Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G IA H À N Ộ I
NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ THUẬT TOÁN
XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG ĐÉN, s ử DỤNG DÀN ANTEN
CÓ CÁU TRÚC ĐẶC BIỆT, ỨNG DỤNG CHO HỆ ANTEN
THÔNG MINH
M ã số: QC.08.15
C hủ n hiệm đề tài: G S.TSKH Phan Anh
Đ A I H O C Q U Ố C G I A H À N Ộ I
T R Ụ N G Ị A M I H Ó N G U N T H Ư V l Ệ N
000600000 Ĩ0
Hà nội, 11/2010
MỤC LỤC
DAN H SÁ CH N H Ữ N G NG Ư ỜI TH AM GIA T H ự C HIỆN Đ Ề TÀI 2
DANH M ỤC CÁ C HÌN H 3
TÓM TẮ T CÁ C KẾT QU Ả N G HIÊN c ứ u C HÍN H CỦ A Đ Ề TÀI 4
BÁO C ÁO TỐ N G H Ợ P 5
PHỤ LỤC
1
r 1
DANH MỤC CÁC HÌNH
H ình 1 - Tín hiệu được thu thập bởi dàn anten U LA
H ình 2 - M ô phỏng thuật toán M Ư SIC dùng dàn anten ULA
H ình 3 - Cấu trúc dàn anten U LA và ƯCA
H ình 4 - Phổ D O A của dàn anten U CA và U LA
H ình 5 - Cấu trúc hệ anten không tâm pha eồm 4 phần tử anten phân cực đứng
Hìnlí 6 - Giản đồ biên độ của anten trong mặt phẳng H
H ình 7 - Giản dồ pha của anten trong mặt phầng H
H ình 8 - Cấu trúc dàn anten U CA với mỗi phần tử anten là một hệ anten không tâm pha
H ình 9 - Phổ không gian cùa dàn U CA với mỗi phần từ là m ột hệ anten khône tâm pha.
H ình 10 - Phổ không gian của dàn nonlinear W PA.
H ình 11 - Phổ không gian của dàn U CA với m ỗi phần tử là m ột hệ anten không tâm pha

Mục tiêu và nội dung nehiên cứu cùa dề tài dã dược trình bày rò tro ns phẩn l)ậi
vân đê và Tôna quan các vân dè nahiên cửu cua dè tài. Nuoài ra. bén cạnh V nnliìa khoa
học, mục tiêu cùa đè tài còn nhàm đào tạo con naưòi.
IV. ĐỊA ĐIẺM , TH Ờ I G IAN VÀ PH ƯƠN G PHÁ P N GH IÊ N c ứ u
Đề tài được thực hiện tại Bộ môn Thông tin Vô tuyến. Khoa Điện tứ - Viễn thông,
trường Đại học Công nghệ, Đại học Q uốc gia Hà nội.
Thời gian thực hiện: 12 tháng
Phương pháp nghiên cứu cùa dề tài: nghiên cứu ỉý ihuyếụ IĨ1Ỏ phỏng, đánh giá kei
quả đối với thuật toán tìm phương. Đe tài sử dụng các trane thiết bị của Bộ môn Thông
tin Vô tuyến và Trung tâm nghiên cứu Điện tử Viễn thông.
V. KẾT QUẢ NGHIÊN c ứ u
Bao gồm 3 chương:
Chương 1: Thuật toán tỉm phương M U SIC và ES PR IT sử đụna dàn anten
tuyến tính cách đều ULA.
Chương 2: Thuật toán tìm phương M U SIC sử dụne dàn anten tròn cách đều
UCA .
Chương 3: Thuật toán MU SIC kết họp với dàn anten UC A mà mỗi phần tư
anten là m ột hệ anten pha phi tuyến.
6
CHƯƠNG 1: THUẬT TOÁN TÌM PHƯƠNG MUSIC VÀ ESPRIT s ử DỤNG DÀN
ANTEN TUYÉN TÍNH CÁCH ĐÈU ULA [8]
Các p hương pháp xử lí tín hiệu thu thập được từ mảng anten nhăm xác định hướng
sóng đến đưực pliál Iriển íù nhùng Iiăui 70. Các liệ ÍÌI11 phương D OA thường được ứng
dụng trong:
- Hệ phát hiện m ục tiêu trong quân sự.
- Quản lý tàn số (phát hiện các nguồn thông tin không được cấp phép).
- Công tác tìm kiếm cứu nạn trên biển.
- Bổ trợ cho anten thône minh nhàm tăng tốc độ truyền thông vô tuyến không dây.
Lịch sử ph át triển các thuật toán DOA có th ể m ô lả vắn lắt n h ư sau Ị lị:
1967

\ /
M-1
H ìnli 1 - Tín hiệu được thu thập bởi dàn anten ULA
Các m ẫu tín hiệu được thu thập theo thời gian tại mỗi đàu vào cùa anten từ phần ÚI'
anten thứ 0 đến M - l. Thành phần tín hiệu thu thập tại 2 anten liền kề ứng với mỗi nguồn
tín hiệu tương ứng sẽ lệch pha do quãng đườne một khoàne pd cos(ớ) với 0 là góc tạo
bởi nguồn tín hiệu và trục của đàn anten.
2. Thuật toán MUSIC
M ô IùiìIí: Giả sử có D nguồn tín hiệu độc lập đến dàn anten ULA ẹồm M phần tử. Các
nguồn tín hiệu được giả thiết là băng hẹp để có thể coi trễ truyền dẫn (trễ về mặt thời
gian) chỉ gây ra sự lệch pha của tín hiệu [3].
Khi đó. tại một thời điểm, tín hiệu lấy mẫu tại phần tử anten thứ k sẽ là:
u ( n T ) - Z s ( n T ) e A'"{‘ 'u°'^l, +n ( n ĩ)
(i:
Với:
uk (?ĩT) là mẫu tín hiệu thu thập tại phần tử anten thứ k tại thời điểm n.
s,(n ĩ) là mẫu tín hiệu của neuôn thứ / tới dàn anten U LA tại thời điểm /7.
)\ (»7')là mẫu tín hiệu nhiễu đi vào phàn từ anten thứ k tại thời điểm n.
Biểu diễn tổng quát cùa cà hệ như sau:
'w ,(0
ỵ j a{0,)sl(t)+n{t)
= ]
«(/) =
«!(/)
( 2 )
Với ứ(0 ) -
được gọi là vectơ lái của neuồn thứ i.
-V,(/) là nguồn tín hiệu đến với i=ỉ+D ; /;(/) là vectư nhicu M chiòu.
Hay n(i)= ,í(0)s{i)+ 11(1 )
s

1 Ả
anten. Và đưực tính bởi Rm = — . N eu các m ẫu dữ liêu có phân hổ G auss
K Í.I
thì có thể coi nó tiên dến m a trận hiệp phương sai thực tế.
- Số mẫu tín hiệu phải lớn hơn 2 lần số phần tư anten (K > 2 N )
- Số nguồn tín hiệu phát hiện được luôn nhỏ hơn số phản tư anten.
9
- Các giá trị riêng của ma trận hiệp phương sai lí tườ ne ứng với các vectơ nhiêu
luôn bằng nhau. Tuy nhiên, trong thực tế các giá trị nàv lại khác nhau.
II. THUẬT TOÁN ESPRĨT ĐỐI VỚI DÀN ANTEN ULA
1. H ệ a nten U L A: bao gồm 2M phần tử anten vô hướng đặt thảng hàng, cách đêu nhau
một khoảng ù = Ắ/2 tương tụ nhu mô liìiiỉi liên hình ỉ.
Đe áp dụng thuật toán E SPR IT nhằm tính DOA . Hệ U LA trên được chia thành 2 màng
con với tín hiệu thu thập dịch pha nhau một lượne /Wcos(ớ) với 6 là eóc tạo bởi nauôn
tín hiệu và trục của dàn anten.
N hư vậy, với một dàn anten U LA gồm M phần tử sê được chia thành 2 m àna con: màne
con 1 bao gồm M -l phần tử từ phần tử 0 đến phần tử M -2. m àng con 2 eồm M -1 phần tử
từ phàn tử 1 đến phàn tử M. M ảng con thứ 2 được coi là dịch m ảng con 1 đi 1 phần tứ.
2. Thuật toán ESPRIT
M ô hình: Giả sử có D nguồn tín hiệu độc lập đến dàn anten ULA gồm M phàn tử. Khi
đó, tại một thời điểm, tín hiệu lấy mẫu tại phần tử anten thứ Ả: sẽ là:
I/, ( « r ) = + nt ( n ĩ) (8)
Với:
uk( n ĩ) là mẫu tín hiệu ihu thập tại phần tử anten thứ k tại thời điểm n.
s\n T ) là mẫu tín hiệu của neuồn thử ị tới dàn anten ULA tại thời điểm n.
nk (/77') là mẫu tín hiệu nhiễu đi vào phần tử anten thứ k tại thời điểm n.
Biểu diễn tồng quát của cả hệ như sau:
m
Á').
5 > , (* ,> .(')+ «,(/)

2 m ảng anten được sẽ thu được 2 ma trận gồm các vectơ riêng:
ơ, = và u 2 = A2T (12)
- Đặt y = 7’' ,07 ' (điều này có nghĩa là í) là m a trận đường chéo của các 2Ìá trị
riêng cùa T )
- Ta có thể biểu diễn: U2 = ơ , ^ (13)
Sử dụng phương pháp bình phương tôi thiêu (LS) và bình phư ơng tôi thiểu tôna
cộng (TLS) để tính ¥ .
'-arg(e/g (T))"
Góc D OA được xác định bời: 6, = arccos
pd
Các bước được ílĩự c hiện T L S-E S P R IT n hu sau:
- Đánh giá m a trận hiệp phương sai của các mẫu tín hiệu thu được.
(Giả sử các nguồn tín hiệu đến là khôna tươ ne quan với nhau)
e \u u h ] =
’ A \
H
r ,, 1
1
+ E \ m H \
L J
L
A ] o
L J
R„G "+ ơ ]ì (14)
- Tính giá trị riêne và các vectơ riêne của m a trận hiệp ph ươn e sai
Gọi {Ảr À2U} là các giá trị riêna của RUII thì \Rini- Ă / \ = 0 hay
|C Í„G " + ơ ] l- Ả ,ì\ = ữ hay \GR„GH +{ơị - Ằ' )/Ị = 0 (15)
- Do ma trận GR„GH là ma trận 2M -2x2M -2 có hạnR bằng D nên sẽ tồn tại 2M -2-D
vectơ riêng qm ứng với 2M -2-D giá trị riêng cùa GR G H bàno 0 hay
=0 ( 16)

Thời gian mô phòne: 0.6s
3. Thuật toán ESPRIT
Ket quà mô phỏne:
112.9999 111.0003 60.0001 5.0000
Thời gian m ô phỏn s: 0.3s
12
4. Nhận xét
Trong cùng một m ô hình anten và tín hiệu:
- X ét vê độ chính xác: hai thuật toán có độ chính xác như nhau.
- X ét về thời gian thực hiện: thời gian tính toán cùa thuật toán ES PR IT ít hơn một
Iiửa lliuậl luán PvíUSIC. pỉgoài ỉ'à, ílìuâí íoáiì CSí^ívỉT cho rì£sy k ít Cjuả của 4
nguồn tín hiệu còn thuật toán M U SIC phải có quá trình tìm các điểm cực đại trone
phổ không gian. Vì vậy, xét tổng thể thuật toán E SPRIT sẽ cho thời £Ìan tính toán
ít hơn nhiều và theo đúng tiêu chí của tác eiả thuật toán nhàm khác phục vấn đề
thời gian tính toán trong MƯSIC.
CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN TỈM PHƯƠNG MUSIC s ử DỤNG DÀN ANTEN
TRÒN CÁCH ĐỀU (UCA)
Chương 2 và 3 sẽ chỉ xét với trường hợp thuật toán M U SIC do cấu trúc dàn anten
Ihay đôi pliúc tạp, không phù liựp vói yêu câu của thuật toán ESPR IT.
I. LÝ THUYÉT ÁP DỤNG THUẬT TOÁN MUSIC VỚI DÀN ANTEN UCA ĐE
TÍNH DOA
1. Cấu trúc dàn anten UCA
Khác với dàn anten thẳng cách đều (ULA ). dàn anten UCA được thiết kế sao cho các
phần tử anten nằm trên một đường tròn như trên hình 3.
2. Thuật toán MUSIC vói dàn ULA và dàn UCA
Từ sự thay đổi trong cấu trúc hình học của dàn anten. ta thấy ràng vectơ lái sẽ thay
đổi như sau:
Véctơ lái của dàn ULA:
Thuật toán MUS1C trong UCA vẫn được uiữ nguvẽn như đồi với ULA.
II. MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN MUSIC VỚI DÀN ANTEN ULA VẢ l CA

lỉìn h 4 - Phổ DO A cùa dàn antcn l 'CA vá U LA
3. Nhận xét
a. về độ chính xác của kết quả phổ M Ư SỈC :
- Hình 4 m ô tả kết quả xác định hướng sóng đến D OA trong trường hợp dàn anten
là U LA và U CA trong khoảng 360°.
Đ ỏi vó i hư ờ n g liỢp Ư L A . kct CỊLiả m ô pliOiig xá c địiih 6 ngu on tín 'ũiCii íậi cac VỊ tri
[40°; 70°; 90°; 270°; 290°: 320°].
- Đối với trường hợp U CA. kết quả m ô phỏne xác định 3 neuồn tín hiệu tại các vị
trí [40°: 70°; 90°].
- So sánh với già thiết về điều kiện m ô phỏng ban đầu D OA =[40°; 70°: 901'] trong
phần 1 thì kết quả đối với dàn UCA là chính xác. Đối với dàn U LA neoài 3 nguồn
như điều kiện ban đầu đã đưa ra thi còn xuất hiện 3 nguồn không mong muốn
khác. N guyên nhân của hiện tượng này là do phư ơng trinh biểu diễn vectư lái ha\
do cấu trúc hình học cùa dàn anten. T rona trườna hợp dàn ULA.
a (9 ) = a t (- 0 ) do mỗi phần tử = e ‘“'v ớ i I = [ 0 : L -l] dẫn đến kết
quả phổ khôna eian đánh aiá D OA ở góc 9 cũne a iố ns với sóc - 9 . Trona trường
hợp dàn UCA. a„ ( 0 )* a „ (- 9 ) và số các phần tử trone vectơ lái khác nhau
chiếm da số dẫn đến kết quả phổ không gian đánh giá DO A ờ eóc 0 khác với với
góc - 0 một lượna lớn hay nếu phổ khôns eian đánh eiá DOA ở góc 9 là rất lớn
thì với góc - 0 sẽ rât nhỏ. Như vậy. nó phụ thuộc vào sô các phân tử trone vectơ
lái ứne với hai sóc 0 và - 0 khác nhau nhiêu hay ít.
b. Hạn cliế cùa thuật toán M U S IC klìi áp dụ ng với (iíìn nnten ƯLA và ƯCA
- Đổi với cấu trúc ULA và UCA. khi cho số phần tử anten nhỏ han số nguồn tín
hiệu dến thì việc mô phỏne khône the thực hiện được do trong thuật toán MU SIC.
sự phân tách eiữa khô ns sian con cùa tín hiệu và nhiều phân biệt bơi các 2ÍÚ trị
riêng của ma trận hiệp phương sai lối vào (m ục 1.2). Và vì vậy. theo thuật toán n;n
thì sổ giá trị riêng ứng với khône eian tín hiệu phải nhò hơn số phần từ anten tronu
màng. Nói cách khác, số nguồn tín hiệu phát hiện được bị hạn chế bời sổ phần tử
anten trong inảne.
16

2
Đ A I H O C Q U O C G I A H À N Ộ I
T R U N G 1 Â M l H O N < o ỈI N I H Ư V I Ẻ N
0 0 0 6 0 0 0 0 0 5 0
17
Parlield (Ainyt 'lartield |f=915) n r E-Field(r=1m)_Theta|Phi): Theta = 90.0 đeg
H ìn h 6 - Giản đô biên độ cùa anten trona m ặt phảng H
Far1ie ld lA n ay ) 'lo r lie ld (1=915) |1 |' E -Field[r= 1 m )_Th e ta P h a s e ( P hi); Th e la = 9 Ũ .0 d e g .
0
H ình 7 - Giản đô pha của anten tron s m ật phẳne H
2. Dàn anten UC A vói mỗi phần tử anten là một hệ anten pha phi tuyến.
Thông thườne với dàn anten U CA truyền thốne. mỗi phần từ trona dàn là 1 dipolc.
Trone khi đó. với cấu trúc mới được mô tả trẽn hình 8. tại mỗi vị trí phẩn tư anten cua
UCA truyền thốne được thay thế bởi ] hệ anten pha phi tuyến eồm: một anten pha la
hàng số (1 dipole) và anten pha phi tuyên (gồm 4 dipole).
18
H ình 8 - Cấu trúc dàn anten U CA với mỗi phần tử anten là một hệ anten pha phi tuyến
Cũng tương tự như phân tích ở phần 1.2 của chương 2. vectơ lái sẽ được thay đổi như
sau :
a*(0 )4 /Mfcw[ !•-— Ị <I»(0)+ )ÍR cos •• -(/ / I \
l e e / e
( 20)
Với Nr là số lần quay phần tử anten pha phi tuyến.
A0 là mỗi Mước quay phần từ anten pha phi tuyến.
L là số phần tử cùa dàn UCA (sô hệ anten pha phi tuyên).
Như vậy, kích thước dàn anten dược coi nlur m ở rộng gồm L*N r phần tử (số dipolc
thực tế là 5*L), so với dàn UCA là L phần tử (số dipole thực tế là L) và hệ anten pha phi
tuyến là Nr phần tử (sổ dipole thục tế là 5) [8].
II. MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN MUSIC KÉT HỌP DÀN ANTEN UCA VỚI M ỏ]
PHÀN TỦ ANTEN LÀ MỘT HỆ ANTEN PHA PHI TUYÉN

ã
5
0
0 50 100 150 200 250 300 350
MUSIC UCA + nonlinear WPA DOA - degree
H ình 9 - Phổ không gian của dàn UCA với mỗi phần tử là một hệ anten pha phi tuyến.
Thời gian mô phỏng: I22s.
3. So sánh vói các cấu trúc khác
a. Vói (làn ULA và UCA
Do số nguồn tín hiệu đến là 8 nguồn nên với thuật toán M U SIC - ULA và M USIC -
UCA đều không thể thực hiện m ô phỏng để tìm ra kết quả.
b. Với dàn an ten plia p lii tuyến (nonlinear WPA)
Anten:
- Số phần tử anten: 1 (Tổne cộns 5 dipole)
- Giả thiêt phân tử anten là vô hướng.
Số iân quay hệ anten: 100
Nguôn tín hiệu:
- Số neuồn tín hiệu: 8
- Phân bô góc của mỗi nauồn tín hiệu lần lượt là:
DOA =[20°: 30°: 60°: 70°: 90°: 120°: 130°; 140°]
- Tỳ số SNR cúa mỗi neuồn tín hiệu lần krcỵt là:
SN R=[25: 25: 25; 25: 25: 25: 25: 25]
Sổ mẫu: 1000
20
É
TJ
ẻ
ề
co
V

trona trường hợp 27 nauôn tín hiệu đên.
Kết luận: Như vậy, với cấu trúc mới - dàn U CA với mỗi phần tư anten là một hệ anlen
pha phi tuyến, có thể xác định chính xác các nguồn tín hiệu đến cà trone trường hợp so
phần tử anten nhỏ hơn số n&uôn tín hiệu đên và khôníi còn xuât hiện các đỉnh phô không
mong muốn Irone khoảng 360° cùa phô khỏna eian.
VI. CÁC C ÔNG BÓ LIÊN Q UAN ĐÉ N K ẾT QUẢ CỦA ĐÈ TÀI
T.T.T.Quynh, p.p.H ung, P.T.Hong. T.M .Tuan and P.A nh. ‘"Direction-Of-Arrival
Estimation Using Special Phase Pattem Antenna Elements in U nitbrm Circular
Array” , 20 1 0 In te rn a tio n a l C on ýeren ce o n C o m p u ta iìo n a i im e iiiiỉe iu-í' (IIUÌ
Vehicular System (C IV S2010), Cheịu. Korea.
Tran Thi Thuy Q uynh, Tran Minh Tuan. P ha n A nh. “A ne\v anlenna arra)
structure applied for Direction-Of-AưivaI Estimation", subm ilted lo Journal on
Jnformation and Communications Technologies.
VII. KẾT QUẢ ĐÀO TẠO
- Khóa luận tốt nghiệp năm 2010: “N ghiên cứu, mô phỏng ảnh hưở ns ehép tươns
hỗ giữa các phần tử anten đến kết quả phổ M U SIC trong dàn anten ULA".
- K hóa luận tốt nghiệp năm 2010: “Nghiên cứu. m ô p hỏne ánh hướng ehép tưcms
hỗ giữa các phân tử anten đên kết quả phô M U SIC trone dàn anten UCA".
- Khóa luận tốt nshiệp năm 2010: “Thiết kế đâu thu phục vụ cho ứ ns dụne DOA.
tần sổ hoạt độne 915 MI Iz'\
VIII. KÉT QUẢ ỨNG DỤNG
Ket quả của đề tài có thể ứne dụng để triền khai hệ th ốns tìm các neuồn phát sóne
không phép cho quản lý tần số. các ứne dụne tìm kiếm cứu nạn trên biển
IX. THẢO LUẬN
Các kêt quả đạt được đã khẳne định răng khả năna tạo ra một cấu trúc dàn anten
mới khác phục một số nhược điểm của các dàn anten đã có (U CA và nonlinear W PA) đê
xác định chính xác hướng sóng đến cùa các nguồn tin hiệu trons khoàne 360° la có thê
thực hiện được.
X. KÉT LUẬN VÀ KIÉN NGHỊ
De tài đã thực hiện đầy đủ các nội dune đ ăne kí trone đề cưưng. Tuv nhiên, cần

3. Khóa luận tôt nghiệp năm 2010: "Nghiên cứu, mô p hỏn g ảnh hường ạhép ttivng
hô giữa các phá n tử anten đến kết quả phô M U SIC trong dàn anten ULA
4. Khóa luận tốt nghiệp năm 2010: '‘Nghiên cứu, mô p hỏng ảnh hướng ghép Iưưng
hô giữa các phần từ anten đến kết quà phô M USIC trong dàn anten UCA
5. Khóa luận tốt nghiệp năm 2010: "Tlĩiết kế đầu thu phục vụ cho úu% dụng DOA.
tân sổ hoạt động 915 M Hz
25
2010 International Conference on
Computational Intelligence and Vehicular
System (CIVS2010)
Cheju, Korea (South), Novem ber 22-23, 2010
Edited by
Li Jian
Co-Sponsored by
Intelligent Inform ation Technology Application R esearch A ssocia tion , HonjỊ
Kong
Technical Co-Sponsored by
IEEE Scoul Scction VT Chapter