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

7,967
92
114
17
hướng quan sát thì chúng ta phải điểu khiển được hướng tính của dàn ăng ten. Thông thường
có 3 phương pháp điều khiển hướng tính của dàn ăng ten đó là:
- Điều khiển đặc trưng phân bố pha của các phần tử trong dàn ăng ten.
- Điều khiển đặc trưng phân bố biên độ của các phần tử trong dàn ăng ten.
- Điều khiển đặc trưng phân bố phân cực của các phần tử trong dàn ăng ten.
Trong các phương pháp đó, phương pháp điều khiển phân bố pha là có hiệu quả nhất.
Chính vì vậy, các dàn ăng ten mảng pha được quan tâm sử dụng hơn cả trong các hệ thống
thông tin viễn thông. Việc điều khiển phân bố pha của từng phần tử ăng ten trong dàn được
thực hiện bằng các thiết bị điện tử, chủ yếu sử dụng các bộ quay pha điện tử từ đó loại bỏ các
nhược điểm của các thiết bị cơ khí. Dàn ăng ten mảng pha không những cho phép đạt được
tốc độ quét cao còn có khả năng điều khiển cả dạng giản đồ hướng, tăng công suất phát
xạ, nâng cao khả năng chống nhiễu cho toàn hệ thống. Mặt khác, dàn ăng ten mảng pha cho
phép khả năng thay đổi vị trí cực đại búp sóng trong không gian với tốc độ lớn hoặc làm hẹp
hay mở rộng chúng trong thời gian rất nhanh. Đây là đặc điểm rất quan trọng đối với các hệ
thống định vị vô tuyến điện như Radar hay các hệ thống vô tuyến tìm phương. Đến nay, người
ta đã chế tạo đưa vào sử dụng nhiều loại dàn ăng ten mảng pha những dải sóng khác
nhau với số lượng phần tử thay đổi bố trí trên mặt phẳng hoặc cong. Trong những năm gần
đây, dàn ăng ten mảng pha phẳng được quan tâm phát triển nhiều hơn. Tuy vậy, lý thuyết kỹ
thuật xây dựng dàn ăng ten mảng pha cong cũng đã được phát triển nhanh phức tạp hơn
dàn ăng ten mảng pha phẳng song nó có góc quét rộng trong khi các đặc tính ít bị thay đổi
nhiều lợi thế khác.
Với những ưu điểm đã phân tích ở trên, các dàn ăng ten mảng pha được ứng dụng rất
rộng rãi trong các hệ thống vô tuyến tìm phương. Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, tác
giả chỉ đề cập phân tích và ứng dụng dàn ăng ten mảng pha phẳng với hai dạng dàn ăng ten
điển hình đó là dàn ăng ten đồng dạng tuyến tính thẳng (Uniform Linear Antenna – ULA)
dàn ăng ten đồng dạng tròn đều (Uniform Circular Antenna – UCA) [21, 24, 49, 58, 67].
hình tín hiệu thu được bởi hai dàn ăng ten loại này sẽ được tổng hợp phân tích như sau.
1.4.2.1. Mô hình tín hiệu thu với dàn ăng ten đồng nhất tuyến tính ULA
Dàn ăng ten đồng nhất tuyến tính ULA có thể được tả như là tập hợp gồm phần
tử ăng ten đẳng hướng được sắp xếp trên các đường thẳng song song cách đều nhau một
khoảng cách trong không gian. Xét dàn ăng ten ULA đặt trong hệ tọa độ không gian 3 chiều
Đề Các vuông góc như Hình 1.6 với điểm tham chiếu phần tử thứ nhất của dàn ăng ten
được đặt tại gốc tọa độ. Một nguồn phát sóng vô tuyến đặt rất xa dàn ăng ten, bức xạ tín hiệu
đến dàn ăng ten với góc tới trong cả mặt phẳng tà và mặt phẳng phương vị lần lượt là .
17 hướng quan sát thì chúng ta phải điểu khiển được hướng tính của dàn ăng ten. Thông thường có 3 phương pháp điều khiển hướng tính của dàn ăng ten đó là: - Điều khiển đặc trưng phân bố pha của các phần tử trong dàn ăng ten. - Điều khiển đặc trưng phân bố biên độ của các phần tử trong dàn ăng ten. - Điều khiển đặc trưng phân bố phân cực của các phần tử trong dàn ăng ten. Trong các phương pháp đó, phương pháp điều khiển phân bố pha là có hiệu quả nhất. Chính vì vậy, các dàn ăng ten mảng pha được quan tâm sử dụng hơn cả trong các hệ thống thông tin viễn thông. Việc điều khiển phân bố pha của từng phần tử ăng ten trong dàn được thực hiện bằng các thiết bị điện tử, chủ yếu sử dụng các bộ quay pha điện tử từ đó loại bỏ các nhược điểm của các thiết bị cơ khí. Dàn ăng ten mảng pha không những cho phép đạt được tốc độ quét cao mà còn có khả năng điều khiển cả dạng giản đồ hướng, tăng công suất phát xạ, nâng cao khả năng chống nhiễu cho toàn hệ thống. Mặt khác, dàn ăng ten mảng pha cho phép khả năng thay đổi vị trí cực đại búp sóng trong không gian với tốc độ lớn hoặc làm hẹp hay mở rộng chúng trong thời gian rất nhanh. Đây là đặc điểm rất quan trọng đối với các hệ thống định vị vô tuyến điện như Radar hay các hệ thống vô tuyến tìm phương. Đến nay, người ta đã chế tạo và đưa vào sử dụng nhiều loại dàn ăng ten mảng pha ở những dải sóng khác nhau với số lượng phần tử thay đổi bố trí trên mặt phẳng hoặc cong. Trong những năm gần đây, dàn ăng ten mảng pha phẳng được quan tâm phát triển nhiều hơn. Tuy vậy, lý thuyết kỹ thuật xây dựng dàn ăng ten mảng pha cong cũng đã được phát triển nhanh dù phức tạp hơn dàn ăng ten mảng pha phẳng song nó có góc quét rộng trong khi các đặc tính ít bị thay đổi và nhiều lợi thế khác. Với những ưu điểm đã phân tích ở trên, các dàn ăng ten mảng pha được ứng dụng rất rộng rãi trong các hệ thống vô tuyến tìm phương. Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, tác giả chỉ đề cập phân tích và ứng dụng dàn ăng ten mảng pha phẳng với hai dạng dàn ăng ten điển hình đó là dàn ăng ten đồng dạng tuyến tính thẳng (Uniform Linear Antenna – ULA) và dàn ăng ten đồng dạng tròn đều (Uniform Circular Antenna – UCA) [21, 24, 49, 58, 67]. Mô hình tín hiệu thu được bởi hai dàn ăng ten loại này sẽ được tổng hợp phân tích như sau. 1.4.2.1. Mô hình tín hiệu thu với dàn ăng ten đồng nhất tuyến tính ULA Dàn ăng ten đồng nhất tuyến tính ULA có thể được mô tả như là tập hợp gồm  phần tử ăng ten đẳng hướng được sắp xếp trên các đường thẳng song song cách đều nhau một khoảng cách  trong không gian. Xét dàn ăng ten ULA đặt trong hệ tọa độ không gian 3 chiều Đề Các vuông góc như Hình 1.6 với điểm tham chiếu là phần tử thứ nhất của dàn ăng ten được đặt tại gốc tọa độ. Một nguồn phát sóng vô tuyến đặt rất xa dàn ăng ten, bức xạ tín hiệu đến dàn ăng ten với góc tới trong cả mặt phẳng tà và mặt phẳng phương vị lần lượt là  và .
Tuy nhiên trong ph
m vi nghiên c
trong cùng mặt phẳ
ng phương v
truyền tới dàn ăng ten đượ
c t
tìm phương ngườ
i ta hay ch
Việc xác định xác đị
nh phương chính b
bộ la bàn số hoặc sử dụ
ng h
Hình 1.7
.
Do nguồn tín hiệu n
pha của tín hiệu đến phần t
sau:
với = 0,1, , 1.
Ở đây, bướ
c sóng c
tín hiệu tới các phần tử củ
a dàn ăng ten. Do ngu
ten do đó độ dịch pha
đư
Đáp ứng pha c
a dàn ăng ten đ
công thức sau:
18
nh 1.6
. Dàn ăng ten ULA trong hệ tọa độ Đề các
m vi nghiên c
ứu của luận án, tác giả chỉ xét
t
ng phương v
với dàn ăng ten ( = 90
)
, khi đó h
c mô t
ả như Hình 1.7. Thông thườ
ng, trong các
i ta hay ch
ọn mốc chuẩn tương ứng với góc = 0
nh phương chính b
ắc trong các hệ thống đó đượ
c th
ng h
ệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPS.
hình sóng t
ới dàn ăng ten ULA trong mặt phẳ
ng phương v
m ở trường vùng xa của dàn ăng ten nên
chúng ta d
ăng ten thứ so với tại điểm tham chiế
u đư
=
+

m.d.sin(θ)
c sóng c
ủa tín hiệu tới,
là dịch pha tín hiệ
u trên đư
a dàn ăng ten. Do ngu
ồn tín hiệu nằm ở trườ
ng
đư
ợc giả định không đổi trên tất cả các phần t
a dàn ăng ten đ
ối với tín hiệu thu tại phần tử
ăng ten th
=

t
ới những tín hiệu nằm
, khi đó mô h
ình sóng phẳng
ng, trong các
hệ thống vô tuyến
phương chính bắc.
c th
ực hiện bằng bởi các
ng phương v
chúng ta d
ễ thấy độ lệch
u đư
ợc cho bởi công thức
(1.26)
u trên đư
ờng truyền từ nguồn
ng
vùng xa của dàn ăng
của dàn ăng ten.
ăng ten th
được cho bởi
(1.27)
Hình 1.6 Tuy nhiên trong phạ m vi nghiên c trong cùng mặt phẳ ng phương v truyền tới dàn ăng ten đượ c mô t tìm phương ngườ i ta hay ch Việc xác định xác đị nh phương chính b bộ la bàn số hoặc sử dụ ng h Hình 1.7 . Mô hình sóng t Do nguồn tín hiệu n ằ pha của tín hiệu đến phần t ử sau: với  = 0,1, … , − 1. Ở đây,  là bướ c sóng c tín hiệu tới các phần tử củ a dàn ăng ten. Do ngu ten do đó độ dịch pha   đư Đáp ứng pha củ a dàn ăng ten đ công thức sau: 18 Hình 1.6 . Dàn ăng ten ULA trong hệ tọa độ Đề các m vi nghiên c ứu của luận án, tác giả chỉ xét t ng phương v ị với dàn ăng ten ( = 90  ) , khi đó mô h c mô t ả như Hình 1.7. Thông thườ ng, trong các i ta hay ch ọn mốc chuẩn tương ứng với góc = 0  nh phương chính b ắc trong các hệ thống đó đượ c th ng h ệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPS. Mô hình sóng t ới dàn ăng ten ULA trong mặt phẳ ng phương v ằ m ở trường vùng xa của dàn ăng ten nên chúng ta d ử ăng ten thứ  so với tại điểm tham chiế u đư   =   +   m.d.sin(θ) c sóng c ủa tín hiệu tới,   là dịch pha tín hiệ u trên đư a dàn ăng ten. Do ngu ồn tín hiệu nằm ở trườ ng đư ợc giả định không đổi trên tất cả các phần t ử a dàn ăng ten đ ối với tín hiệu thu tại phần tử ăng ten th   =      t ới những tín hiệu nằm , khi đó mô h ình sóng phẳng ng, trong các hệ thống vô tuyến là phương chính bắc. c th ực hiện bằng bởi các ng phương v ị chúng ta d ễ thấy độ lệch u đư ợc cho bởi công thức (1.26) u trên đư ờng truyền từ nguồn ng vùng xa của dàn ăng ử của dàn ăng ten. ăng ten th ứ  được cho bởi (1.27)
19
với
là hệ số tăng ích của phần tử ăng ten thứ .
Từ đó, tín hiệu đầu ra tại phần tử ăng ten thứ
() =
(
)
(1.28)
(
)
=

(
)


(
)
(1.29)
với () là tín hiệu đến và () = ()
.
Trong trường hợp có tín hiệu đến dàn ăng ten từ các hướng trong mặt phẳng phương vị
với các góc tới lần lượt là
,
, . ,
, tín hiệu nhận được tại phần tử ăng ten thứ là tổng
hợp của tất cả các tín hiệu đến đó:
(
)
=

()
(
)

(1.30)
Với =

là hệ số truyền sóng. Nếu ta đặt
=
(
)
(1.31)
Thì khi đó ta có dạng tín hiệu nhận được tại mỗi phần tử ăng ten là:
(
)
=

()

(1.32)
Trong môi trường truyền dẫn có ảnh hưởng bởi nhiễu, khi đó tín hiệu nhận được tại mỗi
phần tử ăng ten sẽ có dạng như sau:
(
)
=

()

+
()
(1.33)
Trong đó,
là thành phần nhiễu can thiệp vào tín hiệu. Thành phần này được giả sử là
không tương quan với các tín hiệu tới dàn ăng ten cả trong miền thời gian, tần số và không
gian.
Phương trình (1.33) thể hiện tín hiệu nhận được tại mỗi phần tử ăng ten là hàm liên tục về
thời gian. Tín hiệu này sau đó có thể được lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫu
tại mỗi khoảng thời
gian rời rạc là 
như sau:
(

)
=

(
)

+
(
)
(1.34)
Để đơn giản hóa phương trình này, chúng ta thể biểu diễn cách khác cho tín hiệu rời
rạc theo thời gian
(

)
(
)
. Điều này có nghĩa rằng
(
)
là cách biểu diễn rời rạc
của
(
)
được lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫu
.
Như vậy, phương trình (1.34) biểu thị dạng rời rạc của tín hiệu nhận được tại mỗi phần tử
ăng ten. Tín hiệu thu được khi biểu diễn dưới dạng này thể coi là dữ liệu tín hiệu nhận
được với nhiều mẫu tín hiệu. Mỗi một mẫu tín hiệu (snapshot) được định nghĩa là một mẫu dữ
liệu thu được. Các mẫu dữ liệu đó sẽ được xử lý để cho ra thông tin về hướng sóng tới. Các
mẫu tín hiệu có thể được đơn giản hóa như sau:
=


+
(1.35)
19 với   là hệ số tăng ích của phần tử ăng ten thứ . Từ đó, tín hiệu đầu ra tại phần tử ăng ten thứ  là   () =  (  )   (1.28)   (  ) =     (  )      (  ) (1.29) với () là tín hiệu đến và () = ()  . Trong trường hợp có  tín hiệu đến dàn ăng ten từ các hướng trong mặt phẳng phương vị với các góc tới lần lượt là   ,   , …. ,   , tín hiệu nhận được tại phần tử ăng ten thứ  là tổng hợp của tất cả các tín hiệu đến đó:   (  ) = ∑      () (  )   (1.30) Với =   là hệ số truyền sóng. Nếu ta đặt   =  (  ) (1.31) Thì khi đó ta có dạng tín hiệu nhận được tại mỗi phần tử ăng ten là:   (  ) = ∑      ()    (1.32) Trong môi trường truyền dẫn có ảnh hưởng bởi nhiễu, khi đó tín hiệu nhận được tại mỗi phần tử ăng ten sẽ có dạng như sau:   (  ) = ∑      ()    +   () (1.33) Trong đó,   là thành phần nhiễu can thiệp vào tín hiệu. Thành phần này được giả sử là không tương quan với các tín hiệu tới dàn ăng ten cả trong miền thời gian, tần số và không gian. Phương trình (1.33) thể hiện tín hiệu nhận được tại mỗi phần tử ăng ten là hàm liên tục về thời gian. Tín hiệu này sau đó có thể được lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫu   tại mỗi khoảng thời gian rời rạc là   như sau:   (   ) = ∑      (  )    +   (  ) (1.34) Để đơn giản hóa phương trình này, chúng ta có thể biểu diễn cách khác cho tín hiệu rời rạc theo thời gian   (   ) là   (  ) . Điều này có nghĩa rằng   (  ) là cách biểu diễn rời rạc của   (  ) được lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫu   . Như vậy, phương trình (1.34) biểu thị dạng rời rạc của tín hiệu nhận được tại mỗi phần tử ăng ten. Tín hiệu thu được khi biểu diễn dưới dạng này có thể coi là dữ liệu tín hiệu nhận được với nhiều mẫu tín hiệu. Mỗi một mẫu tín hiệu (snapshot) được định nghĩa là một mẫu dữ liệu thu được. Các mẫu dữ liệu đó sẽ được xử lý để cho ra thông tin về hướng sóng tới. Các mẫu tín hiệu có thể được đơn giản hóa như sau:   = ∑          +   (1.35)
Như vậy,
các thông tin c
đến dàn ăng ten , hệ số
truy
hướng đến của tín hiệu
.
cho đề tài luận án là
bài toán
được giá trị
tương ứ
ng.
1.4.2.2.
Mô hình tín hi
Dàn ăng ten đồng dạ
ng
gồm phần tử ăng ten sắ
p x
phần tử cũng như khoả
ng cách gi
không gian, dàn ăng ten UCA kích thư
với dàn ăng ten ULA
chúng ta ch
−90
cho đến 90
, tuy
nhiên
tín hiệu từ mọi hướng (
360
Xét dàn ăng ten UCA đ
với tâm của dàn đượ
c xét là đi
được đặt trong mặt phẳ
ng XOY. Tín hi
góc phương vị và góc ng
Giả sử rằng các tín hiệ
dàn ăng ten UCA như trong
tín hiệu đến phần tử
ăng ten th
Với =

hệ số
truy
trong hệ tọa độ
không gian ba chi
Đáp ứng pha c
a dàn ăng ten đ
công thức sau:
20
c thông tin c
ủa tín hiệu phương trình (1.35) t
truy
ền sóng , khoảng cách giữa hai phần tử
.
Các thông tin về , , được giả thiết đ
ã bi
bài toán
xác định
. Giả sử tín hiệu đến, luậ
n án
ng.
hình tín hi
ệu thu với dàn ăng ten đồng dạng
tròn
ng
tròn đều (Uniform Circular Antenna
UCA
p x
ếp trên một đường tròn bán kính .
Thông thư
ng cách gi
ữa các phần tử ăng ten liên tiế
p như nhau, th
không gian, dàn ăng ten UCA có kích thư
ớc nhỏ gọn hơn so vớ
i dàn ăng ten ULA. M
chúng ta ch
ỉ có thể xác định được các giá trị
c đ
nhiên
dàn ăng ten UCA cho phép chúng ta
xác đ
360
).
t dàn ăng ten UCA đ
ặt trong hệ tọa độ Đề
Các vuông góc như t
c xét là đi
ểm tham chiếu đặt tại gốc tọa độ (0,0,
0
ng XOY. Tín hi
ệu đến xuất phát từ một nguồ
n trong không gian v
ng .
nh 1.8
. Mô hình dàn ăng ten UCA trong hệ tọa độ Đề
Các
u tới có nguồn nằm ở trường vùng xa củ
a dàn ăng ten, v
dàn ăng ten UCA như trong
Hình 1.8, chúng ta có thể dễ dàng chứ
ng minh đư
ăng ten th
với so với điểm tham chiếu là:
()
 +
()
 +
()
)
truy
ền sóng,
(
)
,
(
)
,
(
)
tọa độ củ
a ph
không gian ba chi
ều Đề Các.
a dàn ăng ten đ
ối với tín hiệu thu tại phần tử
ăng ten th
=

bao gồm: số tín hiệu
ăng ten liên tiếp
ã bi
ết, nhiệm vụ đặt ra
n án
cần phải xác định
tròn
đều UCA
UCA
) là dàn ăng ten bao
Thông thư
ờng với số lượng
p là như nhau, th
ì về mặt
i dàn ăng ten ULA. M
ặt khác,
góc đ
ến trong khoảng từ
xác đ
ịnh được góc đến của
c vuông góc như mô t
ả trong Hình 1.8,
0
), các phần tử ăng ten
n trong không gian v
ới
Các
a dàn ăng ten, v
ới mô hình
ng minh đư
ợc sai pha của
(1.36)
a ph
ần tử ăng ten thứ
ăng ten th
được cho bởi
(1.37)
Như vậy, các thông tin c đến dàn ăng ten , hệ số truy hướng đến của tín hiệu   . cho đề tài luận án là bài toán được  giá trị   tương ứ ng. 1.4.2.2. Mô hình tín hi Dàn ăng ten đồng dạ ng gồm  phần tử ăng ten sắ p x phần tử cũng như khoả ng cách gi không gian, dàn ăng ten UCA có kích thư với dàn ăng ten ULA chúng ta ch −90  cho đến 90  , tuy nhiên tín hiệu từ mọi hướng ( 360 Xét dàn ăng ten UCA đ với tâm của dàn đượ c xét là đi được đặt trong mặt phẳ ng XOY. Tín hi góc phương vị  và góc ng ẩ Hình 1.8 Giả sử rằng các tín hiệ dàn ăng ten UCA như trong tín hiệu đến phần tử ăng ten th ∆  = ( Với =   là hệ số truy trong hệ tọa độ không gian ba chi Đáp ứng pha củ a dàn ăng ten đ công thức sau: 20 các thông tin c ủa tín hiệu mà phương trình (1.35) mô t ả truy ền sóng , khoảng cách giữa hai phần tử . Các thông tin về , ,  được giả thiết là đ ã bi bài toán xác định   . Giả sử có  tín hiệu đến, luậ n án ng. Mô hình tín hi ệu thu với dàn ăng ten đồng dạng tròn ng tròn đều (Uniform Circular Antenna – UCA p x ếp trên một đường tròn bán kính . Thông thư ng cách gi ữa các phần tử ăng ten liên tiế p là như nhau, th không gian, dàn ăng ten UCA có kích thư ớc nhỏ gọn hơn so vớ i dàn ăng ten ULA. M chúng ta ch ỉ có thể xác định được các giá trị góc đ nhiên dàn ăng ten UCA cho phép chúng ta xác đ 360  ). Xét dàn ăng ten UCA đ ặt trong hệ tọa độ Đề Các vuông góc như mô t c xét là đi ểm tham chiếu đặt tại gốc tọa độ (0,0, 0 ng XOY. Tín hi ệu đến xuất phát từ một nguồ n trong không gian v ẩ ng . Hình 1.8 . Mô hình dàn ăng ten UCA trong hệ tọa độ Đề Các u tới có nguồn nằm ở trường vùng xa củ a dàn ăng ten, v dàn ăng ten UCA như trong Hình 1.8, chúng ta có thể dễ dàng chứ ng minh đư ăng ten th ứ  với so với điểm tham chiếu là:  ()  +  ()  +  () ) truy ền sóng,  (  ) ,  (  ) ,  (  ) là tọa độ củ a ph không gian ba chi ều Đề Các. a dàn ăng ten đ ối với tín hiệu thu tại phần tử ăng ten th   =     ả bao gồm: số tín hiệu ử ăng ten liên tiếp  và ã bi ết, nhiệm vụ đặt ra n án cần phải xác định tròn đều UCA UCA ) là dàn ăng ten bao Thông thư ờng với số lượng p là như nhau, th ì về mặt i dàn ăng ten ULA. M ặt khác, góc đ ến trong khoảng từ xác đ ịnh được góc đến của Các vuông góc như mô t ả trong Hình 1.8, 0 ), các phần tử ăng ten n trong không gian v ới Các a dàn ăng ten, v ới mô hình ng minh đư ợc sai pha của (1.36) a ph ần tử ăng ten thứ  ăng ten th ứ  được cho bởi (1.37)
21
với
là hệ số tăng ích của phần tử ăng ten thứ . Với mỗi một tín hiệu sóng điện từ tới
dàn ăng ten, tín hiệu thu được tại mỗi phần tử ăng ten sẽ có dạng
(
)
=
(
)
(1.38)
Trong đó,
(
)
là đường bao phức băng cơ sở của tín hiệu. Trong phạm vi nghiên cứu của
đề tài, luận án chỉ khảo sát những tín hiệu đến dàn nằm trong cùng mặt phẳng với các phần tử
ăng ten với giả thiết mặt phẳng đó mặt phẳng phương vị tức = 90
=0 xét với
mọi phần tử ăng ten. Với dàn ăng ten phần tử bán kính , chúng ta có tọa độ của phần tử
thứ trong hệ tọa độ Đề Các là:
()
= 

(1.39)
()
= 

(1.40)
Khi đó
=
−
2
cos
2
−
(1.41)
Thay (1.41) vào (1.38), ta có biểu thức tín hiệu thu được
(
)
=
(
)





= ()





(1.42)
Với
(
)
=
(
)
là bước sóng của tín hiệu tới.
Xét tới sự ảnh hưởng của nhiễu đối với tín hiệu thu được, với các nguồn tín hiệu nằm ở
trường vùng xa của dàn ăng ten, tín hiệu nhận được tại mỗi phần tử ăng ten của dàn UCA sẽ
là:
(
)
= ()





+
()
(1.43)
Trong đó,
là thành phần nhiễu can thiệp vào tín hiệu,
0
là thành phần sai pha truyền
sóng. Như vậy, phương trình (1.43) đã mô tả dạng của tín hiệu sóng điện từ thu được tại mỗi
phần tử của dàn ăng ten UCA. Tương tự như lập luận ở phần 1.4.1.1, chúng ta có mẫu rời rạc
của tín hiệu thu được tại phần tử ăng ten thứ
= 





+
(1.44)
Trong trường hợp có tín hiệu tiếp cận đến dàn từ các hướng trong mặt phẳng phương
vị với các góc tới lần lượt là
,
, . ,
, mẫu tín hiệu thu được như sau:
=







+
(1.45)
1.5. Các thông số ảnh hưởng và điều kiện đặt ra trong bài toán xác
định hướng sóng tới.
1.5.1. Các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác trong việc xác định hướng sóng
tới
21 với   là hệ số tăng ích của phần tử ăng ten thứ . Với mỗi một tín hiệu sóng điện từ tới dàn ăng ten, tín hiệu thu được tại mỗi phần tử ăng ten sẽ có dạng   (  ) =  (  )   (1.38) Trong đó,  (  ) là đường bao phức băng cơ sở của tín hiệu. Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, luận án chỉ khảo sát những tín hiệu đến dàn nằm trong cùng mặt phẳng với các phần tử ăng ten với giả thiết mặt phẳng đó là mặt phẳng phương vị tức là = 90  và =0 xét với mọi phần tử ăng ten. Với dàn ăng ten  phần tử bán kính , chúng ta có tọa độ của phần tử thứ  trong hệ tọa độ Đề Các là:  () =      (1.39)  () =      (1.40) Khi đó   =    −  2  cos  2  −  (1.41) Thay (1.41) vào (1.38), ta có biểu thức tín hiệu thu được   (  ) =  (  )           = ()        (1.42) Với  (  ) =  (  )   và  là bước sóng của tín hiệu tới. Xét tới sự ảnh hưởng của nhiễu đối với tín hiệu thu được, với các nguồn tín hiệu nằm ở trường vùng xa của dàn ăng ten, tín hiệu nhận được tại mỗi phần tử ăng ten của dàn UCA sẽ là:   (  ) = ()          +   () (1.43) Trong đó,   là thành phần nhiễu can thiệp vào tín hiệu,  0 là thành phần sai pha truyền sóng. Như vậy, phương trình (1.43) đã mô tả dạng của tín hiệu sóng điện từ thu được tại mỗi phần tử của dàn ăng ten UCA. Tương tự như lập luận ở phần 1.4.1.1, chúng ta có mẫu rời rạc của tín hiệu thu được tại phần tử ăng ten thứ  là   =           +   (1.44) Trong trường hợp có  tín hiệu tiếp cận đến dàn từ các hướng trong mặt phẳng phương vị với các góc tới lần lượt là   ,   , …. ,   , mẫu tín hiệu thu được như sau:   = ∑                 +   (1.45) 1.5. Các thông số ảnh hưởng và điều kiện đặt ra trong bài toán xác định hướng sóng tới. 1.5.1. Các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác trong việc xác định hướng sóng tới
22
Đối với các hệ thống vô tuyến tìm phương, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới độ chính
xác của bài toán xác định hướng sóng tới [37]. Các yếu tố đó có thể được khái quát như sau:
- Số lượng phần tử ăng ten trong dàn: Số lượng phần tử ăng ten trong dàn phải lớn hơn
số nguồn tín hiệu tới. Thông thường khi số lượng phần tử ăng ten càng nhiều, độ chính
xác sẽ tăng lên. Tuy nhiên, số phần tử ăng ten ảnh hưởng rất lớn tới kích thước cũng
như giá thành của hệ thống. Chính vì vậy, lựa chọn số lượng phần tử ăng ten cần phải
có sự cân nhắc giữa độ chính xác cũng như kích thước của hệ thống.
- Khoảng cách giữa các phần tử ăng ten – : Khoảng cách giữa các phần tử ăng ten
một thông số rất quan trọng của các dàn ăng ten nhiều phần tử. Thông thường
được chọn nhỏ hơn một nửa bước sóng () của tín hiệu thu để tránh hiện tượng phát
sinh búp sóng phụ trong mô hình bức xạ của ăng ten. Mặt khác, trong việc thiết kế ăng
ten, khoảng cách này thường được lựa chọn trong khoảng [0.3 ÷ 0.5] và giá trị tốt
nhất 0.44 để đạt được hệ số ghép tương hỗ thích hợp giữa các phần tử ăng ten.
Hơn nữa, việc lựa chọn giá trị của cũng ảnh hưởng tới kích thước của hệ thống.
- Số lượng mẫu tín hiệu: Số lượng mẫu tín hiệu có ảnh hưởng quan trọng tới độ chính
xác cũng như độ phân giải của các thuật toán xác định hướng sóng tới. Số lượng mẫu
càng nhiều thì độ chính xác sẽ càng cao, tuy nhiên sẽ dẫn tới tăng dung lượng bộ nhớ
cũng như khối lượng tính toán của hệ thống. Mặt khác, với các thuật toán sử dụng ít
mẫu tín hiệu sẽ làm giảm tần số lấy mẫu cũng như làm giảm ảnh hưởng của hiện
tượng sai pha do sự không ổn định pha sóng tới (Jitter) trong bài toán lấy mẫu tín hiệu.
- Tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR): Giá trị SNR quyết định rất lớn tới độ chính xác của
các thuật toán DOA. Thông thường, các hệ thống vô tuyến tìm phương trước tiên cần
phải tăng được giá trị này càng lớn càng tốt.
- Tính tương quan giữa các tín hiệu: tính tương quan giữa các tín hiệu tới có ảnh hưởng
rất lớn tới độ chính xác của các thuật toán xác định hướng sóng tới. Với các tín hiệu
tương quan, để có thể khai phá được tín hiệu, hệ thống vô tuyến tìm phương phải phá
vỡ được tính tương quan đó rồi sau đó mới xác định được hướng tới của tín hiệu.
1.5.2. Điều kiện ràng buộc ban đầu trong bài toán xác định hướng sóng tới của
luận án
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, luận án sẽ thực hiện các thuật toán mô phỏng đánh
giá kết quả việc xác định hướng sóng tới với một số điều kiện ngữ cảnh ban đầu như sau [21]:
- Số lượng tín hiệu tới dàn ăng ten là biết trước: Bài toán xác định tính toán số lượng tín
hiệu tới dàn ăng ten không được xét đến trong luận án.
- Môi trường truyền dẫn đồng nhất, đẳng hướng và tuyến tính: Giả sử nguồn tín
hiệu sẽ phát đi tín hiệu tới dàn ăng ten phần tử trong môi trường truyền dẫn đồng
nhất, đẳng hướng và tuyến tính. Việc giả định này nhằm đảm bảo đặc tính vật lý của
22 Đối với các hệ thống vô tuyến tìm phương, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác của bài toán xác định hướng sóng tới [37]. Các yếu tố đó có thể được khái quát như sau: - Số lượng phần tử ăng ten trong dàn: Số lượng phần tử ăng ten trong dàn phải lớn hơn số nguồn tín hiệu tới. Thông thường khi số lượng phần tử ăng ten càng nhiều, độ chính xác sẽ tăng lên. Tuy nhiên, số phần tử ăng ten ảnh hưởng rất lớn tới kích thước cũng như giá thành của hệ thống. Chính vì vậy, lựa chọn số lượng phần tử ăng ten cần phải có sự cân nhắc giữa độ chính xác cũng như kích thước của hệ thống. - Khoảng cách giữa các phần tử ăng ten – : Khoảng cách  giữa các phần tử ăng ten là một thông số rất quan trọng của các dàn ăng ten nhiều phần tử. Thông thường  được chọn nhỏ hơn một nửa bước sóng () của tín hiệu thu để tránh hiện tượng phát sinh búp sóng phụ trong mô hình bức xạ của ăng ten. Mặt khác, trong việc thiết kế ăng ten, khoảng cách này thường được lựa chọn trong khoảng [0.3 ÷ 0.5] và giá trị tốt nhất là 0.44 để đạt được hệ số ghép tương hỗ thích hợp giữa các phần tử ăng ten. Hơn nữa, việc lựa chọn giá trị của  cũng ảnh hưởng tới kích thước của hệ thống. - Số lượng mẫu tín hiệu: Số lượng mẫu tín hiệu có ảnh hưởng quan trọng tới độ chính xác cũng như độ phân giải của các thuật toán xác định hướng sóng tới. Số lượng mẫu càng nhiều thì độ chính xác sẽ càng cao, tuy nhiên sẽ dẫn tới tăng dung lượng bộ nhớ cũng như khối lượng tính toán của hệ thống. Mặt khác, với các thuật toán sử dụng ít mẫu tín hiệu sẽ làm giảm tần số lấy mẫu cũng như làm giảm ảnh hưởng của hiện tượng sai pha do sự không ổn định pha sóng tới (Jitter) trong bài toán lấy mẫu tín hiệu. - Tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR): Giá trị SNR quyết định rất lớn tới độ chính xác của các thuật toán DOA. Thông thường, các hệ thống vô tuyến tìm phương trước tiên cần phải tăng được giá trị này càng lớn càng tốt. - Tính tương quan giữa các tín hiệu: tính tương quan giữa các tín hiệu tới có ảnh hưởng rất lớn tới độ chính xác của các thuật toán xác định hướng sóng tới. Với các tín hiệu tương quan, để có thể khai phá được tín hiệu, hệ thống vô tuyến tìm phương phải phá vỡ được tính tương quan đó rồi sau đó mới xác định được hướng tới của tín hiệu. 1.5.2. Điều kiện ràng buộc ban đầu trong bài toán xác định hướng sóng tới của luận án Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, luận án sẽ thực hiện các thuật toán mô phỏng đánh giá kết quả việc xác định hướng sóng tới với một số điều kiện ngữ cảnh ban đầu như sau [21]: - Số lượng tín hiệu tới dàn ăng ten là biết trước: Bài toán xác định tính toán số lượng tín hiệu tới dàn ăng ten không được xét đến trong luận án. - Môi trường truyền dẫn đồng nhất, đẳng hướng và tuyến tính: Giả sử có  nguồn tín hiệu sẽ phát đi  tín hiệu tới dàn ăng ten  phần tử trong môi trường truyền dẫn đồng nhất, đẳng hướng và tuyến tính. Việc giả định này nhằm đảm bảo đặc tính vật lý của
23
tín hiệu tới từ mọi hướng là như nhau cũng như tín hiệu thu được tại mỗi phần tử ăng
ten là tín hiệu xếp chồng của tất cả các tín hiệu tới dàn.
- Nguồn tín hiệu tới nằm trong trường vùng xa của dàn ăng ten: Điều kiện này nhằm
đảm bảo các mặt sóng tới là sóng phẳng, các tín hiệu tới các phần tử ăng ten theo
hướng song song với nhau. Giả định này sẽ đạt được khi khoảng cách từ nguồn tín
hiệu tới ăng ten lớn hơn rất nhiều so với kích thước của dàn.
- Các tín hiệu bị ảnh hưởng bởi nhiễu trắng: Hệ thống vô tuyến tìm phương bị ảnh
hưởng bởi nhiễu trắng cộng. Thành phần nhiễu này không tương quan với tín hiệu tới
cả trong miền không gian, thời gian tần số. Giả định này nhằm đảm bảo tính độc
lập thống giữa tín hiệu và nhiễu cũng như đảm bảo tính đồng nhất ảnh hưởng của
nhiễu tới các phần tử ăng ten trong dàn.
- Cơ chế truyền sóng tầm nhìn thẳng và phân cực của tín hiệu trùng với phân cực của
ăng ten tại thời điểm xét.
1.5.3. Phương pháp đánh giá kết quả các nội dung đề xuất
Nhằm đánh giá hiệu năng hoạt động của các phương pháp, thuật toán đề xuất, luận án sẽ
tiến hành xây dựng các chương trình mô phỏng c thuật toán đó bằng ngôn ngữ lập trình
Matlab. Trong tất cả các mô phỏng, để đánh giá độ chính xác của phép xác định tham số, luận
án sử dụng hai loại sai số đánh giá là sai số tuyệt đối và sai số căn quân phương.
Sai số tuyệt đối được dùng đánh giá độ chính xác trong phép xác định thông số DOA của
một tín hiệu tới. Sai số này được định nghĩa là độ lệch giữa giá trị thực (giá trị giả định ban
đầu) với kết quả xác định của thuật toán.
Sai số căn quân phương – RMSE được định nghĩa bởi công thức sau:
=
(
,
)

(1.46)
Trong đó
các giá trị giả định ban đầu,
giá trị được tính toán bằng các phương
pháp, thuật toán đề xuất và là số lượng đối tượng cần tính toán.
1.6. Kết luận chương
Như vậy, chương 1 đã nêu khái quát về các phương pháp hay kỹ thuật cơ bản đã và đang
được nghiên cứu nhằm xác định hướng sóng tới. Mặt khác nội dung chương 1 cũng đã khái
quát về hình tín hiệu được thu bởi hai loại dàn ăng ten phổ biến trong lĩnh vực truyền
thông dàn ăng ten đồng nhất tuyến tính ULA và dàn ăng ten đồng dạng tròn đều UCA.
Phần cuối của chương đã đề cập đến các vấn đề ảnh hưởng độ chính xác cũng như các điều
kiện ban đầu đặt ra đối với các kỹ thuật trong bài toán xác định hướng sóng tới. Căn cứ vào
những phân tích lý thuyết đã nêu trong chương 1, luận án sẽ tiếp tục đi sâu nghiên cứu, phân
tích và đánh giá các kỹ thuật xác định hướng sóng tới tiên tiến cho các hệ thống đơn kênh
đa kênh sẽ được trình bày trong các chương tiếp theo.
23 tín hiệu tới từ mọi hướng là như nhau cũng như tín hiệu thu được tại mỗi phần tử ăng ten là tín hiệu xếp chồng của tất cả các tín hiệu tới dàn. - Nguồn tín hiệu tới nằm trong trường vùng xa của dàn ăng ten: Điều kiện này nhằm đảm bảo các mặt sóng tới là sóng phẳng, các tín hiệu tới các phần tử ăng ten theo hướng song song với nhau. Giả định này sẽ đạt được khi khoảng cách từ nguồn tín hiệu tới ăng ten lớn hơn rất nhiều so với kích thước của dàn. - Các tín hiệu bị ảnh hưởng bởi nhiễu trắng: Hệ thống vô tuyến tìm phương bị ảnh hưởng bởi nhiễu trắng cộng. Thành phần nhiễu này không tương quan với tín hiệu tới cả trong miền không gian, thời gian và tần số. Giả định này nhằm đảm bảo tính độc lập thống kê giữa tín hiệu và nhiễu cũng như đảm bảo tính đồng nhất ảnh hưởng của nhiễu tới các phần tử ăng ten trong dàn. - Cơ chế truyền sóng tầm nhìn thẳng và phân cực của tín hiệu trùng với phân cực của ăng ten tại thời điểm xét. 1.5.3. Phương pháp đánh giá kết quả các nội dung đề xuất Nhằm đánh giá hiệu năng hoạt động của các phương pháp, thuật toán đề xuất, luận án sẽ tiến hành xây dựng các chương trình mô phỏng các thuật toán đó bằng ngôn ngữ lập trình Matlab. Trong tất cả các mô phỏng, để đánh giá độ chính xác của phép xác định tham số, luận án sử dụng hai loại sai số đánh giá là sai số tuyệt đối và sai số căn quân phương. Sai số tuyệt đối được dùng đánh giá độ chính xác trong phép xác định thông số DOA của một tín hiệu tới. Sai số này được định nghĩa là độ lệch giữa giá trị thực (giá trị giả định ban đầu) với kết quả xác định của thuật toán. Sai số căn quân phương – RMSE được định nghĩa bởi công thức sau: =  ∑ (  −   , )     (1.46) Trong đó   là các giá trị giả định ban đầu,    là giá trị được tính toán bằng các phương pháp, thuật toán đề xuất và  là số lượng đối tượng cần tính toán. 1.6. Kết luận chương Như vậy, chương 1 đã nêu khái quát về các phương pháp hay kỹ thuật cơ bản đã và đang được nghiên cứu nhằm xác định hướng sóng tới. Mặt khác nội dung chương 1 cũng đã khái quát về mô hình tín hiệu được thu bởi hai loại dàn ăng ten phổ biến trong lĩnh vực truyền thông là dàn ăng ten đồng nhất tuyến tính ULA và dàn ăng ten đồng dạng tròn đều UCA. Phần cuối của chương đã đề cập đến các vấn đề ảnh hưởng độ chính xác cũng như các điều kiện ban đầu đặt ra đối với các kỹ thuật trong bài toán xác định hướng sóng tới. Căn cứ vào những phân tích lý thuyết đã nêu trong chương 1, luận án sẽ tiếp tục đi sâu nghiên cứu, phân tích và đánh giá các kỹ thuật xác định hướng sóng tới tiên tiến cho các hệ thống đơn kênh và đa kênh sẽ được trình bày trong các chương tiếp theo.
24
CHƯƠNG 2
XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CỦA CÁC TÍN HIỆU BĂNG
HẸP SỬ DỤNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG ĐƠN
KÊNH
2.1. Giới thiệu chung về hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh
Hệ thống vô tuyến tìm phương kiến trúc đơn kênh hệ thống tuyến tìm phương sử
dụng dàn ăng ten nhiều phần tử, các phần tử được kết nối tới cùng một máy thu qua thông qua
một chuyển mạch cao tần. Luồng dữ liệu thu được từ các phần tử ăng ten được xử nhằm
xác định được hướng tới của tín hiệu sóng cao tần. Sơ đồ khối của hệ thống tuyến tìm
phương đơn kênh được mô tả như Hình 2.1. Các thuật toán điển hình được ứng dụng với hệ
thống thu loại này thể kể đến như thuật toán Watson – Watt [79], thuật toán giả Doppler
(Pseudo Doppler) [72, 82] kỹ thuật xác định hướng sóng tới dựa trên vòng khóa pha–
PLL [40, 41].
Hình 2.1
. Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh
Trong sơ đồ khối như chỉ ra trong Hình 2.1, tín hiệu thu được từ dàn ăng ten phần tử sẽ
được đưa đến máy thu tín hiệu qua bộ chuyển mạch sang 1. Bộ chuyển mạch này có nhiệm
vụ quét và truyền tín hiệu lần lượt từ từng phần tử ăng ten tới khối xử lý tín hiệu. Các tín hiệu
thu được từ các phần tử ăng ten sẽ được xử lý, khai phá khối xử tín hiệu thô từ đó
được tính toán và xác định thông tin về hướng sóng tới.
Ưu điểm của hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh đó là kiến trúc máy thu đơn giản,
nhỏ gọn, tiết kiệm về giá thành cũng như công suất tiêu thụ [72]. Trong nhiều ngữ cảnh, hệ
thống đơn kênh có tính ưu việt so với hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh đó là có tính khả
thi đối với các thiết bị di động. Tuy nhiên, hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh cũng gặp
một số nhược điểm về độ chính xác so với hệ thống đa kênh, thuật toán xử khá phức tạp
cũng như yêu cầu về độ ổn định hệ thống, tốc độ cao đối với bộ chuyển mạch cao tần đặc biệt
trong các ứng dụng thời gian thực.
24 CHƯƠNG 2 XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CỦA CÁC TÍN HIỆU BĂNG HẸP SỬ DỤNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG ĐƠN KÊNH 2.1. Giới thiệu chung về hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh Hệ thống vô tuyến tìm phương kiến trúc đơn kênh là hệ thống vô tuyến tìm phương sử dụng dàn ăng ten nhiều phần tử, các phần tử được kết nối tới cùng một máy thu qua thông qua một chuyển mạch cao tần. Luồng dữ liệu thu được từ các phần tử ăng ten được xử lý nhằm xác định được hướng tới của tín hiệu sóng cao tần. Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh được mô tả như Hình 2.1. Các thuật toán điển hình được ứng dụng với hệ thống thu loại này có thể kể đến như thuật toán Watson – Watt [79], thuật toán giả Doppler (Pseudo – Doppler) [72, 82] và kỹ thuật xác định hướng sóng tới dựa trên vòng khóa pha– PLL [40, 41]. Hình 2.1 . Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh Trong sơ đồ khối như chỉ ra trong Hình 2.1, tín hiệu thu được từ dàn ăng ten  phần tử sẽ được đưa đến máy thu tín hiệu qua bộ chuyển mạch  sang 1. Bộ chuyển mạch này có nhiệm vụ quét và truyền tín hiệu lần lượt từ từng phần tử ăng ten tới khối xử lý tín hiệu. Các tín hiệu thu được từ các phần tử ăng ten sẽ được xử lý, khai phá ở khối xử lý tín hiệu thô và từ đó được tính toán và xác định thông tin về hướng sóng tới. Ưu điểm của hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh đó là kiến trúc máy thu đơn giản, nhỏ gọn, tiết kiệm về giá thành cũng như công suất tiêu thụ [72]. Trong nhiều ngữ cảnh, hệ thống đơn kênh có tính ưu việt so với hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh đó là có tính khả thi đối với các thiết bị di động. Tuy nhiên, hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh cũng gặp một số nhược điểm về độ chính xác so với hệ thống đa kênh, thuật toán xử lý khá phức tạp cũng như yêu cầu về độ ổn định hệ thống, tốc độ cao đối với bộ chuyển mạch cao tần đặc biệt trong các ứng dụng thời gian thực.
25
2.2. Một số thuật toán điển hình áp dụng cho hệ thống vô tuyến tìm
phương đơn kênh
Trong thực tế triển khai sử dụng, một hệ thống máy thu gồm nhiều máy thu độc lập trở
nên khó thực hiện (như thiết bị cầm tay). Vì lý do đó, hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh
đã được nghiên cứu phát triển. Cho tới nay, nhiều phương pháp định hướng sóng tới áp
dụng cho các hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh (gọi tắt là các phương pháp hay kỹ
thuật định hướng đơn kênh) đã được nghiên cứu phát triển. Trong đó, hai kỹ thuật định
hướng đơn kênh điển hình đã được nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật Wattson Watt sử
dụng dàn ăng ten Adcock và kỹ thuật Doppler hay giả Doppler (Pseudo – Doppler) dùng một
chuyển mạch giao hoán với một dàn ăng ten tròn. Các kỹ thuật này chủ yếu được sử dụng để
xác định hướng tới của các tín hiệu có tần số khá thấp. Đặc biệt thuật toán Adcock/Watson-
Watt sử dụng cho tần số cỡ 1000 MHz, trong khi thuật toán Doppler hay giả Doppler hoạt
động trong dải tần lên đến 2000 MHz. Trong phần này, luận án sẽ trình bày tóm tắt nguyên lý
hoạt động cũng như phân tích các điểm mạnh và thiếu sót của hai thuật toán nêu trên.
2.2.1. Kỹ thuật Wattson – Watt
2.2.1.1. Nguyên lý hoạt động
Kỹ thuật định hướng Wattson – Watt [16, 79, 80] là kỹ thuật xác định hướng sóng tới cổ
điển dựa trên sự chênh lệch tương đối của biên độ tín hiệu đầu ra của các cặp ăng ten xếp theo
mô hình Adcock. Kỹ thuật Wattson – Watt có thể triển khai áp dụng cho cả hệ thống vô tuyến
tìm phương đơn kênh và hệ thống đa kênh, trong đó áp dụng chủ yếu cho hệ thống đơn kênh.
Kỹ thuật Wattson – Watt đã được nghiên cứu phát triển và có thể được chia ra làm 3 loại đó là
kỹ thuật 3 kênh, kỹ thuật 2 kênh và kỹ thuật đơn kênh.
Kỹ thuật 3 kênh: Đây là kỹ thuật đầu tiên được ứng dụng thực tế. Hệ thống có cấu hình 3
cặp ăng ten vô hướng kết hợp với 3 kênh máy thu giống hệt nhau về tính năng và ống tia điện
tử CRT hiển thị tín hiệu đường quét chuẩn. Để áp dụng kỹ thuật này hệ thống thiết bị có kích
thước cồng kềnh, phức tạp và rất khó để đảm bảo đồng chỉnh cả 3 kênh trong quá trình vận
hành do đó không thích hợp với việc triển khai sử dụng rộng rãi.
Kỹ thuật 2 kênh: Phương pháp này loại bỏ bớt ăng ten vô hướng được dùng để xác định
hướng thông qua một mạch cộng véc tơ tín hiệu của hai cặp anten trực giao. Kỹ thuật này đòi
hỏi máy thu hiển thị 2 kênh. Tuy nhiên, hệ thống thiết bị loại này vẫn có nhược điểm là cồng
kềnh, phức tạp rất khó để đảm bảo đồng chỉnh cả 2 kênh trong quá trình vận hành. Tuy
nhiên, hệ thống vô tuyến tìm phương áp dụng kỹ thuật Wattson – Watt 2 kênh cho kết quả xác
định hướng sóng tới có độ chính xác khá cao.
Kỹ thuật đơn kênh: Kỹ thuật đơn kênh được phát triển nhằm khắc phục nhược điểm mất
đồng bộ tinh chỉnh giữa các kênh của máy thu như đã gặp phải ở hai kỹ thuật trên. Hệ thống
tuyến tìm phương áp dụng kỹ thuật này sử dụng 2 cặp ăng ten Adcock kết hợp với một
25 2.2. Một số thuật toán điển hình áp dụng cho hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh Trong thực tế triển khai sử dụng, một hệ thống máy thu gồm nhiều máy thu độc lập trở nên khó thực hiện (như thiết bị cầm tay). Vì lý do đó, hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh đã được nghiên cứu và phát triển. Cho tới nay, nhiều phương pháp định hướng sóng tới áp dụng cho các hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh (gọi tắt là các phương pháp hay kỹ thuật định hướng đơn kênh) đã được nghiên cứu và phát triển. Trong đó, hai kỹ thuật định hướng đơn kênh điển hình đã được nghiên cứu và ứng dụng là kỹ thuật Wattson – Watt sử dụng dàn ăng ten Adcock và kỹ thuật Doppler hay giả Doppler (Pseudo – Doppler) dùng một chuyển mạch giao hoán với một dàn ăng ten tròn. Các kỹ thuật này chủ yếu được sử dụng để xác định hướng tới của các tín hiệu có tần số khá thấp. Đặc biệt thuật toán Adcock/Watson- Watt sử dụng cho tần số cỡ 1000 MHz, trong khi thuật toán Doppler hay giả Doppler hoạt động trong dải tần lên đến 2000 MHz. Trong phần này, luận án sẽ trình bày tóm tắt nguyên lý hoạt động cũng như phân tích các điểm mạnh và thiếu sót của hai thuật toán nêu trên. 2.2.1. Kỹ thuật Wattson – Watt 2.2.1.1. Nguyên lý hoạt động Kỹ thuật định hướng Wattson – Watt [16, 79, 80] là kỹ thuật xác định hướng sóng tới cổ điển dựa trên sự chênh lệch tương đối của biên độ tín hiệu đầu ra của các cặp ăng ten xếp theo mô hình Adcock. Kỹ thuật Wattson – Watt có thể triển khai áp dụng cho cả hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh và hệ thống đa kênh, trong đó áp dụng chủ yếu cho hệ thống đơn kênh. Kỹ thuật Wattson – Watt đã được nghiên cứu phát triển và có thể được chia ra làm 3 loại đó là kỹ thuật 3 kênh, kỹ thuật 2 kênh và kỹ thuật đơn kênh. Kỹ thuật 3 kênh: Đây là kỹ thuật đầu tiên được ứng dụng thực tế. Hệ thống có cấu hình 3 cặp ăng ten vô hướng kết hợp với 3 kênh máy thu giống hệt nhau về tính năng và ống tia điện tử CRT hiển thị tín hiệu đường quét chuẩn. Để áp dụng kỹ thuật này hệ thống thiết bị có kích thước cồng kềnh, phức tạp và rất khó để đảm bảo đồng chỉnh cả 3 kênh trong quá trình vận hành do đó không thích hợp với việc triển khai sử dụng rộng rãi. Kỹ thuật 2 kênh: Phương pháp này loại bỏ bớt ăng ten vô hướng được dùng để xác định hướng thông qua một mạch cộng véc tơ tín hiệu của hai cặp anten trực giao. Kỹ thuật này đòi hỏi máy thu hiển thị 2 kênh. Tuy nhiên, hệ thống thiết bị loại này vẫn có nhược điểm là cồng kềnh, phức tạp và rất khó để đảm bảo đồng chỉnh cả 2 kênh trong quá trình vận hành. Tuy nhiên, hệ thống vô tuyến tìm phương áp dụng kỹ thuật Wattson – Watt 2 kênh cho kết quả xác định hướng sóng tới có độ chính xác khá cao. Kỹ thuật đơn kênh: Kỹ thuật đơn kênh được phát triển nhằm khắc phục nhược điểm mất đồng bộ tinh chỉnh giữa các kênh của máy thu như đã gặp phải ở hai kỹ thuật trên. Hệ thống vô tuyến tìm phương áp dụng kỹ thuật này sử dụng 2 cặp ăng ten Adcock kết hợp với một
26
máy thu do đó nó trở nên nhỏ gọn hơn, đơn giản hơn về mặt công nghệ kéo theo chi phí xây
dựng và vận hành giảm. Để làm rõ hơn ưu điểm của kỹ thuật này, luận án sẽ trình bày sơ lược
về nguyên lý hoạt động của kỹ thuật đơn kênh như sau.
Kỹ thuật Wattson – Watt đơn kênh sử dụng 2 cặp ăng ten Dipole bố trí theo thiết kế của
Adcock như Hình 2.2.
Hình 2.2
. Mô hình ăng ten Adcock dùng trong thuật toán Watson - Watt
Một cặp ăng ten Adcock gồm 2 phần tử đặt vuông góc với nhau trong đó khoảng cách
giữa các phần tử nhỏ hơn một nửa bước sóng ứng với tần số hoạt động lớn nhất của dàn. Các
ăng ten được bố trí như trên được đánh dấu theo cặp lần lượt là cặp Bắc – Nam, cặp Đông –
Tây (N – S và E – W). Tín hiệu băng cơ sở thu được từ dàn ăng ten nêu trên biểu diễn ở miền
phức như sau [52]:
(
)
= ()

 ()
(2.1)
(
)
= ()


 ()
(2.2)
(
)
= ()

 ()
(2.3)
(
)
= ()


 ()
(2.4)
Trong đó () là tín hiệu nhận được (trên thực tế đây là các giá trị điện áp đo được trên
mỗi phần tử ăng ten), bán kính của dàn ăng ten (=
khoảng cách giữa 2 phần tử ăng
ten của 1 cặp), bước sóng ứng với tần số trung tâm, () tín hiệu thông tin đã được
điều chế và góc tới của tín hiệu đến dàn ăng ten.
Giả sử, phần tử ăng ten E được chọn làm mốc tức  = 0
. Để xác định hướng tới của
tín hiệu, điện áp đầu ra của 2 cặp ăng ten được so sánh với nhau. Mô hình toán học được
tả như sau:

(
)
=
(
)
(
)
= 2
(
)

2

(
)
(2.5)

(
)
=
(
)
(
)
= 2
(
)

2

(
)
(2.6)
26 máy thu do đó nó trở nên nhỏ gọn hơn, đơn giản hơn về mặt công nghệ kéo theo chi phí xây dựng và vận hành giảm. Để làm rõ hơn ưu điểm của kỹ thuật này, luận án sẽ trình bày sơ lược về nguyên lý hoạt động của kỹ thuật đơn kênh như sau. Kỹ thuật Wattson – Watt đơn kênh sử dụng 2 cặp ăng ten Dipole bố trí theo thiết kế của Adcock như Hình 2.2. Hình 2.2 . Mô hình ăng ten Adcock dùng trong thuật toán Watson - Watt Một cặp ăng ten Adcock gồm 2 phần tử đặt vuông góc với nhau trong đó khoảng cách giữa các phần tử nhỏ hơn một nửa bước sóng ứng với tần số hoạt động lớn nhất của dàn. Các ăng ten được bố trí như trên được đánh dấu theo cặp lần lượt là cặp Bắc – Nam, cặp Đông – Tây (N – S và E – W). Tín hiệu băng cơ sở thu được từ dàn ăng ten nêu trên biểu diễn ở miền phức như sau [52]:   (  ) = ()     () (2.1)   (  ) = ()     () (2.2)   (  ) = ()     () (2.3)   (  ) = ()     () (2.4) Trong đó () là tín hiệu nhận được (trên thực tế đây là các giá trị điện áp đo được trên mỗi phần tử ăng ten),  là bán kính của dàn ăng ten ( =   khoảng cách giữa 2 phần tử ăng ten của 1 cặp),  là bước sóng ứng với tần số trung tâm, () là tín hiệu thông tin đã được điều chế và  góc tới của tín hiệu đến dàn ăng ten. Giả sử, phần tử ăng ten E được chọn làm mốc tức  = 0  . Để xác định hướng tới của tín hiệu, điện áp đầu ra của 2 cặp ăng ten được so sánh với nhau. Mô hình toán học được mô tả như sau:   (  ) =   (  ) −   (  ) = 2 (  )    2   (  )  (2.5)   (  ) =   (  ) −   (  ) = 2 (  )    2   (  )  (2.6)