Khóa luận Kỹ thuật tạo búp sóng số cho anten mảng

 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI 
 TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN 
 KHOA VẬT LÝ 
  
 Nguyễn Hoàng Hiệp 
KỸ THUẬT TẠO BÚP SÓNG SỐ CHO ANTEN 
 MẢNG 
 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP HỆ ĐẠI HỌC CHÍNH QUY 
 Chuyên ngành: Vô Tuyến 
 Cán bộ hƣớng dẫn: ThS. LÊ QUANG THẢO 
 Hà Nội – 2011 
 LỜI CẢM ƠN 
 Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy ThS. Lê Quang Thảo đã 
bỏ công sức và thời gian trực tiếp hƣớng dẫn em hoàn thành khóa luận tốt nghiệp 
này. Thầy đã chỉ bảo tận tình và truyền cho em lòng nhiệt huyết trong công việc 
ngay từ những ngày đầu tiên nhận đề tài. 
 Em cũng xin gửi lời cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Vật Lý Vô Tuyến 
đã trang bị cho em những kiến thức cơ bản cũng nhƣ chuyên môn trong quá trình 
học tập. Để có đƣợc kết quả nhƣ ngày hôm nay hoàn toàn nhờ vào sự hƣớng dẫn 
tận tình của các thầy cô. 
 Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn với cha mẹ, anh chị và bạn bè đã 
luôn bên em và là nguồn động viên giúp em hoàn thành khóa luận này. 
 Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn! 
 Hà Nội, ngày 25 tháng 5 năm 2011 
 Sinh viên 
 Nguyễn Hoàng Hiệp 
 MỤC LỤC 
MỞ ĐẦU ................................................................................................. 1 
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ANTEN ............................................... 3 
 1.1. Giới thiệu về Anten...................................................................... 3 
 1.2. Anten mảng ................................................................................. 4 
 1.2.1. Giới thiệu về anten mảng .................................................. 4 
 1.2.2. Các loại Anten mảng ......................................................... 6 
 1.3. Khái niệm về búp sóng ................................................................ 6 
 1.4. Kỹ thuật tạo búp sóng .................................................................. 6 
 1.4.1. Khái niệm tạo búp sóng .................................................... 6 
 1.4.2. Các kỹ thuật tạo búp sóng ................................................. 8 
 1.4.2.1. Bộ tạo búp sóng cổ điển ....................................... 8 
 1.4.2.2. Bộ tạo búp sóng băng hẹp .................................... 8 
 1.4.2.3. Bộ tạo búp sóng quét búp không .......................... 9 
 1.4.2.4. Bộ tạo búp sóng tối ƣu ......................................... 9 
 1.4.3. Nhận xét ......................................................................... 10 
CHƢƠNG 2. KỸ THUẬT TẠO BÚP SÓNG SỐ ................................... 12 
 2.1. Giới thiệu ................................................................................... 12 
 2.2. Bộ Kỹ tạo búp sóng số tổng quát ............................................... 13 
 2.3. Bộ tạo búp sóng số cho máy thu ................................................ 14 
 2.3.1. Bộ chuyển dịch tần số vô tuyến – RF Translator ............. 16 
 2.3.2. Bộ đổi giảm số: Digital Down-Converter ........................ 16 2.3.3. Bộ nhân phức - complex multiplier ................................. 16 
 2.4. Nhận xét .................................................................................... 17 
 2.5. Ƣu, nhƣợc điểm và ứng dụng kỹ thuật tạo búp sóng số .............. 19 
 2.5.1. Ƣu điểm .......................................................................... 19 
 2.5.2. Nhƣợc điểm .................................................................... 20 
 2.5.3. Ứng dụng ........................................................................ 20 
 2.6. Thuật toán tạo búp sóng số ........................................................ 21 
 2.6.1. Thuật toán điều khiển búp sóng chính ............................. 21 
 Hình 2.7. Anten mảng....................................................................... 21 
 2.6.2. Thuật toán điều khiển búp phụ và búp không .................. 24 
 2.6.2.1. Thuật toán Chebyshev ........................................ 24 
 2.6.2.2. Thuật toán SMI(Sample Matrix Inversion) ......... 25 
 2.6.2.3. Thuật toán kết hợp ............................................. 26 
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ................................................... 28 
 3.1. Mô phỏng thuật toán điều khiển một búp sóng chính ................. 28 
 3.2. Nhận xét .................................................................................... 30 
KẾT LUẬN ............................................................................................ 32 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................... 34 
PHỤ LỤC............................................................................................... 35 
 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 
 Tiếng anh Tiếng việt 
A/D Analog / Digital Tƣơng tự/ Số 
ADC Analog Digtal Converter Bộ chuyển đổi tƣơng tự - số 
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo 
 mã 
DBF Digital Beamforming Tạo búp song số 
DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số 
FPGA Field Programmable Gate Array Mảng cổng lập trình đƣợc 
 dạng trƣờng 
IEEE Institude of Electrical and Viện kỹ nghệ điện và điện tử 
 Electronics Engineers 
IF Intermidiate Frequency Tần số trung tần 
RF Radio Frequency Tần số vô tuyến (tần số cao) 
SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp 
SDMA Space Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo 
 Không gian 
 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 
 Hình Trang 
Hình 1.1. Mô phỏng kỹ thuật tạo búp sóng băng hẹp 8 
Hình 2.1. Bộ tạo búp sóng số tổng quát 13 
Hình 2.2. Bộ tạo búp sóng số cho máy thu 14 
Hình 2.3. Bộ tạo búp sóng tƣơng tự 17 
Hình 2.4. Bộ tạo búp sóng số 17 
Hình 2.5. Kỹ thuật tạo búp sóng số theo khoảng cách phần tử 18 
Hình 2.6. Kỹ thuật tạo búp sóng số theo khoảng cách búp 19 
Hình 2.7. Anten mảng 21 
Hình 2.8. Búp sóng chính vuông góc với dãy Anten 23 
Hình 2.9. Quay búp sóng chính của Anten đi 30° 23 
Hình 2.10. Thuật toán Chebyshev cho phép đặt búp phụ ở các 24 
mức cho trƣớc 
Hình 2.11. Thuật toán SMI cho phép đặt điểm không ở vị trí 26 
 cho trƣớc 
hình 2.12. So sánh giữa thuật toán SMI và thuật toán kết hợp 27 
hình 3.1. Đồ thị bức xạ với búp sóng chính hƣớng theo góc 20° 28 
Hình 3.2. Đồ thị bức xạ khi thay đổi pha của tín hiệu sang trái 10° 29 
Hình 3.3. Đồ thị bức xạ khi thay đổi khoảng cách giữa các phần tử 29 
Hình 3.4. Đồ thị bức xạ khi thay đổi biên độ của tín hiệu 30 
Hình 4.1. Bộ thu cầu phƣơng SDMA 32 
 MỞ ĐẦU 
 Anten mảng ngày càng trở nên phổ biến trong lĩnh vực thông tin với sự 
phát triển của kỹ thuật tạo búp sóng số (Digital Beamforming – DBF). Vì sử 
dụng kỹ thuật tạo búp sóng số có thể dễ dàng thay đổi pha hoặc trọng số của mỗi 
phần tử trong Anten mảng hay thay đổi cả hƣớng của búp sóng chính. Chúng ta 
có thể thay đổi đồ thị bức xạ của Anten bằng cách đơn giản là thay đổi các tham 
số của nó. Do đó Anten mảng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong thiết bị thông tin 
liên lạc. 
 Với kỹ thuật tạo búp sóng số, các hoạt động dịch pha, thay đổi biên độ cho 
mỗi phần tử của mảng và phép lấy tổng cho máy thu, máy phát là đều bằng số. 
Vì vậy nó giúp cho Anten mảng linh hoạt hơn và chúng ta có thể thay đổi đồ thị 
Anten mà không cần thay đổi cả hệ thống Anten. 
 Xuất phát từ những vấn đề trên, tôi đã lựa chọn đề tài nghiên cứu của 
mình là “Kỹ thuật tạo búp sóng số cho Anten mảng”. 
 Mục tiêu của khóa luận là nghiên cứu lý thuyết tạo búp sóng số cho Anten 
mảng và đáp ứng đƣợc yêu cầu khi thay thông số lối vào bằng số thì búp sóng lối 
ra thay đổi. 
 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của khóa luận là tập trung giải quyết 
những vấn đề sau: 
 Nghiên cứu các thuật toán định dạng búp sóng số trên Anten mảng. 
 Đánh giá hiệu quả của việc sử dụng kỹ thuật số trong quá trình tạo 
búp sóng so với các kỹ thuật tƣơng tự cũng nhƣ các kỹ thuật khác. 
 Nghiên cứu kỹ thuật nâng cao chỉ tiêu cho hệ thống Anten mảng 
cũng nhƣ khả năng ứng dụng cao hơn của kỹ thuật tạo búp sóng số trong lĩnh 
vực thông tin ngày nay. 
 Phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc thực hiện là nghiên cứu lý thuyết kết hợp 
với mô phỏng bằng phần mềm matlab. 
 1 Nội dung khóa luận chia làm 3 chƣơng: 
 Chƣơng 1. Tổng quan về Anten: 
 Giới thiệu tổng quan về Anten, khái niệm búp sóng, kỹ thuật tạo búp sóng 
nói chung. 
 Chƣơng 2. Kỹ thuật tạo búp sóng số và các thuật toán tạo búp sóng 
số: 
 Giới thiệu về kỹ thuật tạo búp sóng số, so sánh với kỹ thuật tạo búp sóng 
tƣơng tự, những ƣu nhƣợc điểm của kỹ thuật tạo búp sóng số và các thuật toán 
tạo búp sóng số. 
 Chƣơng 3. Kết quả mô phỏng: 
 Mô phỏng các thuật toán sử dụng phần mềm matlab 
 Do giới hạn về thời gian, phạm vi của khóa luận tốt nghiệp nên khóa luận 
mới chỉ đi vào nghiên cứu một phần nhỏ trong phạm vi rộng lớn của lĩnh vực 
công nghệ Anten nói chung và Anten mảng nói riêng. Mặc dù đã có nhiều cố 
gắng nhƣng chắc chắn khóa luận không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong 
thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến để khóa luận đƣợc hoàn thiện hơn. 
 2 CHƢƠNG 1 
 TỔNG QUAN VỀ ANTEN 
 1.1. Giới thiệu về Anten 
 Anten là thiết bị dùng để bức xạ hoặc thu nhận năng lƣợng điện từ. Đó là 
thiết bị dùng để truyền năng lƣợng điện từ giữa máy phát và máy thu mà không 
cần phƣơng tiện truyền dẫn tập trung. 
 IEEE định nghĩa Anten là “phần của hệ thống truyền hay nhận đƣợc thiết 
kế để bức xạ hay nhận sóng điện từ”. Nói cách khác Anten lấy tín hiệu RF(đƣợc 
sinh ra bởi radio) và bức xạ nó vào trong không khí hay Anten có thể nhận sóng 
điện từ cho radio. 
 Nhƣ vậy Anten là một bộ phận quan trọng không thể thiếu của bất kỳ hệ 
thống vô tuyến điện nào. 
 Để có thể chọn lựa đƣợc Anten đúng đắn thì điều quan trọng phải hiểu 
đƣợc một số thuộc tính mô tả về Anten. Chúng bao gồm dạng bức xạ, hƣớng 
tính, độ lợi, trở kháng đầu vào, sự phân cực và độ rộng băng tần của Anten. 
 Hƣớng tính của Anten mô tả cƣờng độ của một bức xạ theo một hƣớng 
xác định tƣơng ứng với cƣờng độ bức xạ trung bình. 
 Độ lợi cũng diễn tả cùng một khái niệm nhƣ hƣớng tính nhƣng nó còn bao 
gồm cả sự mất mát (về công suất) của chính bản thân Anten. 
 Dạng bức xạ của Anten mô tả sự khác nhau về góc bức xạ ở một khoảng 
cách cố định từ Anten. 
 Công suất bức xạ thật sự của Anten là công suất bức xạ hiệu dụng đƣợc 
tính bằng cách lấy độ lợi của Anten ( tính theo dBd ) nhân với công suất mà máy 
phát cung cấp cho Anten. 
 3 Sự phân cực: Sóng điện từ đƣợc phát ra bởi Anten có thể tạo ra những 
dạng khác nhau ảnh hƣởng tới sự quảng bá. Các hình dạng này sẽ tùy thuộc vào 
sự phân cực của Anten, có thể là phân cực tuyến tính hay phân cực vòng. 
 Trở kháng là tỷ số giữa điện áp và dòng điện chạy qua Anten. 
 Độ rộng băng tần là vùng tần số mà Anten cung cấp hiệu năng có thể chấp 
nhận đƣợc. 
 Các thuộc tính cuả Anten đều liên quan mật thiết với nhau và phụ thuộc 
lẫn nhau. Vì thế khi chọn lựa Anten chúng ta cần xác định đƣợc thuộc tính nào là 
quan trọng cho việc nghiên cứu. 
 1.2. Anten mảng 
 1.2.1. Giới thiệu về anten mảng 
 Trong nhiều ứng dụng, cần thiết phải thiết kế nhiều Anten với những đặc 
tính chi phối (độ lợi rất cao) để đáp ứng yêu cầu cho truyền thông khoảng cách 
xa.Thông thƣờng, điều này chỉ có thể đƣợc hoàn thành bằng cách tăng đặc tính 
điện của anten. Cách hiệu quả khác là ghép các thành phần bức xạ lại với nhau 
trong một hình thể và cấu hình điện, không cần thiết phải tăng kích thƣớc của 
các thành phần bức xạ riêng. Nhiều thành phần bức xạ thì đƣợc định nghĩa là 
Anten mảng. 
 Nhƣ vậy Anten mảng là tập hợp gồm nhiều Anten thành phần đƣợc bố trí 
tại những vị trí khác nhau trong không gian mảng. Các Anten thành phần này có 
thể đƣợc sắp xếp theo các cấu trúc hình học bất kỳ .Tuỳ theo cách sắp xếp đó mà 
mảng có thể là mảng đƣờng ,mảng tròn hay mảng phẳng . Anten mảng có thể là 
một, hai, hoặc ba chiều. 
 Dạng Anten mảng đơn giản nhất là Anten mảng tuyến tính. Trong đó, các 
phần tử Anten đƣợc sắp xếp dọc theo một đƣờng thẳng. 
 Nếu khoảng cách giữa các phần tử trong mảng đƣờng thẳng bằng nhau thì 
mảng đƣợc gọi là mảng Anten dãy. 
 4