فهرست مطالبفصل اول : اصول انتشار امواج1-1- مقدمه41-2- انتشار امواج41-3-سنسورهای آرایه ای61-4- پردازش سیگنال آرایه خطی71-4-1- فرضیات پایه71-4-1-1- میدان دور71-4-1-2- سیگنال باند باریک71-4-1-3- ایستائی81-4-1-4- سیگنال های چندگانه81-4-1-5- نویز (Noise)81-5- تبدیل مکان – زمان91-6- سیگنال های تصادفی10 فصل دوم: روش های پردازش سیگنال های باند باریک2-1-مقدمه152-2-روش های مبتنی بر پایه طیف152-3-روش های شکل دهی پرتو152-3-1-روش شکل دهی پرتو متعارف152-3-2- روش کاپون172-3-3- روش های مبتنی بر زیر فضا192-3-4-معرفی روش 202-3-5- الگوریتم 212-3-6- معرفی روش 232-3-7-مدل داده ها252-3-8- الگوریتم ESPIRIT282-4-آنتن های آرایه ای312-5- مدل سیگنال352-6- ماتریس کوواریانس36 فصل سوم: جهت یابی سیگنال های پهن باند3-1- مقدمه393-2- معرفی سیگنال های باند پهن393-3- معرفی تکنیک های مختلف جهت یابی سیگنال های باند پهن413-3-1- مدلسازی داده های باند پهن413-3-2- معرفی اجمالی روش های جهت یابی سیگنال های باند پهن با استفاده از بانک فیلتر423-3-3- مدل فرکانسی سیگنال باند پهن443-3-4- الگوریتم های مختلف جهت یابی سیگنال های پهن باند473-3-5- روش های جهت یابی ناهمبسته473-3-6- روش های ناهمبسته فرکانسی483-3-7- فرم دهنده بیم به روش کاپون483-3-8- میانگین گیری حسابی513-3-9- روش میانگین گیری هندسی523-3-10- روش میانگین گیری هارمونیک533-3-11- الگوریتم موزیک پهن باند533-3-12- الگوریتم وزن دهی مناسب زیرفضاها553-3-13- محاسبه تخمین به روش 583-3-14- ملاحظات عملی در روش 603-3-15- روش های جهت یابی همبسته زیرفضایی()623-3-16- روش ماتریس تمرکز قطری623-3-17- روش زیرفضای چرخشی سیگنال643-3-18- استفاده از ماتریس کانونی در روش 663-3-19-- روش وزن دهی متوسط به زیر فضاهای سیگنال()67 فصل چهارم:الگوریتم TOPS4-1- مقدمه704-2- مفاهیم پایه704-3- ارائه یک مدل ریاضی714-4- توسعه الگوریتم به فضای چند بعدی764-5- تصویر در راستای زیرفضای سیگنال784-6- الگوریتم محاسبه804-6-1- پیچیدگی محاسبات81 فصل پنجم:شبیه سازی الگوریتم های تخمین DOAبرای آرایه های خطی835-1- مقدمه845-2- الگوریتم های تخمین 845-2-1- معرفی اجمالی الگوریتم های به کار رفته در شبیه سازی845-2-1-1- بررسی الگوریتم MUSIC و Capon855-2-1-2- الگوریتم همبستگی زیرفضای سیگنال()865-2-1-3- ماتریس زیرفضای کانونی سیگنال ()885-2-1-3-1- الگوریتم محاسبه روش 895-2-1-3-2-نکات مهم در محاسبه تخمین به روش 905-3- مدل سازی داده ها915-3-1- خصوصیات منبع سیگنال ارسالی915-3-2- مفروضات داده های دریافتی توسط آرایه آنتن925-4- سناریوهای شبیه سازی شده.......................... 925-4-1- سناریوی شماره 192 فصل ششم: نتیجه‌گیری و پیشنهادات6-1- نتیجه‌گیری..................................... 1226-2- پیشنهادات .................................... 123مراجع121 فهرست جداولعنوان صفحه جدول شماره (5-1)– مبنای شبیه سازی92جدول شماره (5-2) – خلاصه اطلاعات شبیه سازی در سناریوی اول93 فهرست تصاویرعنوان صفحه شکل 1-1- مختصات کروی6شکل 1- 4- پردازش سیگنال در آرایه ای ازآنتن ها شامل آنتن13شکل 2-1- هندسه آرایه 24شکل 2-2- نمایش آرایه ها برای الگوریتم 25شکل 2-3- الگوریتم استاندارد با دو زیر آرایه غیر هم پوش و هرکدام شامل سنسور29شکل 2-4- الگوریتم استاندارد با دو زیر آرایه با هم پوشانی حداکثر و هرکدام شامل سنسور29شکل 2-5- آرایه خطی32شکل 2-6- نمونه برداری فضایی از سیگنال ارسالی توسط آرایه خطی از آنتن ها33شکل 3-1- الف - آرایه خطی45شکل 3-1- ب آرایه دایره ای46شکل 3-2- الگوی پرتودهی در روش کاپون به ازای منبع ارسالی 0db در بین فرکانسی 150 هرتز و دریافتی توسط آرایه ای از 20 سنسور49شکل 3-3- ضرب اسکالر بردار هدایت در بردار ویژه 50شکل (5- 1) – خروجی الگوریتم MUSIC در و زوایای 94شکل (5- 2) – خروجی الگوریتم SSF در و زوایای 94شکل (5-3) - خروجی الگوریتم WAVES در و زوایای 95شکل (5- 4) – خروجی الگوریتم Capon Arithmetic در و زوایای 96شکل (5- 5) – خروجی الگوریتم Capon Harmonic در و زوایای 97شکل (5- 6) – خروجی الگوریتم Capon Geometric در و زوایای 97شکل (5- 7) – خروجی الگوریتم MUSIC در و زوایای 98شکل (5- 8) – خروجی الگوریتم SSF در و زوایای 98شکل (5- 9) – خروجی الگوریتم WAVES در و زوایای 99شکل (5- 10) – خروجی الگوریتمCapon Arithmetic در و زوایای 99شکل (5- 11) – خروجی الگوریتمCapon Harmonic در و زوایای 100شکل (5- 12) – خروجی الگوریتمCapon Geometric در و زوایای 100شکل (5- 13) – خروجی الگوریتم MUSICدر و زوایای 101شکل (5- 14) – خروجی الگوریتم SSFدر و زوایای 101شکل (5- 15) – خروجی الگوریتم WAVESدر و زوایای 102شکل (5- 16) – خروجی الگوریتم Capon Arithmeticدر و زوایای 102شکل (5- 17) – خروجی الگوریتم Capon Harmonic و زوایای 103شکل (5- 18) – خروجی الگوریتم Capon Geometric و زوایای 103شکل (5- 19) – خروجی الگوریتم MUSIC برای و زوایای 104شکل (5- 20) – خروجی الگوریتم WAVES برای و زوایای 104شکل (5- 21) – خروجی الگوریتم Capon Arithmetic برای و زوایای 105شکل (5- 22) – خروجی الگوریتم Capon Harmonic برای و زوایای 105شکل (5- 23) – خروجی الگوریتم Capon Geometric برای و زوایای 106شکل (5- 24) – خروجی الگوریتم MUSIC برای و زوایای 106شکل (5- 25) – خروجی الگوریتم SSF برای و زوایای 107شکل (5- 26) – خروجی الگوریتم WAVES برای و زوایای 107شکل (5- 27) – خروجی الگوریتم Capon Arthimetic برای و زوایای 108شکل (5- 28) – خروجی الگوریتم Capon Harmonic برای و زوایای 108شکل (5- 29) – خروجی الگوریتمCapon Geometrics برای و زوایای 1095-4-2- سناریو 2109شکل (5-30) مقایسه 5 الگوریتم مطرح شده به ازای سیگنال دریافتی در زاویه 100 ، 330، 360 به ازای تعداد لحظات مشاهده 128 و تعداد بین فرکانسی 128)110شکل (5-31)محاسبه میزان خطا به ازای سیگنال دریافتی در زاویه 100 ، 330، 370 به ازای تعداد لحظات مشاهده 128 و تعداد بین فرکانسی 128110شکل (5-32) مقایسه الگوریتم مطرح شده به ازای سیگنال دریافتی در زاویه 100 ، 330، 380 به ازای تعداد لحظات مشاهده 128 و تعداد بین فرکانسی 128 .......................................... 111شکل (5-33) مقایسه الگوریتم مطرح شده به ازای سیگنال دریافتی در زاویه 100 ، 330، 390 به ازای تعداد لحظات مشاهده 128 و تعداد بین فرکانسی 128111شکل (5-34) مقایسه الگوریتم مطرح شده به ازای سیگنال دریافتی در زاویه 100 ، 330، 340 به ازای تعداد لحظات مشاهده 100 و تعداد بین فرکانسی 4114شکل (5-35) مقایسه الگوریتم مطرح شده به ازای سیگنال دریافتی در زاویه 100 ، 330، 370 به ازای تعداد لحظات مشاهده 1024 و تعداد بین فرکانسی 16115شکل (5-36) مقایسه الگوریتم مطرح شده به ازای سیگنال دریافتی در زاویه 100 ، 330، 380 به ازای تعداد لحظات مشاهده 100 و تعداد بین فرکانسی 8115شکل (5-37) مقایسه الگوریتم مطرح شده به ازای سیگنال دریافتی در زاویه 100 ، 330، 380 به ازای تعداد لحظات مشاهده 100 و تعداد بین فرکانسی 16 116شکل (5-38) مقایسه الگوریتم مطرح شده به ازای سیگنال دریافتی در زاویه 100 ، 330، 380 به ازای تعداد لحظات مشاهده 100 و تعداد بین فرکانسی 16116شکل (39-5) مقایسه الگوریتم‌های متفاوت به ازای دو سیگنال دریافتی در زاویه‌های 100 و 330 و زاویه سیگنال سوم بین مقادیر 270 الی 390 به ازای SNR=2 و تعداد لحظات مشاهده SNAP=128 و تعداد در بین فرکانسSamp=64117شکل (40-5) مقایسه الگوریتم‌های متفاوت به ازای دو سیگنال دریافتی در زاویه‌های 100 و 330 و زاویه سیگنال سوم بین مقادیر 270 الی 390 به ازای SNR=5 و تعداد لحظات مشاهده SNAP=128 و تعداد در بین فرکانسSamp=64117شکل (41-5) مقایسه الگوریتم‌های متفاوت به ازای دو سیگنال دریافتی در زاویه‌های 100 و 330 و زاویه سیگنال سوم بین مقادیر 270 الی 390 به ازای SNR=9 و تعداد لحظات مشاهده SNAP=128 و تعداد در بین فرکانسSamp=64118شکل (42-5) مقایسه الگوریتم‌های متفاوت به ازای دو سیگنال دریافتی در زاویه‌های 100 و 330 و زاویه سیگنال سوم بین مقادیر 270 الی 390 به ازای SNR=14 و تعداد لحظات مشاهده SNAP=128 و تعداد در بین فرکانسSamp=64118شکل (43-5) مقایسه الگوریتم‌های متفاوت به ازای دو سیگنال دریافتی در زاویه‌های 100 و 330 و زاویه سیگنال سوم بین مقادیر 270 الی 390 به ازای SNR=16 و تعداد لحظات مشاهده SNAP=128 و تعداد در بین فرکانسSamp=64119 چکیده: جهت یابی سیگنالهای پهن باندDOA 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 استفاده قرار میگیرند که به مرور زمان تغییراتی در آنها صورت گرفته است. بسته به شرایط محیط، ممکن است یکی از روشهای جهت یابی عملکرد بهتری نسبت به سایر روشها داشته باشد. نکتهای که مطرح است اینکه اغلب روشهای جهت یابی برای سیگنالهای باریک باند طراحی شدهاند. در عمل ممکن است 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 است که سیگنال پهن باند را به بینهای مختلف فرکانسی تفکیک نموده و سپس پردازشهای لازم را در حوزة فرکانس انجام دهیم. بر این اساس روشهای مختلفی برای جهت یابی سیگنالهای پهن باند بیان شده است.در برخی از روشها جهت یابی هر بین فرکانسی به صورت مستقل از سایر بینها پردازش می گردد، که به روشهای ناهمبسته مشهور هستند. برخی 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 است که بایستی در ابتدا تخمین اولیهای از زوایای ورود منابع داشته باشیم. برخی از روشها نیز هستند که ماهیت آنها متفاوت از روشهای همبسته و ناهمبسته است و میتوان گفت حالت بین این دو روش هستند. از جملة این روشها میتوان به TOPS[1] اشاره کرد. که برای رفع مشکل تخمین اولیة زوایا در روشهای همبسته معرفی شده است.هدف از این پایان نامه بررسی روشهای مختلف جهت یابی سیگنالهای پهن باند و مقایسه نحوه عملکرد هر یک می باشد.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 بررسی قرار می‌گیرد. (فصل اول و دوم)یکی از موارد بسیار مهم جهت یابی سیگنال‌ها، کاربرد آن در جهت دهی بین تشعشعی آنتن‌ها به منظور ایجاد حداکثر توان ممکن در جهت هدف می‌باشد همچنین به منظور جهت یابی اهداف در ابتدا می‌بایست زاویه ورود هر سیگنال را به آرایه مشخص نمود. با استفاده 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 شد. یکی از متداول ترین روشها در جهت یابی سیگنالهای پهن باند این است که سیگنال پهن باند را به بینهای مختلف فرکانسی تفکیک نموده و سپس پردازشهای لازم را در حوزة فرکانس انجام دهیم. بر این اساس روشهای مختلفی برای جهت یابی سیگنالهای پهن باند بیان شده است.در برخی از روشها جهت یابی هر بین فرکانسی به صورت مستقل از سایر بینها پردازش می گردد، که به روشهای ناهمبسته مشهور هستند. برخی 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 است که بایستی در ابتدا تخمین اولیهای از زوایای ورود منابع داشته باشیم. برخی از روشها نیز هستند که ماهیت آنها متفاوت از روشهای همبسته و ناهمبسته است و میتوان گفت حالت بین این دو روش هستند(فصل چهارم). از جملة این روشها میتوان به TOPS[2] اشاره کرد [16] که برای رفع مشکل تخمین اولیة زوایا در روشهای همبسته معرفی شده است. در فصل آخر با استفاده از شبیه سازی متلب الگوریتم های همبسته ونا همبسته، را پیاده سازی نموده و نتایج و چالش های مطرح شده را مورد بررسی قرار خواهیم داد.