Luận văn Kỹ thuật tạo dạng búp sóng thích nghi (Adaptive Beamforming) trong Anten mảng pha cho hệ thống vệ tinh tầm thấp

 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 
 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI 
 ********* 
 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC 
 Nghành: Kỹ thuật điện tử 
 Kỹ thuật tạo dạng búp sóng thích nghi 
(Adaptive Beamforming) trong Anten mảng pha 
 cho hệ thống vệ tinh tầm thấp 
 MAI QUANG LUẬN 
 Hà Nội - 2009 - 1 -
 MỤC LỤC 
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT......................................................................4 
Mục lục hình vẽ......................................................................................................5 
Mục lục bảng biểu..................................................................................................7 
LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................8 
TÓM TẮT ĐỒ ÁN.................................................................................................9 
ABSTRACT.........................................................................................................10 
CHƯƠNG I Các mảng anten ...............................................................................11 
 1.1 Giới thiệu về các mảng anten..................................................................11 
 1.1.1 Các tham số mảng anten cơ bản .......................................................11 
 1.1.2 Mảng tuyến tính................................................................................15 
 1.1.3 Mảng vòng .......................................................................................17 
 1.1.4 Nhân mẫu..........................................................................................19 
 1.1.5 Mảng phẳng ......................................................................................20 
 1.2 Beamforming tương tự............................................................................22 
 1.3 Các mảng pha..........................................................................................27 
 1.4 Beamforming số ......................................................................................29 
 1.4.1 Beamforming khoảng các phần tử....................................................32 
 1.4.2 Beamforming khoảng cách búp sóng ...............................................33 
 1.4.3 Beamforming 2 chiều........................................................................35 
 1.5 Kết luận ...................................................................................................36 
CHƯƠNG II Anten mảng pha ............................................................................37 
 2.1 Giới thiệu ....................................................................................................37 
 2.2 Nền tảng lý thuyết.......................................................................................38 
 2.3 Các kỹ thuật trong anten mảng pha ............................................................56 
 2.3.1 Lý thuyết xử lý mảng ...........................................................................56 
 2.3.1.1 Đáp ứng số tần số sóng và các mô hình búp sóng. ......................57 - 2 -
 2.3.1.2 Bộ tạo búp sóng tổng và trễ. ........................................................60 
 2.3.1.3 Bộ tạo búp sóng băng hẹp............................................................61 
 2.3.2 Kỹ thuật phân tập . ...............................................................................63 
 2.4 Kết luận.......................................................................................................68 
CHƯƠNG III Các mảng anten và beamforming ................................................69 
 3.1 Mô hình của các mảng chung.....................................................................69 
 3.1.1 Hệ số mảng...........................................................................................70 
 3.1.2 Mô hình mảng. .....................................................................................71 
 3.2 Pha và quét định thời ..................................................................................71 
 3.2.1 Quét pha ...............................................................................................72 
 3.2.2 Quét thời gian.......................................................................................74 
 3.3 Các kỹ thuật beam forming cố định............................................................75 
 3.3.1 Ma trận Butler ......................................................................................75 
 3.3.2 Ma trận Blass........................................................................................76 
 3.3.3 Mảng Wullenweber..............................................................................77 
 3.3.4 Các kỹ thuật beamforming cố định khác. ............................................78 
 3.4 Beamforming tối ưu....................................................................................78 
 3.4.1 Vector đáp ứng mảng. ..........................................................................80 
 3.4.2 Ký hiệu phân cực không gian...............................................................80 
 3.4.3 Ma trận ký hiệu phân cực không gian..................................................81 
 3.4.4 Các tín hiệu và tạp âm..........................................................................81 
 3.4.5 Các trọng số tối ưu. ..............................................................................82 
 3.4.5.1 Tiêu chuẩn cho các trọng số tối ưu. .............................................82 
 3.5 Các thuật toán thích nghi ............................................................................87 
 3.5.1 Thuật toán quân phương tối thiểu (LMS) ............................................87 
 3.5.2 Nghịch đảo ma trận hiệp phương sai lấy mẫu trực tiếp (DMI)............88 
 3.5.3 Thuật toán bình phương tối thiểu đệ quy (RLS)..................................89 - 3 -
 3.5.4 Các thuật toán trực tiếp quyết định ......................................................90 
 3.5.5 Thuật toán mô đun không đổi (CMA) .................................................90 
 3.5.6 Các kỹ thuật khác .................................................................................92 
 3.6 Tổ hợp phân tập ..........................................................................................93 
 3.7 Kết luận.......................................................................................................93 
CHƯƠNG IV MÔ PHỎNG: Beamforming thích nghi .......................................95 
 4.1 Giới thiệu ....................................................................................................95 
 4.1.1 Hệ số mảng của mảng tuyến tính .........................................................95 
 4.1.2 Phương trình Wiener-Hopf ..................................................................96 
 4.2 Beamforming sử dụng thuật toán quân phương tối thiểu LMS..................97 
 4.2.1 Độ hội tụ của thuật toán LMS..............................................................98 
 4.2.2 Thiết lập thiết kế...................................................................................98 
 4.3 Nhận xét....................................................................................................103 
 4.4 Kết luận.....................................................................................................104 
KẾT LUẬN CHUNG.........................................................................................110 
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................111 
 - 4 -
 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 
 ABF Adaptive beam-forming Tạo búp sóng thích nghi 
 CIR Carrier-to-Interference Ratio Tỉ số công suất sóng mang trên nhiễu 
 CNR Carrier-to-Noise Ratio Tỉ số công suất sóng mang trên tạp 
 LMS Least Mean Square Trung bình Bình phương Nhỏ nhất 
 RF Radio Frequency Cao tần / Tần số vô tuyến 
 SIR Signal-to-Interference Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu 
 SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp 
CDMA Code Division Multiple Đa truy nhập theo mã 
 Access 
 MSE Minimum Square Error Sai số bình phương nhỏ nhất 
 DMI Direct sample covariance matrix Nghịch đảo ma trận hiệp phương sai 
 inversion lấy mẫu trực tiếp 
 RLS Recursive least squares Thuật toán bình phương tối thiểu đệ 
 quy 
 CMA Constant modulus algorithm Thuật toán mô đun không đổi 
LSCMA Least-squares constant modulus CMA bình phương tối thiểu 
 algorithm 
SCORE Spectral self-coherence restoral Khôi phục tự đồng nhất quang phổ 
 DBF Digital beam-forming Tạo búp sóng số 
 MRA Main response axis Trục đáp ứng chính 
 PAA Phased Array Antenna Anten mảng pha 
 CWM Complex Weight Multiplication Nhân trọng số phức 
 BER Bit Error Rate Tỉ lệ Lỗi Bít 
 FFT Fast Fourier Transformer Biến đổi Fourier nhanh 
 AOA Angle of arrival Góc tới 
 SA Smart Antenna Anten thông minh 
 - 5 -
 Mục lục hình vẽ 
Hình vẽ Trang 
Hình 1.1 Mẫu phát xạ ......12 
Hình 1.2 Búp sóng chính và búp sóng phụ......................................................12 
Hình 1.3 Mảng tuyến tính cách đều.................................................................15 
Hình 1.4 Đồ thị búp sóng của mảng tuyến tính 8 phần tử...............................16 
Hình 1.5 Mảng vòng với K phần tử cách đều.................................................17 
Hình 1.6 Đồ thị búp sóng 3 chiều của mảng vòng 8 phần tử có 
R=0.8710λ ... ........................18 
Hình 1.7 Đồ thị búp sóng 2 chiều của mảng vòng 8 phần tử có R=0.6533λ, 
trong đó búp sóng anten hướng theo góc φ=900. .....................................19 
Hình 1.8 Hình dạng mảng phẳng chữ nhật......................................................20 
Hình 1.9 Đồ thị búp sóng 3 chiều của mảng chữ nhật 8x8.............................22 
Hình 1.10 Hình dạng của mảng phẳng lục giác...............................................22 
Hình 1.11 Mảng phẳng lục giác có thể được xem như một số các mảng vòng 
bán kính khác nhau 6 phần tử đồng tâm..........................................................23 
Hình 1.12 Đồ thị búp sóng 3 chiều của mảng lục giác 37 phần tử..................24 
Hình 1.13 Mạng beamforming tương tự bao gồm các thiết bị như các bộ dịch 
pha và các bộ chia công suất được sử dụng để điều chỉnh các biên độ và pha 
của các tín hiệu phần tử để tạo ra búp sóng mong muốn................................25 
Hình 1.14 Mảng anten microstrip 4 phần tử có mạng beamforming pha đồng 
nhất và đánh trọng số biên độ..........................................................................25 
Hình 1.15 Ma trận beamforming Butler của mảng 4 phần tử.........................26 
Hình 1.16 Bốn búp sóng xếp chồng trực giao từng cặp được tạo ra bởi ma trận 
beamforming Butler........................................................................................27 
Hình 1.17 Mảng pha tuyến tính.......................................................................29 - 6 -
Hình 1.18 Bộ tạo búp sóng tạo ra tổ hợp tuyến tính các đầu ra sensor, đầu tiên 
được nhân với các trọng số phức và cộng với nhau....................................... 32 
Hình 1.19 Bộ tạo búp sóng số khoảng cách phần tử để tạo ra L búp sóng đồng 
thời...................................................................................................................33 
Hình 1.20 Bộ tạo búp sóng số khoảng cách búp sóng tạo ra đồng thời nhiều 
búp sóng..........................................................................................................35 
Hình 2.1 Khẩu độ mảng pha lớn cung cấp thành phần phát xạ búp sóng hẹp có 
khả năng hướng điện trường............................................................................37 
Hình 2.2 Sơ đồ khối của anten mảng pha phát................................................38 
Hình 2.3 Anten mảng tuyến tính có búp sóng chính hướng theo góc 
θs......................................................................................................................40 
Hình 2.4 Khẩu độ anten mảng pha trong hệ thống tọa độ cầu........................40 
Hình 2.5 Sơ đồ khối module thu/phát của anten mảng pha............................41 
Hình 2.6 Anten mảng tuyến tính 8 phần tử.....................................................43 
Hình 2.7 Tính hệ số mảng của anten mảng tuyến tính 8 phần tử....................44 
Hình 2.8 Lược đồ mô tả mảng có một phần tử điều khiển, và có sự ghép cặp 
đối với các phần tử xung quanh......................................................................47 
Hình 2.9 Đo hệ số anten mạng pha và so sánh với hệ số anten chuẩn............49 
Hình 2.10 Lược đồ lý thuyết mô tả các điểm mù của anten mảng pha...........50 
Hình 2.11 Hình ảnh biểu diễn một anten mảng lưỡng cực 10 x 10 .............51 
Hình 2.12 Lược đồ phân cực lý thuyết biểu diễn một thành phần hệ số phần tử 
có phát xạ đỉnh ở dải rộng...............................................................................51 
Hình 2.13 Sự mô tả hình ảnh của thành phần phát xạ dạng đơn cực của phần 
tử trong anten mảng pha..................................................................................52 
Hình 2.14 Sơ đồ mảng sensor N phần tử thu tín hiệu sóng phẳng f(t,p) đến từ 
trường xa.........................................................................................................57 
Hình 2.15 Sơ đồ bộ tạo búp sóng tổng và trễ..................................................61 - 7 -
Hình 2.16 Sơ đồ bộ tạo búp sóng băng hẹp.....................................................63 
Hình 2.17 Anten mảng phân tập M phần tử....................................................65 
Hình 3.1 Mảng 3 chiều tự do...........................................................................70 
Hình 3.2 (a) Mảng tuyến tính quét pha; (b) Mảng tuyến tính quét thời 
gian..................................................................................................................72 
Hình 3.3 Hệ số mảng của mảng tuyến tính quét pha 8 phần tử.......................73 
Hình 3.4 Hệ số mảng của mảng tuyến tính quét thời gian 8 phần tử..............74 
Hình 3.5 Ma trận Butler 8x8 tạo ra mảng 8 phần tử........................................75 
Hình 3.6 Ma trận Blass....................................................................................77 
Hình 3.7 Mảng Wullenweber .........................................................................78 
Hình 3.8 Mảng anten thích nghi......................................................................79 
Hình 3.9 Các kỹ thuật tổ hợp phân tập............................................................94 
Hình 4.1 Mảng tuyến tính cách đều................................................................95 
Hình 4.2 Biểu diễn đồ họa luồng tín hiệu của thuật toán LMS.......................97 
Hình 4.3(a) Độ hội tụ của LMS trên 1000 mẫu...............................................99 
 0 0
Hình 4.3(b) Đồ thị chữ nhật với θ0 = 0 , θi = 60 .. ...99 
 0 0
Hình 4.3(c) Đồ thị cực với θ0 = 0 , θi = 60 ...................................................100 
Hình 4.4(a) Độ hội tụ của LMS trên 1000 mẫu.............................................100 
 0 0 0
Hình 4.4(b) Đồ thị chữ nhật với θ0 = 0 , θi = [-70 , 50 ] ....101 
 0 0 0
Hình 4.4(c) Đồ thị cực với θ0 = 0 , θi = [-70 , 50 ]........................................101 
Hình 4.5(a) Độ hội tụ của LMS trên 1000 mẫu.............................................102 
 0 0 0 0
Hình 4.5(b) Đồ thị cực với θ0 = 20 , θi = [-70 , -30 , 60 ]............................102 
 0 0 0 0
Hình 4.5(c) Đồ thị chữ nhật với θ0 = 20 , θi = [-70 , -30 , 60 ].....................103 
 Mục lục bảng biểu 
Bảng 1.1 Phân bố pha khẩu độ anten..............................................................27 
Bảng 3.1 Tổng kết các thuật toán beamforming thích nghi............................92 - 8 -
LỜI NÓI ĐẦU 
 Các công nghệ truyền thông đã đưa con người đến gần nhau hơn, giúp con 
người có thể trao đổi tin tức dù bất cứ nơi đâu, bất kỳ hoàn cảnh nào. Nhu cầu 
trao đổi thông tin của con người là rất lớn và để có thể làm được điều đó nhờ 
phần lớn vào sự phát triển công nghệ viễn thông vô tuyến. Sự bùng nổ của 
nhu cầu thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di động nói riêng trong 
những năm gần đây đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ truyền thông vô 
tuyến. Trong đó, phải kể đến các công nghệ mới như MIMO-OFDM, anten 
thông minh, ... giúp nâng cao hơn nữa dung lượng của hệ thống. 
 Anten thông minh được áp dụng trong nhiều linh vực như truyền hình, 
thông tin vệ tinh, radar, các mạng thông tin di động,....và đóng vai trò quan 
trọng trong các hệ thống lớn. Hiện nay anten mảng thích nghi được nghiên 
cứu để cho hệ thống nghe một cách thông minh hơn, nghe tập trung vào 
những cái gì cần nghe (thông tin) và loại bỏ những cái gì không nên nghe 
(nhiễu). 
 Trong suốt thập kỷ cuối, thế kỷ XX, các vệ tinh tầm thấp (LEO) gồm 
TOPEX/POSEIDON, CHAMP và GRACE, đã được khởi động cho các mục 
đích khoa học ở các độ cao so với mặt biển trong khoảng từ 400 km tới 1300 
km. 
 Từ những xu hướng trên, đề tài “Kỹ thuật tạo dạng búp sóng thích nghi 
(Adaptive Beamforming) trong Anten mảng pha cho hệ thống vệ tinh tầm 
thấp” xin trình bày tổng quan về anten mảng pha một trong những loại anten 
thông minh được dùng trong hệ thống vệ tinh tầm thấp và kỹ thuật tạo dạng 
búp sóng thích nghi trong anten mảng pha. 
Em xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Đào Ngọc Chiến, giảng viên Khoa điện tử 
viễn thông, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ em hoàn thành 
luận văn của mình. - 9 -
TÓM TĂT ĐỒ ÁN 
 Anten mảng thích nghi là công nghệ của tương lai, được sử dụng rộng rãi 
trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong các hệ thống viễn thông 
 Nội dung luận văn bao gồm 4 chương: 
 Chương 1 trình bày tổng quan về các mảng anten. Giới thiệu sơ lược về các 
tham số cơ bản được dùng trong mảng anten, các kiểu mảng anten thường 
dùng và các kỹ thuật beamforming (beamforming tương tự và beamforming 
số). Chương 1 cho chúng ta cái nhìn khái quát về anten mảng và beamforming 
(tạo dạng búp sóng) 
 Chương 2 đi sâu vào nghiên cứu các anten mảng pha nhiều phần tử, tập 
trung vào anten mảng pha tuyến tính. Chương này đưa ra các kỹ thuật được sử 
dụng trong anten mảng pha. 
 Chương 3 giới thiệu về các kỹ thuật beamforming: các kỹ thuật 
beamforming cố định và beamforming tối ưu. Vấn đề chính của chương này 
là các thuật toán beamforming tối ưu 
 Chương 4 Đưa ra bài toán beamforming thích nghi sử dụng thuật toán LMS 
(Least Mean Square) trong môi trường có nhiễu, sau đó thực hiện mô phỏng 
trên Matlab