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
8,050
92
114
37
Với mỗi một giá trị của () tương ứng với một điểm lấy mẫu của hàm số mô tả
đường
cong sai khác đích [39]. Từ đó chúng ta tính DFT của véc tơ ():
F
[
]
=
1
0
][
M
m
mf
(2.36)
Nhận thấy tất cả các giá trị của [] = 0 chỉ trừ trường hợp =1. Khi đó
[
1
]
= ∁ −
+ −
(2.37)
Vì vậy thông tin về góc tới của tín hiệu được tính như sau:
=
(
[
1
])
−
2
+
(2.38)
2.3.3. Mô tả phương pháp PLL – DOA cải tiến
2.3.3.1. Đánh giá hiệu năng phương pháp PLL – DOA truyền thống
Dựa vào những phân tích ở trên chúng ta thấy rằng phương pháp PLL – DOA truyền
thống có khả năng xác định thành công thông tin về hướng sóng tới của tín hiệu
đến dàn ăng
ten UCA phần tử. Với phương pháp PLL – DOA truyền thống, khi chưa xác định các
điều
kiện biên, để xác định thông tin về DOA chúng ta cần tạo lập một cơ sở dữ liệu
các giá trị có
thể có của chuỗi Δ
như trong phương trình (2.33) tương ứng với mỗi giá trị xác định của .
Với tín hiệu bị điều chế mức được thu bởi dàn ăng ten phần tử, số lượng giá
trị có thể có
của Δ
sẽ là
(
2 − 1
)
. Giả sử với một tập 1 giá trị khảo sát của , tổng số khả năng có
thể có của “Đường cong sai khác đích” sẽ là 1 ×
(
2 − 1
)
. Như vậy, không gian tìm kiếm
“Đường cong sai khác đích” là rất lớn. Khi xét tới điều kiện biên, số lượng tập
giá trị có thể
có của Δ
giảm xuống còn là
. Tuy nhiên, số lượng khả năng trong không gian tìm kiếm
vẫn là hàm số mũ của . Để giảm thiểu số khả năng này tức giảm không gian tìm
kiếm trong
khi vẫn đảm bảo độ chính xác trong xác định DOA, luận án đề xuất một phương pháp
mới
được gọi là phương pháp PLL – DOA cải tiến. Phương pháp này sẽ được trình bày ở
phần
tiếp theo.
2.3.3.2. Phương pháp PLL – DOA cải tiến
Phương pháp PLL – DOA cải tiến ra đời với mục đích làm giảm độ phức tạp tính
toán
của phương pháp PLL – DOA truyền thống từ đó tăng tốc độ xử lý của hệ thống vô
tuyến tìm
phương. Để thực hiện điều đó phương pháp PLL – DOA cải tiến được đề xuất trong
hai
trường hợp như sau:
2.3.3.2.1. Trường hợp tín hiệu không điều chế
Trong trường hợp tín hiệu không điều chế tức tín hiệu điều hòa cao tần sẽ được
thu ở dàn
ăng ten UCA, pha của tín hiệu thu được tại mỗi phần tử ăng ten được mô tả như
trong phương
trình (2.29) . Rõ ràng những giá trị pha đó biến đổi theo quy luật điều hòa hình
như đường
38
cong pha lý thuyết biểu diễn trong Hình 2.10 với tín hiệu tới dàn ăng ten là các
tín hiệu cao
tần điều hòa ở tần số 750 MHz.
Hình 2.10
. Pha tín hiệu không điều chế tại các phần tử ăng ten
Trong Hình 2.10, đường pha lý thuyết biểu diễn pha của tín hiệu không điều chế
cũng
như không bị ảnh hưởng của thành phần sai pha ngẫu nhiên
do đường truyền. Đường pha
mong muốn minh họa các thành phần pha như biểu diễn trong phương trình (2.29) .
Đường
pha đầu ra thực tế thể hiện pha đầu ra của các bộ PLL. Cần chú ý rằng, pha mong
muốn và
pha đầu ra thực tế sẽ trùng nhau, trừ những giá trị mà tại đó pha mong muốn nằm
ngoài
khoảng [− ÷ ] do ảnh hưởng của đặc tính khống chế pha của các bộ PLL.
Giống như trường hợp đã phân tích trong Hình 2.9, chúng ta thấy rằng “Đường cong
sai
khác đích” cũng sẽ có dạng hình sin. Tuy nhiên do ảnh hưởng đặc tính của các bộ
PLL,
“Đường cong sai khác thu được” trong nhiều trường hợp sẽ không còn là hình
như minh
họa trong Hình 2.11.
Hình 2.11
. Đường cong sai khác thu được từ PLL
39
Như vậy, mặc dù không bị ảnh hưởng bởi quá trình điều chế tín hiệu (Δ
= 0), từ
“Đường cong sai khác thu được” chúng ta cũng không thể áp dụng phương trình
(2.34) cũng
như biến đổi DFT để xác định được DOA. Muốn vậy, chúng ta cần phải khôi phục
“Đường
cong sai khác đích” từ “Đường cong sai khác thu được”, tức là chúng ta cần xác
định được
điểm tương ứng đã bị bộ PLL thay đổi pha. Để làm điều đó ta xây dựng “Đường cong
sai
khác thu được thứ 2” theo phương trình (2.39) và sử dụng đường cong này để chuẩn
hóa
“Đường cong sai khác thu được”.
∆
= ∆
− ∆
= −
8
2
(
)cos (
2
−
2
− )
(2.39)
Căn cứ vào “Đường cong sai khác thu được thứ 2” như minh họa trong Hình 2.12,
chúng
ta tìm tất cả những điểm pha thuộc đường cong này có giá trị lớn hơn hoặc nhỏ
hơn – . Từ
đó nếu chúng ta thấy tồn tại hai điểm nào xuất hiện liền kề thì điểm pha ứng với
phần tử ăng
ten có giá trị bé hơn ở “Đường cong sai khác thu được” sẽ phải cộng hoặc trừ 2.
Hình 2.12
. Đường cong sai khác thu được thứ 2 từ PLL
Với ví dụ như trình bày trong Hình 2.12, ta có thể thấy xuất hiện 2 cặp liên
tiếp đó là cặp
điểm ứng ăng ten 2 và 3 với xu hướng tăng tức tại vị trí ăng ten 2 ở “Đường cong
sai khác thu
được” phải cộng 2; cặp điểm ứng ăng ten 3 và 4 với xu hướng giảm do đó phải trừ
đi 2
vào giá trị của “Đường cong sai khác thu được” tại vị trí ăng ten 3. Kết quả là
chúng ta nhận
được “Đường cong sai khác đích” từ “Đường cong sai khác thu được thứ 2” như
trình bày
trong Hình 2.13
40
Hình 2.13
. Đường cong sai khác thu được đã hiệu chỉnh
Rõ ràng, chúng ta thấy “Đường cong sai khác thu được đã hiệu chỉnh” có dạng
giống với
“Đường cong sai khác đích” đã trình bày ở Hình 2.9. Dựa vào đường cong này,
chúng ta sẽ
xác định được thông tin về hướng sóng tới bằng các kỹ thuật đã trình bày ở trên.
2.3.3.2.2. Trường hợp tín hiệu bị điều chế
Trong trường hợp tín hiệu có điều chế, như đã phân tích ở các phần trên, bài
toán xác
định DOA cần phải giải quyết hai vấn đề đó là loại bỏ thành phần
và chuỗi Δ
có thể có.
Tương tự như phương pháp PLL – DOA truyền thống, phương pháp PLL – DOA cải tiến
cũng tiến hành khôi phục “Đường cong sai khác đích” từ “Đường cong sai khác thu
được”.
Với “Đường cong sai khác thu được” từ dữ liệu pha được tính toán từ các bộ PLL,
chúng ta
thấy rằng với tín hiệu được điều chế mức thì số lượng thay đổi pha có thể có
của tín hiệu là
(2 − 1). Giả sử sẽ có một mức sai pha nào đó trong (2 − 1) khả năng xuất hiện
tại một
trong phần tử ăng ten. Tức là ta đã giả thiết giá trị tại phần tử ăng ten
đó đã biết. Dựa
vào giả thiết này sử dụng phương trình (2.33) chúng ta tính ra giá trị DOA tương
ứng. Giá trị
DOA này được gọi là giá trị DOA giả định. Từ giá trị DOA giả định này, áp dụng
phương
trình (2.32) chúng ta tính ra được “Đường cong sai khác đích giả định”. Sau đó
dựa vào
“Đường cong sai khác thu được” để chúng ta tính ra chuỗi
tạm thời đồng thời áp dụng
thuật toán bình phương tối thiểu xác định sai số giữa “Đường cong sai khác thu
được” với
“Đường cong sai khác thu được giả định” với chuỗi
vừa tính được. Chuỗi
nào ứng
với sai số bé nhất sẽ được chọn để xác định DOA.
Nhận xét: Như vậy, phương pháp PLL – DOA cải tiến không cần tạo ra bộ cơ sở dữ
liệu
về các “Đường cong sai khác thu được” mà thực hiện phép tìm kiếm chuỗi
với các giá
trị DOA giả định. Với phương pháp PLL – DOA cải tiến, chúng ta chỉ cần phải thực
hiện
(
2 − 1
)
× phép tính thay vì phải thực hiện
(
2 − 1
)
phép tính như trong phương pháp
41
PLL – DOA truyền thống. Rõ ràng, với độ phức tạp trong tính toán đã giảm đi thì
sẽ giúp hệ
thống vô tuyến tìm phương giảm thời gian tính toán trong xác định DOA. Với ưu
điểm đó,
phương pháp PLL – DOA cải tiến có khả năng được triển khai trong các hệ thống vô
tuyến
tìm phương thời gian thực.
2.3.3.2.3. Phương pháp PLL – DOA cải tiến trong môi trường đa đường
Trong thực tế có rất nhiều tín hiệu vô tuyến đến dàn ăng ten cùng một lúc. Tín
hiệu thu
được tại các phần tử ăng ten là tổng của các tín hiệu đến nói trên. Tuy nhiên do
đặc tính các
bộ lọc và bộ PLL, chỉ những tín hiệu nằm trong dải khóa của PLL mới được thu.
Trong môi
trường đa đường, sẽ có rất nhiều tín hiệu cùng tần số đến và được thu bởi dàn
ăng ten. Trong
đó, tín hiệu đến trong tầm nhìn thẳng luôn là tín hiệu có cường độ mạnh nhất.
Đối với hệ
thống vô tuyến tìm phương dựa trên pha thu được từ các bộ PLL, hệ thống sẽ chỉ
bắt các tín
hiệu có công suất lớn nhất [42]. Trong trường hợp đặc biệt, khi có ít nhất 2 tín
hiệu cùng tần
số cũng như cùng cường độ đến dàn thì bộ PLL không phân biệt được và đều cho
chúng đi
qua. Để giải quyết vấn đề này, luận án đề xuất hướng giải quyết với các khai
triển toán học
như sau.
Giả sử có hai tín hiệu như đã nói ở trên đến dàn ăng ten cùng một lúc. Tín hiệu
số 1và số
2 đến từ các góc
,
và tín hiệu đầu ra tại mỗi phần tử ăng ten lần lượt là:
,
() =
+
–
+
(2.40)
,
() =
+
–
+
(2.41)
Với
là tần số sóng mang;
,
là sai pha đường truyền của hai tín hiệu;
,
là góc
tới DOA của hai tín hiệu đó.
Tín hiệu đầu ra tại mỗi phần tử ăng ten sẽ là:
() =
,
() +
,
()
(2.42)
Dựa trên công thức lượng giác:
() + () = 2
+
2
−
2
(2.43)
Với
=
+
2
2
–
+
(2.44)
=
+
2
2
–
+
(2.45)
Áp dụng phương trình (2.43) , ta có:
42
+ = 2
+
+
+
2
2
–
+
2
–
(2.46)
+ = 2
+
+
+
4
2
−
2
−
2
(2.47)
Cũng tương tự như vậy ta có
– =
−
–
4
2
−
2
−
2
(2.48)
Chúng ta dễ dàng nhận thấy thành phần ( − ) không là hàm của tần số sóng mang
do
đó đây là thành phần biên độ của tín hiệu thu được. Trong khi đó thành phần ( +
) là hàm
của tần số và như thế chính là thành phần pha của tín hiệu thu được tại ăng ten
thứ .
Như vậy, khi chúng ta sử dụng các bộ PLL như đã nói ở trên, pha đầu ra tại mỗi
bộ PLL
sẽ là:
=
+
2
+
2
−
2
2
−
+
2
(2.49)
Đặt
+
2
= ; =
+
2
; ’ =
−
2
(2.50)
Thay vào phương trình (2.49) ta có:
= +
2
(
’
)
2
–
(2.51)
Phương trình (2.51) có dạng tương tự với phương trình (2.29) . Dựa vào đó ta
cũng xác
định được “Đường cong sai khác” như sau:
= −2Λ
(
’
)
–
–
(2.52)
Với =
.
Từ đó chúng ta áp dụng phương pháp PLL – DOA cải tiến xác định ra thông tin DOA.
Tuy nhiên, giá trị về hướng sóng tới xác định được sẽ là:
=
+
2
(2.53)
Giá trị tính toán được này được gọi là DOA giả. Nhiệm vụ đặt ra giờ đây là phải
tách
được các giá trị
và
tương ứng. Để làm điều đó, chúng ta sẽ tính được góc
dựa trên
phương trình (2.52) như sau:
= (
) =
Δ
−2Λsin
sin
–
–
(2.54)
43
Vậy
’ =
()
(2.55)
Do đó ta tính được:
= +
và
= −
(2.56)
2.3.4. Kết quả mô phỏng đánh giá hiệu năng phương pháp PLL – DOA cải tiến
Để đánh giá khả năng hoạt động của phương pháp PLL – DOA cải tiến, luận án tiến
hành
xây dựng chương trình thuật toán bằng ngôn ngữ MATLAB nhằm mô phỏng tiến trình
xác
định hướng sóng tới với kịch bản như sau:
- Tín hiệu sóng vô tuyến được điều chế BPSK có tần số sóng mang là
, tần số lấy mẫu
≥ 3
(tần số
có thể lựa chọn tùy ý). Tín hiệu này được giả sử phát từ nguồn phát
tới dàn ăng ten UCA 8 phần tử với bán kính =
. Góc tới của tín hiệu được giả
định là các giá trị DOA định sẵn (có thể lựa chọn bất kỳ cho từng lần chạy mô
phỏng).
Kết quả mô phỏng là các giá trị DOA được tìm ra bởi phương pháp PLL – DOA cải
tiến, sai số tính toán là độ lệch giữa giá trị đo được và giá trị giả định.
Trong mô phỏng đầu tiên, luận án tiến hành mô phỏng xác định hướng sóng tới của
tín
hiệu BPSK có tần số
= 750 đến từ góc DOA giả định là 45
trong môi trường nhiễu
trắng có SNR =10dB. Kết quả mô phỏng được mô tả trong Hình 2.14.
Hình 2.14
. Kết quả xác định hướng sóng tới DOA = 45
0
Trong phép xác định DOA bằng phương pháp PLL – DOA cải tiến, kết quả mô phỏng
chỉ
là các giá trị số học thuần túy như mô tả trong phương trình (2.38) hoặc phương
trình (2.56)
Với mục đích miêu tả kết quả tìm được một cách trực quan, luận án biểu diễn kết
quả tính
toán DOA trên hệ tọa độ Đề các vuông góc trong đó trục hoành biểu biểu diễn dải
các giá trị
của góc tới có thể xác định bởi phương pháp đề xuất cũng như của dàn ăng ten UCA
(ở đây là
44
dải từ −180
÷ 180
) còn trục tung là biểu diễn giá trị của hệ số chỉ thị. Hệ số chỉ thị được
định nghĩa bằng 1 tại vị trí DOA xác định được trên trục hoành. Như vậy, với kết
quả mô
phỏng như trên Hình 2.14, chúng ta có thể thấy rằng phương pháp PLL – DOA cải
tiến đã xác
định thành công và chính xác góc tới của tín hiệu với sai số rất nhỏ.
Để khảo sát sự ảnh hưởng của tham số số lượng các phần tử ăng ten của dàn lên
hiệu
năng hoạt động của phương pháp PLL – DOA cải tiến, luận án tiến hành bài mô
phỏng thứ 2
nhằm xác định góc tới của tín hiệu như trên đến từ góc tới = 50
trong môi trường
nhiễu trắng với tỉ số SNR = 10 dB với số lượng phần tử ăng ten thay đổi từ 3 đến
16. Kết quả
mô phỏng được trình bày trong Hình 2.15. Dựa vào kết quả mô phỏng, chúng ta có
thể thấy
rằng thông tin DOA có thể được xác định khá chính xác với dàn ăng ten UCA từ 3
phần tử trở
lên. Rõ ràng, khi thay đổi số phần tử ăng ten, sai số các phép đo là thay đổi.
Tuy nhiên, khi số
phần tử ăng ten lớn hơn 8 chúng ta thấy rằng sai số thay đổi rất ít. Điều này
cũng phù hợp với
phân tích trong [40, 42, 52]. Chính vì lý do đó, luận án lựa chọn dàn ăng ten
UCA 8 phần tử
nhằm đạt được độ chính xác cao trong khi vẫn đảm bảo được kích thước nhỏ gọn của
dàn ăng
ten.
Hình 2.15
. Kết quả xác định DOA với số lượng ăng ten thay đổi
Số lượng mẫu tín hiệu thu cũng là yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng tính toán của
các hệ
thống vô tuyến tìm phương. Đối với phương pháp PLL – DOA nói chung và phương
pháp
PLL – DOA cải tiến nói riêng, sự ảnh hưởng của số mẫu tín hiệu thu không đến từ
phương
pháp tính toán của giải thuật mà nó ảnh hưởng bởi khả năng xác định pha của các
bộ PLL.
Với số lượng mẫu càng nhiều, kết quả xác định pha càng chính xác dẫn tới độ
chính xác DOA
càng cao. Tuy nhiên, số lượng mẫu tín hiệu nhiều sẽ khiến thời gian xử lý tăng
cao. Để đánh
giá sự tác động đó, luận án tiến hành mô phỏng thuật toán nhằm tìm ra hướng tới
của tín hiệu
đến dàn ăng ten UCA 8 phần tử ở góc 33
trong môi trường nhiễu trắng với số lượng mẫu tín
hiệu thay đổi. Kết quả mô phỏng như được trình bày trong Hình 2.16.
45
Hình 2.16
. Sai số kết quả xác định hướng sóng đến DOA khi thay đổi số lượng mẫu tín hiệu
Rõ ràng, với kết quả minh họa trong Hình 2.16 đã chứng minh rằng phương pháp
hoạt
động tốt với càng nhiều mẫu tín hiệu. Chúng ta có thể nhận thấy với từ 30 mẫu
tín hiệu trở
lên, phương pháp PLL – DOA cải tiến đã cho ra kết quả xác định = 33
với sai số nhỏ
hơn 1
. Chính vì vậy, tùy thuộc từng mục đích cũng như yêu cầu độ chính xác đặt ra đối
với
các hệ thống vô tuyến tìm phương mà chúng ta sẽ lựa chọn số lượng mẫu tín hiệu
cần xử lý
cho phù hợp nhằm tối ưu thời gian xử lý của hệ thống.
Bảng 2.1.
Bảng so sánh thời gian tính toán của hai phương pháp PLL – DOA
DOA (độ)
Phương pháp PLL – DOA truyền
thống (giây(s))
Phương pháp PLL – DOA cải tiến
(giây(s))
35 0.5131 0.0134
40 0.5019 0.0131
45 0.5103 0.0129
53 0.5139 0.0134
68 0.5115 0.0129
77 0.5253 0.0132
89 0.5505 0.0130
Như vậy, qua các mô phỏng đã trình bày ở trên, chúng ta thấy rằng phương pháp
PLL –
DOA cải tiến có khả năng xác định thành công góc tới DOA của tín hiệu. Nhằm so
sánh đặc
điểm nổi bật của phương pháp PLL – DOA cải tiến so với phương pháp PLL – DOA
truyền
thống, luận án tiến hành thực hiện so sánh tốc độ xử lý của phương pháp đề xuất
với phương
pháp cũ. Với việc giảm thiểu không gian tìm kiếm như đã trình bày ở các phần
trên, độ phức
tạp trong tính toán của phương pháp PLL – DOA cải tiến sẽ giảm thiểu đáng kể.
Điều đó sẽ
kéo theo việc giảm thời gian tính toán, đáp ứng được yêu cầu thời gian thực. Để
kiểm chứng
điều đó, luận án đã thực hiện mô phỏng đồng thời hai phương pháp: Phương pháp
PLL –
46
DOA truyền thống và phương pháp PLL – DOA cải tiến nhằm so sánh thời gian xử lý
tín hiệu
của hai phương pháp này. Kết quả mô phỏng được lưu trong Bảng 2.1. Rõ ràng, với
những
kết quả đó chúng ta thấy rằng phương pháp PLL – DOA cải tiến đã cải thiện đáng
kể thời gian
tính toán. Đây là những cơ sở khoa học để phương pháp này có thể được triển khai
trong các
hệ thống thời gian thực trong thực tế.
Trong trường hợp có hiện tượng đa đường như đã phân tích ở phần trên, giả sử có
2 tín
hiệu đến dàn ăng ten có cùng tần số và năng lượng ở hai góc lần lượt là 40
và 50
. Kết quả
mô phỏng được trình bày trong Hình 2.17 đã chứng minh phương pháp đề xuất đã xác
định
thành công góc tới của hai tín hiệu đó. Khi thực hiện mô phỏng với các giá trị
DOA ứng với
các cặp tín hiệu đa đường khác nhau trong môi trường nhiễu trắng có = 10,
phương
pháp đề xuất có khả năng tách các góc tới với độ chênh khoảng 5
.
Hình 2.17
. Kết quả xác định hướng tới của hai tín hiệu ở hai góc 40
0
và 50
0
2.4. Kết luận chương
Chương 2 đã tổng hợp phân tích lý thuyết một số kỹ thuật xác định hướng sóng tới
áp
dụng cho hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh. Từ những nghiên cứu đã thực
hiện, luận án
tập trung phân tích phương pháp xác định hướng sóng tới sử dụng vòng khóa pha từ
đó đề
xuất phương pháp PLL – DOA cải tiến nhằm giảm thiểu độ phức tạp tính toán cũng
như tăng
tốc độ xử lý của hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh áp dụng phương pháp này.
Dựa vào
những phân tích lý thuyết về thuật toán, luận án đã triển khai mô phỏng phương
pháp đề xuất
nói trên cũng như phương pháp đã được nghiên cứu trước đó. Những kết quả đạt
được đã
chứng minh phương pháp này đã xác định thành công hướng tới của tín hiệu với độ
chính xác
cao, thời gian tính toán đã giảm thiểu đáng kể so với những phương pháp cùng
loại. Mặt khác,
với đề xuất cải tiến trong trường hợp có 2 nguồn tín hiệu giống nhau cùng tới
dàn ăng ten,
phương pháp PLL – DOA cải tiến đã khắc phục được nhược điểm không phân biệt được
tín
hiệu của các bộ vòng khóa pha từ đó xác định thành công các thông tin về hướng
sóng tới của