕ trong phần lý thuyết thành ( 90 - ϕ ) hay chuyển biểu thức sin ϕ thành cos ϕ ở tất cả các phương trình 3.1.1 Đặt giả thiết... 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 các nguồn nhiễu để triệt tiêu hoặc giảm thiểu nhiễu Trong trường hợp này, việc xác định được hướng nguồn tín hiệu có ích hay hướng nguồn nhiễu là rất quan trọng, nó là điều kiện thiết yếu để có thể định dạng được búp sóng như mong muốn Để tìm. .. (2-18) Việc xấp xỉ hướng sóng tới từ một nguồn phát được xác định khi có độ lệch cực tiểu : F D ( λ , ϕ ) → Min Hay P MUSIC = 1 / F D ( λ , ϕ ) → Max Vậy, việc ước lượng góc sóng tới trở thành việc tìm giá trị lớn nhất của hàm sau : 20 1 1 F D ( λ , ϕ ) = F (λ , ϕ ) = a H (ϕ ).E E H a(ϕ ) N N Hình 2.4 là sơ đồ khối thực hiện việc xác định hướng sóng tới DOA : KD 1 Bộ xử lý tín hiệu MUSIC R1 KD M RM Hình... theo thuật toán MUSIC Hình 2.5 là sơ đồ thực hiện việc mô phỏng 22 Các góc sóng tới Véctơ biên độ đường bao phức S(t) Ma trận các véctơ chỉ phương A() Véctơ nhiễu N(t) Véc tơ đáp ứng đầu ra của M cổng thu U(t) = A().S(t) + N(t) Thuật toán ước lượng góc sóng tới MUSIC Hình 2.5 sơ đồ mô phỏng thuật toán MUSIC Việc khảo sát các thông số ảnh hưởng đến kết quả của thuật toán sẽ được thực hiện bằng cách... không làm cho chương trình trở nên quá chậm 3.2.4 Khi có một nguồn nằm ở hướng đúng 90 độ : Trong trường hợp này, ngay cả khi giảm ngưỡng đến mức rất bé, kết quả của thuật toán MUSIC vẫn không phát hiện được sóng tới ở hướng 90 độ và sóng tới ở các hướng khác cũng không xác định được một cách hoàn toàn chính xác, vẫn có những sai số nhất định nào đấy Hình dưới biểu diễn trường hợp có 2 sóng tới từ 2 nguồn... còn phải xử lý, tính toán để tìm ra véctơ đặc trưng cho không gian con tín hiệu Các câu lệnh thực hiện việc này là : signals=size(find(diag(Z)>1.0000e-028)); % Ngưỡng ở đây lấy càng bé càng tốt, về lý thuyết, giá trị ngưỡng sẽ phải đặt ở 0 do trong trường hợp này chúng ta giả thiết rằng không có nhiễu E=V(:,1:Ne-signals); 3.1.5 Xây dựng hàm độ lệch , xác định hướng sóng đến nhờ thuật toán MUSIC : Chúng . định hướng sóng đến có tương quan với nhau. Phương pháp được sử dụng trong bài luận văn này là lập trình matlab mô phỏng hệ thống xử lý tìm hướng sóng đến. Luận văn Lập trình matlab mô phỏng hệ thống xử lý tìm hướng sóng đến MUSIC 1 MỤC LỤC : MỞ ĐẦU Ngày nay, khi