Luận án Nâng cao chất lượng xác định hướng sóng tới cho hệ thống vô tuyến tìm phương sử dụng dàn ăng ten

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HÁN TRỌNG THANH NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CHO HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG SỬ DỤNG DÀN ĂNG TEN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HÁN TRỌNG THANH NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CHO HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG SỬ DỤNG DÀN ĂNG TEN Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 62520208 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. VŨ VĂN YÊM Hà Nội – 2015 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực. Tác giả luận án Hán Trọng Thanh Giáo viên hướng dẫn khoa học PGS. TS Vũ Văn Yêm ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến PGS. TS. Vũ Văn Yêm đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trong quá trình nghiên cứu sinh. Thầy đã dành nhiều thời gian và tâm huyết, hỗ trợ về mọi mặt để tác giả hoàn thành luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Điện tử viễn thông, Bộ môn Hệ thống Viễn thông và Bộ môn Điện tử Hàng không Vũ trụ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Chân thành cảm ơn các cán bộ, giảng viên cũng như các anh chị NCS của Viện Điện tử Viễn thông đã động viên, hỗ trợ và tận tình giúp đỡ tác giả trong quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến bố mẹ, vợ và các con đã luôn động viên, khích lệ và hy sinh rất nhiều trong thời gian vừa qua. Đây chính là động lực to lớn để tác giả vượt qua khó khăn và hoàn thành luận án này. Tác giả luận án HÁN TRỌNG THANH iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................................... ii MỤC LỤC ...................................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ ..................................................................................................... ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ......................................................................................................... xii MỞ ĐẦU ....................................................................................................................................... 1 1. Vai trò hệ thống vô tuyến tìm phương trong lĩnh vực điện tử viễn thông ............................................................................................................................................... 1 2. Những vấn đề còn tồn tại ............................................................................................. 1 3. Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu ............................. 2 4. Cấu trúc nội dung của luận án .................................................................................... 3 5. Các đóng góp khoa học của luận án .......................................................................... 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG ...................................... 5 1.1. Giới thiệu chung về hệ thống vô tuyến tìm phương ........................................... 5 1.2. Tổng quan các kỹ thuật xác định hướng sóng tới ............................................... 8 1.3. Mô hình tín hiệu trong xác định hướng sóng tới ............................................... 11 1.3.1. Khái quát về tín hiệu băng hẹp ....................................................................................... 12 1.3.2. Khái quát về tín hiệu băng rộng ..................................................................................... 13 1.4. Tổng quan một số dàn ăng ten nhiều phần tử sử dụng trong xác định hướng sóng tới ............................................................................................................................ 14 1.4.1. Các đặc trưng cơ bản của dàn ăng ten ......................................................................... 14 1.4.1.1. Đặc trưng biên độ của dàn ăng ten .............................................................. 14 1.4.1.2. Đặc trưng pha của dàn ăng ten. ..................................................................... 15 1.4.1.3. Đặc trưng phân cực của dàn ăng ten. .......................................................... 16 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. ...................................................................................................... 16 iv 1.4.2.1. Mô hình tín hiệu thu với dàn ăng ten đồng nhất tuyến tính ULA ........................................................................................................................... 17 1.4.2.2. Mô hình tín hiệu thu với dàn ăng ten đồng dạng tròn đều UCA........ 20 1.5. Các thông số ảnh hưởng và điều kiện đặt ra trong bài toán xác định hướng sóng tới. ........................................................................................................................... 21 1.5.1. Các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác trong việc xác định hướng sóng tới .................................................................................................................................................... 21 1.5.2. Điều kiện ràng buộc ban đầu trong bài toán xác định hướng sóng tới của luận án ............................................................................................................................................. 22 1.5.3. Phương pháp đánh giá kết quả các nội dung đề xuất ............................................ 23 1.6. Kết luận chương............................................................................................................ 23 CHƯƠNG 2 XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CỦA CÁC TÍN HIỆU BĂNG HẸP SỬ DỤNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG ĐƠN KÊNH .................................................... 24 2.1. Giới thiệu chung về hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh ..................... 24 2.2. Một số thuật toán điển hình áp dụng cho hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh ...................................................................................................................... 25 2.2.1. Kỹ thuật Wattson – Watt................................................................................................... 25 2.2.1.1. Nguyên lý hoạt động .......................................................................................... 25 2.2.1.2. Ưu điểm của thuật toán Watson - Watt ...................................................... 27 2.2.1.3. Nhược điểm của thuật toán Watson - Watt .............................................. 27 2.2.2. Kỹ thuật Doppler và giả Doppler ................................................................................... 28 2.2.2.1. Ưu điểm của kỹ thuật Doppler và giả Doppler ........................................ 30 2.2.2.2. Nhược điểm của kỹ thuật Doppler và giả Doppler ................................. 30 2.3. Kỹ thuật xác định hướng sóng tới dựa trên vòng khóa pha .......................... 30 2.3.1. Kiến trúc hệ thống ............................................................................................................... 31 2.3.2. Mô tả phương pháp PLL – DOA truyền thống........................................................... 32 2.3.3. Mô tả phương pháp PLL – DOA cải tiến ...................................................................... 37 2.3.3.1. Đánh giá hiệu năng phương pháp PLL – DOA truyền thống .............. 37 2.3.3.2. Phương pháp PLL – DOA cải tiến .................................................................. 37 2.3.4. Kết quả mô phỏng đánh giá hiệu năng phương pháp PLL – DOA cải tiến ..... 43 2.4. Kết luận chương............................................................................................................ 46 v CHƯƠNG 3 XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CỦA CÁC TÍN HIỆU BĂNG HẸP SỬ DỤNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG ĐA KÊNH ....................................................... 48 3.1. Giới thiệu chung về hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh ........................ 48 3.2. Một số thuật toán điển hình áp dụng cho hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh ......................................................................................................................... 48 3.2.1. Thuật toán Véc tơ tương quan ........................................................................................ 48 3.2.2. Thuật toán MUSIC ................................................................................................................ 50 3.2.3. Một số thuật toán khác ...................................................................................................... 52 3.2.3.1. Thuật toán Barlet ................................................................................................ 52 3.2.3.2. Thuật toán ước lượng phổ CAPON ............................................................... 53 3.2.3.3. Thuật toán ước lượng dự đoán tuyến tính ............................................... 53 3.2.3.4. Thuật toán Entropy cực đại ............................................................................ 53 3.3. Sơ lược về thuật toán Matrix Pencil ...................................................................... 53 3.3.1. Thuật toán Matrix Pencil .................................................................................................. 53 3.3.1.1. Áp dụng thuật toán trong môi trường không có nhiễu ........................ 54 3.3.1.2. Áp dụng thuật toán trong môi trường có nhiễu ...................................... 56 3.3.2. Thuật toán Total Forward Backward Matrix Pencil .............................................. 57 3.4. Kỹ thuật xác định hướng sóng tới sử dụng thuật toán TFBMP .................... 60 3.4.1. Xác định hướng sóng tới của tín hiệu thu được từ dàn ăng ten ULA ............... 61 3.4.1.1. Phân tích lý thuyết .............................................................................................. 61 3.4.1.2. Kết quả mô phỏng và đánh giá....................................................................... 62 3.4.2. Xác định hướng sóng tới của tín hiệu thu được từ dàn ăng ten UCA ............... 69 3.4.2.1. Phân tích lý thuyết .............................................................................................. 69 3.4.2.2. Kết quả mô phỏng và đánh giá....................................................................... 72 3.5. Kết luận chương............................................................................................................ 80 CHƯƠNG 4 XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CỦA CÁC TÍN HIỆU ĐA ĐƯỜNG VÀ TÍN HIỆU BĂNG RỘNG ................................................................................................................... 81 4.1. Xác định hướng sóng tới của các tín hiệu đa đường ........................................ 81 4.1.1. Phân tích lý thuyết .............................................................................................................. 81 4.1.2. Kết quả mô phỏng và đánh giá ....................................................................................... 85 vi 4.2. Xác định hướng sóng tới của các tín hiệu băng rộng ....................................... 88 4.2.1. Phân tích lý thuyết .............................................................................................................. 88 4.2.2. Kết quả mô phỏng và đánh giá ....................................................................................... 89 4.3. Kết luận chương............................................................................................................ 91 KẾT LUẬN ..................................................................................................................................... 93 Đóng góp khoa học của luận án ............................................................................................. 93 Hướng phát triển của luận án ................................................................................................ 93 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .............................................. 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................................... 95 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự sang số BPF Band Pass Filter Bộ lọc thông dải BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế khóa pha nhị phân CV Correlative Vector Véc tơ tương quan DOA Direction Of Arrival Hướng sóng tới DSP Digital Signal Processing Xử lý số tín hiệu DFT Discrette Fourier Transform Biển đổi Fourier rời rạc EVD Eigen Value Decomposition Khai triển các giá trị riêng E – W Easth – West Đông Tây ESPRIT Estimation of Signal Parameters via Rotation Invariance Technique Ước lượng các tham số của tín hiệu thông qua kỹ thuật quay bất biến FFT Fast Fourier Transform Biển đổi Fourier nhanh I/Q In – Phase / Quarature Điều chế I/Q GPS Global Positioning System Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu LPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp LS Least Square Bình phương tối thiểu LOS Line Of Sight Tầm nhìn thằng MUSIC MUltiple Signal Classification Phân loại tín hiệu MEM Maximum Entropy Method Phương pháp Entropy cực đại MVDR Minimum Variance Distortionless Response Đáp ứng cực tiểu không méo ML Maximum Likelihood Khả năng lớn nhất MP Matrix Pencil Ma trận bút chì N – S North – South Bắc Nam PLL Phase Locked Loop Vòng khóa pha RADAR Radio Detection And Ranging Định vị bằng sóng điện từ RMSE Root Mean Square Error Sai số căn quân phương RF Radio Frequency Tần số vô tuyến SDR Software Defined Radio Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm SDMA Space Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo không gian viii SNR Signal to Noise Ration Tỷ số tín hiệu trên tạp âm SVD Singular Value Decomposition Khai triển các giá trị kỳ dị SIR Signal to Interference Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SONAR Sound Navigation and Ranging Hệ thống định vị bằng sóng âm TFBMP Total Forward Backward Matrix Pencil Ma trận bút chì thuận ngược TOA Time Of Arrival Thời gian đến UCA Uniform Circular Antenna Array Dàn ăng ten đồng dạng tròn đều ULA Uniform Linear Antenna Array Dàn ăng ten đồng dạng tuyến tính UHF Ultra High Frequency Tần số siêu cao VHF Very High Frequency Tần số rất cao ix DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1. Kiến trúc máy thu sử dụng công nghệ SDR lý tưởng .................................................. 7 Hình 1.2. Phổ năng lượng của tín hiệu băng thông dải ............................................................... 11 Hình 1.3. Bộ giải mã tín hiệu I/Q.......................................................................................................... 13 Hình 1.4. Biểu diễn tín hiệu băng rộng và tín hiệu băng hẹp trong miền − ............... 13 Hình 1.5. Mô hình không gian khảo sát tín hiệu............................................................................. 14 Hình 1.6. Dàn ăng ten ULA trong hệ tọa độ Đề các ....................................................................... 18 Hình 1.7. Mô hình sóng tới dàn ăng ten ULA trong mặt phẳng phương vị .......................... 18 Hình 1.8. Mô hình dàn ăng ten UCA trong hệ tọa độ Đề Các...................................................... 20 Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh ....................................... 24 Hình 2.2. Mô hình ăng ten Adcock dùng trong thuật toán Watson - Watt ........................... 26 Hình 2.3. Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật Doppler .................................................................. 28 Hình 2.4. Sơ đồ khối hệ thống vô tuyến tìm phương giả Doppler. .......................................... 28 Hình 2.5. Sơ đồ khối hệ thống vô tuyến tìm phương dựa trên phương pháp PLL – DOA. ............................................................................................................................................. 31 Hình 2.6. Sơ đồ cấu tạo khối xác định DOA. ..................................................................................... 31 Hình 2.7. Mô hình dàn ăng ten UCA trong hệ tọa độ Đề Các...................................................... 32 Hình 2.8. Pha tín hiệu tới dàn ăng ten................................................................................................ 34 Hình 2.9. Đường cong sai khác đích.................................................................................................... 35 Hình 2.10. Pha tín hiệu không điều chế tại các phần tử ăng ten ................................................ 38 Hình 2.11. Đường cong sai khác thu được từ PLL ........................................................................... 38 Hình 2.12. Đường cong sai khác thu được thứ 2 từ PLL ............................................................... 39 Hình 2.13. Đường cong sai khác thu được đã hiệu chỉnh .............................................................. 40 Hình 2.14. Kết quả xác định hướng sóng tới DOA = 450 ................................................................ 43 Hình 2.15. Kết quả xác định DOA với số lượng ăng ten thay đổi ................................................ 44 Hình 2.16. Sai số kết quả xác định hướng sóng đến DOA khi thay đổi số lượng mẫu tín hiệu ........................................................................................................................................ 45 Hình 2.17. Kết quả xác định hướng tới của hai tín hiệu ở hai góc 400 và 500 ....................... 46 Hình 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh .......................................... 48 Hình 3.2. Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh sử dụng thuật toán CV ........................................................................................................................................ 49 Hình 3.3. Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh sử dụng thuật toán CV với bộ tạo định dạng búp sóng trễ - cộng ..................................................... 49 Hình 3.4. Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh sử dụng thuật toán MUSIC ................................................................................................................................ 50 x Hình 3.5. Phổ giả không gian của thuật toán CV và MUSIC ứng với góc DOA 120o .......... 51 Hình 3.6. Phổ giả không gian của thuật toán CV và MUSIC ứng với DOA 120o và 200o .............................................................................................................................................. 52 Hình 3.7. Dàn ăng ten ULA trong hệ tọa độ Đề các ....................................................................... 61 Hình 3.8. Kết quả xác định hướng DOA = 65o của tín hiệu có SNR = 5dB đến dàn ăng ten ULA với một mẫu tín hiệu. .................................................................................. 63 Hình 3.9. Kết quả xác định DOA của 3 nguồn tín hiệu từ 3 góc -20,