مقاله شبیه سازی بهینه روش فازی در جهت یابی سیگنال های محیط ( VHDL Base )

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

شبیه سازي بهینه روش فازي در جهت یابی سیگنال هاي محیط (VHDL Base)

خلاصه

یکی از موارد پر کاربرد در حوزه مخابرات تجاري و نظامی، تعیین جهت سیگنال هاي محیط و یا به عبارت دیگر DOA(Direction of Arrival) است. در این راستا روش هاي متعددي ارائه شده است. از روش هاي با دقت بالا و قابل اعمال انواع تخمینگر، روش فازي می باشد. روش مبناي فازي که در اغلب سیستم هاي تجاري و نظامی وجود دارد، روش Correlative Interferometer می باشد. چگونگی پباده سازي و کاهش پیچیدگی روش هاي فازي قابلیت این روش ها را به خصوص در مدلهاي با دقت بالا افزایش می دهد . در این مقاله با شبیه سازي روش فازي Correlative Interferometer بر روي نرم افزار MATLAB ، روش پیشنهادي بر روي FPGA تراشه Xilinx Spartan 3 نیز شبیه سازي شده است.تراشه Spartan 3 داراي کاربردهایی هم در تراکم منطق بالا و هم تعداد I/O و همچنین سرعت بالاي محاسبات و پردازش سیگنالها می باشد .الگوریتم DOA توسط زبان سخت افزار VHDL شبیه سازي شده است. در این مقاله ، نتایج شبیه سازي شده در MATLAB و همجنین نتایج شبیه سازي در VHDL آورده شده است.

کلمات کلیدي : جهت یابی((DOA ، روشهاي فازي ، Correlative Interferometer ، MATLAB ، VHDL

.1 مقدمه

براي بالا بردن قدرت تفکیک اهداف، از مهمترین کارها باریک نمودن پرتو آنتن میباشد. هرچه در این مـورد سـرمایه-گذاري بالاتري صورت پذیرد باطبع در جداسازي منابع دقت بالاتر میرود و منابع به نحو مناسب از یکدیگر جداسازي مـی-شوند. در سیستمهاي با فرکانس کاري پایین براي داشتن پرتو باریک به ناچار باید ابعاد آنتن را بزرگ در نظر گرفت که این خود داراي محدودیت میباشد، به همین جهت استفاده از آنتنهاي آرایهاي و الگوریتمهاي وفقی جهت بهبود تفکیکپذیري منابع کاربردهاي بالایی را امروزه به خود اختصاص دادهاند. در گیرندهي سیستمهاي همراه با آنتن آرایهاي، علاوه بـر وجـود گلبرگهاي اصلی در ورودي گیرنده وجود گلبرگهاي فرعی در گیرندهها آشکارسازي و پردازش ثانویه را دچار اخلال مـی-

کند. در نتیجه توجه به الگوریتمهاي وفقی براي بالا بردن قدرت تفکیک امروزه چه در محیطهاي کور و غیر کور کاربردهاي بالایی دارند. مبناي روش هاي وفقی از فاز المان ها استفاده می نماید. در بررسیهاي صورت گرفته در این مقاله، روش اولیه فازي با عنوان Correlative Interferometer مورد بررسی قرار گرفته است. علاوه بر شبیه سازي مدل بر روي نرم افزار متلب، مدل فازي بر روي نرم افزار VHDLپیاده شده است.

با فرض دریافت چندین منبع در گیرنده و با وجود آنتنهاي آرایهاي، براي تفکیک فرکانسی این سیگنالهـا بـا اسـتفاده از روش*«FFT» ، هیچ گونه مشکلی با وجود فاصلهي زیاد دو سیگنال از یکدیگر وجود ندارد، امـا در ﺷـﺮاﯾﻄﯽ کـه ایـن دو سیگنال دریافتی در آنتن داراي فاصلهي نزدیکی در محیط نسبت به یکدیگر باشند، با استفاده از این روش دچـار ابهامـاتی در آشکارسازي دقیق و تفکیک دو منبع از یکدیگر میشویم. در همین راستا، روشهاي دیگر تخمین طیـف بـراي تفکیـک دقیق منابع از یکدیگر بیان شده است. هریک از روشهاي مورد بررسی با توجه به شرایط متفاوت ورودي به آنتنهـا داراي کاربردهاي متفاوت از هم میباشند. مدل ارائه شده در این گزارش مبناي اولیه تمامی روش هاي بـا دقـت بـالا اسـت. لـذا اهمیت آن در بهبود جهت یابی روش هاي دیگر را در بر دارد.

عواملی میتوانند باعث تضعیف عملکرد تشخیص دهندهي طیف گردد، یک عامل قدرت سیگنال کاربر اصلی میباشـد، کـه میتواند وقتی به کاربر غیر اصلی میرسد، خیلی ضعیف باشـد. آشکارسـاز انـرژي یـک روش معمـول جهـت آشکارسـازي سیگنال میباشد. در این روش براي آشکارسازي سیگنال نیازي به آگاهی پیشین یا ابتـدایی در مـورد سـاختار همبسـتگی سیگنال اصلی وجود نخواهد داشت . ولی باید اطلاعات دقیقی در مورد واریانس نویز داشته باشـیم. در عمـل واریـانس نـویز ممکن است که با زمان تغییر کند، بنابراین بهدست آوردن دقیق واریانس نویز بسـیار مشـکل مـیباشـد و در نتیجـه روش آشکارساز انرژي یک روش نامطمئن خواهد بود. دراین تحقیق به بررسی روش پایه و اثر گذار در روش هاي سنجش طیـف بهوسیله بردار فاز سیگنال دریافتی در هر المان از یک مجموعه آرایه دایروي خواهیم پرداخت. این روش نیازي بـه آگـاهی در مورد سیگنال یا توان نویز و همچنین کانال نخواهد داشت و از نظر دستهبندي در گروه روشهاي کور قرار میگیرنـد.در این گزارش روش جهت یابی پسیو سیگنال هاي محیط در هر دو شرایط کور و غیر کور آورده شده اسـت. همچنـین مـدل دریافتی وآشکارسازي منابع با وجود آنتنهاي آرایه فازي، فرض شده است.
سیستمهاي اینترفرومتر که طبق تعریف از تکنیک مقایسه فاز استفاده میکنند،داراي مزیت پاسخ سـریع مـیباشـند امـا پوشش وسیع فضایی توسط آنتنها باعث شده است که حساسیت گیرندگی در این روش کـاهش یابد.بـه عـلاوه تطبیـق فازي مدارات این سیستم در یک محدوده فرکانسی وسیع،یکی از چالشهاي این روش است. از این سیستم وقتی استفاده میگردد که اطلاعات دقیق زاویه ورود مورد نیاز باشد. هم چنین در این روش پوشش زاویهاي وسیع آنتنها،آنها را بیشتر در معرض سیگنالهاي تداخلی نظیر سیگنالهاي مسیرهاي چندگانه قرار میدهد که این امـر دقـت سیسـتم را کـاهش میدهد .[1]

در این روش از مقایسه فاز یک آرایه از آنتنها براي تعیین زاویه ورود سیگنال استفاده میگردد. براي مثال شکل 1 که از دو آنتن استفاده شده است.اگر موج دریافتی درست از روبروي آنتنها و از جهت عمود بر خط مبنا دریافت گـردد،در هـر دو آنتن با فاز یکسان دریافت میگردد، اما اگر موج دریافتی از یک سمت خاص که جبهه موج آن نسبت به جهت عمـود بر خط مبنا (Base Line)زاویه داشته باشد، در این صورت توسط یکی از آنتنها زودتر از دیگري دریافت مـیگـردد. این امر باعث میگردد که سیگنال این آنتن نسبت به دیگري تقدم فاز داشته باشد .با توجه به صفحات موج که هر صفحه داراي فاز یکسان براي نقاط صفحه میباشد. مقدار اختلاف فاز بین دو آنتن توسط موج دریافتی از یک صفحه برابر اسـت با:

با توجه به شکل1 برابر است با:

که در آن زاویه جهت سیگنال، اختلاف فاز سیگنالهاي دو آنتن، طول موج سیگنال دریافتی و d فاصله بین مرکز فاز الکتریکی آنتنها یا طول خط مبنا میباشد. در حالت دوبعدي مکان هندسی نقاطی که اختلاف فاز سیگنال دریافتی آنها برابر مقدار ثابتی باشد ،یک خط (صفحه موج) است. در حالت سه بعدي این مکان هندسی یک مخروط می باشد.

این مکان هندسی در شکل2 نشان داده شده است.بنابراین فرستنده در هر نقطه از این مخروط باشد زاویه ورود سیگنال آن نسبت به خط مبنا مقدار ثابتی است.

شکل - 1 مبناي اندازه گیري زاویه ورود با استفاده از روش اینترفرومتري

شکل- 2 ناحیه خط چین مکان هندسی نقاطی است که زاویه ورود آنها نسبت به خط مبنا یکسان است

در حالت سه بعدي اگر آنتنها طوري قرار گرفته باشند که براي تعیین زاویه سمت بکار روند،آنگاه زاویه بدست آمده براي یک هدف که زاویه ارتفاع آن صفر باشد،درست برابر زاویه سمت آن هدف است اما اگر هدف یک زاویه ارتفاع نیـز داشـته باشد، در این صورت زاویه بدست آمده براي هدف، با زاویه سمت ضربدر کسینوس زاویه ارتفاع هدف برابر است. بنـابراین در این حالت یک خطا در محاسبه زاویه سمت ایجاد میگردد. مقدار ایـن خطـا بـراي زوایـاي سـمت نزدیـک بـه محـور Boresight آنتن کمتر است و با افزایش زاویه سمت،مقدار خطا نیز افزایش مییابد. به عنوان مثال در صورتی که زاویه سمت سیگنال 45 درجه و زاویه ارتفاع آن 10 درجه باشد،مقدار خطاي ایجاد شده در تعیین زاویه سمت،بیشتر است امـا اگر زاویه سمت و ارتفاع سیگنال ورودي هر دو 45 درجه باشند،مقدار خطاي ایجاد شده در تعیین زاویه سـمت، کمتـر از یک درجه می باشد. چنین ابهامی را میتوان در شکل3 مشاهده کرد. براي رفع این خطا باید از یک آرایه دیگر در صفحه متقاطع (صفحه ارتفاع) براي اندازهگیري زاویه ارتفاع و لحاظ آن در معادله استفاده گردد. آوردن یک آنتن یا یـک سـري آنتن در ارتفاع بر دقت تخمین زاویه ارتفاع می افزاید. و از میزان ابهام آن میکاهد. در شکل4 نمونه اي از سـاختار آنـتن مورد استفاده که در ادامه توضیح داده شده(چینش متقاطع)، آورده شده است .[2]

هر چه که فاصله بین آنتنها بیشتر باشد،دقت اندازهگیري زاویه بیشتر است اما مشـکلی کـه ممکـن اسـت در ایـن روش ایجاد گردد،ابهام زاویه است .[3] از آنجاکه سیگنال سینوسی پریودیک بوده و پریود آن میباشد،ممکن است ابهـام در فاز و در نتیجه آن ابهام در تعیین زاویه ورود سیگنال ایجاد گردد. براي یک طول موج معین و فاصلهگذاري معـین بـین آنتنها،زاویه دید غیر مبهم((Unambiguous Field Of View از رابطه زیر بدست میآید.

در کاربردهاي جنگ الکترونیک که محدوده فرکانسی وسیعی باید پوشش داده شود،استفاده از دو آنتن کافی نیست چون اگر محاسبات زاویه غیر مبهم براي بیشترین فرکانس صورت گیرد،براي فرکانسهاي پایین،دقت بدست آمده خیلـی کـم میشود، حتی ممکن است فاصلهگذاري آنتنها براي فرکانسهاي پایین آنقدر کوچک شـود کـه از لحـاظ عملـی ممکـن نباشد.بنابراین لازم است که محاسبات بر اساس فرکانسهاي پایین صورت گیرد و براي رفع ابهام به خصوص در فرکانس-هاي بالاتر از چندین آنتن استفاده گردد.[4] در این صورت براي هر زوج آنتن یک خط مبنا تعیین میگردد.

.1 آنتن ها

سیستم هاي جهت یابی که در دنیا کار شده است در بازه هاي متفاوت فرکانسی با توجه به نیـاز کـاربر طراحـی شـده است. در بازه ي فرکانسی HF و UHF در انواع سیستم هاي جهت یاب اسـتفاده شـده اسـت .این دو بـازه سـیگنال هـاي ارتباطی (Comint) از اهمیت بالایی برخور دارند. هرچه در روش هاي جهت یاب مبتنی بر فاز نیازمند استفاده از فرکانس پایین تر باشیم با توجه به طول موج بزرگتر آن، آنتن مورد استفاده باید بزرگتر طراحی شود که این یکـی از محـدودیت هـاي روش هاي فازي است.

در بازه VHF ابعاد آنتن نسبت به بازه UHF بزرگتر است. نکته قابل تامل انتخاب صحیح شعاع آرایه دایره اي است کـه در مدل هاي متفاوت آورده شده است. تعیین دقیق شعاع آنتن از جمله وظایف مهم طراح مـی باشـد تـا بتوانـد عـلاوه بـر کاهش خطاي ابهام در جهت یابی از دقت و رزولوشن خوبی در روش فازي بهره برد. در بحـث آنـتن و سـاختار آنـتن هـاي مورد استفاده، گین مورد نیاز با توجه به حداکثر برد جهت یابی و فرکانس کـاري تعیـین مـی گـردد. بـه عنـوان نمونـه در باندهاي مختلف ، فرکانسی گین بالاتر بر ابعاد آنتن می افزاید. افزایش در ابعاد آنتن نتیجتا مشکلاتی در هزینه ، جانمایی، اثرات زمین و ... در بر دارد.

بنابراین در یک سیستم جهت یاب علاوه بر طراحی پردازشی سیستم که از پیچیدگی بالایی برخوردار اسـت، انتخـاب نـوع آنتن مناسب نیز از اهمیت بـالایی یـر خـوردار اسـت، کـه بـا توجـه بـه فرکـانس، گـین مـورد نیـاز، رنـج اهـداف، کـاربرد سیستم(زمینی، هوایی و ...) تغییر می نماید.نکته دیگر در طراحی آنتن هاي جهت یـابی در روش فـازي اسـتفاده از تعـداد آنتن هاي مختلف است.

هر چقدر تعداد المان ها بیشتر باشد بر افزایش دقت مدل افزوده می شود. البته مشکلی که تعداد آنتن ها ي بیشـتر ایجـاد منماید اثرات کوپلینگ، هزینه و پیچیدگی پیاده سازي است. این مورد نیز از اهمیت بالایی برخوردار است. لذا تعیین اندازه و تعداد المان بستگی به کاربرد سیستم و بازه فرکانسی آن دارد.

.2 مقدمه اي بر آنتنهاي آرایه فازي

در طراحی »آنتنهاي آرایه فازي*« مسئلهي اصلی یافتن مقادیر دامنه و فاز تحریک هر المان و نحـوهي اعمـال ایـن مقادیر به المانهاي آنتن آرایه فازي، براي بدست آوردن پترن مورد نظـر اسـت .[5] در سیسـتمهـاي آرایـهفـازي هـدف بدستآوردن مشخصات زمانی و فضایی سیگنال دریافتی همچون توان، زاویهي ورود و... میباشد. معمولا در پـردازش بـه روشهاي آرایهاي ابتدا به آشکارسازي و مشخص نمودن تعداد منابع و در نهایت تخمین زدن زوایـاي ورود منـابع محـیط میپردازیم. میتوان مزایاي اصلی استفاده از آنتنهاي آرایه فازي را به صورت زیر بیان نمود:

 به علت ثابت بودن آنتن و نداشتن اضطرار جهت چرخش آنتن، میتوان تعـداد المـانهـاي تشعشـع کننـده را زیـاد گرفت و توان بالایی را به سیستم منتقل کرد.

 با توجه به بزرگ شدن پنجرهي آنتن، گین آنتن نیز افزایش مییابد.
 افزایش قدرت تفکیک.

 سرعت چرخش بیم بالا.

 انجام چندین عمل به طور هم زمان.
 قابلیت اعتماد.

 قابلیت بکارگیري در شرایط خاص.
 قابلیت غلبه بر »اخلالگر.†«

به منظور داشتن یک آنتن آرایه فازي هوشمند که بتواند در مقابل اخلالگر مقابله کند، اولا باید آنتن این قابلیت را داشته باشد که زاویه منبع و به عبارت دقیقتر اخلالگر را بیابد6]و.[7 از طرفی طراحی آنتن باید بـه گونـهاي باشـد کـه بتوانـد »صفر« .خود را بر روي جهت اخلالگر تنظیم نماید. [8] و مهمتر از آن پترن آنتن میبایست در حالت اﯾﺪهآل قادر باشد تا ارتباط مخابراتی با اخلالگر نداشته باشد.میتوان در طراحی آنتنهاي آرایه فازي هوشمند بخشهاي زیر را مدنظر گرفت:

الف) یافتن جهت اخلال و پیادهسازي الگوریتمهاي تخمین زاویهي ورود و طرح پترن بهینه به کمـک الگـوریتم ژنتیـک و یافتن مقادیر دامنه و فاز هر المان به عنوان رهیافت زاویهاي.

ب) پیادهسازي الگوریتمهاي به روز رسانی وفقی مقادیر دامنه و فاز و به عبارتی پیـادهسـازي فیلترهـاي وفقـی، از جملـه الگوریتم هاي .LMS,CMA,….

الگوریتمهاي وفقی در اکثر موارد به جزء آن دسته که در گروه کور دستهبندي میشـوند، بـه سـیگنالی کـه اصـطلاحا سیگنال مرجع نامیده میشود براي انجام پردازش وفقی محتاجند، این در حالی است که در کاربردي مثل حـذف اخـلال، سیگنال اخلالگر ناشناخته ﻣﯽﺑﺎﺷﺪ. در عین حال اگر با یک سیستم راداري »فعال§« مواجه باشیم سیگنال مورد پردازش کاملا مشخص بوده و به راحتی آن را مورد استفاده قرار میدهیم. در دستهي دوم الگوریتمهاي وفقی که به الگوریتمهـاي کور نیز مشهورند لزومی براي دانستن سیگنال مرجع وجود ندارد، اما مسئلهي مهم همگرایی فیلتر و در نتیجه رسیدن به پاسخی مطمئن در شرایط بحرانی است. بنابراین در کاربري حذف اخلالگر منطقیترین انتخاب ، رهیافت زاویهاي به نظر میرسد. از معایب آنتنهاي آرایه فازي میتوان به موارد زیر اشاره کرد:

\

● به جهت وجود حسگرهاي بالا پیچیدگی سیستم افزایش مییابد.
● وجود محدودیت جهت اسکن زاویهاي تمام محیط بطوریکه براي اسکن کل محیط 3 الی 4 حسگر ترکیبی.

در بررسی الگوریتمهاي بهبود تفکیکپذیري منابع، با استفاده از آنتنهاي آرایه فازي با وجود بردار هادي و با فرض وجود آنتنهاي خطی یکنواخت، اختلاف فاز در هر لحظه بر روي آرایهها به وجود میآید. در زیر چگونگی محاسبهي بردار هادي در آرایههاي خطی یکنواخت با فرض آرایه بیان شده است.

.3 مدل آرایه ي خطی با M المان

در شکل5 ، آراﯾﻪي خطی و ﯾﮑﻨﻮاﺧﺖ(*(ULA ، با وجود المانهاي »ایزوتروپیک†« در نظر گرفتـه شـده اسـت. فرض شده است که امین آرایه معادل با آرایه با اختلاف فاز الکتریکی به اندازهي رادیان باشد. این جابجـایی فاز به سادگی با جابجایی فاز در آنتنها بدست میآید. با فرض شرایط حضور میدان در فاصـلهي دور فـاکتور آرایه را به صورت زیر بدست میآوریم:

که در اینجا ، .

با فرض دامنهي واحد براي هر المان ایزوتروپیک، رفتار کامل آرایه با ارتباط فاز بین آرایهها برقرار میگردد. پردازش آرایـه و مسئلهي شکلدهی بیم با استفاده از رابطهي (4) متناوبا قابل تغییر است. حال با استفاده از فاکتور آرایهها به بیان بردار آرایه ( »بردار هادي آرایه[8].«، »بردار انتشار آرایه9]§«و[10، »بردار پاسخ آرایـه[11] **«، »بـردار گونـاگونی آرایـه††« 12]و( [13 میپردازیم، که داریم: