Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật viễn thông: Nâng cao chất lượng xác định hướng sóng tới cho hệ thống vô tuyến tìm phương sử dụng dàn ăng ten

7,984
92
114
7
Nhằm khắc phục các nhược điểm của kiến trúc máy thu truyền thống, trong những năm
trở lại đây, các nhà khoa học đã và đang phát triển kiến trúc máy thu mới: Kiến trúc máy thu
vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm – máy thu SDR. Máy thu SDR là loại máy thu bao gồm
hầu hết các khối xử lý được xây dựng bằng phần mềm. Đây được coi là một kiến trúc mở dựa
trên một phần nhỏ nền tảng phần cứng chung được sử dụng để cung cấp, hỗ trợ nhiều chuẩn
truyền thông khác nhau. Với kiến trúc định nghĩa bằng phần mềm, các máy thu trở nên linh
hoạt hơn và có khả năng tái cấu hình nhanh chóng, thích ứng với nhiều loại tín hiệu, phương
thức điều chế khác nhau. Hơn nữa, với việc các khối được thiết kế bằng phần mềm sẽ giảm
đáng kể kích thước mạch điện tử, công suất tiêu thụ cũng như chi phí sản xuất. Chính vì vậy,
việc ứng dụng công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm cho các máy thu trong lĩnh vực
thông tin vô tuyến nói chung cũng như các hệ thống vô tuyến tìm phương nói riêng sẽ đem lại
nhiều lợi ích to lớn.
Hình 1.1
. Kiến trúc máy thu sử dụng công nghệ SDR lý tưởng
Các hệ thống vô tuyến tìm phương với các máy thu được xây dựng trên nền tảng vô tuyến
điều khiển bằng phần mềm được coi các hệ thống tuyến tìm phương tiên tiến. Đối với
các máy thu định nghĩa bằng phần mềm, kiến trúc tưởng như trình bày trong Hình 1.1 sẽ
bao gồm các thành phần xử lý tín hiệu tương tự được tối thiểu hóa chỉ gồm ăng ten thu, khối
lọc thông dải cao tần (RF – BPF), khối khuếch đại tạp âm thấp (LNA). Tín hiệu tương tự sau
đó được số hóa tần số cao rồi đưa đến khối xử tín hiệu để từ đó đưa ra được thông tin
mong muốn mà cụ thể là thông tin hướng sóng tới của tín hiệu.
Với các hệ thống tuyến tìm phương tiên tiến, nhiệm vụ nghiên cứu phát triển cải
thiện hiệu năng hoạt động của các hệ thống đó có thể được chia làm hai hướng chính:
Cải tiến cấu trúc dàn ăng ten: Hiệu năng hoạt động của các hệ thống thông tin viễn thông
đa ăng ten nói chung cũng như các hệ thống vô tuyến tìm phương nói riêng bị ảnh hưởng khá
lớn bởi cấu trúc vật liệu, hình học… của dàn ăng ten. Việc nghiên cứu phát triển, cải tiến cấu
trúc của dàn ăng ten nhằm làm giảm lỗi ước lượng, tăng độ phân giải, tính vô hướng… đã và
đang được các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu [5, 6, 38, 69, 78, 101].
Cải tiến các phương pháp xử lý tín hiệu áp dụng cho máy thu SDR: Các phương pháp xử
tín hiệu triển khai trên khối DSP được coi phần cốt lõi của các máy thu SDR. Các
phương pháp xử tín hiệu đây bao gồm các kỹ thuật chuẩn hóa tín hiệu cho đầu ra của
khối ADC cũng như các kỹ thuật xác định hướng sóng tới áp dụng trên các tín hiệu đã được
7 Nhằm khắc phục các nhược điểm của kiến trúc máy thu truyền thống, trong những năm trở lại đây, các nhà khoa học đã và đang phát triển kiến trúc máy thu mới: Kiến trúc máy thu vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm – máy thu SDR. Máy thu SDR là loại máy thu bao gồm hầu hết các khối xử lý được xây dựng bằng phần mềm. Đây được coi là một kiến trúc mở dựa trên một phần nhỏ nền tảng phần cứng chung được sử dụng để cung cấp, hỗ trợ nhiều chuẩn truyền thông khác nhau. Với kiến trúc định nghĩa bằng phần mềm, các máy thu trở nên linh hoạt hơn và có khả năng tái cấu hình nhanh chóng, thích ứng với nhiều loại tín hiệu, phương thức điều chế khác nhau. Hơn nữa, với việc các khối được thiết kế bằng phần mềm sẽ giảm đáng kể kích thước mạch điện tử, công suất tiêu thụ cũng như chi phí sản xuất. Chính vì vậy, việc ứng dụng công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm cho các máy thu trong lĩnh vực thông tin vô tuyến nói chung cũng như các hệ thống vô tuyến tìm phương nói riêng sẽ đem lại nhiều lợi ích to lớn. Hình 1.1 . Kiến trúc máy thu sử dụng công nghệ SDR lý tưởng Các hệ thống vô tuyến tìm phương với các máy thu được xây dựng trên nền tảng vô tuyến điều khiển bằng phần mềm được coi là các hệ thống vô tuyến tìm phương tiên tiến. Đối với các máy thu định nghĩa bằng phần mềm, kiến trúc lý tưởng như trình bày trong Hình 1.1 sẽ bao gồm các thành phần xử lý tín hiệu tương tự được tối thiểu hóa chỉ gồm ăng ten thu, khối lọc thông dải cao tần (RF – BPF), khối khuếch đại tạp âm thấp (LNA). Tín hiệu tương tự sau đó được số hóa ở tần số cao rồi đưa đến khối xử lý tín hiệu để từ đó đưa ra được thông tin mong muốn mà cụ thể là thông tin hướng sóng tới của tín hiệu. Với các hệ thống vô tuyến tìm phương tiên tiến, nhiệm vụ nghiên cứu phát triển và cải thiện hiệu năng hoạt động của các hệ thống đó có thể được chia làm hai hướng chính: Cải tiến cấu trúc dàn ăng ten: Hiệu năng hoạt động của các hệ thống thông tin viễn thông đa ăng ten nói chung cũng như các hệ thống vô tuyến tìm phương nói riêng bị ảnh hưởng khá lớn bởi cấu trúc vật liệu, hình học… của dàn ăng ten. Việc nghiên cứu phát triển, cải tiến cấu trúc của dàn ăng ten nhằm làm giảm lỗi ước lượng, tăng độ phân giải, tính vô hướng… đã và đang được các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu [5, 6, 38, 69, 78, 101]. Cải tiến các phương pháp xử lý tín hiệu áp dụng cho máy thu SDR: Các phương pháp xử lý tín hiệu triển khai trên khối DSP được coi là phần cốt lõi của các máy thu SDR. Các phương pháp xử lý tín hiệu ở đây bao gồm các kỹ thuật chuẩn hóa tín hiệu cho đầu ra của khối ADC cũng như các kỹ thuật xác định hướng sóng tới áp dụng trên các tín hiệu đã được
8
chuẩn hóa đó. Trong các máy thu SDR, các tín hiệu thu được sẽ được lấy mẫu ở tần số cao.
Chính điều này gây ra nhiều thách thức khiến tín hiệu bị sai lệch so với giá trị mong muốn
như hiện tượng chồng phổ, lỗi lượng tử và đặc biệt là hiện tượng sai pha do sự không ổn định
của pha sóng tới trong quá trình lấy mẫu (Jitter) [60, 98]. Các kỹ thuật xử chuẩn hóa tín
hiệu nhằm bù trừ các sai lệch nói trên đã và đang được phát triển và đạt được những kết quả
khả quan [77, 86, 92]. Sau quá trình chuẩn hóa tín hiệu, các thuật toán xác định hướng sóng
tới sẽ được thực thi nhằm đưa ra thông tin chính xác về hướng tới của tín hiệu. Đó là thông tin
quan trọng nhất của hệ thống vô tuyến tìm phương. Chính vì vậy, việc nghiên cứu, phát triển
các thuật toán xác định hướng sóng tới nhằm nâng cao độ chính xác, độ phân giải cũng như
giảm độ phức tạp của thuật toán vai trò đặc biệt quan trọng. Đây chính là vấn đề xuyên
suốt mà luận án sẽ tập trung nghiên cứu.
1.2. Tổng quan các kỹ thuật xác định hướng sóng tới
Thông thường, các hệ thống vô tuyến tìm phương thường sử dụng các dàn ăng ten nhiều
phần tử để thu tín hiệu từ đó tìm ra hướng tới của các tín hiệu đó bằng các kỹ thuật xác định
hướng sóng tới. Các phương pháp xác định hướng sóng tới đã được các nhà khoa học nghiên
cứu và phát triển từ rất lâu [82]. Ngay từ năm 1888, Heinrich Hertz phát hiện đặc tính hướng
của ăng ten khi tiến hành thí nghiệm trong dải sóng decimet. Một ứng dụng cụ thể của
xác định hướng tới của sóng điện từ đã được đề xuất vào năm 1906 trong phương pháp định
hướng đích do Scheller phát minh ra. Các hệ thống tuyến tìm phương đầu tiên các hệ
thống vô tuyến tìm phương phân cực. Các hệ thống này bao gồm ăng ten lưỡng cực điện hoặc
từ trường với trục trùng với hướng của điện trường hoặc từ trường của tín hiệu tới. Từ hướng
phân cực, sẽ suy ra hướng tới của sóng điện từ. Hệ thống vô tuyến tìm phương vòng quay là
một trong những máy định hướng thuộc loại này được biết tới nhiều nhất. Vào những năm
đầu của thế kỷ 20, Belini và Tosi [13] cùng với Marconi [62] đã tìm ra phương pháp xác định
hướng sóng tới dựa trên đặc tính hướng của các phần tử ăng ten. Năm 1907, Bellini và Tosi
phát hiện ra phương pháp định hướng kết hợp giữa hai ăng ten có hướng tính giao nhau (ví dụ
như ăng ten vòng) với một máy đo góc để xác định hướng. Sau đó, việc sử dụng dàn ăng ten
nhiều phần tử trong xác định hướng sóng tới đã được đề xuất bởi Adcock [10] và Keen [53].
Đề xuất đó bước tiến lớn trong việc nâng cao tính chính xác của định hướng đối với tín
hiệu trong dải sóng dài. Vào năm 1917, Adcock đã nhận ra rằng bằng cách sử dụng ăng ten
tuyến tính phân cực đứng (ăng-ten cần hoặc lưỡng cực) có thể tạo được giản đồ ăng ten tương
tự với các ăng ten vòng mà không bị bất kỳ ảnh hưởng nào từ thành phần trường phân cực
ngang. Tuy nhiên, năm 1972 G. Eckard đã chứng minh rằng điều này không đúng trong mọi
trường hợp. Mãi cho đến năm 1931 ăng-ten Adcock mới lần đầu tiên được sử dụng ở Anh và
Đức.
Vào những năm 1925-1926, Watson-Watt đã xây dựng hệ thống vô tuyến tìm phương
điện tử trực quan phát triển từ hệ thống dùng máy đo góc theo kiểu khí. Năm 1931, xuất
8 chuẩn hóa đó. Trong các máy thu SDR, các tín hiệu thu được sẽ được lấy mẫu ở tần số cao. Chính điều này gây ra nhiều thách thức khiến tín hiệu bị sai lệch so với giá trị mong muốn như hiện tượng chồng phổ, lỗi lượng tử và đặc biệt là hiện tượng sai pha do sự không ổn định của pha sóng tới trong quá trình lấy mẫu (Jitter) [60, 98]. Các kỹ thuật xử lý chuẩn hóa tín hiệu nhằm bù trừ các sai lệch nói trên đã và đang được phát triển và đạt được những kết quả khả quan [77, 86, 92]. Sau quá trình chuẩn hóa tín hiệu, các thuật toán xác định hướng sóng tới sẽ được thực thi nhằm đưa ra thông tin chính xác về hướng tới của tín hiệu. Đó là thông tin quan trọng nhất của hệ thống vô tuyến tìm phương. Chính vì vậy, việc nghiên cứu, phát triển các thuật toán xác định hướng sóng tới nhằm nâng cao độ chính xác, độ phân giải cũng như giảm độ phức tạp của thuật toán có vai trò đặc biệt quan trọng. Đây chính là vấn đề xuyên suốt mà luận án sẽ tập trung nghiên cứu. 1.2. Tổng quan các kỹ thuật xác định hướng sóng tới Thông thường, các hệ thống vô tuyến tìm phương thường sử dụng các dàn ăng ten nhiều phần tử để thu tín hiệu từ đó tìm ra hướng tới của các tín hiệu đó bằng các kỹ thuật xác định hướng sóng tới. Các phương pháp xác định hướng sóng tới đã được các nhà khoa học nghiên cứu và phát triển từ rất lâu [82]. Ngay từ năm 1888, Heinrich Hertz phát hiện đặc tính hướng của ăng ten khi tiến hành thí nghiệm trong dải sóng decimet. Một ứng dụng cụ thể của nó là xác định hướng tới của sóng điện từ đã được đề xuất vào năm 1906 trong phương pháp định hướng đích do Scheller phát minh ra. Các hệ thống vô tuyến tìm phương đầu tiên là các hệ thống vô tuyến tìm phương phân cực. Các hệ thống này bao gồm ăng ten lưỡng cực điện hoặc từ trường với trục trùng với hướng của điện trường hoặc từ trường của tín hiệu tới. Từ hướng phân cực, sẽ suy ra hướng tới của sóng điện từ. Hệ thống vô tuyến tìm phương vòng quay là một trong những máy định hướng thuộc loại này được biết tới nhiều nhất. Vào những năm đầu của thế kỷ 20, Belini và Tosi [13] cùng với Marconi [62] đã tìm ra phương pháp xác định hướng sóng tới dựa trên đặc tính hướng của các phần tử ăng ten. Năm 1907, Bellini và Tosi phát hiện ra phương pháp định hướng kết hợp giữa hai ăng ten có hướng tính giao nhau (ví dụ như ăng ten vòng) với một máy đo góc để xác định hướng. Sau đó, việc sử dụng dàn ăng ten nhiều phần tử trong xác định hướng sóng tới đã được đề xuất bởi Adcock [10] và Keen [53]. Đề xuất đó là bước tiến lớn trong việc nâng cao tính chính xác của định hướng đối với tín hiệu trong dải sóng dài. Vào năm 1917, Adcock đã nhận ra rằng bằng cách sử dụng ăng ten tuyến tính phân cực đứng (ăng-ten cần hoặc lưỡng cực) có thể tạo được giản đồ ăng ten tương tự với các ăng ten vòng mà không bị bất kỳ ảnh hưởng nào từ thành phần trường phân cực ngang. Tuy nhiên, năm 1972 G. Eckard đã chứng minh rằng điều này không đúng trong mọi trường hợp. Mãi cho đến năm 1931 ăng-ten Adcock mới lần đầu tiên được sử dụng ở Anh và Đức. Vào những năm 1925-1926, Watson-Watt đã xây dựng hệ thống vô tuyến tìm phương điện tử trực quan phát triển từ hệ thống dùng máy đo góc theo kiểu cơ khí. Năm 1931, xuất
9
hiện các máy định hướng được ngụy trang sử dụng trên xe cũng như máy định hướng có thể
mang vác được để phát hiện lính do thám chiến trường. Kể từ năm 1943, tàu hải quân Anh
được trang bị hệ thống vô tuyến tìm phương Watson-Watt 3 kênh với các vòng tương hỗ cho
phạm vi sóng ngắn (“huf-duff” để phát hiện các tàu ngầm của Đức).
Đến năm 1941, hệ thống tuyến tìm phương sóng ngắn đã được xây dựng dựa trên
nguyên lý Doppler. o thời điểm này với sự phát triển nhanh chóng về kỹ thuật y dựng
các đài radar, các nhà khoa học ở Anh đã tập trung phát triển mở rộng dải tần hoạt động của
các hệ thống vô tuyến tìm phương đó. Năm 1943, hệ thống vô tuyến tìm phương đầu tiên
dùng để “Phát hiện và quan sát radar” ở dải tần khoảng 3.000 MHz đã được đưa vào sử dụng.
Đến năm 1943, thiết bị định hướng sử dụng dãy ăng ten được bố trí theo hình tròn độ
mở lớn (còn được gọi là phương pháp định lý Wullenweber) được xây dựng để định hướng từ
xa. Từ những năm 1950, sân bay trên toàn thế giới đã được trang bị hệ thống tuyến tìm
phương Doppler VHF/ UHF Doppler để kiểm soát không lưu.
Đầu những năm 1970, công nghệ kỹ thuật số được áp dụng vào định hướng định vị
sóng radio; tạo tín hiệu hướng và điều khiển số từ xa là những sản phẩm từ sự phát triển đó.
Kể từ năm 1980, xử lý tín hiệu số đã được sử dụng ngày càng nhiều trong các hệ thống vô
tuyến tìm phương. Nó cho phép hiện thực hóa các thiết bị định hướng giao thoa và hướng tới
việc thực hiện định hướng đa sóng (siêu phân giải). Mặc dù việc nghiên cứu về thuyết đã
được thực hiện trước đó rất nhiều.
Một yếu tố quan trọng khác thúc đẩy sự phát triển xa hơn của các thiết bị định hướng là
yêu cầu định hướng các phát xạ biến đổi được tần số như nhảy tần trải phổ tín hiệu. Từ
những yêu cầu đó, các hệ thống thiết bị định hướng băng thông rộng, khả năng đồng thời
thực hiện tìm và định hướng dựa trên chuỗi các bộ lọc số (và sử dụng biến đổi Fourier
nhanh (FFT)) đã được nghiên cứu phát triển [100, 106].
Với sự phát triển rất nhanh về công nghệ Điện tử Viễn thông cho phép chúng ta có thể
ước lượng pha và biên độ của tín hiệu tới một cách chính xác với tốc độ xử lý cao, cùng với
đó là các yêu cầu ngày một cao và khắt khe hơn về khả năng định hướng đa sóng, độ chính
xác và độ phân giải siêu cao trong xác định hướng sóng tới. Một trong những phương pháp
đầu tiên nhằm xác định tham số hướng đến của tín hiệu sử dụng dàn ăng ten nhiều phần tử là
phương pháp hay kỹ thuật định dạng búp sóng (Beamforming) [11]. Trong kỹ thuật định dạng
búp sóng, người ta sử dụng một bộ xử được gọi “Bộ tạo định dạng búp sóng”
(Beamformer) cùng với một tập hợp các cảm biến (hoặc các phần tử ăng ten trong dàn ăng ten
nhiều phần tử) để nhận tín hiệu phát ra từ một nguồn bức xạ cụ thể nào đó làm suy giảm
các tín hiệu đến từ các nguồn khác. Mô hình bộ tạo định dạng búp sóng đầu tiên được ra đời
với tên gọi “Trọng số - Trễ - Tổng” (Weight – Delay Sum Beamformer). Với bộ tạo định
dạng búp sóng kiểu này, đầu ra của các cảm biến được đánh trọng số và làm trễ theo một cảm
biến tham chiếu để đưa các thành phần tín hiệu từ một vài hướng đích về thẳng hàng và sau
9 hiện các máy định hướng được ngụy trang sử dụng trên xe cũng như máy định hướng có thể mang vác được để phát hiện lính do thám chiến trường. Kể từ năm 1943, tàu hải quân Anh được trang bị hệ thống vô tuyến tìm phương Watson-Watt 3 kênh với các vòng tương hỗ cho phạm vi sóng ngắn (“huf-duff” để phát hiện các tàu ngầm của Đức). Đến năm 1941, hệ thống vô tuyến tìm phương sóng ngắn đã được xây dựng dựa trên nguyên lý Doppler. Vào thời điểm này với sự phát triển nhanh chóng về kỹ thuật xây dựng các đài radar, các nhà khoa học ở Anh đã tập trung phát triển mở rộng dải tần hoạt động của các hệ thống vô tuyến tìm phương đó. Năm 1943, hệ thống vô tuyến tìm phương đầu tiên dùng để “Phát hiện và quan sát radar” ở dải tần khoảng 3.000 MHz đã được đưa vào sử dụng. Đến năm 1943, thiết bị định hướng sử dụng dãy ăng ten được bố trí theo hình tròn có độ mở lớn (còn được gọi là phương pháp định lý Wullenweber) được xây dựng để định hướng từ xa. Từ những năm 1950, sân bay trên toàn thế giới đã được trang bị hệ thống vô tuyến tìm phương Doppler VHF/ UHF Doppler để kiểm soát không lưu. Đầu những năm 1970, công nghệ kỹ thuật số được áp dụng vào định hướng và định vị sóng radio; tạo tín hiệu hướng và điều khiển số từ xa là những sản phẩm từ sự phát triển đó. Kể từ năm 1980, xử lý tín hiệu số đã được sử dụng ngày càng nhiều trong các hệ thống vô tuyến tìm phương. Nó cho phép hiện thực hóa các thiết bị định hướng giao thoa và hướng tới việc thực hiện định hướng đa sóng (siêu phân giải). Mặc dù việc nghiên cứu về lý thuyết đã được thực hiện trước đó rất nhiều. Một yếu tố quan trọng khác thúc đẩy sự phát triển xa hơn của các thiết bị định hướng là yêu cầu định hướng các phát xạ biến đổi được tần số như nhảy tần và trải phổ tín hiệu. Từ những yêu cầu đó, các hệ thống thiết bị định hướng băng thông rộng, có khả năng đồng thời thực hiện dò tìm và định hướng dựa trên chuỗi các bộ lọc số (và sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFT)) đã được nghiên cứu phát triển [100, 106]. Với sự phát triển rất nhanh về công nghệ Điện tử Viễn thông cho phép chúng ta có thể ước lượng pha và biên độ của tín hiệu tới một cách chính xác với tốc độ xử lý cao, cùng với đó là các yêu cầu ngày một cao và khắt khe hơn về khả năng định hướng đa sóng, độ chính xác và độ phân giải siêu cao trong xác định hướng sóng tới. Một trong những phương pháp đầu tiên nhằm xác định tham số hướng đến của tín hiệu sử dụng dàn ăng ten nhiều phần tử là phương pháp hay kỹ thuật định dạng búp sóng (Beamforming) [11]. Trong kỹ thuật định dạng búp sóng, người ta sử dụng một bộ xử lý được gọi là “Bộ tạo định dạng búp sóng” (Beamformer) cùng với một tập hợp các cảm biến (hoặc các phần tử ăng ten trong dàn ăng ten nhiều phần tử) để nhận tín hiệu phát ra từ một nguồn bức xạ cụ thể nào đó và làm suy giảm các tín hiệu đến từ các nguồn khác. Mô hình bộ tạo định dạng búp sóng đầu tiên được ra đời với tên gọi “Trọng số - Trễ - Tổng” (Weight – Delay – Sum Beamformer). Với bộ tạo định dạng búp sóng kiểu này, đầu ra của các cảm biến được đánh trọng số và làm trễ theo một cảm biến tham chiếu để đưa các thành phần tín hiệu từ một vài hướng đích về thẳng hàng và sau
10
đó lấy tổng. Các trọng số được lựa chọn là các hằng số đối với các hướng khác nhau. Khi tín
hiệu đến các bộ cảm biến từ cùng một nguồn, năng lượng trung bình đầu ra của bộ tạo định
dạng búp sóng sẽ đạt cực đại khi nó được định hướng đến đúng nguồn phát. Độ phân giải của
bộ tạo định dạng búp sóng đó phụ thuộc vào khẩu độ của tập hợp các cảm biến và hướng lái
theo. Tuy nhiên, phương pháp này hoạt động không hiệu quả trong trường hợp nhiều
nguồn tín hiệu tới.
Trong điều kiện bị tác động bởi nhiễu tạp âm cũng như trong trường hợp nhiều
nguồn tín hiệu tới, để có thể sử dụng được các bộ tạo định dạng búp sóng, người ta phải sử
dụng phương pháp đánh hệ số thích ứng. Năm 1967, Burg đề xuất phương pháp ước lượng
phổ với Entropy cực đại (Maximum Entropy Method – MEM) [15] dựa trên hoạt động của
một bộ lọc dự đoán tuyến tính. Hệ số đầu tiên của bộ lọc được khởi tạo duy nhất, các hệ số
còn lại được lựa chọn nhằm làm cực tiểu công suất nhiễu đầu ra của dàn ăng ten. Một phương
pháp đánh hệ số tương ứng rất nổi tiếng khác được đề xuất bởi Capon trong [17] với tên gọi
“Phương pháp đáp ứng không méo phương sai cực tiểu” (Minimum Variance Distortion
Response – MVDR). Ý tưởng cơ bản của Capon chọn trọng số để làm cực tiểu công suất
của nhiễu tín hiệu từ các nguồn khác với hướng quan tâm. Việc xác định hướng sóng tới
dựa trên phương pháp của Capon độ phân giải tốt hơn nhiều so với phương pháp của
Bartllet. Tuy nhiên phương pháp này sẽ cho kết quả không chính xác trong trường hợp các tín
hiệu tới các tín hiệu tương quan. Các ưu nhược điểm của phương pháp Capon được phân
tích trong [35]. Ngoài ra, đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu mở rộng phương pháp của
Capon đã được đề xuất như bởi Borgiottia và Kaplan trong [14] hay của Gabriel trong [31].
Trong bài toán xác định hướng sóng tới, mặc cả phương pháp Capon Brug đều
hoạt động tốt và được sử dụng rộng rãi, chúng vẫn có những hạn chế vì chúng không có một
mô hình dữ liệu hiệu quả. Sự ra đời và phát triển của các phương pháp phân tách không gian
con, dựa trên các trị riêng của ma trận hiệp phương sai của tín hiệu nhận được một đóng
góp quan trọng cho việc ước lượng các tham số của tín hiệu. Pisarenko đã ứng dụng thành
công phương pháp này khi phục hồi lại được các thành phần tín hiệu từ một phần của ma trận
hiệp phương sai của tín hiệu [76]. Ý tưởng của Pisarenko có thể được áp dụng vào việc xác
định hướng góc tới cho tín hiệu khi sử dụng dàn ăng ten đồng dạng tuyến tính ULA. Vào đầu
những năm 1980, Schmidt đã đề xuất một thuật toán rất mạnh tên MUSIC [88]. Thuật
toán MUSIC ra đời có ý nghĩa như một cuộc cách mạng đối với vấn đề ước lượng các tham số
của tín hiệu trong đó tham số hướng sóng tới. Một trong những đóng góp quan trọng của
thuật toán MUSIC là ước lượng được các tham số của tín hiệu theo hướng hình học. Đối với
phương pháp này, không gian tín hiệu được ước lượng bằng các giá trị riêng của ma trận hiệp
phương sai. Để thực hiện điều đó, chúng ta phải xây dựng bản sao mảng tín hiệu thu “Array
manifold” bằng cách kiểm tra tất cả các trường hợp có thể xảy ra của đáp ứng mảng pha so
với tín hiệu đơn. Với những thiết kế dàn ăng ten phù hợp, không gian tham số của tín hiệu
liên hệ chính xác với “Array manifold”, vì thế tham số của tín hiệu thể được xác định
10 đó lấy tổng. Các trọng số được lựa chọn là các hằng số đối với các hướng khác nhau. Khi tín hiệu đến các bộ cảm biến từ cùng một nguồn, năng lượng trung bình đầu ra của bộ tạo định dạng búp sóng sẽ đạt cực đại khi nó được định hướng đến đúng nguồn phát. Độ phân giải của bộ tạo định dạng búp sóng đó phụ thuộc vào khẩu độ của tập hợp các cảm biến và hướng lái theo. Tuy nhiên, phương pháp này hoạt động không hiệu quả trong trường hợp có nhiều nguồn tín hiệu tới. Trong điều kiện bị tác động bởi nhiễu và tạp âm cũng như trong trường hợp có nhiều nguồn tín hiệu tới, để có thể sử dụng được các bộ tạo định dạng búp sóng, người ta phải sử dụng phương pháp đánh hệ số thích ứng. Năm 1967, Burg đề xuất phương pháp ước lượng phổ với Entropy cực đại (Maximum Entropy Method – MEM) [15] dựa trên hoạt động của một bộ lọc dự đoán tuyến tính. Hệ số đầu tiên của bộ lọc được khởi tạo duy nhất, các hệ số còn lại được lựa chọn nhằm làm cực tiểu công suất nhiễu đầu ra của dàn ăng ten. Một phương pháp đánh hệ số tương ứng rất nổi tiếng khác được đề xuất bởi Capon trong [17] với tên gọi “Phương pháp đáp ứng không méo phương sai cực tiểu” (Minimum Variance Distortion Response – MVDR). Ý tưởng cơ bản của Capon là chọn trọng số để làm cực tiểu công suất của nhiễu và tín hiệu từ các nguồn khác với hướng quan tâm. Việc xác định hướng sóng tới dựa trên phương pháp của Capon có độ phân giải tốt hơn nhiều so với phương pháp của Bartllet. Tuy nhiên phương pháp này sẽ cho kết quả không chính xác trong trường hợp các tín hiệu tới là các tín hiệu tương quan. Các ưu nhược điểm của phương pháp Capon được phân tích trong [35]. Ngoài ra, đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu mở rộng phương pháp của Capon đã được đề xuất như bởi Borgiottia và Kaplan trong [14] hay của Gabriel trong [31]. Trong bài toán xác định hướng sóng tới, mặc dù cả phương pháp Capon và Brug đều hoạt động tốt và được sử dụng rộng rãi, chúng vẫn có những hạn chế vì chúng không có một mô hình dữ liệu hiệu quả. Sự ra đời và phát triển của các phương pháp phân tách không gian con, dựa trên các trị riêng của ma trận hiệp phương sai của tín hiệu nhận được là một đóng góp quan trọng cho việc ước lượng các tham số của tín hiệu. Pisarenko đã ứng dụng thành công phương pháp này khi phục hồi lại được các thành phần tín hiệu từ một phần của ma trận hiệp phương sai của tín hiệu [76]. Ý tưởng của Pisarenko có thể được áp dụng vào việc xác định hướng góc tới cho tín hiệu khi sử dụng dàn ăng ten đồng dạng tuyến tính ULA. Vào đầu những năm 1980, Schmidt đã đề xuất một thuật toán rất mạnh có tên là MUSIC [88]. Thuật toán MUSIC ra đời có ý nghĩa như một cuộc cách mạng đối với vấn đề ước lượng các tham số của tín hiệu trong đó có tham số hướng sóng tới. Một trong những đóng góp quan trọng của thuật toán MUSIC là ước lượng được các tham số của tín hiệu theo hướng hình học. Đối với phương pháp này, không gian tín hiệu được ước lượng bằng các giá trị riêng của ma trận hiệp phương sai. Để thực hiện điều đó, chúng ta phải xây dựng bản sao mảng tín hiệu thu “Array manifold” bằng cách kiểm tra tất cả các trường hợp có thể xảy ra của đáp ứng mảng pha so với tín hiệu đơn. Với những thiết kế dàn ăng ten phù hợp, không gian tham số của tín hiệu liên hệ chính xác với “Array manifold”, vì thế tham số của tín hiệu có thể được xác định
11
chính xác bằng cách tìm vùng gần nhất giữa không gian tín hiệu con và “Array manifold”
theo một vài ngưỡng chuẩn nào đó. Ví dụ như chuẩn bình phương tối thiểu “Least Squares –
LS” chọn mô hình mà làm cho tổng bình phương sai số giữa dữ liệu và mô hình là nhỏ nhất,
hay chuẩn khả năng lớn nhất “Maximum Likelihood – ML” chọn véc tơ tham số có liên quan
đến những đo đạc giống nhất. Trong thuật toán MUSIC ban đầu được đề xuất, người ta sử
dụng quá trình tìm kiếm một chiều cho các tham số nên giảm được tải tính toán trong khi cho
những kết quả phân cực khi ước lượng với số mẫu giới hạn. Ngoài ra có rất nhiều kỹ thuật đã
được áp dụng để cải tiến thuật toán MUSIC.
1.3. Mô hình tín hiệu trong xác định hướng sóng tới
Như trên đã phân tích, các hệ thống vô tuyến tìm phương dựa trên tín hiệu thu được từ
các dàn ăng ten nhiều phần tử, sử dụng các kthuật xử lý tín hiệu để tìm ra thông tin về
hướng sóng tới. Chính vì vậy, việc nghiên cứu mô hình tín hiệu sóng tới cũng như đặc điểm
tính chất các hệ dàn ăng ten khác nhau là một yêu cầu cơ bản nhất đối với bài toán thiết kế hệ
thống vô tuyến tìm phương.
Trong lĩnh vực vô tuyến điện, các tín hiệu sóng điện từ được phát đi lan truyền trong
không gian và được thu nhận bởi các hệ ăng ten. Các tín hiệu sóng điện từ lan truyền đều có
băng thông nhất định. Dựa vào các phân đoạn băng thông là tỷ số giữa băng thông trên tần
số trung tâm người ta có thể chia tín hiệu ra làm hai loại là tín hiệu băng hẹp và tín hiệu băng
rộng. Trong [91, 109], xét một dàn ăng ten phần tử với một tín hiệu tới dàn, tín hiệu đầu
ra
tại phần tử thứ được định nghĩa là
(
)
=
(
)
(
)
+
()
(1.1)
trong đó
(
)
là đáp ứng xung của phần tử thứ , (∗) biểu thị cho phép tích chập,
là độ
trễ tín hiệu tại phần tử ăng ten thứ còn
là thành phần nhiễu trắng. Thông thường thành
phần nhiễu
được coi là không tương quan với tín hiệu trong tất cả các miền. Nếu thành
phần nhiễu khác nhiễu trắng nhưng trong trường hợp chúng ta biết thành phần hiệp phương
sai thì cũng có thể coi đó nhiễu trắng. Tín hiệu sóng điện t
(
)
thông thường là tín hiệu
điều chế từ tín hiệu băng sở. Nếu tín hiệu
(
)
tín hiệu thực, thì mật độ phổ công suất
của tín hiệu đó sẽ đối xứng xung quanh gốc tọa độ như biểu diễn trong Hình 1.2.
Hình 1.2
. Phổ năng lượng của tín hiệu băng thông dải
11 chính xác bằng cách tìm vùng gần nhất giữa không gian tín hiệu con và “Array manifold” theo một vài ngưỡng chuẩn nào đó. Ví dụ như chuẩn bình phương tối thiểu “Least Squares – LS” chọn mô hình mà làm cho tổng bình phương sai số giữa dữ liệu và mô hình là nhỏ nhất, hay chuẩn khả năng lớn nhất “Maximum Likelihood – ML” chọn véc tơ tham số có liên quan đến những đo đạc giống nhất. Trong thuật toán MUSIC ban đầu được đề xuất, người ta sử dụng quá trình tìm kiếm một chiều cho các tham số nên giảm được tải tính toán trong khi cho những kết quả phân cực khi ước lượng với số mẫu giới hạn. Ngoài ra có rất nhiều kỹ thuật đã được áp dụng để cải tiến thuật toán MUSIC. 1.3. Mô hình tín hiệu trong xác định hướng sóng tới Như trên đã phân tích, các hệ thống vô tuyến tìm phương dựa trên tín hiệu thu được từ các dàn ăng ten nhiều phần tử, sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu để tìm ra thông tin về hướng sóng tới. Chính vì vậy, việc nghiên cứu mô hình tín hiệu sóng tới cũng như đặc điểm tính chất các hệ dàn ăng ten khác nhau là một yêu cầu cơ bản nhất đối với bài toán thiết kế hệ thống vô tuyến tìm phương. Trong lĩnh vực vô tuyến điện, các tín hiệu sóng điện từ được phát đi lan truyền trong không gian và được thu nhận bởi các hệ ăng ten. Các tín hiệu sóng điện từ lan truyền đều có băng thông  nhất định. Dựa vào các phân đoạn băng thông là tỷ số giữa băng thông trên tần số trung tâm người ta có thể chia tín hiệu ra làm hai loại là tín hiệu băng hẹp và tín hiệu băng rộng. Trong [91, 109], xét một dàn ăng ten có  phần tử với một tín hiệu tới dàn, tín hiệu đầu ra   tại phần tử thứ  được định nghĩa là   (  ) = ℎ  (  ) ∗  (  −   ) +   () (1.1) trong đó ℎ  (  ) là đáp ứng xung của phần tử thứ , (∗) biểu thị cho phép tích chập,   là độ trễ tín hiệu tại phần tử ăng ten thứ  còn   là thành phần nhiễu trắng. Thông thường thành phần nhiễu   được coi là không tương quan với tín hiệu trong tất cả các miền. Nếu thành phần nhiễu khác nhiễu trắng nhưng trong trường hợp chúng ta biết thành phần hiệp phương sai thì cũng có thể coi đó là nhiễu trắng. Tín hiệu sóng điện từ  (  ) thông thường là tín hiệu điều chế từ tín hiệu băng cơ sở. Nếu tín hiệu  (  ) là tín hiệu thực, thì mật độ phổ công suất của tín hiệu đó sẽ đối xứng xung quanh gốc tọa độ như biểu diễn trong Hình 1.2. Hình 1.2 . Phổ năng lượng của tín hiệu băng thông dải
12
Khi biểu diễn phương trình (1.1) trong miền tần số chúng ta có
(
)
=
(
)[
(
)
+
(
−
)]

+
()
(1.2)
trong đó
thành phần tần số sóng mang,
() biến đổi Fourier của thành phần
(). Giả sử
() là tín hiệu giải điều chế của tín hiệu
(
)
khi đó ta có
(
)
=
(
)

(1.3)
Biến đổi Fourier của tín hiệu như trong (1.3) là
(
)
=
(
+
)[
(
)
+
(
2
)]
(
)
+
( +
)
(1.4)
ở đây, dấu (∗) biểu thị thành phần liên hiệp phức.
Sau khi loại bỏ thành phần
( 2
) bằng bộ lọc thông dải, ta có tín hiệu nhận
được như sau
(
)
=
(
+
)
(
)
(
)
+
( +
)
(1.5)
Nếu ta giả sử rằng đáp ứng tần số của từng phần tử ăng ten
(
+
)
không đổi
với mọi thành phần tần số của tín hiệu tức là
(
+
)
(
), khi đó
(
)
(
)
(
)
(
)
+
( +
)
=
(
)
(
)

(/
)
+
( +
)
(1.6)
Phương trình (1.6) chính là mô hình tổng quát cho cả tín hiệu băng hẹp và tín hiệu băng
rộng. Phần tiếp theo sẽ mô tả cụ thể về mô hình tín hiệu băng hẹp và băng rộng xét tới trong
bài toán xác định hướng sóng tới.
1.3.1. Khái quát về tín hiệu băng hẹp
Căn cứ vào phương trình (1.6), nếu như tín hiệu có băng thông =2∆
∆
1,
khi đó chúng ta có tín hiệu băng hẹp được biểu diễn như sau
(
)
=
(
)
(
)

+
( +
)
(1.7)
Trong miền thời gian tín hiệu băng hẹp rất nhiều các cách biểu diễn [36]. Dạng biểu
diễn đơn giản nhất đó là
(
)
= ()cos [
+ Φ()]
(1.8)
trong đó Φ() là thành phần pha tức thời còn () là đường bao biên độ của tín hiệu đó. Dạng
thức thứ 2 mà chúng ta có thể biểu diễn tín hiệu băng hẹp như sau
(
)
=
(
)
cos
(
)
()sin (
()
(1.9)
với
(
)
() lần lượtthành phần đồng pha (In Phase) vuông pha (Quadrature)
của tín hiệu băng cơ sở. Hai thành phần đó có mô tả toán học như sau
(
)
=
(
)
cos
(
Φ()
)
(1.10)
(
)
=
(
)
sin
(
Φ()
)
(1.11)
12 Khi biểu diễn phương trình (1.1) trong miền tần số chúng ta có   (  ) =   (  )[  (  −   ) +  ∗ ( − −   )]    +   () (1.2) trong đó   là thành phần tần số sóng mang,   () là biến đổi Fourier của thành phần   (). Giả sử   () là tín hiệu giải điều chế của tín hiệu   (  ) khi đó ta có   (  ) =   (  )     (1.3) Biến đổi Fourier của tín hiệu như trong (1.3) là    (  ) =   (  +   )[  (  ) +  ∗ (  − 2  )]  (  )  +   ( +   ) (1.4) ở đây, dấu (∗) biểu thị thành phần liên hiệp phức. Sau khi loại bỏ thành phần  ∗ ( − 2  ) bằng bộ lọc thông dải, ta có tín hiệu nhận được như sau    (  ) =   (  +   )  (  )  (  )  +   ( +   ) (1.5) Nếu ta giả sử rằng đáp ứng tần số của từng phần tử ăng ten   (  +   ) là không đổi với mọi thành phần tần số của tín hiệu tức là   (  +   ) ≈   (  ), khi đó    (  ) ≈   (   )  (  )  (  )  +   ( +   ) =   (   )  (  )    (/  )  +   ( +   ) (1.6) Phương trình (1.6) chính là mô hình tổng quát cho cả tín hiệu băng hẹp và tín hiệu băng rộng. Phần tiếp theo sẽ mô tả cụ thể về mô hình tín hiệu băng hẹp và băng rộng xét tới trong bài toán xác định hướng sóng tới. 1.3.1. Khái quát về tín hiệu băng hẹp Căn cứ vào phương trình (1.6), nếu như tín hiệu có băng thông =2∆ và ∆   ≪ 1, khi đó chúng ta có tín hiệu băng hẹp được biểu diễn như sau    (  ) =   (   )  (  )      +   ( +   ) (1.7) Trong miền thời gian tín hiệu băng hẹp có rất nhiều các cách biểu diễn [36]. Dạng biểu diễn đơn giản nhất đó là  (  ) = ()cos [   + Φ()] (1.8) trong đó Φ() là thành phần pha tức thời còn () là đường bao biên độ của tín hiệu đó. Dạng thức thứ 2 mà chúng ta có thể biểu diễn tín hiệu băng hẹp như sau  (  ) =   (  ) cos (    ) −   ()sin (  () (1.9) với   (  ) và   () lần lượt là thành phần đồng pha (In – Phase) và vuông pha (Quadrature) của tín hiệu băng cơ sở. Hai thành phần đó có mô tả toán học như sau   (  ) =  (  ) cos ( Φ() ) (1.10)   (  ) =  (  ) sin ( Φ() ) (1.11)
13
Bộ giải mã tín hiệu I/Q điển hình có thể được mô tả như trong Hình 1.3.
Hình 1.3
. Bộ giải mã tín hiệu I/Q
Một dạng thức toán học khác để mô tả tín hiệu băng hẹp đó là biểu diễn trong miền
phức. Dạng thức đó là
(
)
= 
(
)

(1.12)
trong đó () được gọi là đường bao phức của tín hiệu
(
)
và được định nghĩa như sau
(
)
=
(
)
+ 
(
)
(1.13)
Ngoài các cách thức vừa nêu, tín hiệu băng hẹp cũng có thể được biểu diễn dưới dạng
(
)
=
1
2
(
)

+
1
2
(
)

(1.14)
1.3.2. Khái quát về tín hiệu băng rộng
Đối với các tín hiệu như được mô tả trong phương trình (1.6) có băng thông ∆ lớn, với
tỷ số
∆
không quá so với 1 (Băng thông ∆ thể so sánh được với thành phần tần số
sóng mang
) thì tín hiệu () được coi tín hiệu băng rộng và không thể xấp xỉ hóa như
phương trình (1.7). Nói một cách khác thì các thành phần số mũ của phương trình (1.6) không
phải là một hằng số và tín hiệu ra của các phần tử ăng ten sẽ không biểu diễn được dưới dạng
véc tơ của các tín hiệu băng hẹp [109]. Hình 1.4 mô tả sự biểu diễn tín hiệu băng hẹp và băng
rộng được thu bởi dàn ăng ten tuyến tính trong miền tần số - số sóng (ω k) .
(a) Tín hiệu băng hẹp (b) Tín hiệu băng rộng
Hình 1.4 . Biểu diễn tín hiệu băng rộng và tín hiệu băng hẹp trong miền
Từ Hình 1.4 chúng ta dễ thấy tín hiệu băng hẹp chỉ như một hàm xung Diract – Delta tại
một tần số với một chỉ số sóng, trong khi đó tín hiệu băng rộng trải dài trên cả miền tần số.
13 Bộ giải mã tín hiệu I/Q điển hình có thể được mô tả như trong Hình 1.3. Hình 1.3 . Bộ giải mã tín hiệu I/Q Một dạng thức toán học khác để mô tả tín hiệu băng hẹp đó là biểu diễn trong miền phức. Dạng thức đó là  (  ) =  (  )      (1.12) trong đó () được gọi là đường bao phức của tín hiệu  (  ) và được định nghĩa như sau  (  ) =   (  ) +   (  ) (1.13) Ngoài các cách thức vừa nêu, tín hiệu băng hẹp cũng có thể được biểu diễn dưới dạng  (  ) = 1 2  (  )     + 1 2  ∗ (  )     (1.14) 1.3.2. Khái quát về tín hiệu băng rộng Đối với các tín hiệu như được mô tả trong phương trình (1.6) có băng thông ∆ lớn, với tỷ số ∆   không quá bé so với 1 (Băng thông ∆ có thể so sánh được với thành phần tần số sóng mang   ) thì tín hiệu () được coi là tín hiệu băng rộng và không thể xấp xỉ hóa như phương trình (1.7). Nói một cách khác thì các thành phần số mũ của phương trình (1.6) không phải là một hằng số và tín hiệu ra của các phần tử ăng ten sẽ không biểu diễn được dưới dạng véc tơ của các tín hiệu băng hẹp [109]. Hình 1.4 mô tả sự biểu diễn tín hiệu băng hẹp và băng rộng được thu bởi dàn ăng ten tuyến tính trong miền tần số - số sóng (ω − k) . (a) Tín hiệu băng hẹp (b) Tín hiệu băng rộng Hình 1.4 . Biểu diễn tín hiệu băng rộng và tín hiệu băng hẹp trong miền  −  Từ Hình 1.4 chúng ta dễ thấy tín hiệu băng hẹp chỉ như một hàm xung Diract – Delta tại một tần số với một chỉ số sóng, trong khi đó tín hiệu băng rộng trải dài trên cả miền tần số.
14
Đối với tín hiệu băng rộng, cách thông dụng nhất để có thể khai phá thông tin hướng sóng tới
của chúng đó chia nhỏ thành nhiều tín hiệu băng hẹp bằng cách sử dụng các bộ lọc chuỗi
hoặc sử dụng biến đổi DFT theo thời gian và lựa chọn các thành phần tần số có mức công suất
cao nhất. Tuy nhiên, phương pháp này nhiều lúc có thể không hoạt động vì đã loại bỏ các
băng tần hẹp mà ở đó có chứa thông tin hướng sóng tới [109, 110].
1.4. Tổng quan một số dàn ăng ten nhiều phần tử sử dụng trong
xác định hướng sóng tới
Trong lĩnh vực thông tin viễn thông hiện đại, các dàn ăng ten nhiều phần tử ngày càng
được sử dụng rộng rãi với nhiều ứng dụng khác nhau. Dàn ăng ten là một hệ thống bao gồm
nhiều ăng ten thành phần (thường được gọi là các phần tử dàn ăng ten). Lợi ích cơ bản nhất
của hệ dàn ăng ten đó là chúng ta có thể thay đổi được độ rộng của búp sóng chính, thay đổi
được vị trí của chúng trong không gian với tốc độ cao đồng thời tăng được khả năng chống
nhiễu, tăng hệ số khuếch đại của ăng ten từ đó tăng hiệu năng hoạt động như cự ly hoạt động,
khả năng phát hiện, bám sát truyền thông tin của hệ thống sử dụng dàn ăng ten. Việc sử
dụng dàn ăng ten nhiều phần tử giúp hệ thống thông tinthể phối hợp hoạt động cùng một
lúc với nhiều máy phát hoặc máy thu ở một vài tần số trong một vài hướng quan sát khác
nhau để thực hiện nhiều mục đích. Bên cạnh những lợi ích bản vừa đề cập, việc sử dụng
dàn ăng ten nhiều phần tử cũng mắc phải một số những nhược điểm như cồng kềnh, khó triển
khai đối với các thiết bị di dộng, tăng giá thành chi phí sản xuất cũng như chi phí vận hành hệ
thống thông tin [3]. Tuy nhiên, những khó khăn đó là không đáng kể so với những lợi ích mà
hệ dàn ăng ten nhiều phần tử đem lại.
Khi nghiên cứu đến các hệ dàn ăng ten, chúng ta cần nghiên cứu các đặc trưng của hệ dàn
ăng ten đó. Trong [1-3], các đặc trưng cơ bản của dàn ăng ten bao gồm đặc trưng biên độ, đặc
trưng pha và đặc trưng phân cực. Các đặc trưng đó có thể được mô tả tóm lược như sau.
1.4.1. Các đặc trưng cơ bản của dàn ăng ten
1.4.1.1. Đặc trưng biên độ của dàn ăng ten
Hình 1.5
. Mô hình không gian khảo sát tín hiệu
14 Đối với tín hiệu băng rộng, cách thông dụng nhất để có thể khai phá thông tin hướng sóng tới của chúng đó là chia nhỏ thành nhiều tín hiệu băng hẹp bằng cách sử dụng các bộ lọc chuỗi hoặc sử dụng biến đổi DFT theo thời gian và lựa chọn các thành phần tần số có mức công suất cao nhất. Tuy nhiên, phương pháp này nhiều lúc có thể không hoạt động vì đã loại bỏ các băng tần hẹp mà ở đó có chứa thông tin hướng sóng tới [109, 110]. 1.4. Tổng quan một số dàn ăng ten nhiều phần tử sử dụng trong xác định hướng sóng tới Trong lĩnh vực thông tin viễn thông hiện đại, các dàn ăng ten nhiều phần tử ngày càng được sử dụng rộng rãi với nhiều ứng dụng khác nhau. Dàn ăng ten là một hệ thống bao gồm nhiều ăng ten thành phần (thường được gọi là các phần tử dàn ăng ten). Lợi ích cơ bản nhất của hệ dàn ăng ten đó là chúng ta có thể thay đổi được độ rộng của búp sóng chính, thay đổi được vị trí của chúng trong không gian với tốc độ cao đồng thời tăng được khả năng chống nhiễu, tăng hệ số khuếch đại của ăng ten từ đó tăng hiệu năng hoạt động như cự ly hoạt động, khả năng phát hiện, bám sát và truyền thông tin của hệ thống sử dụng dàn ăng ten. Việc sử dụng dàn ăng ten nhiều phần tử giúp hệ thống thông tin có thể phối hợp hoạt động cùng một lúc với nhiều máy phát hoặc máy thu ở một vài tần số trong một vài hướng quan sát khác nhau để thực hiện nhiều mục đích. Bên cạnh những lợi ích cơ bản vừa đề cập, việc sử dụng dàn ăng ten nhiều phần tử cũng mắc phải một số những nhược điểm như cồng kềnh, khó triển khai đối với các thiết bị di dộng, tăng giá thành chi phí sản xuất cũng như chi phí vận hành hệ thống thông tin [3]. Tuy nhiên, những khó khăn đó là không đáng kể so với những lợi ích mà hệ dàn ăng ten nhiều phần tử đem lại. Khi nghiên cứu đến các hệ dàn ăng ten, chúng ta cần nghiên cứu các đặc trưng của hệ dàn ăng ten đó. Trong [1-3], các đặc trưng cơ bản của dàn ăng ten bao gồm đặc trưng biên độ, đặc trưng pha và đặc trưng phân cực. Các đặc trưng đó có thể được mô tả tóm lược như sau. 1.4.1. Các đặc trưng cơ bản của dàn ăng ten 1.4.1.1. Đặc trưng biên độ của dàn ăng ten Hình 1.5 . Mô hình không gian khảo sát tín hiệu
15
Xét một nguồn tín hiệu ở trường vùng xa của dàn ăng ten bức xạ tín hiệu tới dàn ăng ten
với điểm tham chiếu của dàn đặt tại gốc tọa độ (0,0,0) như Hình 1.5.
Theo lý thuyết trường, chúng ta có biên độ phức cường độ trường của một nguồn phát xạ
sóng điện từ tại một điểm tùy ý trong trường vùng xa có thể viết dưới dạng:
=
.
(
,
)
.
(,)

(1.15)
trong đó:
- , , là tọa độ của điểm phát xạ trong hệ tọa độ cầu với gốc tọa độ vị trí nguồn
phát xạ sóng điện từ.
-
là biên độ dòng tại một điểm nào đó trên ăng ten.
-
(
,
)
.
(,)
=
(
,
)
là hàm phức phụ thuộc cấu trúc của ăng ten.
-
(
,
)
là pha của trường.
Mô đun của hàm
(
,
)
, tức
(
,
)
, được định nghĩa là đặc trưng biên độ của dàn ăng
ten xác định sự phụ thuộc của biên độ cường độ trường của ăng ten tại các điểm nằm trong
trường vùng xa và cách đều ăng ten vào hướng quan sát.
Để dễ dàng so sánh tính định hướng giữa các ăng ten khác nhau, người ta đưa ra khái
niệm đặc trưng biên độ chuẩn hóa: đó là tỷ số giữa giá trị của đặc trưng biên độ
(
,
)
theo
hướng bất kỳ với giá trị cực đại

của nó.
(
,
)
=
(, )

(1.16)
1.4.1.2. Đặc trưng pha của dàn ăng ten.
Đặc trưng pha của dàn ăng ten là mặt hình học tạo bởi các điểm trong trường vùng xa mà
tại đó véctơ cường độ trường có cùng một giá trị về pha.
Ta cho biểu thức pha của cường độ trường bằng hằng số :
(
,
)
. ℎ(, ) =
(1.17)
Từ đó đặc trưng pha của dàn ăng ten được định nghĩa là
ℎ(, )=
(
,
)
(1.18)
Giá trị của trong biểu thức này được xác định từ điều kiện sau:
=
khi
(
,
)
= (0,0)
(1.19)
Do đó:
(
0,0
)
ℎ
=
(1.20)
(
,
)
=
+

(
,
)
(1.21)
Với
(
,
)
(
0,0
)
= 
(
,
)
15 Xét một nguồn tín hiệu ở trường vùng xa của dàn ăng ten bức xạ tín hiệu tới dàn ăng ten với điểm tham chiếu của dàn đặt tại gốc tọa độ (0,0,0) như Hình 1.5. Theo lý thuyết trường, chúng ta có biên độ phức cường độ trường của một nguồn phát xạ sóng điện từ tại một điểm tùy ý trong trường vùng xa có thể viết dưới dạng: =    .  ( ,  ) .  (,)   (1.15) trong đó: - , ,  là tọa độ của điểm phát xạ trong hệ tọa độ cầu với gốc tọa độ là vị trí nguồn phát xạ sóng điện từ. -   là biên độ dòng tại một điểm nào đó trên ăng ten. -  ( ,  ) .  (,) =   ( ,  ) là hàm phức phụ thuộc cấu trúc của ăng ten. -  ( ,  ) là pha của trường. Mô đun của hàm   ( ,  ) , tức  ( ,  ) , được định nghĩa là đặc trưng biên độ của dàn ăng ten xác định sự phụ thuộc của biên độ cường độ trường của ăng ten tại các điểm nằm trong trường vùng xa và cách đều ăng ten vào hướng quan sát. Để dễ dàng so sánh tính định hướng giữa các ăng ten khác nhau, người ta đưa ra khái niệm đặc trưng biên độ chuẩn hóa: đó là tỷ số giữa giá trị của đặc trưng biên độ  ( ,  ) theo hướng bất kỳ với giá trị cực đại   của nó.  ( ,  ) = (, )   (1.16) 1.4.1.2. Đặc trưng pha của dàn ăng ten. Đặc trưng pha của dàn ăng ten là mặt hình học tạo bởi các điểm trong trường vùng xa mà tại đó véctơ cường độ trường có cùng một giá trị về pha. Ta cho biểu thức pha của cường độ trường bằng hằng số :  ( ,  ) − . ℎ(, ) =  (1.17) Từ đó đặc trưng pha của dàn ăng ten được định nghĩa là ℎ(, )=  ( ,  ) −   (1.18) Giá trị của  trong biểu thức này được xác định từ điều kiện sau: ℎ =ℎ  khi ( ,  ) = (0,0) (1.19) Do đó:  ( 0,0 ) − ℎ  =  (1.20) ℎ ( ,  ) = ℎ  +  ( ,  )  (1.21) Với  ( ,  ) −  ( 0,0 ) =  ( ,  )
16
Trường hợp đặc trưng pha không phải là mặt cầu, do đó không có tâm pha xác định.
Trường hợp y chúng ta thể khảo sát xấp xỉ từng phần của mặt đẳng pha bằng các mặt
cầu. Như vậy đối với mỗi phần tử chúng ta có một tâm pha. Tập hợp các tâm pha ứng với tất
cả các khoảng thể nằm trong một miền nào đó xung quanh không gian vị trí đặt ăng ten.
Người ta thường biểu diễn hàm đặc trưng pha trong các mặt phẳng .
1.4.1.3. Đặc trưng phân cực của dàn ăng ten.
Ngoài các đặc trưng biên độ và pha của dàn ăng ten, chúng ta cần khảo sát đặc trưng phân
cực của dàn ăng ten đó. Đặc trưng phân cực của dàn ăng ten hướng dao động của véc
cường độ trường theo thời gian. Trong trường hợp tổng quát, trường của dàn đặc trưng
phân cực Elip thì có thể xem đặc trưng phân cực của dàn là tổng của hai trường phân cực
tuyến tính các véc cường độ điện trường E
, E
vuông góc với nhau lệch pha nhau
một góc γ nào đó.
Giả sử cường độ trường có giá trị tức thời được cho trước là:
=
sin ()
=
. sin ( )
(1.22)
Từ (1.22) ta có

(

)
=
(1.23)
Thay (1.23) vào (1.22) ta có
=

1
. 
(1.24)
Dựa vào phương trình (1.24) ta có
=
.

= 
(1.25)
Phương trình (1.25) biểu diễn trường hợp tổng quát cường độ trường có đặc trưng phân
cực dạng Elip. Để đánh giá tính phân cực chúng ta đưa ra khái niệm hệ số phân cực đặc
trưng phân cực như sau:
Hệ số phân cực: tỷ số giữa bán trục nhỏ () bán trục lớn () của elip được
gọi là hệ số phân cực và ký hiệu là =
.
Đặc trưng phân cực: Là sự phụ thuộc của hệ số phân cực vào hướng tới điểm quan sát
gọi là đặc trưng phân cực của ăng ten =
(
,
)
, với 0 << 1.
1.4.2. Mô hình tín hiệu thu của một số dàn ăng ten hay sử dụng trong kỹ thuật
xác định hướng sóng tới.
Trong các hệ thống thông tin viễn thông sử dụng dàn ăng ten, để thực hiện yêu cầu phối
hợp cùng một lúc với nhiều máy phát, máy thu cùng hoạt động ở một vài tần số trong một vài
16 Trường hợp đặc trưng pha không phải là mặt cầu, do đó không có tâm pha xác định. Trường hợp này chúng ta có thể khảo sát xấp xỉ từng phần của mặt đẳng pha bằng các mặt cầu. Như vậy đối với mỗi phần tử chúng ta có một tâm pha. Tập hợp các tâm pha ứng với tất cả các khoảng có thể nằm trong một miền nào đó xung quanh không gian vị trí đặt ăng ten. Người ta thường biểu diễn hàm đặc trưng pha trong các mặt phẳng  và . 1.4.1.3. Đặc trưng phân cực của dàn ăng ten. Ngoài các đặc trưng biên độ và pha của dàn ăng ten, chúng ta cần khảo sát đặc trưng phân cực của dàn ăng ten đó. Đặc trưng phân cực của dàn ăng ten là hướng dao động của véc tơ cường độ trường theo thời gian. Trong trường hợp tổng quát, trường của dàn có đặc trưng phân cực Elip thì có thể xem đặc trưng phân cực của dàn là tổng của hai trường phân cực tuyến tính có các véc tơ cường độ điện trường E    , E   vuông góc với nhau và lệch pha nhau một góc γ nào đó. Giả sử cường độ trường có giá trị tức thời được cho trước là:    =   sin ()   =   . sin ( − )  (1.22) Từ (1.22) ta có  (  ) =     (1.23) Thay (1.23) vào (1.22) ta có     =      −  1 −        .  (1.24) Dựa vào phương trình (1.24) ta có     =        −     .      −        =   (1.25) Phương trình (1.25) biểu diễn trường hợp tổng quát cường độ trường có đặc trưng phân cực dạng Elip. Để đánh giá tính phân cực chúng ta đưa ra khái niệm hệ số phân cực và đặc trưng phân cực như sau: Hệ số phân cực: Là tỷ số giữa bán trục nhỏ () và bán trục lớn () của elip và được gọi là hệ số phân cực và ký hiệu là  =   . Đặc trưng phân cực: Là sự phụ thuộc của hệ số phân cực vào hướng tới điểm quan sát gọi là đặc trưng phân cực của ăng ten  =  ( ,  ) , với 0 << 1. 1.4.2. Mô hình tín hiệu thu của một số dàn ăng ten hay sử dụng trong kỹ thuật xác định hướng sóng tới. Trong các hệ thống thông tin viễn thông sử dụng dàn ăng ten, để thực hiện yêu cầu phối hợp cùng một lúc với nhiều máy phát, máy thu cùng hoạt động ở một vài tần số trong một vài