Xem mẫu

  1. LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN MUSIC TRONG ĐỊNH HƯỚNG SÓNG ĐẾN ĐỐI VỚI HỆ ANTEN APPLICATION OF MUSIC ALGORITHM FOR DIRECTION OF ARRIVEIN ANTENNA SYSTEM Tạ Thị Mai, Trần Duy Khánh, Phạm Thị Tâm Email: maidtth@gmail.com Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 01/3/2017 Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 22/8/2017 Ngày chấp nhận đăng: 26/9/2017 Tóm tắt Việt Nam có diện tích biển chiếm 70% diện tích cả nước. Mỗi năm ngư dân đánh bắt thủy hải sản trên biển phải đối diện với rất nhiều thiên tai. Để giảm thiểu thiệt hại, vấn đề xác định chính xác hướng tín hiệu cấp cứu trong cảnh báo thiên tai, tai nạn giúp kịp thời ứng cứu trên biển là bài toán cấp thiết hiện nay. Bài báo này nghiên cứu về ứng dụng thuật toán MUSIC trong định hướng sóng đến cho hệ anten và đề xuất xây dựng hệ anten phân bố tròn đều với khoảng cách giữa các anten λ/2. Kết quả o mô phỏng cho thấy với góc tới giữa hai tín hiệu là 0,2 và tỉ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) tối thiểu bằng 1 dB, hệ thống vẫn cho phổ tốt. Từ kết quả này, hệ thống sẽ nhanh chóng xác định chính xác hướng tín hiệu cấp cứu và dễ dàng ứng cứu. Từ khóa: Tín hiệu đa đường; tín hiệu đến; góc tín hiệu đến; mảng anten sắp xếp theo hình tròn; mảng anten sắp xếp theo đường thẳng. Abstract Vietnam’s sea area makes up 70% of the country. Every year fishermen fishing at sea face a lot of natural disasters. In order to minimize damage, determining accurately direction of emergency signals in warning of natural disasters, accidents to help timely rescue at sea is an urgent question at present. This article researches application of MUSIC algorithm in directing coming wave for antenna system and proposes to construct a circularly distributed antenna system with a spacing of λ/2 antennas. Experimental results show that when the angle between the two signals is 0.20 and the signal-to- noise ratio (SNR) of at least is 1 dB, the system is still giving good spectra. From this result, the system will quickly determine the exact direction of the emergency signal and help rescue easily. Keywords: Multiple signal classification; angle of incidence; uniform circular array; uniform linear array. Thuật ngữ viết tắt: MUSIC (MUltiple Signal Classification): thuật toán phân loại tín hiệu đa đường. UCA (Uniform Circular Array): mảng anten sắp xếp theo đường tròn. ULA (Uniform Linear Array): mảng anten sắp xếp theo đường thẳng. SNR (Signal to Noise Ratio): tỉ số tín hiệu trên nhiễu. TFBMP (Total Forward Backward Matrix Pencil): ma trận bút chì thuận ngược. 1. 1. GIỚI GIỚI THIỆU CHUNG tậpanten sắphiệu các tín xếpthutheođượchìnhtừtròn khônggiúp định gian màhướng không Công tác ứng Công ứng cứu cứu kịp kịpthời thờicáccáctàu, thuyền tàu, đánh thuyền cần phải quét búp sóng của hệ anten theo cáctoán sóng tốt nhất. Thuật toán MUSIC là thuật góc cá công đánh suất vừa cá công suấtvà vừanhỏvà(khoảng < 45 mã nhỏ (khoảng dướilực) 45 khi dựakhông trong trên tậpgian.các Dựa tíntrên hiệuviệc thukhai được từ ma triển không trận mã tham lực) giakhi đánhtham bắtgia đánh thủy hải bắt sản thủy ở vùng hải biển sản cách ở tựgian màquan tương không Ruucần = E[uuphảiH quét búp sóng của hệ ] với u là tập tín hiệu thu vùng bờ 50biểnđếncách 70km bờ[1]50bịđế n 70nạn gặp kmnhanh [1] bị gặp nạn kịp chóng, anten theo các góc được từ mỗi phần tử của mảng trong không gian. Dựa trên anten. nhanh chóng, thiểukịp thời, giảm thiểu và thiệt của làhại vềyêu việc Theo [1]khai triển ma trận tự tương quan Ruu= thời, giảm thiệt hại về người một H nhóm tác giả đã nghiên cứu và đề xuất ứng người và của là một yêu cầu cấp thiết hiện E[uu ] với u là tập tín hiệu thu dụng thuật toán MUSIC cho hệ thống ULA. Theo được từ mỗi[2] cầu cấp thiết hiện nay. Các tàu thuyền này chủ yếu nay. phần tử của mảng anten. đượcCác tàu, trang bị thuy ền này hệ thống vôchủ yếu tuyến đơn được giảntrang nên khi tác giả đã làm rõ và đề xuất phương pháp TFBMP bị gặp nạn việc phát tín hiệu ứng cứu rấtgặp hệ thống vô tuyến đơn giản nên khi khónạn khăn, đểTheo [1], hướng xác định nhóm tác sóng giả đến đãchonghiên hai hệcứuthốngvàUCA đề việc phátkhi đặc biệt tíngặp hiệu ứng bão. cứutoán Thuật rất khó MUSIC khăn, đượcđặcứng xuất ứng dụng thuật toán MUSIC cho và ULA. Theo [3] tác giả đã nghiên cứu và đề xuất hệ thống biệt khi gặp bão. Thuật toán MUSIC được ứng ứngULA. dụngTheo thuật[2], toántácMUSIC giả đãcho làmhệrõthống và đề UCAxuất và dụng trong định hướng sóng đến đối với mảng dụng trong định hướng sóng đến đối với mảng phương pháp TFBMP để xác định hướng anten sắp xếp theo hình tròn giúp định hướng sóng giải quyết được bài toán khi góc tới là các góc bù, tốt nhất. Thuật toán MUSIC là thuật toán dựa trên tuy nhiên chưa chỉ ra được góc tới nhỏ nhất các hệ Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017 21
  2. NGHIÊN CỨU KHOA HỌC thống có thể phân biệt được và tỉ số tín hiệu trên Do đó: λP+1 = λP+2 ... ... = λM = σ 2 (9) tạp âm nhỏ nhất mà phổ tín hiệu phân biệt được là 2 λ1>λ2> ... >λP>λP+1 ... λM = σ (10) bao nhiêu? Trong nghiên cứu này tác giả đã đề xuất phương (9); (10) là không gian con “tín hiệu” và không pháp ứng dụng thuật toán MUSIC cho mảng anten gian con ”nhiễu”. sắp xếp theo hình tròn với góc tới là bù của nhau, Vp là giá trị riêng của e (φ ) .R ss e H (φ ) . với giải pháp này sẽ phân biệt được góc tới nhỏ nhất giữa hai tín hiệu và phân biệt tốt tín hiệu khi T SNR nhỏ nhất. A (ϕ ) K =  a (θ1 ) , a (θ 2 ) ,…, a (θ K ) ,…, a (θ N )  2. THUẬT TOÁN MUSIC Thuật toán MUSIC dựa trên việc khai thác cấu trúc riêng của ma trận hiệp phương sai Ruu của vector tín hiệu thu u(t). 1 K { Ruu = ε u ( t ) u H ( t ) = } ∑u ( t ) u H ( t ) (1) L t =1 Trong đó: K: số mẫu quan sát; u(t): tín hiệu thu; s(t): tín hiệu vào; n(t): nhiễu tác động; A: ma trận lái tín hiệu. Hình 1. Giản đồ sắp xếp các giá trị riêng [1] U ( t ) = A.s ( t ) + n ( t ) (2) Hình 1: Giản đồ trình bày các giá trị riêng của T ma trận Ruu. Để tồn tại không gian con “nhiễu” n ( t ) =  n1 ( t ) , n2 ( t ) , …, nK ( t ) , …, nN ( t )  thì phải có điều kiện M>P, nghĩa là số tín hiệu có thể phát hiện được nhỏ hơn số phần tử Từ (1), (2) ta có: T anten của hệ thống. A (ϕ ) K =  a (θ1 ) , a (θ 2 ) ,…, a (θ K ) ,…, a (θ N )  Từ M giá trị riêng, ta tìm được M vector riêng Ruu = ε {( e (φ ) .s (t ) + n ( e (φ ) .s (t ))) + n H ( t )} qm của ma trận Ruu thỏa mãn: (Ruu − λ m I)qm = 0 (11) = e (φ ) .ε {s ( t ) .s H ( t )} e H (φ ) + ε {n ( t ) .n H ( t )} (3) Đối với các vector riêng có liên quan đến Coi nhiễu n(t) là nhiễu Gausian. M−P giá trị riêng nhỏ nhất, ta có: { } ε n ( t ) n H ( t ) = σ 2 .I (4) (R m ) − σ 2 I qm Trong đó: (12) 2 σ : năng lượng tạp âm; I: ma trận đơn vị. Vì E( ) ss ≠ nên e H (φ ) qm = 0 (13) { Khi ε n ( t ) .n H ( t )} = R ss (5) Điều này có nghĩa các vector riêng có liên viết lại như sau: quan đến M – P giá trị riêng nhỏ nhất sẽ trực giao với P vector hướng tạo nên ma trận e(φ): { } R uu = e (φ ) ε s ( t ) .s H ( t ) e H (φ ) + σ 2 I (6) Các giá trị riêng λm của ma trận hiệp phương {e (φ ) , e (φ ) ,…, e (φ )} ⊥ {q 1 2 p P +1 , qP + 2 ,…, qM } (14) sai Ruu thỏa mãn: Ruu − λm I = 0 (7) Ta thiết lập ma trận Vn gồm các vector riêng nhiễu: Vn = [ qP +1 , qP + 2 , …, qM ] Có P giá trị riêng biểu thị cho công suất thu P sóng tới, được sắp xếp theo thứ tự biên độ Vector hướng ứng với các tín hiệu đến luôn là giảm dần: trực giao với các vector riêng của không gian H H λ1 = v1 + σ 2 nhiễu, nên e ( )VnVn e( ) = 0 khi trùng λ1 = v1 + σ 2 (8) với một hướng sóng đến. Do đó, các hướng L sóng đến sẽ có thể xác định tại các đỉnh của λ p = vp + σ2 phổ MUSIC như sau [2, 3, 4]. 1 Tạp âm máy thu gồm cả nhiễu tính theo công PMUSIC (φ ) = (15) thức: λ1>λ2>λ3 ... ...>λP ... >λP; e (φ )VnVnH e(φ ) H 22 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017
  3. LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA Do tính trực giao giữa e(ϕ ) và Vn nên mẫu số Theo nghiên cứu này hệ số sóng k là bất kì của phương trình (15) sẽ cực tiểu tại các “dương” hoặc “âm” đều cho phổ như nhau. hướng sóng tới. Để tồn tại không gian con Vector bán kính của phần tử thứ i trong hệ “nhiễu” thì phải có điều kiện M>P, điều này thống UCA được tính: khẳng định một lần nữa là số tín hiệu có thể T phát hiện được nhỏ hơn số phần tử anten của   2π l − 1   2π l − 1   hệ thống. ɳ . cos   sin    (18)   L   L   3. THUẬT TOÁN MUSIC XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG ĐẾN ĐỐI VỚI HỆ UCA 3.3. Thuật toán MUSIC cho hệ anten phân 3.1. Mô hình toán học hệ anten phân bố tròn bố tròn Thay (17) và (18) vào (16), xác định được vector lái của tín hiệu thứ i của hệ thống UCA: 1 ϕ = (19) UCA ϕ ϕ Tín hiệu nhận được tại phần tử thứ i được biểu diễn: Si ( t ) = a ( t ) e j β Rcos (θ − ) (20) Trong đó: 2π β= : hệ số truyền sóng; Hình 2. Mô hình hệ thống anten mảng tròn [3, 5, 6] λ Hình 2, mô hình hệ thống anten tròn N chấn tử λ: bước sóng của tần số sóng mang tín hiệu; phân bố đều trên vòng tròn bán kính r. Với các ϕ: là vị trí góc của phần tử thứ n trong mặt phẳng xy; thông số đặc trưng sau: các anten cách đều a(t): biên độ tín hiệu; nhau trên đường tròn và độ dài cung giữa hai θk : góc tới tương đương với nguồn thứ k;  Nmλ  phần tử kề nhau là m; tín hiệu đến hợp với  R = 2π  : bán kính mảng anten sắp xếp theo mặt phẳng chứa các phần tử của hệ anten góc θ . Bán kính hệ anten là R; mỗi phần tử hình tròn. anten là một nguồn đẳng hướng; các phần tử Bán kính của mảng anten UCA phụ thuộc vào là đồng pha với nhau. số chấn tử N và bước sóng đến λ và khoảng cách giữa các chấn tử. Nếu m
  4. NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 3.4. Nguyên lý định hướng sóng đến - Không gian truyền sóng. Tín hiệu tới thứ i được thu qua phần tử anten i, - Hệ thống thu. đưa qua bộ khuếch đại KDi, đưa tới bộ nhận Ri - Hệ thống xử lý tín hiệu thu. xác định Ruu của tín hiệu thu. Bộ xử lý tín hiệu Tuy nhiên, với phạm vi nghiên cứu của bài báo, MUSIC tập hợp các tín hiệu đến Ri đưa ra chính tác giả chỉ mô phỏng phần xử lý tín hiệu thu xác các góc tới với công suất phổ lớn nhất. dùng thuật toán MUSIC như ở hình 5. Bước 1, giả sử 4. MÔ PHỎNG VÀ KIỂM NGHIỆM TRÊN HỆ các sóng tới có góc tới là θi , từ phương trình THỐNG UCA (18) sẽ xác định được vector lái tín hiệu aUCA, 4.1. Sơ đồ mô phỏng xác định được ma trận lái tín hiệu A(ϕ)K. Bước Để mô phỏng đầy đủ hệ thống như thực tế thì 2, xây dựng ma trận tín hiệu tới S(t), ma trận hệ thống phải gồm: tín hiệu nhiễu N(t). Bước 3, tính ma trận tổng tín hiệu thu U(t) ở cổng thu theo phương trình - Các nguồn tín hiệu phát (các phao cứu sinh: (2), tín hiệu sau bộ thu tiếp tục được xử lý vị trí, công suất). theo thuật toán MUSIC. Nhiễu N(t) Các Ma trận lái Tín hiệu Thuật toán góc tới A(ϕ)K thu U(t) MUSIC Vector tín hiệu tới S(t) Hình 5. Sơ đồ hệ thống thu và xử lý tín hiệu thu 4.2. Thiết lập các tham số cho hệ thống Độ dài chấn tử được thiết lập bất kì theo bước sóng λ . Các nguồn tín hiệu đến có hệ số sóng thay đổi, góc đến nhỏ nhất giữa hai tín hiệu đến, SNR nhỏ nhất hệ thống có thể nhận biết tốt phổ tín hiệu đến. 4.2.1. Tham số tín hiệu đến - Bước sóng tín hiệu λ(m) [3]. - Độ dài chấn tử d. a) Góc phân biệt 2 tín hiệu tới của UCA - Khoảng cách giữa các chấn tử m. - Số phần tử anten N. - Bán kính của dàn R = (N*m)/(2*π) 4.2.2. Các tham số nguồn tín hiệu đến - Góc đến: θi - Tỉ số tín hiệu trên nhiễu: SNR - Hệ số sóng k = k (cos θ sin θ ) T - Số mẫu tín hiệu thu: M - Số tín hiệu đến: D (điều kiện D < N ). b) Góc phân biệt 2 tín hiệu tới của ULA - Ma trận tín hiệu nhiễu kích thước [M N] Hình 6. Góc nhỏ nhất phân biệt 2 sóng tới 5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Kết quả mô phỏng khi góc tới là bù của nhau: Kết quả mô phỏng góc nhỏ nhất phân biệt λ = 0,5 m; N = 10; D = 8; d = λ/2; M = 1000; 2 sóng tới: λ = 0,5 m; N = 10; D = 2; SNR = 35 dB; 8 góc tới lần lượt là [20o 30o 60o d = λ/2; M = 1000; SNR = 35 dB. 90o 120o 200o 160o 300o]. 24 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017
  5. LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA a) Tín hiệu đến có góc là bù của nhau b) D = 2; N = 9; SNR = [1 24]; θ = [20 30] tới hệ ULA Hình 8. Tín hiệu đến SNR nhỏ nhất khi có D = 1 và D ≥ 2 b) Tín hiệu đến có góc là bù của nhau tới hệ UCA Hình 7. Tín hiệu đến có góc là bù của nhau Kết quả mô phỏng SNR tối thiểu khi có một tín hiệu đến hệ thống D = 1; N = 9; SNR = 24; a) SNR = [250 250]; θ = [20 60] θ = 20 và khi có lớn hơn hoặc bằng 2 tín hiệu đến hệ thống. b) SNR = [25 25]; θ = [20 60]; a) D = 1; N = 9; SNR = 24; θ = 20 Hình 9. Tín hiệu đến có khoảng cách Kết quả mô phỏng tăng tỉ lệ SNR: λ = 0,5 m; các chấn tử là d = 0,01 λ và SNR N = 10; D = 8; D = λ/2; M = 1000. nhỏ nhất [25 25] và lớn [250 250] Bảng 1. Kết quả mô phỏng khi tăng số chấn tử (N tăng) N ULA UCA 15 30 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017 25
  6. NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 40 70 Nhận xét: 6. KẾT LUẬN Từ kết quả mô phỏng thể hiện trên hình 6 cho - Từ kết quả mô phỏng cho thấy thuật toán thấy ứng dụng thuật toán MUSIC đối với mảng MUSIC áp dụng cho mảng anten phân bố tròn anten sắp xếp theo hình tròn (UCA) hiệu quả (UCA) cho hiệu quả phân biệt rõ các sóng tới o hơn mảng anten sắp xếp theo đường thẳng rất sát nhau (0,2 ) tốt hơn hệ thống ULA o (ULA). Khi các tham số của hệ là λ = 0,5 m; (0,4 ). Kết quả này có được bởi hệ thống UCA N = 10; D = 8; d = λ/2; M = 1000; SNR = 35 dB đã được điều chỉnh vector bán kính η theo thì góc tới nhỏ nhất cho UCA có thể phân biệt tốt phương trình (18) trong khi đó η của hệ thống hai tín hiệu đến là 0,2o trong khi đó ULA là 0,4o. ULA là η = [(l ‒ 1)d 0]T. Từ hai vector này o cho thấy góc quay của hệ UCA là từ 0 đến Hình 7: Khi góc tới là bù của nhau, cụ thể (20o và o o 360 , còn hệ ULA chỉ là 0 đến 180 . o 200o); (120o và 300o), UCA vẫn phân biệt rõ 4 - Các góc tới là bù của nhau được thu và góc tới này còn ULA chỉ đưa ra được phổ 2 góc phân biệt rõ đối với mảng anten phân bố tới là 20o và 120o. Lý do, UCA góc quay của tròn (UCA), trong khi đó mảng anten phân bố anten là 360o, trong khi đó góc quay của ULA chỉ thẳng (ULA) coi các tín hiệu bù của nhau là là 180o. một tín hiệu đến. Bảng 1: Khi số chấn tử (N) càng lớn hơn số tín - Số chấn tử anten (N) chỉ cần chọn lớn hơn hiệu đến (D) thì các tín hiệu đến càng được số tín hiệu đến D, đảm bảo về khả năng thu và phân tích một cách rõ ràng và nhiễu giữa các tín phân tích tín hiệu cũng như khả thi về kích hiệu đến ở vùng phổ công suất thấp gần như thước thiết kế và kinh tế. bằng 0. Tuy nhiên nếu Ne rất lớn so với D thì - Tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR tối thiểu đến chất lượng của hệ thống cũng không được cải trạm bờ cho một nguồn đến là 24 dB. Hệ thống thiện nhiều và hệ thống thực cũng không khả thi gồm nhiều nguồn tín hiệu đến trạm bờ phải có ít nhất một nguồn có SNR tối thiểu 24 dB, các về kích thước cũng như hiệu quả kinh tế. tín hiệu còn lại có SNR tối thiểu 1 dB. Hình 8: Khi có một sóng tới trạm thu thì SNR của - Khi giảm khoảng cách giữa các chấn tử sóng tới tối thiểu phải đạt 24 dB, khi đó hệ thống làm nhiễu giữa các tín hiệu tăng lên, để hệ mới có khả năng thu và phân tích tín hiệu (hình thống nhận tốt tín hiệu cần tăng SNR nhỏ 8a). Nếu có từ hai tín hiệu đến trạm thu trở lên nhất bằng 25 dB. thì phải có ít nhất một tín hiệu có SNR tối thiểu đạt 24 dB, các tín hiệu còn lại có SNR tối thiểu TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 dB hệ thống trạm bờ sẽ thu và phân tích được [1]. Phan Anh, Vũ Văn Yêm, Lâm Hồng đầy đủ các tín hiệu đến (hình 8b). Bạch (2007). Ứng dụng thuật toán MUSIC Hình 9: Tín hiệu đến hệ anten có d nhỏ so với trong việc xác định vị trí tàu thuyền đánh bước sóng d = 0,01λ khảo sát cho thấy cần SNR cá loại vừa và nhỏ hoạt động ở vùng ven nhỏ nhất là 25 dB thì hệ thống sẽ cho phổ tín biển. Tạp chí Điện tử ngày nay, số 95, hiệu đến tốt (hình 9b) khi SNR tăng làm cho phổ trang 10-17. phân biệt giữa các tín hiệu đến chính xác và rõ [2]. Hán Trọng Thanh (2015). Nâng cao chất ràng hơn (hình 9a). lượng xác định hướng sóng tới cho hệ 26 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017
  7. LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA thống vô tuyến tìm phương sử dụng dàn Khoa học Công nghệ hàng hải, số 22, anten. Luận án tiến sĩ, Đại học Bách khoa trang 37 -41. Hà Nội, trang 60 -79. [5]. T.T. Zhang, Y.L. Lu, H.T. Hui (2005). [3]. Tạ Thị Mai (2011). Ứng dụng thuật toán Simultaneous Estimation of Mutual MUSIC định hướng sóng đ ến đối v ới h ệ Coupling Matrix and DOAs for ULA, UCA. anten sắp x ếp theo cung tròn. Luận văn Anten, radar, and wave propagation, page 277-280. thạc sĩ. Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, trang 35-51. [6]. Zhongfu Ye and Chao Liu (2008). On the resiliency again of MUSIC direction finding [4]. Trần Xuân Việt (2010). Ứng dụng thuật agsinst antenna sensor coupling, IEEE toán MUSUC trong hệ thống vô tuyến tìm Trans. On Antennas and propagation, Vol. phương sử dụng anten mạng. Tạp chí 56 No 2, February 2008. 7 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017 27
nguon tai.lieu . vn