Nâng cao chất lượng xác định hướng sóng tới cho hệ thống vô tuyến tìm phương sử

BO GIAO DUC VA BAO TAO TRUONG DAI HOC BACH KHOA HA NOI HAN TRONG THANH NÂNG CAO CHÁT LƯỢNG XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CHO HE THONG VO TUYEN TÌM PHƯƠNG SỬ DỤNG DÀN ĂNG TEN LUAN AN TIEN SI KY THUAT VIEN THONG Hà Nội — 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HÁN TRỌNG THANH NÂNG CAO CHÁT LƯỢNG XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CHO HỆ THÓNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG SỬ DỤNG DÀN ĂNG TEN Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 62520208 LUAN AN TIEN Si KY THUAT VIEN THONG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. VŨ VĂN YÊM Hà Nội — 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bó của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực. Tác giả luận án Hán Trọng Thanh Giáo viên hướng dẫn khoa học PGS.

TS Vũ Văn Yêm i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến PGS. Vũ Văn Yêm đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trong quá trình nghiên cứu sinh. Thầy đã dành nhiễu thời gian và tâm huyết, hỗ trợ về mọi mặt để tác giả hoàn thành luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Điện tử viễn thông, Bộ môn Hệ thống Viễn thông và Bộ môn Điện tử Hàng không Vũ trụ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.

Chân thành cảm ơn các cán bộ, giảng viên cũng như các anh chị NCS của Viện Điện tử Viễn thông đã động viên, hỗ trợ và tận tình giúp đỡ tác giả trong quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến bố mẹ, vợ và các con đã luôn động viên, khích lệ và hy sinh rất nhiều trong thời gian vừa qua. Đây chính là động lực to lớn để tác giả vượt qua khó khăn và hoàn thành luận án này. Tác giả luận án HÁN TRỌNG THANH iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.

Hi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮTT.-e:ec+eeceiiieerEtettierreetririerrrerrtrraarrrtrirrrrrrrri vii DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ.irririrrirrrre ix DANH MUG CAC BANG BIỂU?::senseoosisannaratttiitidhdiriigitiidtiliiftrtiiiNtL3030801008000 10000. 0gn8 xii MƯUẦU ee 1 1. Vai trò hệ thống vô tuyến tìm phương trong lĩnh vực điện tử viễn thÔng _. Những vấn đề còn tồn tại.

Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu. Cấu trức nội dung:của lUậH:ÁN:-«----s:-------~c<sesepeeeinieiiedEEisieniA3EeEksessE. Các dong gop khoa hOc ctia LAN AN .eesscsssssssessseessesseneeseeeeseeseneessnseneeseneeseeseneeseneeses 4 CHU'ONG 1 TONG QUAN HE THONG VO TUYEN TIM PHU'ONG. Giới thiệu chung về hệ thống vô tuyến tìm phương.

Tổng quan các kỹ thuật xác định hướng sóng tới. Mô hình tín hiệu trong xác định hướng sóng tới. Khái quát về tín hiệu băng hẹp. Khái quát về tín hiệu băng rộng.

Tổng quan một số dàn ăng ten nhiều phần tử sử dụng trong xác định hướng sống TÚ sex sassaeisstieeniaiieidilbiailisusdgig0 013 0i54610ả88014548854005081461013u6305038len42. Các đặc trưng cơ bản của dàn ăng ten. Đặc trưng biên độ của dàn ăng ten. Đặc trưng pha của dàn ăng ten.

Đặc trưng phân cực của dàn ăng ten. Mô hình tín hiệu thu của một số dàn ăng ten hay str dung trong ky thuật xác định hướng sóng tỚI. Mô hình tín hiệu thu với dàn ăng ten đồng nhất tuyến tính 1. Mô hình tín hiệu thu với dàn ăng ten đồng dạng tròn đều UCA.

Các thông số ảnh hưởng và điều kiện đặt ra trong bài toán xác định hướng sóng tới. Các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác trong việc xác định hướng sóng LÚI —— sounbgansotoontttigloeBiDSHAH-LBDARGEIRRHERRHIAAISRDIIRIIQNBEIAMRRIAIERINNGIEAHRERHSRHRSRR 21 1. Điều kiện ràng buộc ban đầu trong bài toán xác định hướng sóng tới li 0n. Phương pháp đánh giá kết quả các nội dung đề xuất.

Kết luận chương.seceeeerstetseErseekrststertsiiresiraririrkserisisksirsser 23 CHƯƠNG2_ XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CỦA CÁC TÍN HIỆU BĂNG HẸP SỬ DỤNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG ĐƠN KÊNH. _ Giới thiệu chung về hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh. Một số thuật toán điển hình áp dụng cho hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh. TRY CRUAC WiattS OF) =" Wat cc scsensssectccansvncssvcstecnsvorttacsnestiutianssionsnesveettiosttstsnestausiteadevttbosieens 25 2:2.

Newyén Wrhoats Gong sicccsicssceccestcescctessussascevsseevereaiaoiariccesveccerieustsnesnaccnneveaies 25 2. Ưu điểm của thuật toán Watson - Watt. Nhược điểm của thuật toán Watson - Watt. Kỹ thuật Doppler và giả D0pDIET-::s.

Ưu điểm của kỹ thuật Doppler và giả Doppler. Nhược điểm của kỹ thuật Doppler và giả Doppler. _ Kỹ thuật xác định hướng sóng tới dựa trên vòng khóa pha. Kiến trúc hệ thống.

Mô tả phương pháp PLL - DOA truyền thống. Mô tả phương pháp PLL - DOA cải tiến. Đánh giá hiệu năng phương pháp PLL - DOA truyền thống. Phương pháp PLL - DOA cải tiến.

Kết quả mô phỏng đánh giá hiệu năng phương pháp PLL - DOA cải tiến. 43 ZA, “KẾtluậân: ChƯư0T:sesesssssssnssnssiniiitinbidetiiidindiadiidastiitisyiRiiiBlllibylingetesmgeoddi 46 V CHƯƠNG3_ XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CỦA CÁC TÍN HIỆU BĂNG HẸP SỬ DỤNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG ĐA KÊNH. Giới thiệu chung về hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh. Một số thuật toán điển hình áp dụng cho hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh.

Thuật toán Véc tơ tương U4H. Thuật toán MUSIC.---c2 xxx HH hay 50 3,28. Mộtsốthuậttoán khẩCusssssasssasasssoankaotisttattitititiitdldRigifdieRtdjALd0EdĐiNtoREEt. Thuật toán ước lượng phổ CAPON.

Thuật toán ước lượng dự đoán tuyến tính. Thuật toán Entropy cực đại. _ Sơ lược về thuật toán Matrix PenCil. Thuậttoán Matrix Pencil.

Ấp dụng thuật toán trong môi trường không có nhiễu. Áp dụng thuật toán trong môi trường có nhiễu. Thuậttoán Total Forward Backward Matrix Pencil. Kỹ thuật xác định hướng sóng tới sử dụng thuật toán TFBMP.

Xác định hướng sóng tới của tín hiệu thu được từ dàn ăng ten ULA. 61 S411, PhânfíchlýthuyếEsseesasesenesriadttrootgiottastetlisnaoHioiueiuiesttosamg 61 3. Kết quả mô phỏng và đánh giá. Xác định hướng sóng tới của tín hiệu thu được từ dàn ăng ten UCA.

Phân tích lý thuyết. Kết quả mô phỏng và đánh giá. _KẾLÌIẬH CHƯGŒH¿zzzecszc¿giitiiiceoaiostriititiitisuiintdiigtidliilioiiddilstiiltidliddGiltiadd._ XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CUA CAC TÍN HIỆU ĐA ĐƯỜNG VÀ 0 8:00208779109:000)/ 007757. Xác định hướng sóng tới của các tín hiệu đa đường.----- 81 3/11, Pham tich |} thuy€t sassnsnsnscunssnisienmianramamnanmnnmmmmmaienananan 81 4.

Kết quả mô phong va Gan Bia wes senenstnssnnnenenesesesensssssnsssssessnsenseey 85 VI 4. _ Xác định hướng sóng tới của các tín hiệu băng rộng. Phân tích lý thuyết. Kếtquả mô phỏng va Gah gid sssssscssssscsesicescanssessansscnasseansasiscaasemsneneanaennains 89 4.

K@t Lud CWO MB ccrsssscsssssssncsessussesnoceonsiscssiansnssncsnssacisanionscenceessanenesvanecsecaaiersosstssncssersasse 91 KET LUAN Dong gop khoa hoc cia LUAN AN eessscssssssesssssssesesessesseseesnneesseseseesoneeseeeavesssesaseesoueesnerseesssneaseeeas 93 Hướng phát triển của LUA An ssvssssscsnsssessssscccsssnssesnasvcsseceasiesvessvivennssreseessssvsteassieenserensbsassesveess 93 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .------:--:: 94 TÀI LIỆU THAM KHAO ‹:‹.--äccsninnnninnndangĩ nghĩ Hhĩgg ghi danaHhhggdgig¡cgHangiâg 95 vii DANH MỤC CÁC TU VIET TAT ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyên đôi tương tự sang sô BPF Band Pass Filter Bộ lọc thông dải BPSK Binary Phase Shift Keying Điêu chê khóa pha nhị phân CV Correlative Vector Véc to tuong quan DOA Direction Of Arrival Hướng sóng tới DSP Digital Signal Processing Xử lý số tín hiệu DFT Discrette Fourier Transform Biên đôi Fourier rời rạc EVD Eigen Value Decomposition Khai triên các giá trị riêng E-W Easth — West Đông Tây ESPRIT Estimation of Signal Parameters Ước lượng các tham số của tín hiệu via Rotation Invariance Technique thông qua kỹ thuật quay bât biên FFT Fast Fourier Transform Biên đổi Fourier nhanh VQ In — Phase / Quarature Điều chê 1/Q GPS Global Positioning System Hệ thông định vị vệ tính toàn câu LPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thâp LNA Low Noise Amplifier Bộ khuêch đại tạp âm thâp LS Least Square Bình phương tôi thiêu LOS Line Of Sight Tâm nhìn thắng MUSIC Multiple Signal Classification Phan loai tin hiéu MEM Maximum Entropy Method Phuong phap Entropy cuc dai MVDR Minimum Variance Distortionless Đáp ứng cực tiêu không méo Response ML Maximum Likelihood Khả năng lớn nhât MP Matrix Pencil Ma trận bút chì N-S North — South Bac Nam PLL Phase Locked Loop Vòng khóa pha RADAR Radio Detection And Ranging Định vị băng sóng điện từ RMSE Root Mean Square Error Sai sô căn quân phương RF Radio Frequency Tân sô vô tuyên SDR Software Defined Radio Vô tuyên định nghĩa bang phan mém SDMA Space Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo không gian viii SNR Signal to Noise Ration Ty so tin hiéu trén tap 4m SVD Singular Value Decomposition Khai triên các giá trị ky di SIR Signal to Interference Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SONAR Sound Navigation and Ranging Hệ thông định vị băng sóng âm TFBMP Total Forward Backward Matrix Ma trận bút chì thuận ngược Pencil TOA Time Of Arrival Thời gian đên UCA Uniform Circular Antenna Array Dàn ăng ten đồng dang tròn đều ULA Uniform Linear Antenna Array Dàn ăng ten đông dạng tuyên tính UHF Ultra High Frequency Tân sô siêu cao VHF Very High Frequency Tân sô rât cao DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐÒ THỊ Trang Hình 1. Kiến trúc máy thu sử dụng công nghệ SDR lý tưởng. Phổ năng lượng của tín hiệu băng thông dải. Bộ giải mã tín hiệu I/Q.

Biểu diễn tín hiệu băng rộng và tín hiệu băng hẹp trong miền œ — k. Mô hình không gian khảo sát tín hiệu. Dan ang ten ULA trong hé tọa độ Đề các .7, Mô hình sóng tới dàn ăng ten ULA trong mặt phẳng phương vị Hình 1. Mô hình dàn ăng ten UCA trong hệ tọa độ Đề Các.

Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh Hình 2⁄2. Mô hình ăng ten Adcock dùng trong thuật toán Watson - Watt. Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật DoppIer. Sơ đồ khối hệ thống vô tuyến tìm phương giả Doppler.

Sơ đồ khối hệ thống vô tuyến tìm phương dựa trên phương pháp PLL - Hình 2. Sơ đồ cấu tạo khối xác định DOA. Mô hình dàn ăng ten UCA trong hệ tọa độ Đề Các. Pha tín hiệu tới dàn ang ten Hình 2.

Đường cong sai khác đích. Pha tín hiệu không điều chế tại các phần tử ăng ten. Đường cong sai khác thu được từ PLL,. Đường cong sai khác thu được thứ 2 từ PLL.

Đường cong sai khác thu được đã hiệu chỉnh. Kết quả xác định hướng sóng tới DOA = 450. Kết quả xác định DOA với số lượng ăng ten thay đổi Hình 2. Sai số kết quả xác định hướng sóng đến DOA khi thay đổi số lượng mẫu tín hiệu Hình 2.

Kết quả xác định hướng tới của hai tín hiệu ở hai góc 400 và 500 Hình 3. Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh Hình 3. Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh sử dụng thuật CORN, CV srsciescasisnrcecassnrezensvaereetcorssaasscerutasiaeneceasanneetssnassancetesssaceneretasconsetiasaapeeceecaseeeceneseianeeetecensinnes 49 Hinh 3. Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh sử dụng thuật toán CV với bộ tạo định dạng búp sóng trễ - cộng.

Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh sử dụng thuật ¡80/5005. Phổ giả không gian của thuật toán CV và MUSIC ứng với góc DOA 1209.