1

MỞ ĐẦU
1. Vai trò hệ thống vô tuyến tìm phương trong lĩnh vực điện tử viễn thông.
Trong các hệ thống thông tin viễn thông, việc ước lượng các tham số của tín hiệu thu
trong cả miền thời gian, miền tần số và miền không gian có vai trò rất quan trọng và được các
nhà khoa học trong và ngoài nước đặc biệt quan tâm nghiên cứu. Bên cạnh những thông số cơ
bản của tín hiệu như tần số, biên độ, pha… thì tham số như hướng sóng tới và thời gian truyền
sóng cũng cần thiết phải được xác định chính xác đặc biệt đối với các hệ thống viễn thông đa
anten hoặc các hệ thống thực hiện chức năng đa truy nhập phân chia theo không gian SDMA.
Thông tin về hướng sóng tới sẽ giúp hệ thống viễn thông tăng khả năng khôi phục kênh
truyền, phối hợp đồng bộ, bù lệch tần số hay tự động điều chỉnh đồ thị bức xạ theo hướng cần
thiết để tăng chất lượng tín hiệu thu. Chính vì những lý do trên, nhiệm vụ nghiên cứu phát
triển hệ thống vô tuyến tìm phương tiên tiến là cấp thiết.
2. Những vấn đề còn tồn tại
Vấn đề nghiên cứu các kỹ thuật xử lý tín hiệu, các thuật toán với độ phân giải cao trong
ước lượng chính xác hướng sóng tới áp dụng cho mỗi kiến trúc hệ thống vô tuyến tìm phương
đã và đang là chủ đề nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước.
Hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh với ưu điểm nhỏ gọn, giảm công suất tiêu thụ,
thích hợp triển khai trong các thiết bị di động nhưng thuật toán xử lý phức tạp, độ chính xác
trung bình do đó đặt ra yêu cầu phải giảm độ phức tạp từ đó tăng tốc độ hội tụ của thuật toán
nhằm triển khai cho các ứng dụng thời gian thực.
Hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh có khả năng ước lượng được hướng sóng tới với
độ chính xác và độ phân giải cao so với các hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh nhưng
thông thường có kiến trúc cồng kềnh, tiêu thụ năng lượng lớn không phù hợp trong việc triển
khai trên các thiết bị di động. Chính vì vậy, việc nghiên cứu các phương pháp nhằm tăng hiệu
năng hoạt động, giảm nhỏ kích thước cho các hệ thống đa kênh là cấp thiết.
Ngoài ra, việc xác định hướng sóng tới trong môi trường đa đường cũng như đối với các
tín hiệu tương quan và tín hiệu băng rộng cũng đã được các nhà khoa học trong và ngoài nước
quan tâm nghiên cứu tuy nhiên kết quả còn chưa được như mong muốn. Chính vì vậy, việc
tiếp tục phát triển nghiên cứu các kỹ thuật ước lượng hướng sóng tới cho các trường hợp nêu

tích đề xuất áp dụng thuật toán Total Forward Backward Matrix Pencil (TFBMP) trong ước
lượng hướng sóng tới của các tín hiệu băng hẹp với hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh sử
dụng dàn anten đồng dạng tuyến tính (ULA) và dàn anten đồng dạng tròn đều (UCA) với các
tín hiệu tương quan, không tương quan và việc xác định tách biệt các tín hiệu đa đường.
Chương 04 kế thừa và phát triển các kết quả nghiên cứu của chương 3 trong việc phân tách
các tín hiệu đa đường và ước lượng hướng sóng tới của tín hiệu băng rộng được thu bởi dàn
anten ULA.

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG
1.1. Giới thiệu chung về hệ thống vô tuyến tìm phương
Các hệ thống vô tuyến tìm phương thông thường được phân loại dựa trên kiến trúc hệ
thống và dựa trên cách thức xử lý tín hiệu.
- Phân loại dựa vào phương thức xử lý tín hiệu: Dựa vào phương thức xử lý tín hiệu
của các hệ thống vô tuyến tìm phương người ta có thể chia ra làm ba loại như sau:
o Hệ thống vô tuyến tìm phương xử lý Biên độ tín hiệu
o Hệ thống vô tuyến tìm phương xử lý Pha tín hiệu
o Hệ thống vô tuyến tìm phương kết hợp Biên độ – Pha
- Phân loại dựa vào kiến trúc hệ thống:
o Hệ thống vô tuyến tìm phương với kiến trúc đa kênh
o Hệ thống vô tuyến tìm phương kiến trúc đơn kênh
Với các hệ thống vô tuyến tìm phương tiên tiến, nhiệm vụ nghiên cứu phát triển và cải
thiện hiệu năng hoạt động của các hệ thống đó có thể được chia làm hai hướng chính:
Cải tiến cấu trúc dàn anten: Hiệu năng hoạt động của các hệ thống thông tin viễn thông
đa anten nói chung cũng như các hệ thống vô tuyến tìm phương nói riêng bị ảnh hưởng khá
lớn bởi cấu trúc vật liệu, hình học… của dàn anten.
Cải tiến các phương pháp xử lý tín hiệu áp dụng cho máy thu SDR: Việc nghiên cứu, phát
triển các thuật toán ước lượng hướng sóng tới nhằm nâng cao độ chính xác, độ phân giải cũng
như giảm độ phức tạp của thuật toán có vai trò rất quan trọng đặc biệt trong các hệ thống thời
gian thực. Đây chính là vấn đề xuyên suốt mà luận án sẽ tập trung nghiên cứu.

là thành phần nhiễu trắng. Giả sử
( ) là tín hiệu
giải điều chế của tín hiệu ( ) khi đó ta có
( )=

( )

(1.3)

Mô hình tổng quát cho cả tín hiệu băng hẹp và tín hiệu băng rộng được biểu diễn như
phương trình sau.

( )≈
=

(
(

) ( )
) ( )

(
(

)
/

+
)


1.3.2. Khái quát về tín hiệu băng rộng
Đối với các tín hiệu như được mô tả trong phương (1.6) có băng thông ∆
∆

không quá bé so với 1 (Băng thông ∆

lớn, với tỷ số

có thể so sánh được với thành phần tần số sóng

mang ) thì tín hiệu ( ) được coi là tín hiệu băng rộng và không thể xấp xỉ hóa như phương
trình (1.7). Nói một cách khác thì các thành phần số mũ của phương trình (1.6) không phải là
một hằng số và tín hiệu ra của các phần tử anten sẽ không biểu diễn được dưới dạng véc tơ
của các tín hiệu băng
1.4. Tổng quan một số dàn anten nhiều phần tử sử dụng trong ước lượng
hướng sóng tới.
1.4.1. Các đặc trưng cơ bản của dàn anten
1.4.1.1. Đặc trưng biên độ của dàn anten.


4
Đặc trưng biên độ củaa dàn anten xác định sự phụ thuộc của biên độộ cường độ trường của
anten tại các điểm nằm trong vùng xa và cách đều anten vào hướng quan sát.
1.4.1.2. Đặc
c trưng pha của
c dàn anten.
Đặc trưng pha của dàn anten là mặt hình học
ọc tạo bởi các điểm trong trường vùng xa mà
tại đó véctơ cường độ trường
ờng có cùng


Với K nguồnn phát sóng vô tuyến
tuy đặt rất xa dàn anten, dạng tín hiệu liên tục theo thời gian
nhận được tại mỗi phần tử anten với các góc tới nằm trong mặt phẳng
ng phương vvị là:
(1.33)
( )=∑
( )
+ ( )
Trong đó,
là thành phần
ph nhiễu can thiệp vào tín hiệu. Tín hiệuu này sau đó có th
thể được
lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫuu tại mỗi khoảng thời gian rời rạc là
như sau:

(

)=∑

(

)

+

(

)



( )

(1.43)


5

Hình 1.8. Mô hình dàn anten UCA trong hệ tọa độ Đề Các

Mẫu rời rạc củaa tín hiệu
hi thu được tại phần tử anten thứ với tín hi
hiệu tiếp cận đến mảng
từ các hướng trong mặt phẳẳng phương vị với các góc tới lần lượt là , , … . , , là
=∑

(

)

+

(1.2)

1.5.Các thông số ảnh
nh hưởng
hư
và điều kiện đặt ra trong bài toán ư
ước
lượng hướng

nh hưởng
hư
bởi nhiễu trắng
1.5.3. Phương pháp đánh giá kết
k quả các nội dung đề xuất

CHƯƠNG 2
XÁC ĐỊNH HƯỚNG
NG SÓNG TỚI
T CỦA TÍN HIỆU
U BĂNG H
HẸP SỬ DỤNG
HỆ THỐNG
NG VÔ TUYẾN
TUY
TÌM PHƯƠNG ĐƠN KÊNH
2.1.Giới thiệu chung về
ề hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh

Hình 2.1. Sơ đồ
đ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh

Hệ thống vô tuyếnn tìm phương
ph
kiến trúc đơn kênh là hệ thống
ng vô tuyến tìm phương sử
dụng dàn anten nhiều phầnn tử,
t các phần tử được kết nối tới cùng mộtt máy thu qua thông qua
một chuyển mạch cao tần với
v sơ đồ khối được mô tả như hình 2.1. Các thu

2.2.2. Kỹ thuậtt Doppler và giả
gi Doppler
2.3. Kỹ thuật xác định hướng
hư
sóng tới dựa
a trên vòng khóa pha
2.3.1. Kiến trúc hệ thống
ng

Hình 2.5. Sơ đồ khối
kh hệ thống vô tuyến tìm phương dựaa trên phương pháp PLL.

Hệ thống vô tuyếnn tìm phương
ph
đơn kênh áp dụng phương pháp PLL – DOA. Hệ thống
này bao gồm một dàn anten UCA có M phần tử kết nối tới một bộ chuy
chuyển mạch sang 1 và
một máy thu được định
nh nghĩa
ngh bằng phần mềm. Tín hiệu thu được từ các ph
phần tử anten được
rời rạc hóa rồi đưa đến bộộ vòng khóa pha nhằm xác định pha củaa tín hi
hiệu tại mỗi phần tử
anten. Dữ liệu về pha củaa các tín hiệu
hi thu được tại các phần tử anten sau đó đư
được đưa tới khối
xác định DOA để tìm ra thông tin về
v hướng sóng tới.
2.3.2. Mô tả phương pháp PLL – DOA truyền thống
Như đãã phân tích trong chương

−

+

Dựa vào phương trình
ình (2.29), chúng ta có thể dễ dàng xác định
nh đư
được góc tới
hiệu theo công thức:
=
Với Λ =

, trong trườ
ờng hợp

−
= thì Λ = .

(2.29)
của tín

(2.30)


7

Hình 2.8. Pha tín hiệu tới dàn anten

Tuy nhiên, trong thực tế
là thành phần pha ngẫu nhiên do đó chúng ta không thể biết

bộ cơ sở dữ liệu về pha bao gồm tất cả các giá trị có thể có của chuỗi
ứng với mỗi giá trị
cho trước. Từ đó ta đem so sánh chuỗi giá trị pha đầu ra của các bộ vòng khóa pha với cơ sở
dữ liệu vừa tạo lập (không gian tìm kiếm) và lựa chọn được chuỗi phù hợp nhất bằng
phương pháp bình phương tối thiểu. Do đó với một giá trị của chúng ta phải tạo ra trong
trường hợp này 5 chuỗi giá trị của . Kết hợp với số lượng xét đến (giả sử là 1 giá trị),
thì bộ dữ liệu tạo ra là rất lớn, khối lượng phép tính rất nhiều sẽ khiến tốc độ tính toán chậm
gây khó khăn trong việc triển khai các ứng dụng thời gian thực.
Để ước lượng được DOA, phương pháp PLL – DOA truyền thống đề xuất đặt ra các điều
kiện biên cho bài toán, từ đó giảm thiểu được không gian tìm kiếm và tăng tính khả thi của
giải thuật.
Trước tiên, phương pháp PLL – DOA truyền thống tiến hành loại bỏ thành phần sai pha
đường truyền
đơn giản bằng cách xác định sai khác của các pha đầu ra (hiệu pha) của tín
hiệu ở các phần tử anten liên tiếp. Trong trường hợp lý tưởng sai khác pha đầu ra ở các phần
tử ăng tên liên tiếp là:
∆

=

−

= −2Λ

( )sin (

−

+ )


+∆

(2.33)

Qũy tích các điểm biểu diễn các giá trị sai khác pha thực tế như mô tả trong phương trình
(2.33) được gọi là “Đường cong sai khác thu được”. Từ hai phương trình (2.32) và (2.33)
chúng ta có thể thấy “Đường cong sai khác đích” và “Đường cong sai khác thu được” khác
nhau một đại lượng là Δ
. Như vậy, đối với bài toán xác định
= giờ đây chỉ còn
phải xác định đại lượng Δ
hay đơn giản là chuỗi Δ . Tuy nhiên, chúng ta cũng có thể
thấy rằng dải biến thiên của Δ
lớn hơn nhiều so với dải biến thiên của
như trong
phương trình (2.31). Điều đó có nghĩa là không gian tìm kiếm bị mở rộng ra. Để giải quyết
bài toán, chúng ta cần phải đặt ra các điều kiện biên nhằm thu hẹp không gian tìm kiếm của
Δ . Để ý rằng, dựa vào phương trình (2.32), chúng ta nhận thấy tất cả các giá trị có thể có
của các điểm nằm trên “Đường cong sai khác đích” không thể lớn hơn . Đây chính là điều
kiện biên để chúng ta có thể loại bỏ tất cả các trường hợp có thể có của “Đường cong sai khác
thu được” tương ứng các giá trị Δ
ngoại trừ 2 trường hợp:
- Trường hợp 1: Giá trị của điểm nằm trên “Đường cong sai khác thu được” chính là giá trị
của điểm tương ứng trên “Đường cong sai khác đích” (Δ
= 0).
- Trường hợp 2: Giá trị của điểm nằm trên “Đường cong sai khác thu được” bằng giá trị
của điểm tương ứng trên “Đường cong sai khác đích” cộng hoặc trừ thêm (
=
1 hoặc −1.
Như vậy, tổng số các giá trị có thể có của Δ

M 1

F[ ] =

(2.36)

 f [ m]
m 0

Nhận thấy tất cả các giá trị của [ ] = 0 chỉ trừ trường hợp

[1] = ∁(

( −

) +

( −

))

= 1. Khi đó

(2.37)

Từ đó thông tin về góc tới DOA của tín hiệu được tính như sau:
=

( [1]) −


10
dụng đường cong này để chuẩn hóa “Đường cong sai khác thu được” bằng cách tìm tất cả
những điểm pha thuộc đường cong này có giá trị lớn hơn π hoặc nhỏ hơn – π.
2
(2.1)
∆
=∆
−∆
=−
( )cos (
− + )
2.3.3.2.2. Trường hợp tín hiệu bị điều chế
Trong trường hợp tín hiệu có điều chế 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 anten. Tức là ta đã giả
thiết giá trị
tại phần tử anten 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 ước lượng DOA.


–

) +

)

(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 anten sẽ là tổng của 2 tín hiệu
trên. Như vậy, khi chúng ta sử dụng các bộ PLL như đã nói ở trên, pha đầu ra tại mỗi bộ PLL
sẽ là:
=

+

(

)

(

−

)

(2.49)

=

−

(2.56)

2.3.4. Kết quả mô phỏng đánh giá hiệu năng phương pháp PLL - DOA cải tiến


11
Phương pháp đề xuất đã xác định thành công DOA = 45 của tín hiệu BPSK có tần số
= 750
trong môi trường nhiễu trắng có SNR =10dB như kết quả mô phỏng trên
Hình 2.14.

Hình 2.14. Kết quả ước lượng hướng sóng tới DOA = 450

Khi so sánh, với phương pháp PLL – DOA truyền thống, phương pháp đề xuất đã cải
thiện đáng kể tốc độ tính toán với các kết quả mô phỏng được trình bày trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1.Bảng so sánh thời gian tính toán của hai phương pháp PLL
DOA (độ) Phương pháp PLL - DOA truyền thống
Phương pháp PLL - DOA cải tiến
(giây(s))
(giây(s))
35
0.5131
0.0134
40
0.5019
0.0131



12

Hình 2.18. Kết quả ước lượng hướng tới của hai tín hiệu ở hai góc 400 và 500

CHƯƠNG 3
XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CỦA CÁC TÍN HIỆU BĂNG HẸP SỬ
DỤNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG ĐA KÊNH
3.1.

Giới thiệu chung về hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh

Hình 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh

Hệ thống vô tuyến tìm phương có kiến trúc đa kênh là hệ thống sử dụng dàn anten nhiều
phần tử trong đó tín hiệu đến từng phần tử của dàn được thu và xử lý bởi từng máy thu độc
lập. Các máy thu có vai trò như bộ tiền xử lý tín hiệu, đầu ra của từng máy thu là cơ sở để hệ
thống xác định được thông tin về hướng tới của tín hiệu sóng cao tần. Sơ đồ khối của hệ thống
vô tuyến tìm phương đa kênh được mô tả như Hình 3.1. Các thuật toán được ứng dụng với hệ
thống loại này bao gồm các thuật toán có độ phân giải cao như MUSIC, ESPRIT, Correlative
Vector (CV).
Ưu điểm của hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh đó là độ chính xác cao, thuật toán xử
lý đơn giản. Tuy nhiên hệ thống kiểu này có một số nhược điểm như kiến trúc phức tạp, chi
phí cao về giá thành cũng như công suất tiêu thụ, nhiều trường hợp trong thực tế là không khả
thi đối với các thiết bị di động. Phần tiếp theo của luận án sẽ đi sâu phân tích chi tiết một số
thuật toán ước lượng hướng sóng tới ứng dụng cho hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh.
3.2. Một số thuật toán điển hình áp dụng cho hệ thống vô tuyến tìm phương đa
kênh
3.2.1. Thuật toán Véc tơ tương quan

k

k

(3.42)

k

k

Đối với thuật toán TFBMP, chúng ta xây dựng hai ma trận

và

như sau:

 z z  zL2 zL 1 
Y0 fb2 M LL   0* 1 *
*
* 
 z L zL 1  z2 z1 

(3.43)

 z z  z L1 z L 
Y1 fb2 M LL   *1 2 *
*
*
 zL1 zL 2  z1 z0 
Trong đó dấu “ ∗ ” biểu thị liên hợp phức của tín hiệu,


z
z
L 1
1
0
 L
Mặt khác khai triển SVD của
ta có:
(

)×(

)

=

(

)× (

)

(

)×(

) (

)×(


, = 1, … , ;

(3.53)
,…,

=

= ,

)]

(

;

, = 1, … ,

=

(3.58)

là giá trị kì dị của
và các véc tơ và tương ứng là véc tơ kì dị thứ phía trái và
phía phải ứng với các giá trị kỳ dị đó. Từ những giá trị thu được, chúng ta áp dụng kỹ thuật
lọc giá trị kì dị để thu được giá trị kì dị lớn nhất của
với chính là số nguồn tín hiệu
đến dàn anten bằng cách xây dựng ma trận
như sau:
(

chứa giá trị kì dị lớn nhất của , và các ma trận và được xây dựng bằng cách thiết
lập các cột chính là các véc tơ riêng tương ứng với các giá trị kỳ dị đó. Từ đó ta thiết lập hai
ma trận
và
bằng cách xóa cột thứ + 1 và cột thứ 1 của ma trận như sau:

= [

],

,

= [ ,

]

(3.61)

Tương tự như các bước đã phân tích ở trên, ta cũng thiết lập các ma trận như sau:

=

=

;

(3.62)

Từ những kết quả trên, ta xây dựng mà trận bút chì:


Nhân hai vế theo phía phải của 0 với

(

−

)= 0

(3.67)

, ta có

)= 0

(3.68)

Như vậy, bằng việc tính giá trị riêng tổng quát từ (3.68) ta sẽ ước lượng được các giá trị
điểm cực xuất hiện trong tín hiệu .
3.4. Kỹ thuật xác định hướng sóng tới sử dụng thuật toán TFBMP
3.4.1. Xác định hướng sóng tới của tín hiệu thu được từ dàn anten ULA
3.4.1.1. Phân tích lý thuyết
Giả sử hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh sử dụng dàn anten đồng dạng tuyến tính
ULA với
phần tử. Như phân tích ở chương 1, dạng rút gọn của mô hình tín hiệu thu tại
phần tử anten thứ sẽ có dạng rời rạc theo thời gian như biểu diễn trong phương trình (1.35),
phương trình này được nhắc lại là:

=∑

+


Thuật toán được kiểm thử với trường hợp có nhiều nguồn tín hiệu không tương quan tới
dàn anten cùng một lúc ở các góc DOA lần lượt là −20 , 40 và 65 trong môi trường nhiễu
trắng có
= 5
với chỉ một mẫu tín hiệu với kết quả mô phỏng trên Hình 3.9. Cũng
trong cùng điều kiện như vậy, thuật toán MUSIC đã không tìm ra được góc tới như kết quả
trên Hình 3.10.

Hình 3.11. Kết quả ước lượng DOA của 3 tín
hiệu tương quan ở các góc -20,40 và 65 độ với
1 mẫu tín hiệu sử dụng anten ULA.

Hình 3.12. Kết quả ước lượng DOA với thuật toán
MUSIC của 3 tín hiệu tương quan ở các góc -20,40
và 65 độ với 1 mẫu tín hiệu sử dụng anten ULA.

Trong trường hợp các tín hiệu đến là các tín hiệu tương quan, thuật toán cũng được tiến
hành mô phỏng nhằm đánh giá hiệu năng hoạt động. Trong mô phỏng này, thuật toán đề xuất
đã xác định được hướng tới của các tín hiệu tương quan có tần số 1 GHz với cùng các góc đến
như trường hợp trước lần lượt là −20 , 40 và 65 . Trong khi đó, dù với 1000 mẫu tín hiệu
thuật toán MUSIC đã không xác định được DOA của tín hiệu. Kết quả mô phỏng như chỉ ra
trên Hình 3.11 và Hình 3.12.


16
Độ chính xác của thuật toán TFBMP trong xác định DOA cũng chịu sự tác động bởi số
lượng mẫu tín hiệu và nhiễu trong môi trường truyền dẫn. Sự ảnh hưởng này được thể hiện
trong các kết quả mô phỏng được trình bày trên các Hình 3.15 và 3.16.


=

2

2

−

+ 0

(3.73)

+

=1

Rõ ràng, với mô hình tín hiệu thu như trong phương trình (3.73) không có dạng
như
mô tả trong phương trình (3.15). Do đó để áp dụng được thuật toán TFBMP, tín hiệu trên sẽ
được biểu diễn lại thông qua chế độ kích thích chế độ pha hay
. Khi đó, chúng ta có

( )=∑
Với −

≤ ≤

độc lập với

lượng

,

,

( )=

,

( )

ℐ| | (

)

=∑

( )

+

,

( )

(3.87)

Với
=
. Như vậy, với mô hình tín hiệu thu được biểu diễn lại như phương trình
(3.87) đã có dạng giống như dạng tín hiệu trong phương trình (3.15). Từ đó, luận án áp dụng

hiệu không tương quan đến dàn anten UCA
hiệu tương quan tới dàn anten UCA

Từ Hình 3.200, ta có thể thấy rằng thuật toán TFBMP đã ước lượng thành công góc tới
của các tín hiệu được thu bởi dàn anten UCA với chỉ một mẫu tín hiệu. So với trường hợp sử


18
dụng dàn anten ULA, độ chính xác trong trường hợp này đã bị giảm xuống. Hiện tượng này là
do để ước lượng được tham số góc tới của tín hiệu đối với dàn anten UCA thuật toán phải lấy
xấp xỉ các giá trị của dữ liệu được chuẩn hóa bởi mô hình định dạng búp sóng kích thích pha.
Tuy nhiên kết quả mô phỏng cũng đã chứng minh khả năng ước lượng các góc tới lớn hơn
góc 90 của dàn anten UCA. Sự phụ thuộc của độ chính xác thuật toán vào số lượng mẫu tín
hiệu và nhiễu được minh họa bởi các kết quả mô phỏng trình bày trên các Hình 3.21 và Hình
3.25. Rõ ràng, thuật toán TFBMP đã xác định được góc tới của tín hiệu với một mẫu tín hiệu
và khi số mẫu tín hiệu lớn hơn 600 mẫu thì độ chính xác dường như không thay đổi.

Hình 3.21. Độ chính xác trong ước lượng DOA
của các tín hiệu không tương quan ở các
góc −50 , 60 và 160 đến dàn anten UCA theo
dải SNR

Hình 3.25. Độ chính xác trong ước lượng DOA
của các tín hiệu không tương quan ở các
góc −50 , 60 và 160 theo số lượng mẫu tín
hiệu

Tương tự như trong trường hợp sử dụng dàn anten ULA, độ chính xác của thuật toán đề
xuất cũng được so sánh với thuật toán MP thông thường. Trong so sánh này, cả hai thuật toán
được thực thi để ước lượng hướng sóng tới của các tín hiệu đến từ các góc −50 , 60 và

( )

tín hiệu đa

( , )+

(4.1)

( , ) là véc tơ
Trong đó là thời gian truyền của tín hiệu trên đường truyền thứ ;
quét thời gian – góc tới của tín hiệu đến thứ tại phần tử anten thứ . Trong các hệ thống vô
tuyến tìm phương thu tần số với bước nhảy Δ , thì véc tơ quét thời gian – góc tới sẽ phụ
thuộc vào tần số bậc . Sự phụ thuộc này được biểu diễn như sau:

Trong đó ∆

,

()=2

∆

( , )=

,

∆

+


. Nhằm thể hiện tính liên quan giữa thông
số góc tới và thời gian truyền sóng của tín hiệu, chúng ta xây dựng ma trận dữ liệu như sau:

=
∑
⎡
⎢∑
⎢⋮
⎢
⎣∑

( )
(

)

(

∑
∑
⋮
)
∑

∆
( )

∆
(


⎤
⎥
⎥
⎥
)
⎦

+
×

(4.5)
Để triển khai phương pháp TFBMP, trước tiên chúng ta xây dựng hai ma trận
như sau:
 X m,0

 X m,1
Ym  
...

 X m, L1 1

X m,1
X m,2
...
X m, L1

X m, N  L1 

... X m, N  L1 1 
...

...



(4.8)

... 
YM 1 

 L1L2 ( M  L2 1)( N  L1 1)

Trong đó
và
là các tham số bút chì để tính toán các tham số DOA và TOA tương
ứng tương ứng. Các tham số bút chì được chọn thỏa mãn điều kiện sau:

( − 1) ≥
( − 1) ≥
+ 1)( − + 1) ≥

( −

(4.9)

Tiếp theo, chúng ta thiết lập ma trận , để từ đó xác định các thông tin về hướng sóng tới
= và thời gian truyền sóng
= . Ma trận được thiết lập như sau:

=



=

+

(4.14)

Từ ma trận không gian tín hiệu
chúng ta thiết lập hai ma trận
và
bằng cách
xóa
hàng cuối và
hàng đầu tiên của ma trận
tương ứng. Tiếp theo, chúng ta thiết lập
ma trận vuông kích thước × là
với
là ma trận giả nghịch đảo Moore –
Penrose của ma trận
. Nhận thấy ma trận
có các giá trị riêng chính là các giá trị
của . Do đó bằng việc tính toán các giá trị riêng tổng quát của ma trận
chúng ta có
thể ước lượng được góc tới DOA của tín hiệu bởi công thức sau:
=

ℑ( ( ))]

sin[ −


],

(4.20)

( = 1, 2 … )
Ở đây ( ) với ( = + (2 − 1) ) là các véc tơ cột bao gồm 2
phần tử. Phần tử
thứ của véc tơ này được gán bằng 1 còn các phần tử khác được gán bằng 0. Từ ma trận ,


21
hai ma trận
trận
với

và

được lần lượt tạo ra bằng cách xóa

hàng đầu và hàng cuối của ma

=

(4.21)

Cũng tương tự như trên, nếu chúng ta coi thông số
= là độc lập với thông số
DOA, thì thông số đó cũng được tính toán bằng các khai triển các giá trị riêng của ma trận
với
là ma trận giả nghịch đảo của

Trong mô phỏng đầu tiên, luận án tiến hành thực thi phương pháp đề xuất nhằm ước
lượng đồng thời các tham số hướng sóng tới và thời trễ truyền sóng của các tín hiệu đa đường
có tần số = 1
với các cặp giá trị lần lượt là (0 , 15 ), (60 , 25 ) và (−60 , 20 )
trong môi trường nhiễu có
= 5 . Kết quả mô phỏng trình bày trên Hình 4.2.

Hình 4.2. Kết quả mô phỏng ước lượng đồng thời các thông số TOA và DOA của các tín hiệu đa
đường

Độ chính xác của phương pháp ở bài toán này sẽ được đánh giá theo từng thông số riêng
biệt. Việc ước lượng thông số hướng sóng tới DOA đã được luận án đánh giá trong phần
3.4.1. Do đó, trong phần này, luận án sẽ chỉ đi sâu phân tích đánh giá hiệu năng hoạt động của
thuật toán trong ước lượng thời gian truyền sóng TOA của tín hiệu. Trong mô phỏng, thuật
toán TFBMP được thực thi nhằm ước lượng thời gian trễ truyền sóng của 3 tín hiệu đa đường
lần lượt là 15, 20 và 25 . Kết quả mô phỏng được trình bày trong Hình 4.4 và Hình 4.5 đã
cho thấy thuật toán hoạt động tốt với chỉ một mẫu tín hiệu và sai số càng giảm đi khi số lượng
mẫu tăng lên.


22

Hình 4.4. Độ chính xác kết quả ước lượng thông Hình 4.5. Độ chính xác kết quả ước lượng thông
số TOA của các tín hiệu đa đường với 1 mẫu tín số TOA của các tín hiệu đa đường với số lượng
hiệu khi SNR thay đổi
mẫu tín hiệu thay đổi

4.2. Xác định hướng sóng tới của các tín hiệu băng rộng
4.2.1. Phân tích lý thuyết
Giả sử hệ thống vô tuyến tìm phương sử dụng dàn anten ULA gồm

( )

+

( )

(4.27)

Để có thể ước lượng được hướng tới DOA, tín hiệu băng rộng thu được ở các phần tử
anten sẽ được chia thành nhiều băng tần con ứng với các tín hiệu băng hẹp bằng cách sử dụng
các chuỗi bộ lọc dựa trên kỹ thuật DFT. Tín hiệu đầu ra của các bộ lọc được biểu diễn dưới
dạng véc tơ như sau:
(
Trong đó

)= (

, ) (

)+ (

), = 0, 1 …

(4.28)

số lượng các khoảng băng hẹp và
(
(

)=[


,

) …

Các cột của ma trận là các véc tơ quét (
băng con thứ . Véc tơ này được định nghĩa:
(
Với

−1

= 0,1, … ,

,
và

)= 1

(4.29)

)]


)=∑

(

)

+

(

=
), với

với
= 1÷

= 1 ÷ , khi đó tín

−1

(4.33)

Như vậy, mô hình tín hiệu biểu diễn trong phương trình (4.33) có dạng tương tự như dạng
của phương trình (3.15). Do đó, từng bước áp dụng triển khai thuật toán TFBMP cho tín hiệu
trên với tham số bút chì được lựa chọn thỏa mãn:
≤ ≤ − , khi là số chẵn
(4.34)
≤ ≤ − + 1, khi là số lẻ
Từ đó thông tin về hướng tới của các tín hiệu trong khoảng tần số thứ dễ dàng được ước
lượng theo công thức sau:

10.2549

-29.7125 -30.2876 -29.7376 -30.3322 -30.001 -29.9195 -29.4940 -29.8096 -30.1135 -29.8361 -29.8824
59.8501 60.5859 58.9656 60.4346 60.1384 60.1657

60.6740 59.9616 60.0500 60.1861

59.8616

Tiếp theo, luận án tiến hành thực thi mô phỏng thuật toán trong môi trường nhiễu trắng
có tỷ số SNR thay đổi trong khoảng từ −10 đến 20
và mô phỏng trong điều kiện thay đổi
số lượng mẫu tín hiệu với
= 10 . Các kết quả mô phỏng được minh họa trên Hình 4.7
và Hình 4.8.

Hình 4.7. Độ chính xác ước lượng DOA của các Hình 4.8. Độ chính xác ước lượng DOA của các
tín hiệu băng rộng theo SNR
tín hiệu băng rộng theo số lương mẫu tín hiệu


24

KẾT LUẬN
Đóng góp khoa học của luận án
Nội dung của luận án đã tập trung nghiên cứu các phương pháp xác định hướng sóng tới
áp dụng cho các hệ thống vô tuyến tìm phương tiên tiến. Các vấn đề được luận án tập trung
nghiên cứu là độ phức tạp của thuật toán, số mẫu tín hiệu thu và khắc phục ảnh hưởng của
tính tương quan giữa các tín hiệu. Luận án đã đạt được một số kết quả nghiên cứu mới như
sau:


Nghiên cứu phương pháp khắc phục các vấn đề tồn tại như hiện tượng Jitter… đối với
các hệ thống máy thu dựa trên công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm.

-

Triển khai chế tạo thử nghiệm các thiết bị để đo thử, áp dụng giải pháp xác định
hướng sóng tới của tín hiệu đã đề xuất.