موضوع:
جهت یابی سیگنال­های پهن باند در سیستم های مخابراتی
DOA Estimation For Wideband Signals In Communication Systems
 
 
استاد راهنما:
دکتر مهرزاد بیغش
دکتر عباس شیخی
 
 
 
اساتید مشاور:
دکتر محمود کریمی
دکتر مصطفی درختیان
تکه هایی از متن به عنوان نمونه :
فهرست مطالب
عنوان                                                        صفحه
 
چکیده 1
مقدمه 2
 
فصل اول : اصول انتشار امواج
1-1- مقدمه 4
1-2- انتشار امواج 4
1-3-سنسورهای آرایه ای 6
1-4- پردازش سیگنال آرایه خطی 7
1-4-1- فرضیات پایه 7
1-4-1-1- میدان دور 7
1-4-1-2- سیگنال باند باریک 7
1-4-1-3- ایستائی 8
1-4-1-4- سیگنال های چندگانه 8
1-4-1-5- نویز (Noise) 8
1-5- تبدیل مکان – زمان 9
1-6- سیگنال های تصادفی 10
 
فصل دوم: روش های پردازش سیگنال های باند باریک
2-1-مقدمه 15
2-2-روش های مبتنی بر پایه طیف 15
2-3-روش های شکل دهی پرتو 15
2-3-1-روش شکل دهی پرتو متعارف 15
2-3-2- روش کاپون 17
2-3-3- روش های مبتنی بر زیر فضا 19
2-3-4-معرفی روش 20
2-3-5- الگوریتم 21
2-3-6- معرفی روش 23
2-3-7-مدل داده ها 25
2-3-8- الگوریتم ESPIRIT 28
2-4-آنتن های آرایه ای 31
2-5- مدل سیگنال 35
2-6- ماتریس کوواریانس 36
 
فصل سوم: جهت یابی سیگنال های پهن باند
3-1- مقدمه 39
3-2- معرفی سیگنال های باند پهن 39
3-3- معرفی تکنیک های مختلف جهت یابی سیگنال های باند پهن 41
3-3-1- مدلسازی داده های باند پهن 41
3-3-2- معرفی اجمالی روش های جهت یابی سیگنال های باند پهن با بهره گیری از بانک فیلتر 42
3-3-3- مدل فرکانسی سیگنال باند پهن 44
3-3-4- الگوریتم های مختلف جهت یابی سیگنال های پهن باند 47
3-3-5- روش های جهت یابی ناهمبسته 47
3-3-6- روش های ناهمبسته فرکانسی 48
3-3-7- فرم دهنده بیم به روش کاپون 48
3-3-8- میانگین گیری حسابی 51
3-3-9- روش میانگین گیری هندسی 52
3-3-10- روش میانگین گیری هارمونیک 53
3-3-11- الگوریتم موزیک پهن باند 53
3-3-12- الگوریتم وزن دهی مناسب زیرفضاها 55
3-3-13- محاسبه تخمین به روش 58
3-3-14- ملاحظات عملی در روش 60
3-3-15- روش های جهت یابی همبسته زیرفضایی( ) 62
3-3-16- روش ماتریس تمرکز قطری 62
3-3-17- روش زیرفضای چرخشی سیگنال 64
3-3-18- بهره گیری از ماتریس کانونی در روش 66
3-3-19– روش وزن دهی متوسط به زیر فضاهای سیگنال( ) 67
 
فصل چهارم:‌الگوریتم TOPS
4-1- مقدمه 70
4-2- مفاهیم پایه 70
4-3- ارائه یک مدل ریاضی 71
4-4- توسعه الگوریتم به فضای چند بعدی 76
4-5- تصویر در راستای زیرفضای سیگنال 78
4-6- الگوریتم محاسبه 80
4-6-1- پیچیدگی محاسبات 81
 
فصل پنجم:‌شبیه سازی الگوریتم های تخمین DOA
برای آرایه های خطی 83
5-1- مقدمه 84
5-2- الگوریتم های تخمین 84
5-2-1- معرفی اجمالی الگوریتم های به کار رفته در شبیه سازی 84
5-2-1-1- مطالعه الگوریتم MUSIC و Capon 85
5-2-1-2- الگوریتم همبستگی زیرفضای سیگنال( ) 86
5-2-1-3- ماتریس زیرفضای کانونی سیگنال ( ) 88
5-2-1-3-1- الگوریتم محاسبه روش 89
5-2-1-3-2-نکات مهم در محاسبه تخمین به روش 90
5-3- مدل سازی داده ها 91
5-3-1- خصوصیات منبع سیگنال ارسالی 91
5-3-2- مفروضات داده های دریافتی توسط آرایه آنتن 92
5-4- سناریوهای شبیه سازی شده……………………. 92
5-4-1- سناریوی شماره 1 92
 
 
فصل ششم: نتیجه‌گیری و پیشنهادات
6-1- نتیجه‌گیری………………………………. 122
6-2- پیشنهادات ……………………………… 123
مراجع 121
 
 
فهرست جداول
عنوان                                                        صفحه
 
جدول شماره (5-1)– مبنای شبیه سازی 92
جدول شماره (5-2) – اختصار اطلاعات شبیه سازی در سناریوی اول 93
 
 
فهرست تصاویر
عنوان                                                        صفحه
 
شکل 1-1- مختصات کروی 6
شکل 1- 4- پردازش سیگنال در آرایه ای ازآنتن ها شامل آنتن 13
شکل 2-1- هندسه آرایه 24
شکل 2-2- نمایش آرایه ها برای الگوریتم 25
شکل 2-3- الگوریتم استاندارد با دو زیر آرایه غیر هم پوش و هرکدام شامل سنسور 29
شکل 2-4- الگوریتم استاندارد با دو زیر آرایه با هم پوشانی حداکثر و هرکدام                  شامل سنسور 29
شکل 2-5- آرایه خطی 32
شکل 2-6- نمونه برداری فضایی از سیگنال ارسالی توسط آرایه خطی از آنتن ها 33
شکل 3-1- الف – آرایه خطی 45
شکل 3-1- ب آرایه دایره ای 46
شکل 3-2- الگوی پرتودهی در روش کاپون به ازای منبع ارسالی 0db در بین فرکانسی 150 هرتز و دریافتی توسط آرایه ای از 20 سنسور 49
شکل 3-3- ضرب اسکالر بردار هدایت در بردار ویژه 50
شکل (5- 1) – خروجی الگوریتم MUSIC در و زوایای 94
شکل (5- 2) – خروجی الگوریتم SSF در و زوایای 94
شکل (5-3 ) – خروجی الگوریتم WAVES در و زوایای 95
شکل (5- 4) – خروجی الگوریتم Capon Arithmetic در و زوایای 96
شکل (5- 5) – خروجی الگوریتم Capon Harmonic در و زوایای 97
شکل (5- 6) – خروجی الگوریتم Capon Geometric در و زوایای 97
شکل (5- 7) – خروجی الگوریتم MUSIC در و زوایای 98
شکل (5- 8) – خروجی الگوریتم SSF در و زوایای 98
شکل (5- 9) – خروجی الگوریتم WAVES در و زوایای 99
شکل (5- 10) – خروجی الگوریتمCapon Arithmetic در و زوایای 99
شکل (5- 11) – خروجی الگوریتمCapon Harmonic در و زوایای 100
شکل (5- 12) – خروجی الگوریتمCapon Geometric در و زوایای 100
شکل (5- 13) – خروجی الگوریتم  MUSICدر و زوایای 101
شکل (5- 14) – خروجی الگوریتم  SSFدر و زوایای 101
شکل (5- 15) – خروجی الگوریتم  WAVESدر و زوایای 102
شکل (5- 16) – خروجی الگوریتم Capon Arithmeticدر و زوایای 102
شکل (5- 17) – خروجی الگوریتم Capon Harmonic و زوایای 103
شکل (5- 18) – خروجی الگوریتم Capon Geometric و زوایای 103
شکل (5- 19) – خروجی الگوریتم MUSIC برای و زوایای 104
شکل (5- 20) – خروجی الگوریتم WAVES برای و زوایای 104
شکل (5- 21) – خروجی الگوریتم Capon Arithmetic برای و زوایای 105
شکل (5- 22) – خروجی الگوریتم Capon Harmonic برای و زوایای 105
شکل (5- 23) – خروجی الگوریتم Capon Geometric برای و زوایای 106
شکل (5- 24) – خروجی الگوریتم MUSIC برای و زوایای 106
شکل (5- 25) – خروجی الگوریتم SSF برای و زوایای 107
شکل (5- 26) – خروجی الگوریتم WAVES برای و زوایای 107
شکل (5- 27) – خروجی الگوریتم Capon Arthimetic برای و زوایای 108
شکل (5- 28) – خروجی الگوریتم Capon Harmonic برای و زوایای 108
شکل (5- 29) – خروجی الگوریتمCapon Geometrics برای و زوایای 109
5-4-2- سناریو 2 109
شکل (5-30) مقایسه 5 الگوریتم مطرح شده به ازای سیگنال دریافتی در زاویه 10 ، 33، 36 به ازای تعداد لحظات نظاره 128 و تعداد بین فرکانسی 128) 110
شکل (5-31)محاسبه اندازه خطا به ازای سیگنال دریافتی در زاویه 10 ، 33، 37 به ازای تعداد لحظات نظاره 128 و تعداد بین فرکانسی 128 110
شکل (5-32) مقایسه الگوریتم مطرح شده به ازای سیگنال دریافتی در زاویه 10 ، 33، 38 به ازای تعداد لحظات نظاره 128 و تعداد بین فرکانسی 128 …………………………………… 111
شکل (5-33) مقایسه الگوریتم مطرح شده به ازای سیگنال دریافتی در زاویه 10 ، 33، 39 به ازای تعداد لحظات نظاره 128 و تعداد بین فرکانسی 128 111
شکل (5-34) مقایسه الگوریتم مطرح شده به ازای سیگنال دریافتی در زاویه 10 ، 33، 34 به ازای تعداد لحظات نظاره 100 و تعداد بین فرکانسی 4 114
شکل (5-35) مقایسه الگوریتم مطرح شده به ازای سیگنال دریافتی در زاویه 10 ، 33، 37 به ازای تعداد لحظات نظاره 1024 و تعداد بین فرکانسی 16 115
شکل (5-36) مقایسه الگوریتم مطرح شده به ازای سیگنال دریافتی در زاویه 10 ، 33، 38 به ازای تعداد لحظات نظاره 100 و تعداد بین فرکانسی 8 115
شکل (5-37) مقایسه الگوریتم مطرح شده به ازای سیگنال دریافتی در زاویه 10 ، 33، 38 به ازای تعداد لحظات نظاره 100 و تعداد بین فرکانسی 16 116
شکل (5-38) مقایسه الگوریتم مطرح شده به ازای سیگنال دریافتی در زاویه 10 ، 33، 38 به ازای تعداد لحظات نظاره 100 و تعداد بین فرکانسی 16 116
شکل (39-5) مقایسه الگوریتم‌های متفاوت به ازای دو سیگنال دریافتی در زاویه‌های 10 و 33 و زاویه سیگنال سوم بین مقادیر 27 الی 39 به ازای SNR=2 و تعداد‌ لحظات نظاره SNAP=128 و تعداد در بین فرکانسSamp=64 117
شکل (40-5) مقایسه الگوریتم‌های متفاوت به ازای دو سیگنال دریافتی در زاویه‌های 10 و 33 و زاویه سیگنال سوم بین مقادیر 27 الی 39 به ازای SNR=5 و تعداد ‌لحظات نظاره SNAP=128 و تعداد در بین فرکانسSamp=64 117
شکل (41-5) مقایسه الگوریتم‌های متفاوت به ازای دو سیگنال دریافتی در زاویه‌های 10 و 33 و زاویه سیگنال سوم بین مقادیر 27 الی 39 به ازای SNR=9 و تعداد ‌لحظات نظاره SNAP=128 و تعداد در بین فرکانسSamp=64 118
شکل (42-5) مقایسه الگوریتم‌های متفاوت به ازای دو سیگنال دریافتی در زاویه‌های 10 و 33 و زاویه سیگنال سوم بین مقادیر 27 الی 39 به ازای SNR=14 و تعداد ‌لحظات نظاره SNAP=128 و تعداد در بین فرکانسSamp=64 118
شکل (43-5) مقایسه الگوریتم‌های متفاوت به ازای دو سیگنال دریافتی در زاویه‌های 10 و 33 و زاویه سیگنال سوم بین مقادیر 27 الی 39 به ازای SNR=16 و تعداد ‌لحظات نظاره SNAP=128 و تعداد در بین فرکانسSamp=64 119
 
 

چکیده:

 
جهت یابی سیگنال­های پهن باند
DOA Estimation for Wideband Signals
یکی از مهم­ترین کاربردهای آرایه ها، تحمین جهت یابی سیگنال­های انتشار یافته درمحیط می باشد. بسیاری از روش­های جهت یابی از دیرباز مورد بهره گیری قرار می­گیرند که به مرور زمان تغییراتی در آن­ها صورت گرفته می باشد. بسته به شرایط محیط، ممکن می باشد یکی از روش­های جهت یابی عملکرد بهتری نسبت به سایر روش­ها داشته باشد. نکته­ای که مطرح می باشد اینکه اغلب روش­های جهت یابی برای سیگنال­های باریک باند طراحی شده­اند. در اقدام ممکن می باشد سیگنال­هایی که در محیط وجود دارند یا پهن باند باشند و یا اینکه در بین­های فرکانسی مختلفی قرار داشته باشند.یکی از متداول ترین روش­ها در جهت یابی سیگنال­های پهن باند این می باشد که سیگنال پهن باند را به بین­های مختلف فرکانسی تفکیک نموده و سپس پردازش­های لازم را در حوزه فرکانس انجام دهیم. بر این اساس روش­های مختلفی برای جهت یابی سیگنال­های پهن باند اظهار شده می باشد.در بعضی از روش­ها جهت یابی هر بین فرکانسی به صورت مستقل از سایر بین­ها پردازش می گردد، که به روش­های ناهمبسته معروف هستند. بعضی دیگر از روش­ها اطلاعات بین­های مختلف فرکانسی را به صورتی با یکدیگر ترکیب می­کند و سپس جهت یابی را انجام می­دهد (روش­های همبسته). مشکل بزرگ روش­های همبسته این می باشد که بایستی در آغاز تخمین اولیه­ای از زوایای ورود منابع داشته باشیم. بعضی از روش­ها نیز هستند که ماهیت آن­ها متفاوت از روش­های همبسته و ناهمبسته می باشد و می­توان گفت حالت بین این دو روش هستند. مانند این روش­ها می­توان به TOPS[1] تصریح نمود. که برای رفع مشکل تخمین اولیه زوایا در روش­های همبسته معرفی شده می باشد.هدف از این پایان نامه مطالعه روشهای مختلف جهت یابی سیگنالهای پهن باند و مقایسه چگونگی عملکرد هر یک می باشد.
 

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   پایان نامه ارشد مهندسی برق مخابرات: طراحی یک لینک نوری با استفاده از نرم افزار

مقدمه:

در این فصل از پایان نامه مطالبی به اختصار در جهت آشنایی با مفاهیم پایه میدان‌های الکترومغنطیسی، روش‌های مختلف جهت یابی برای سیگنال‌های باند باریک معرفی گردیده و مزایا و چالش‌های اجرا هر یک از این الگوریتم‌ها مورد مطالعه قرار می‌گیرد. (فصل اول و دوم)
یکی از موردها بسیار مهم جهت یابی سیگنال‌ها، کاربرد آن در جهت دهی بین تشعشعی آنتن‌ها به مقصود ایجاد حداکثر توان ممکن در جهت هدف می‌باشد همچنین به مقصود جهت یابی اهداف در آغاز می‌بایست زاویه ورود هر سیگنال را به آرایه مشخص نمود. با بهره گیری از مفاهیم و روش‌های مطرح شده برای سیگنال‌های باند باریک و توسعه آن بر اساس سیگنال‌های باند پهن در فصل سوم به معرفی اگوریتم های مختلف باند پهن ودسته بندی آن پرداخته خواهد گردید. یکی از متداول ترین روش­ها در جهت یابی سیگنال­های پهن باند این می باشد که سیگنال پهن باند را به بین­های مختلف فرکانسی تفکیک نموده و سپس پردازش­های لازم را در حوزه فرکانس انجام دهیم. بر این اساس روش­های مختلفی برای جهت یابی سیگنال­های پهن باند اظهار شده می باشد.در بعضی از روش­ها جهت یابی هر بین فرکانسی به صورت مستقل از سایر بین­ها پردازش می گردد، که به روش­های ناهمبسته معروف هستند. بعضی دیگر از روش­ها اطلاعات بین­های مختلف فرکانسی را به صورتی با یکدیگر ترکیب می­کند و سپس جهت یابی را انجام می­دهد (روش­های همبسته). مشکل بزرگ روش­های همبسته این می باشد که بایستی در آغاز تخمین اولیه­ای از زوایای ورود منابع داشته باشیم. بعضی از روش­ها نیز هستند که ماهیت آن­ها متفاوت از روش­های همبسته و ناهمبسته می باشد و می­توان گفت حالت بین این دو روش هستند(فصل چهارم). مانند این روش­ها می­توان به TOPS[2] تصریح نمود [16] که برای رفع مشکل تخمین اولیه زوایا در روش­های همبسته معرفی شده می باشد. در فصل آخر با بهره گیری از شبیه سازی متلب الگوریتم های همبسته ونا همبسته، را پیاده سازی نموده و نتایج و چالش های مطرح شده را مورد مطالعه قرار خواهیم داد.

 

 

 

 

فصل اول

اصول انتشار امواج



 

1-1- مقدمه

در این فصل به صورت اختصار خروجی آنتن های آرایه ای را پردازش خواهیم نمود. بر این اساس آغاز میدان انتشار اسکالر[3] آنتن های آرایه ای را تبیین داده و سپس به معرفی سیگنال های باند باریک خواهیم پرداخت و در انتها مدل آرایه ای آنتن ها را در انتقال سیگنال های با پهنای باند گسترده (سیگنال پهن باند) تعریف خواهیم نمود.
 

1-2- انتشار امواج

همان گونه که می دانیم بر اساس معادله ماکسول تابع انتشار موج متغیری از زمان و مکان می باشد. پس معادله موج سیگنال های الکترو مغناطیسی با در نظر داشتن معادله ماکسول به صورت زیر تعریف می گردد:
(1-1)
که در آن شدت میدان الکتریکی، سرعت انتشار موج، عملگر لاپلاسین
(1- 2)
و بردار مکان تعریف می گردد. پس از اعمال به عنوان میدان اسکالر عمومی، معادله سیگنال موج ارسالی در لحظه t و موقعیت مکانی بر اساس معادله زیر محاسبه می گردد :
(1- 3)
که جواب معادله دیفرانسیلی بالا (شکل موج دریافتی) معمولاً به شکل زیر اظهار می گردد:
(1- 4)
با جایگذاری معادله (1-4) در معادله (1-3) عبارت زیر حاصل می گردد:
(1- 5)
به ازای کلیه مقادیر , , که در معادله بالا صادق باشد، جواب معادله موج را می توان به شکل قطبی زیر نمایش داد.
(1- 6)
که در آن را بردار عدد موج و تابع نمایی را تابع صفحه موج تک رنگ[4] می نامند. میدان اسکالر را می توان به صورت ترکیب تمامی صفحه های موج برای تمامی فرکانس ها به صورت آن چه در ادامه آمده می باشد، اظهار نمود[1]:
(1- 7)
که در آن
(1- 8)
و با در نظر داشتن این که
(1- 9)
طبق ارتباط (1- 5) نتیجه می گردد:
(1- 10)
و مقدار فاز در ارتباط (1- 6) به صورت زیر خواهد بود:
(1- 11)
معمولاً جهت و سرعت انتشار، با بردار (بردار آهستگی[5]) معرفی می گردد. با در نظر داشتن روابط بالا واضح می باشد که اندازه بردار برابر با عکس سرعت انتشار می باشد. با بهره گیری از مختصات کروی مطابق شکل (1-1)
می توان را به صورت زیر نمایش داد:
(1- 12)
با جایگذاری ارتباط بالا در معادله مکان – زمان، تابع انتشار سیگنال به صورت زیر به دست می آید:
(1- 13)
کهS( ) تبدیل فوریه تابع می باشد.
 

 
x
 
y
z

شکل 1-1- مختصات کروی

 
با در نظر داشتن این که تابعی از 4 متغیر می باشد، بایستی تبدیل فوریه چهار بعدی
گرفته گردد. پس تبدیل فوریه تابع سیگنال ارسالی به صورت زیر تعریف می گردد:
(1- 14)
و میدان موج در راستای محور یعنی به صورت زیر محاسبه می گردد:
(1- 15)
 

1-3-سنسورهای آرایه ای

هنگامی که آرایه ای از سنسورها در نقاط مختلفی پخش شده باشد، به گونه هم زمان سیگنال های ارسالی توسط سنسورها نمونه برداری و ثبت می گردد. به اظهار دیگر، سیگنال های آرایه شامل سیگنال های
انتشار یافته و نمونه برداری شده (فضایی و زمانی) توسط هر سنسور می باشد. سیگنال دریافتی توسط سنسور شماره را می توان به وسیله بردار (مکان سنسور ) نمایش داد. هنگامی که تعداد منبع ارسال سیگنال در جهت متفاوت موجود باشد، آنگاه سیگنال نمونه برداری شده در سنسور ام به شکل زیر خواهد بود:
(1- 16)
در این ارتباط نویز جمع شونده در سنسور ام می باشد. فرض بر این می باشد که نسبت به سیگنال ارسالی ناهمبسته و از نظر فضایی و زمانی یک فرآیند سفید باشد (نویز سفید و ناهمبسته نسبت به منبع موج ارسالی). حتی در صورتی که فرآیند نویز سفید نباشد، با مشخص بودن ماتریس کوواریانس آن
می توان فرآیند را سفید نمود. به گونه اختصار سیگنال دریافتی در هر سنسور چیزی به غیر از مجموع سیگنال منبع ارسال موج که به علت فاصله سنسورها با اختلاف زمانی متفاوت از یکدیگر ایجاد می گردد، نیست. از نقطه نظر گیرنده، پارامترهایی که بایستی تخمین زده گردد،‌ شامل تعداد منابع تولید کننده سیگنال( )، نوع سیگنال ارسالی ، زاویه افقی ورود سیگنال و زاویه فراز می باشد.
موضوع اصلی این پایان نامه، تخمین زاویه و زاویه می باشد با این فرض که تعداد منابع ارسال سیگنال یا مشخص می باشد و یا درست تخمین زده شده باشد ( معلوم می باشد).
 

1-4- پردازش سیگنال آرایه خطی

در این بخش موضوعات مربوط به پردازش سیگنال و روش های مورد بهره گیری برای تخمین جهت سیگنال دریافتی تبیین داده خواهد گردید.
[1] Test of Orthogonality of Projected Subspaces
[2] Test of Orthogonality of Projected Subspaces
[3] Propagating Scalar Field
[4]Monochromatic plane wave
[5]Slowness Vector
***ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل و با فرمت ورد موجود می باشد***

متن کامل را می توانید دانلود نمائید

زیرا فقط تکه هایی از متن پایان نامه در این صفحه درج شده (به گونه نمونه)

اما در فایل دانلودی متن کامل پایان نامه

 با فرمت ورد word که قابل ویرایش و کپی کردن می باشند

موجود می باشد

تعداد صفحه :163

قیمت : 14700 تومان

***

—-

پشتیبانی سایت :       ****       serderehi@gmail.com

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

—  — —

دسته‌ها: مهندسی برق