Đang tải... (xem toàn văn)
Ứng dụng thuật toán music trong định huớng sểng đến đối với hệ Anten mảng trền
1 DAI HOC QUOC GIA HA NOI TRUONG DAI HOC CéNG NGHE TA THI MAI UNG DUNG THUAT TOAN MUSIC TRONG DINH HUONG SéNG DEN DOI VOI HE ANTEN MANG TREN LUAN VAN THAC SI HA NOI - 2011 LỜI MỞ ĐẦU Anten thông minh công nghệ cải thiện đáng kể dung lượng, chất lượng hệ thơng khơng dây mơi trường truyền thơng có tỉ số tín hiệu tạp âm thấp Hệ thống anten thơng minh với thuật tốn MUSIC phân bố trịn (UCA) kết hợp xác định hướng sóng đến (DOA) cách xác dù góc tới gần hay góc tới xác định khoảng từ 0° đến 3607 phơ chúng khơng bị chồng lấn (điều khơng có từ hệ thơng ULA) Đề tài tìm hiểu lý thuyết hệ thống anten thơng minh, phép tốn xử lý anten thơng minh, ứng dụng thuật tốn MUSIC để xác định hướng sóng đến (DOA ) hệ anten phân bố trịn (UCA) mơ hệ thơng ULA UCA phần mềm matlab từ rút ưu điểm hệ thông UCA với tiêu đề là:: “Ứng dụng tht tốn MUSIC định hướng sóng đến hệ anten mảng trịn “, Với mục đích trên, nội dung luận văn chia thành chương: Chương 1: Tổng quan anten thông minh — Giới thiệu tơng quan hệ thơng anten thơng minh, mơ hình tốn học hệ anten thơng minh - Giơi thiệu số hệ thống anten thông minh Chương 2: Các kĩ thuật xử lý hệ anten théng minh Trình bày hai kỹ thuật xử lý là: - Kỹ thuật phân tập — Kỹ thuật tạo búp sóng Chương 3: Ứng dụng tht tốn MUSIC định hướng sóng đến hệ anten mang tron — Giới thiệu thuật tốn MUSIC - Mơ ứng dụng thuật tốn MUSIC hệ thông ULA UCA CHƯƠNG TONG QUAN ANTEN THONG MINH 1.1 Mỡ đầu Anten thông minh hệ thống gồm nhiều phân tử anten kết hợp với thuật toán xử lý tín hiệu đề tối ưu hóa phát xạ và/hoặc thu nhận tự động đáp ứng với mơi trường tín hiệu Anten đóng vai trị phát tới mơi trường bên ngồi ngược lại đến thu từ mơi trường bên ngồi Tín hiệu đến phần tử anten tính tốn xử lý giúp anten xác định hướng ngn tin hiệu đến Cơng việc tính tốn địi hỏi thời gian thực để anten thơng minh bám theo ngn tín hiệu dịch chuyên 1.2 Sơ đồ khối hệ thống anten thông minh [8] RE ap Module Converter | «xX T : [ ` M\ t afm a |W, | RE Module i AND Coriverter —4 sí _-> } i Vụ Beamformer Hỡnh 1-1 Sœ đồ khối tổng quỏt anten thụng minh Hinh 1-1 Ta thay tín hiệu đến phần tử anten, biến đơi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, sau nhân với trọng số tong lại để tín hiệu lối Chính trọng số giúp cho anten tập trung xạ theo hướng mong muốn Bằng cách sử dụng thuật toán thích nghỉ q trình beamforming (búp sóng thích nghỉ), trọng số cập nhật để anten thơng minh bám theo người dùng họ di chuyến Biên độ trọng số định búp sóng búp sóng phụ (side lobe level) Pha trọng số định hướng búp sóng Anten thơng minh xu hướng quan tâm nhiều năm gần Với ứng dụng hệ thông tin vơ tuyến, có thê cải thiện chất lượng tín hiệu, tăng dung lượng, mở rộng phạm vi hoạt động hệ thông Với ứng dụng hệ thông Rađa, định vị, điện thoại 3G, GSM anten thông minh cho phép nâng cao khả phát mục tiêu, nâng cao độ xác xác định tọa độ tạo thêm khả mà hệ thơng bình thường khơng có 1.3 So sánh anten thông minh anten thường [8] Một anten thông minh bao gồm nhiều phần tử anten Tín hiệu đến phân tử tính tốn xử lý giúp anten xác định hướng nguồn tín hiệu, tập trung xạ theo hướng mong muốn tự điều chỉnh theo thay đơi mơi trường tín hiệu Cơng việc tính tốn địi hỏi thực theo thời gian thực để anten thơng minh bám theo nguồn tín hiệu chun động Với tính chất anten thơng minh có khả giảm thiểu ảnh hưởng đa đường can nhiễu Hõnh 1-2.Vựng xạ anten thường v anten thụng minh Từ hình 1-2 ta thay khác biệt vùng xạ hệ thống anten thường anten thơng minh Anten thơng minh có búp sóng hẹp có tính định hướng cao so với anten thường ƯUu điểm anten thông minh so với anten thường: > Cải thiện chất lượng tín hiệu hệ thống truyền thông vô tuyến cách triệt can nhiễu, loại bỏ hiệu ứng đa đường thu/ phát đứng hướng mong muốn > Cải thiện dung lượng hệ thống đo khă sử dụng lại tần số cell > Công suất phát thấp cho phép thời gian sử dụng lượng lâu giảm kích thước khối lượng thiết bị đầu cuỗi làm giảm ảnh hưởng đến kênh lân cận > Anten thơng minh thích hợp với hầu hết hệ thống truyền thông vô tuyên * Mơ hình tốn hệ thơng anten tuyến tính thơng minh Z4 Hõnh 1-3.Mụ hỡnh đóy anten tuyến tớnh cỏch œ: Góc phương vị 0: Góc ngâng mặt phăng sóng tới dãy anten Đê đơn giản hóa việc phân tich day anten, ta giả thiệt: > Khoảng cách phần tử anten đủ nhỏ để khơng có thay đơi biên độ tín hiệu nhận phần tử anten > Khơng có kết nỗi tương hỗ anten > Tất trường sóng tới chia thành lượng mặt phẳng sóng rời rạc Như số tín hiệu đến anten hữu hạn Mặt súng đên phân tử “® Ad = mAx.cos®.sing = MAx.cosw Mat sting đền phân tử * J Uses ft } > 4® Ì Wer | wi |] - "1 xé {z9 Í Máy thu | Hõnh 1-4 Mụ hỡnh toỏn cỦa anten thụng minh Đối với mặt phẳng tới dãy anten từ hướng (9,0), hình 1-4, tín hiệu đến phân tử thứ m phải thêm đoạn: Ad = m.Ax.cos@sin@ (1.1) So với phần tử tham khảo gốc, hay phần tử m trễ phan tử tham Ad khảo khoảng thời gian: tạ„=—— C Như vậy, độ sai pha thành phần tín hiệu đến phân tử thứ m phần tử tham khảo gốc là: Ay = at,, = BAd véi @ = 2af , f: tin sé s6ng mang (Hz) 20 p= nA _A az z : hệ sơ truyền sóng Giả sử phần tử anten đẳng hướng có độ lợi tất hướng Tín hiệu đến mặt sóng có đường bao phức s(/) Tín hiệu nhận phần tử anten thứ m là: u, (t) — s(t).e — sứ).e 72 mAxees0sm (1.2) Tín hiệu lơi dãy sau nhân với trọng sô [Wo, W\, WM.-1] với M số phần tử anten dãy là: M-1 Z(t) = 3)w„„(0) = s3), e 999959199 = s(t) f (8,0) (1,3) m=0 Với (6.9) gọi hệ số xếp, xác định tỉ số tín hiệu nhận lối dãy anten tín hiệu s(t) đo phần tử tham khảo Hệ số xếp hàm theo hướng sóng đến (DOA) Bằng cách điều chỉnh trọng số, [Wo, Wi, WM.¡], ta hướng cho búp sóng hệ số xếp theo hướng mong muốn (6,,ø,) Ta định nghĩa vector trọng số: W =[wo Wi WM+T' (14) Tín hiệu từ phần tử anten nhóm thành vector đữ liệu : u= [us() u¡@) uw+(Ð]! (1.5) Tín hiệu lối z(£) (1.4) nhân (1.5): Z(t) =w" u(t) (1.6) Véiw' la phép bién d6i Hermitian (chuyén vi réi lẫy liên hợp phức) Hệ số xếp theo hướng (6,,ø,) viết lại sau: f (0,9) = w" a(9,9) (1) Vector a(9,0) gọi vector lai theo hudng (0,0) Cho truédc mot mat phẳng sóng tới từ mặt phẳng sóng tới từ hướng (9,j) hình 1-4, vector lái a(9,ở) biểu diễn pha tín hiệu phần tử anten so với tín hiệu tham khảo gơc a(0,¢)=[1 a,(0,9) a„ ,(0,9)ÏÏ (1.8) 980sn6 Trong đ„(Ø,6) = ø 7m 1.4 Phan loai Anten thong minh [1] Tủùy theo mục tiêu, phương thức xử lý tín hiệu mức độ phức tạp thuật toán xử lý tín hiệu antan thơng minh ta chia anten thơng minh thành loại chính: -Anten định dạng búp song băng hẹp - Anten thích nghĩ - Anten thích nghi băng rộng Anten định dạng búp sóng băng hẹp thuộc nhóm hệ anten có xử lý tín hiệu với thuật tốn khơng phức tạp, chủ yếu dùng quay pha tần số sóng mang (xử lý tín hiệu tần số radiơ) để tạo lệch pha cần thiết phần tử anten nhằm tạo giản đồ hướng có búp sóng hẹp búp sóng có hình dạng đặc biệt búp sóng thay đơi không gian mà không cần xoay giàn anten mặt học Anten thích nghi thuộc nhóm anten có xử lý tín hiệu dạng băng hẹp sử dụng phương thức thuật toán phức tạp nhằm đạt tốc độ cao, linh hoạt, đáp ứng mục tiêu đề Mục tiêu anten thích nghi thường thực việc điều khiển tự động giản đồ hướng cho hướng không hướng nguồn nhiễu để triệt tiêu giảm thiểu nhiễu Anten gồm giàn phần tử, liên kết với xử lý thích nghỉ thời gian thực Bộ xử lý thích nghi tự động điều chỉnh trọng số đề đạt dược trọng số tối ưu theo tiêu chuẩn đó, phù hợp với thuật tốn lựa chọn Anten thích nghi băng rộng hệ anten có xử lý tín hiệu theo phương thức xử lý thích nghi với băng tần rộng thuật toán phức tạp, bước phát triển cao hệ anten có xử lý tín hiệu nói chung Bộ xử lý tín hiệu anten thường xử lý khơng gian -thời gian, khơng xử lý tín hiệu rời rạc, lấy mẫu miền không gian mà tín hiệu rời rạc, lẫy mẫu miền thời gian Đây bước phát triên cao hệ anten có xử lý tín hiệu 1.5 Anten định dạng búp sóng băng hẹp [1| 1.5.1, Định dạng búp sóng SN x(t) Moy thu H6nh 1-5 Hé enten mat phang xy 10 Trong ứng dụng thực tế, việc định dạng búp sóng thường việc tạo giản đồ hướng hệ anten có búp sóng với độ rộng giới hạn cho phép thay đơi khơng gian Xét hệ anten hình -5 giả thiết sóng đến nằm mặt phẳng xy (0= 7/2) sóng đến phụ thuộc vào ọ Giả sử hệ anten làm việc chế độ thu ta cần tạo giản đồ Hướng búp sóng cực đại theo hướng @ = Coi phân tử anten vô hướng mặt khảo sát, ta có giản đồ hướng hệ anten xác định: f(0,p)=w”.e(0,o) (1.19) e(0,p): vectơ hướng e(,p)=[l ce##⁄d°*° KOE eos) (120) w: vectơ trọng số tập số phức w„ có biện độ 1, cịn pha có giá trị tùy thuộc vào m góc hướng tương ứng Gi IWm| = l; argument(w,,) = Vy = k(m-1)dcosa; Cac SO Wm (1.21) Sé khơng làm thay đơi biên độ tín hiệu thu tạo "an góc dịch pha tín hiệu nhánh trước tổng hợp chúng tạo thành búp sóng có hướng cực đại mong muốn Sơ đồ khối mạng định dạng BD y | s(t) Sơ đồ khối thu B6 chia cung suat | s(Ð Sơ đồ khối phỏt Hõnh 1.6 Sơ đồ khối thu/ phỏt anten định đạng bỳp súng băng La ... 3: Ứng dụng tht tốn MUSIC định hướng sóng đến hệ anten mang tron — Giới thiệu thuật tốn MUSIC - Mơ ứng dụng thuật tốn MUSIC hệ thơng ULA UCA 3 CHƯƠNG TONG QUAN ANTEN THONG MINH 1.1 Mỡ đầu Anten. .. lý anten thơng minh, ứng dụng thuật tốn MUSIC để xác định hướng sóng đến (DOA ) hệ anten phân bố trịn (UCA) mơ hệ thơng ULA UCA phần mềm matlab từ rút ưu điểm hệ thông UCA với tiêu đề là:: ? ?Ứng. .. ích anten thơng minh mạng GSM tất hạn chế 1.8.2 Ứng dụng anten thơng mang 3G[8] Với hệ thỗng GSM, anten thơng minh có ứng dụng không lớn, thông tin động phát triển, hệ thống 3G với công nghệ đa
