LỜI MỞ ĐẦU Anten thông minh là một công nghệ mới cải thiện đáng kể dung lượng, chất lượng của hệ thống không dây trong môi trường truyền thông có tỉ số tín hiệu trên tạp âm thấp. Hệ thống anten thông minh phân bố tròn (UCA) kết hợp với thuật toán MUSIC xác định hướng sóng đến (DOA) một cách chính xác dù các góc tới rất gần nhau hay các góc tới xác định trong khoảng từ 0 0 đến 3600 thì phổ của chúng cũng không bị chồng lấn (điều này không có được từ hệ thống ULA). Đề tài này tìm hiểu về lý thuyết các hệ thống anten thông minh, các phép toán xử lý đối với anten thông minh, và ứng dụng của thuật toán MUSIC để xác định hướng sóng đến (DOA ) đối với hệ anten phân bố tròn (UCA) mô phỏng hệ thống ULA và UCA bằng phần mềm matlab từ đó rút ra ưu điểm của hệ thống UCA với tiêu đề là: : “Ứng dụng thuât toán MUSIC định hƣớng sóng đến đối với hệ anten mảng tròn “ , Với mục đích như trên , nội dung luận văn được chia thành 3 chương: Chƣơng 1: Tổng quan anten thông minh - Giới thiệu tổng quan hệ thống anten thông minh, mô hình toán học của hệ anten thông minh. - Giơí thiệu một số hệ thống anten thông minh.
Chƣơng 2: Các kĩ thuật xử lý đối với hệ anten thông minh. Trình bày hai kỹ thuật xử lý là: - Kỹ thuật phân tập - Kỹ thuật tạo búp sóng Chƣơng 3: Ứng dụng thuât toán MUSIC định hƣớng sóng đến đối với hệ anten mảng tròn - Giới thiệu thuật toán MUSIC - Mô phỏng ứng dụng của thuật toán MUSIC đối với hệ thống ULA và UCA. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ANTEN THÔNG MINH 1.
Anten thông minh là một hệ thống gồm nhiều phần tử anten kết hợp với các thuật toán xử lý tín hiệu để tối ưu hóa phát xạ và/hoặc thu nhận tự động đáp ứng với môi trường tín hiệu. Anten đóng vai trò là bộ phát tới môi trường bên ngoài và ngược lại đến bộ thu từ môi trường bên ngoài. Tín hiệu đến các phần tử anten được tính toán và xử lý giúp anten xác định được hướng của nguồn tín hiệu đến. Công việc tính toán này đòi hỏi thời gian thực để anten thông minh có thể bám theo nguồn tín hiệu khi nó dịch chuyển.
Sơ đồ khối hệ thống anten thông minh [8]. Sơ đồ khối tổng quát của một anten thông minh. Ta thấy tín hiệu đến các phần tử anten, được biến đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, sau đó được nhân với một bộ trọng số rồi tổng lại để được các tín hiệu lối ra. Chính các bộ trọng số này giúp cho anten có thể tập trung bức xạ theo hướng mong muốn.
Bằng cách sử dụng các thuật toán thích nghi trong quá trình beamforming (búp sóng thích nghi), bộ trọng số này luôn được cập nhật để anten thông minh có thể bám theo người dùng khi họ di chuyển. Biên độ của trọng số quyết định búp sóng chính và búp sóng phụ (side lobe level). LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 Pha của bộ trọng số quyết định hướng của búp sóng chính. Anten thông minh là một trong những xu hướng được quan tâm nhiều trong những năm gần đây.
Với những ứng dụng trong các hệ thông tin vô tuyến, nó có thể cải thiện chất lượng tín hiệu, tăng dung lượng, mở rộng phạm vi hoạt động của hệ thống. Với những ứng dụng trong các hệ thống Rađa, định vị, điện thoại 3G, GSM. anten thông minh cho phép nâng cao khả năng phát hiện mục tiêu, nâng cao độ chính xác xác định tọa độ và tạo thêm những khả năng mới mà các hệ thống bình thường không có được. So sánh anten thông minh và anten thƣờng [8].
Một anten thông minh bao gồm nhiều phần tử anten. Tín hiệu đến các phần tử này được tính toán và xử lý giúp anten xác định được hướng nguồn tín hiệu, tập trung bức xạ theo hướng mong muốn và tự điều chỉnh theo sự thay đổi của môi trường tín hiệu. Công việc tính toán này đòi hỏi thực hiện theo thời gian thực để anten thông minh có thể bám theo nguồn tín hiệu khi nó chuyển động. Với tính chất như vậy anten thông minh có khả năng giảm thiểu ảnh hưởng đa đường và can nhiễu.Vùng bức xạ của anten thường và anten thông minh Từ hình 1-2 ta có thể thấy sự khác biệt giữa vùng bức xạ của hệ thống anten thường và anten thông minh.
Anten thông minh có những búp sóng hẹp hơn và có tính định hướng cao hơn so với anten thường. Ưu điểm của anten thông minh so với anten thường: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 Cải thiện chất lượng tín hiệu hệ thống truyền thông vô tuyến bằng cách triệt can nhiễu, loại bỏ hiệu ứng đa đường và thu/ phát đúng hướng mong muốn. Cải thiện dung lượng hệ thống do khă năng sử dụng lại tần số trong cùng một cell. Công suất phát thấp cho phép thời gian sử dụng năng lượng lâu hơn do đó có thể giảm kích thước và khối lượng của các thiết bị đầu cuối và làm giảm ảnh hưởng đến các kênh lân cận.
Anten thông minh thích hợp với hầu hết các hệ thống truyền thông vô tuyến hiện nay. * Mô hình toán của hệ thống anten tuyến tính thông minh.Mô hình dãy anten tuyến tính cách đều nhau : Góc phương vị : Góc ngẩng của mặt phẳng sóng tới trên dãy anten. Để đơn giản hóa việc phân tích dãy anten, ta giả thiết: Khoảng cách giữa các phần tử anten là đủ nhỏ để không có sự thay đổi nào về biên độ giữa các tín hiệu được nhận tại từng phần tử của anten. Không có sự kết nối tương hỗ giữa các anten.
Tất cả những trường sóng tới đều có thể chia thành một lượng các mặt phẳng sóng rời rạc. Như vậy số tín hiệu đến anten là hữu hạn. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 Mặt sóng đến phần tử 1 Mặt sóng đến phần tử m Z(t) Hình 1-4. Mô hình toán của anten thông minh Đối với một mặt phẳng tới dãy anten từ hướng (,), hình 1-4, tín hiệu đến phần tử thứ m phải đi thêm một đoạn: d m.1) So với phần tử tham khảo tại gốc, hay phần tử m trễ hơn phần tử tham d khảo một khoảng thời gian: tm=.
c Như vậy, độ sai pha giữa thành phần tín hiệu đến phần tử thứ m và phần tử tham khảo tại gốc là: tm d với 2f , f: tần số sóng mang (Hz). 2 : hệ số truyền sóng. Giả sử mỗi phần tử anten là đẳng hướng và có độ lợi như nhau tại tất cả các hướng. Tín hiệu đến mặt sóng có đường bao phức là s(t).
Tín hiệu nhận được tại phần tử anten thứ m là: u m (t ) s(t ).2) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 Tín hiệu lối ra của dãy sau khi nhân với bộ trọng số [w 0, w1, .wM-1] với M là số phần tử anten trong dãy là: M 1 Z (t ) wm .3) m 0 Với f ( , ) được gọi là hệ số sắp xếp, nó xác định tỉ số giữa tín hiệu nhận được tại lối ra dãy anten và tín hiệu s(t) đo được tại phần tử tham khảo. Hệ số sắp xếp là hàm theo hướng sóng đến (DOA). Bằng cách điều chỉnh bộ trọng số, [w0, w1, .wM-1], ta có thể hướng cho búp sóng chính của hệ số sắp xếp theo hướng mong muốn ( 0 , 0 ). Ta định nghĩa vector trọng số: W = [w0 w1 .4) Tín hiệu từ mỗi phần tử anten được nhóm thành một vector dữ liệu : u = [u0(t) u1(t) .5) Tín hiệu lối ra z(t) là (1.6) Với wH là phép biến đổi Hermitian (chuyển vị rồi lấy liên hợp phức).
Hệ số sắp xếp theo hướng ( 0 , 0 ) được viết lại như sau: f ( , ) wH. Cho trước một mặt phẳng sóng tới từ mặt phẳng sóng tới từ hướng (,) như hình 1-4, vector lái a(,) biểu diễn pha của tín hiệu tại mỗi phần tử anten so với tín hiệu tham khảo tại gốc.mx cos sin Trong đó am ( , ) e 1. Phân loại Anten thông minh [1] Tùy theo mục tiêu, phương thức xử lý tín hiệu và mức độ phức tạp của thuật toán xử lý tín hiệu của antan thông minh ta có thể chia anten thông minh thành 3 loại chính: -Anten định dạng búp song băng hẹp - Anten thích nghi - Anten thích nghi băng rộng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 Anten định dạng búp sóng băng hẹp thuộc nhóm các hệ anten có xử lý tín hiệu với thuật toán không phức tạp, chủ yếu là dùng các bộ quay pha ở tần số sóng mang (xử lý tín hiệu ở tần số radiô) để tạo sự lệch pha cần thiết giữa các phần tử anten nhằm tạo ra giản đồ hướng hoặc là có búp sóng hẹp hoặc là búp sóng có hình dạng đặc biệt hoặc các búp sóng có thể thay đổi được trong không gian mà không cần xoay giàn anten về mặt cơ học. Anten thích nghi thuộc nhóm anten có xử lý tín hiệu vẫn ở dạng băng hẹp nhưng sử dụng các phương thức và thuật toán phức tạp hơn nhằm đạt được tốc độ cao, linh hoạt, đáp ứng mục tiêu đề ra.
Mục tiêu của anten thích nghi thường thực hiện việc điều khiển tự động giản đồ hướng sao cho các hướng không hướng về các nguồn nhiễu để triệt tiêu hoặc giảm thiểu nhiễu. Anten gồm một giàn các phần tử, liên kết với một bộ xử lý thích nghi thời gian thực. Bộ xử lý thích nghi sẽ tự động điều chỉnh các trọng số để đạt dược một bộ trọng số tối ưu theo một tiêu chuẩn nào đó, phù hợp với thuật toán đã lựa chọn. Anten thích nghi băng rộng là hệ anten có xử lý tín hiệu theo phương thức xử lý thích nghi với băng tần rộng và thuật toán phức tạp, là bước phát triển cao của hệ anten có xử lý tín hiệu nói chung.
Bộ xử lý tín hiệu trong anten thường là bộ xử lý không gian -thời gian, không chỉ xử lý tín hiệu rời rạc, lấy mẫu trong miền không gian mà cả tín hiệu rời rạc, lấy mẫu trong miền thời gian. Đây là bước phát triển cao của hệ anten có xử lý tín hiệu. Anten định dạng búp sóng băng hẹp [1] 1. Định dạng búp sóng.
Hệ enten trong mặt phăng xy LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.