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

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