-8-1 لایه تطبیق کامل 18…………………………………………………………………………….. PML

فصل دوم : مدل کردن عناصر فشرده پسیو و اکتیو با استفاده از روش FDTD

-1-2 عناصر فشردة خطی…………………………………………………………………………………. 27

-1-1-2 مقاومت……………………………………………………………………………………………… 29

-2-1-2 منبع ولتاژ مقاومتی………………………………………………………………………………. 30

-3-1-2 خازن………………………………………………………………………………………………… 32

-4-1-2 سلف…………………………………………………………………………………………………. 32

-5-1-2 سیم یا اتصال………………………………………………………………………………………. 33

-2-2 مدل کردن عنصر فشرده در بیش از یک سلول………………………………………………… 33

-3-2 مدل کردن عناصر اکتیو…………………………………………………………………………….. 37

-4-2 روش FDTD بسط یافته…………………………………………………………………………… 39

-5-2 مدل گلوبال……………………………………………………………………………………………. 41

-6-2 روش منبع جریان معادل 48…………………………………………………….. …………………………..

-1-6-2 فرمول بندی روش منبع جریان معادل……………………………………………………….. 49

-2-6-2 دستگاه های اکتیو خطی……………………………………………………………………….. 53

-3-6-2 دستگاه اکتیو غیر خطی………………………………………………………………………… 56

فصل سوم : تقویت کننده مایکروویوی

-1-3عناصر مداری مایکروویو……………………………………………………………………………… 61

-1-1-3 مدارات عنصر فشرده…………………………………………………………………………….. 61

-2-1-3 مدارات خط توزیع شده…………………………………………………………………………. 61

-2-3 تطبیق شبکه های مایکروویو 61……………………………………………….. …………………………..

-3-3 تقویت کننده های مایکروویو………………………………………………………………………. 61

-1-3-3 تقویت کننده های مایکروویوی از نظر ساختار……………………………………………… 62

-2-3-3 تقویت کننده های مایکروویوی از نظر ساختار مداری…………………………………….. 62

-3-3-3تقویت کننده های مایکروویوی از نظر عملکرد………………………………………………. 62

-4-3 تقویت کننده یک طبقه مایکروویوی……………………………………………………………… 65

-5-3 مدل سیگنال کوچک 67………………………………………………………………….. MESFET

-1-5-3اندوکتانس های پارازیتیک 67………………………………………………… …………………………..

 

-2-5-3 مقاومت های پارازیتیک………………………………………………………………………….. 68

-3-5-3خازن های درونی…………………………………………………………………………………… 68

-4-5-3مقاومت با ر69………………………………………………………………………………………. Ri

-5-5-3ضریب هدایت متقابل……………………………………………………………………………… 69

-6-5-3زمان گذر…………………………………………………………………………………………….. 69

-7-5-3مقاومت خروجی…………………………………………………………………………………… .70

فصل چهارم : طراحی و شبیه سازی تقویت کننده

-1-4 طراحی تقویت کننده سیگنال کوچک…………………………………………………………… 73

-1-1-4 شبکه تطبیق خروجی…………………………………………………………………………… 76

-2-1-4 شبکه تطبیق ورودی…………………………………………………………………………….. 77

-2-4 مشخصات خط مایکرواستریپ 78………………………………………………. …………………………..

-3-4 مشخصات شبکه FDTD در شبیه سازی……………………………………………………….. 80

-4-4 مدل سازی عنصر فعال……………………………………………………………………………… 80

-1-4-4 مدل منبع جریان…………………………………………………………………………………. 85

-2-4-4 مدل منبع ولتاژ……………………………………………………………………………………. 89

-5-4 محاسبه پارامترهای 92……………………………………………………………………………….. S

-6-4 پروسه شبیه سازی…………………………………………………………………………………… 94

نتیجه…………………………………………………………………………………………………………… 100

پیوست…………………………………………………………………………………………………………. 101

منابع و ماخذ………………………………………………………………………………………………… . 102

چکیده انگلیسی……………………………………………………………………………………………… 106

فهرست شکل ها

:1-1 یک در میان قرار گرفتن میـدان های E و H از نظر زمـانی و مکانی در فرمـــول بندی

10……………………………………………………………………………………………………….. FDTD

:2-1 سلول 15……………………………………………………………………………………………… yee

:1-2 منبع ولتاژ مقاومتی که در جهت z مثبت قرار گرفته است…………………………………. 31

:2-2 مدار مربوط به عنصر فشرده که در چندین سلول yee واقع شده است………………….. ..35

:3-2 مدل کردن ترانزیستور در شبکه 41………………………………………………………… FDTD

 

این مطلب را هم بخوانید :

:4-2 دید فوقانی نیمی از ساختار 45…………………………………………………. GaAs MESFET

:5-2 تقویت کننده ترانزیستور GaAs و شبکه تطبیق……………………………………………….. 46

:6-2 شبکه تطبیق ورودی………………………………………………………………………….. 47
:7-2 کوپلینگ در 47……………………………………………………………………. GaAs MESFET

:8-2 شبکه تطبیق خروجی 47………………………………………………………… …………………………..

:9-2 صفحه اکتیو ABCD در انتهای خط مایکرواستریپ……………………………………………. 50

:10-2 نمایش مدار معادل لبه های سلول (i, j) در شبکه 51………………………………… FDTD

:11-2 شبکه اکتیو و ختم شدگی آن به جریان دستگاه……………………………………………. 52

:12-2 مدار معادل سلول 52………………………………………………………………………… FDTD

:1-3 عملکرد سیگنال کوچک تقویت کننده 64……………………………………. …………………………..

:2-3 عملکرد سیگنال بزرگ تقویت کننده…………………………………………………………….. 64

:3-3 نمای کلی تقویت کننده یک طبقه……………………………………………………………… ..65

:4-3 تقویت کننده در این پایان نامه……………………………………………………………………. 66

:5-3 مدل 16 عنصری سیگنال کوچک 70………………………………………………….. MESFET

:6-3 ناحیه تخلیه زیر گیت……………………………………………………………………………….. 71

:1-4 تقویـت کننده مایکــروویوی شبیه سازی شـده در این پایان نامـه با استفـاده از

MESFET مایکروویوی 77………………………………………………………………………….. js8851

:2-4 مقادیر S اندازه گیری شده با استفاده از نرم افزار مایکروویو آفیس………………………… 78

:3-4 خط مایکرواستریپ 79……………………………………………………………. …………………………..

:4-4 (الف) قرار گرفتن منابع معادل جریان در روش معادل نرتن. (ب) مدار معادل فرم انتگرالی

قانون آمپر 81……………………………………………………………………………… …………………………..

:5-4 (ج) قرار گرفتن منـابع ولتاژ معادل در روش معـادل تونن. (د) مدار معـادل فرم انتگرالی

قانون فاراد…………………………………………………………………………………………………….. 82

:6-4 پارامترهای S به دست آمده حاصل از شبیه سازی 85……………………… …………………………..

:7-4 مدل منبع جریان معادل……………………………………………………………………………. 86

:8-4 منبع ولتاژ معادل…………………………………………………………………………………….. 89

:9-4 پارامترهای S به دست آمده با استفاده از روش منبع ولتاژ معادل………………………….. 96

:10-4 پارامترهای S به دست آمده با استفاده از روش منبع جریان معادل……………………… 97

:11-4 پارامترهای S حاصل شده از شبیه سازی در حوزه فرکانس با استفاده از 98……… MWO

چکیده                                                                                                                              ١

چکیده:

در این پایان نامه از روش FDTD جهت شبیه سازی و آنالیز یک تقویت کننده مایکروویوی در فرکانس

10GHz، استفاده شده است.  این تقویت کننده شامل منبع AC ، مدارات تطبیق ورودی و خروجی و

یک MESFET مایکروویوی JS8851 به عنوان دستگاه اکتیو می باشد.  روش منابع جریان و منابع ولتاژ

معادل جهت مدل کردن عنصر فعال به کار رفته اند و با توجه به مدل سیگنال کوچک MESFET و

معادلات حالت مربوطه، شبیه سازی تمام موج با استفاده از روش FDTD انجام می شود و میدان های

الکتریکی و مغناطیسی در صفحات فعال به روز می شوند.  در نهایت پارامترهای اسکترینگ تقویت کننده

با استفاده از تبدیل فوریه پاسخ زمانی به دست می آیند.  نتایج حاصل از شبیه سازی با دو روش معادل

ولتاژ و جریان با یکدیگر مقایسه شده اند.  از آن جایی که این دو روش دوگان یکدیگرند توافق خوبی با

یکدیگر دارند.  این نتایج با نتایج به دست آمده از روش فرکانسی با نرم افزار مایکروویوآفیس نیز مقایسه

شده اند.

مقدمه

روش های عددی ابزاری بسیار مفید در شبیه سازی مسائل الکترومغناطیسی هستند.  از این رو می توان

به روش ممان، روش عنصر محدود و روش تفاضلات محدود در حوزة زمان به عنوان مهم ترین این روش

ها اشاره کرد.  روش عددی FDTD به دلیل قابلیت آن در شبیه سازی انواع شکل های پیچیده، بدون

نیاز به حل ماتریس های بزرگ، معادلات غیر خطی و معادلات انتگرالی پیچیده، نسبت به سایر روش

های ذکر شده از مزایایی برخوردار است.  همچنین با استفاده از این روش می توان با یک بار اجرای

برنامه، پاسخ فرکانسی سیستم تحت بررسی را در باند وسیعی در اختیار داشت.

فصل اول :

معرفی روش FDTD

فصل اول: معرفی روش FDTD
مقدمه:

روش های عددی ابزاری بسیار مفید در شبیه سازی مسائل الکترومغناطیسی هستند. از این رو می توان

به روش ممان، روش عنصر محدود و روش تفاضلات محدود در حوزة زمان به عنوان مهم ترین این روش

ها اشاره کرد. روش عددی 1 FDTD به دلیل قابلیت آن در شبیه سازی انواع شکل های پیچیده، بدون

نیاز به حل ماتریس های بزرگ، معادلات غیر خطی و معادلات انتگرالی پیچیده، نسبت به سایر روش

های ذکر شده از مزایایی برخوردار است. همچنین با استفاده از این روش می توان با یک بار اجرای

برنامه، پاسخ فرکانسی سیستم تحت بررسی را در باند وسیعی در اختیار داشت. به طور کلی می توان با

یک بار اجرای برنامه، پاسخ فرکانسی سیستم تحت بررسی را در اختیار داشت. به طور کلی می توان به

مزایای این روش نسبت به سایر روش های عددی اینچنین اشاره کرد.

١- این روش نیاز به حل معادلات انتگرالی ندارد و مسائل پیچیده بدون نیاز به معکوس سازی

ماتریس های بزرگ قابل حل هستند.

٢- این روش برای استفاده در ساختارهای پیچیده، غیر همگن هادی یا دی الکتریک ساده است،

زیرا مقادیر ε، μ و σ در هر نقطه از شبکه قابل تعریف است.

٣- نتایج حوزه فرکانس با استفاده از نتایج حوزه زمان بسیار ساده تر از روش معکوس گیری از

ماتریس به دست می آیند. بنابراین نتایج باند وسیع فرکانسی به راحتی محاسبه می شوند.

٤- این روش موجب استفاده از حافظه به صورت ترتیبی می شود.

اما این روش دارای معایبی نیز هست که عبارتند از:

١- مش بندی اجسام پیچیده دشوار است.

٢- از آن جایی که شبکه به شکل چهار گوش است، مسائل با سطوح منحنی را در بر نمی گیرد و

در مدل سازی آن با این روش با خطا مواجه خواهیم شد.

٣- در الگوریتم های تفاضل محدود، مقادیر میدان ها فقط در گره های شبکه مشخص است.

٤- برای دست یابی به دقت بالا در محاسبات، نیاز به اجرای برنامه در تعداد گام زمانی زیاد است که

سبب کندتر شدن اجرای برنامه می شود.

چند دلیل افزایش علاقه مندی به استفاده از FDTD و روش های حل محاسباتی مربوطه اش برای

معادلات ماکسول وجود دارد.

FDTD -1  از جبر غیر خطی استفاده می کند. با یک محاسبه کاملاً ساده، FDTD از مشکلات جبر

خطی که اندازة معادله انتگرالی حوزة فرکانس و مدل های الکترومغناطیسی عنصر محدود را به کمتر

از 106 میدان نامشخص الکترومغناطیسی محدود می کند؛ اجتناب می کند. مدل های FDTD با 109

میدان ناشناخته، اجرا می شوند.

FDTD -2 دقیق و عملی می باشد. منابع خطا در محاسبات FDTD به خوبی شناخته شده اند و این

خطاها می توانند محدود شوند به گونه ای که مدل های دقیقی را برای انواع مسائل عکس العمل موج

الکترومغناطیسی فراهم کنند.

FDTD -3 طبیعتاً رفتار ضربه ای دارد. تکنیک حوزة زمان باعث می شود تا FDTD به طور مستقیم

پاسخ ضربه یک سیستم الکترومغناطیسی را محاسبه کند. بنابراین شبیه سازی FDTD می تواند شکل

موج های زمانی بسیار پهن باند یا پاسخ های پایدار سینوسی را در هر فرکانسی در طیف تحریک فراهم

کند.

FDTD -4 طبیعتاً رفتار غیر خطی دارد. با استفاده از تکنیک حوزة زمان، FDTD پاسخ غیر خطی یک

سیستم الکترومغناطیسی را محاسبه می کند.

FDTD -5 یک روش سیستماتیک می باشد. با FDTD می توان به جای استفاده از معادلات انتگرالی

پیچیده از تولید مش برای مشخص کردن مدل یک ساختار جدید استفاده نمود. به عنوان مثال FDTD

نیازی به محاسبه توابع گرین مربوط به ساختار مورد نظر ندارد.

-6 ظرفیت حافظه کامپیوتر به سرعت در حال افزایش است. در حالی که این روش به طور مثبت تمام

تکنیک های عددی را تحت تاثیر قرار می دهد، این از مزیت های روش FDTD است که گسسته سازی

مکانی را روی یک حجم انجام می دهد، بنابراین نیاز به RAM بسیار زیادی دارد.

-7 توانایی مصور سازی کامپیوترها به سرعت در حال افزایش است. در حالی که این روش به طور مثبت

تمام تکنیک های عددی را تحت تاثیر قرار می دهد. این از مزیت های روش FDTD است که آرایه گام

های زمانی از مقادیر میدان را برای استفاده در ویدئو های رنگی برای نمایش حرکت میدان مناسب می

سازد.

-1-1 تاریخچه تکنیکFDTD  در معادلات ماکسول

 

عنوان	صفحه
.5-0 مقدمه	67
.5-1 خطوط ریز نوار	67
.5-1-1 زمینه های دی الکتریک	68
.5-1-2 امپدانس مشخصه	69
.5-2 افت در خطوط ریز نوار	71
.5-2-1 افت دی الکتریک	72
.5-2-2 افت اهمی	74
.5-2-3 افت تشعشی	76
فصل ششم : طراحی وشبیه سازی LNA متعادل باند X با استفاده از کوپلر لانژ	78
.6-0 مقدمه	79
.6-1 کوپلر لانژ	79
.6-1-1 معادلات اساسی کوپلر های لانژ	80
.6-1-2 طراحی کوپلر لانژ 3dB باند X	86
.6-1-3 نتایج شبیه سازی شده کوپلر لانژ	90
.6-2-1 تقویت کننده های متعادل	92
.6-2-2 طراحی تقویت کننده متعادل باند X	95
.6-3 طراحی شبکه های تطبیق ورودی و خروجی	97
.6-3-1 طراحی تقویت کننده های کم نویز	97
طراحی شماره 1	98
نتایج شبیه سازی شده طراحی شماره 1	106
طراحی شماره 2	108
نتایج شبیه سازی شده طراحی شماره 2	115
طراحی شماره 3	117
نتایج شبیه سازی شده طراحی شماره 3	124
.6-3-2 طراحی تقویت کنندة پهن باند	138
.6-3-2-1 تحلیل روش های تطبیق جبران شده	132
.6-3-2-2 روش لیائو در طراحی تقویت کننده پهن باند	134
نتیجه گیری	140
منابع	141
پیوست : کاتالوگ ترانزیستور FHX04LG	142

فهرست جدول ها

عنوان		صفحه
جدول 1-2-1طبقه بندی تقویت کننده های مایکروویو		6
جدول 2-9-1	مقادیر مربوط به دایره های نویز	41
جدول 4-0-1	نقاط کار مجاز GaAs MESFET مایکروویو	55

فهرست شکل ها

عنوان	صفحه
شکل 2-2-2 پارامترهای S شبکه دو قطبی	9
شکل 2-3-1 شبکه دو پورتی	11
شکل 2-3-2 جریان سیگنال	11
شکل 1-4-1 تعریف توانها	13
شکل 2-5-1 پایداری شبکه های دو پورتی	17
شکل 2-5-2 ساختار دوایر پایداری در نمودار اسمیت	19
شکل 2-5-3 نواحی پایداری و ناپایداری در صفحه ΓL	20
شکل 2-6-1 بلوك دیاگرام بهره توان انتقالی یکطرفه	23
شکل 2-8-1 قسمت ورودی تقویت کننده مایکروویو	31
شکل 2-9-1 شبکه با مشخصه نویز	34
شکل 2-9-2 خط انتقال با مشخصه تضعیف	35
شکل 2-9-3 اجزای شبکه دو طبقه	35
شکل 2-9-4 مدار معادل شبکه دو طبقه	36
شکل 2-9-5 سیستم گیرنده محلی	37
شکل 2-2-6 اجزاء ترکیبی شبکه با نویز پایین	38
شکل2-9-7 دایره های عدد نویز	42
شکل 3-0-1 بلوك دیاگرام یک تقویت کننده مایکروویو	44
شکل 3-0-2 شبکه های تطبیق	45
شکل 3-1-1 ساختار یک مدار تطبیق	45
شکل 3-1-2a شبکه تطبیق	46
شکل 3-1-2b تحقیق شبکه تطبیق بر روی نمودار اسمیت	47
شکل 3-1-2c تحقیق شبکه تطبیق بر روی نمودار اسمیت	48
شکل 3-1-3a شبکه تطبیق	49
شکل 3-1-3b تحقیق شبکه تطبیق بر روی نمودار اسمیت	50
شکل 3-1-3c تحقیق شبکه تطبیق بر روی نمودار اسمیت	51
شکل 3-1-4 شبکه تطبیق	50
شکل 4-0-1 عملکرد سیگنال کوچک تقویت کننده مایکروویو	54
شکل 4-0-2 عملکرد سیگنال بزرگ تقویت کننده مایکروویو	55

 

عنوان									صفحه		این مطلب را هم بخوانید :
شکل 4-1-1 تغذیه توان دو قطبی									57
شکل 4 -1-2 a تغذیه توان مثبت									58
شکل 4-1-2b تغذیه توان منفی									58
شکل 4-1-3 تغذیه توان تک قطبی									59
شکل 4-1-4 یک مدار بایاس dc فعال									60
شکل 4-1-5 مدار بایاس dc فعال									63
شکل 4-1-6 نقاط کار ترانزیستور مایکروویو									65
شکل 5-1-1 ساختمان یک خط ریز نوار									68
شکل 5-1-2 ، امپدانس مشخصه یک خط ریز نوار									70
شکل 6-1-1 نمایه کوپلر لانج									80
شکل 5-1-3 رابطه بین		S		,		W		با ادمیتانس زوج وفرد	83
		d				d			84
شکل 5-1-4 تفاضل فاز بین پورت های خروجی کوپلر لانج
شکل 6-1-5 کوپلر لانژ زیر تزویج									84
شکل 6-1-6 کوپلر لانژ بالای تزویج									85
شکل 6-1-7 رابطه بین	S		,			W	با ادمیتانس زوج وفرد		88
		d				d			89
شکل 6-1-8 اندازه های پارامتریک کوپلر لانژ طراحی شده
شکل 6-1-9 نمایه طراحی کوپلر									89
شکل 6-1-10 اندازه گیر ی های توان پورت ها									90
شکل 6-1-11 اندازه فاز در پورت های خروجی									90
شکل 6-1-12 توان ارسالی در پورت های خروجی									91
شکل 6-1-13 توان برگشتی در پورت ورودی و پورت ایزوله									91
شکل .6-2-1 تقویت کننده متعادل با پیوننده های لانژ									92
شکل 6-2-2 تقویت کننده متعادل بهمراه شبکه تطبیق									94
شکل 6-2-3 تقویت کننده متعادل با هایبرید 90 درجه									96
شکل 6-3-1 دایره های بهره توان و دایره نویز بر روی نمودار اسمیت طرح شماره1									102
شکل 6-2-2 تحقیق شبکه تطبیق خروجی با استفاده از نمودار اسمیت									103
شکل 6-3-3 تحقیق شبکه تطبیق ورودی با استفاده از نمودار اسمیت									104
شکل 6-3-4 شماتیک عناصر شبکه تطبیق ورودی و خروجی									105
شکل 6-3-5 پاسخ فرکانسی تقویت کننده متعادل طرح شماره 1									106

 

عنوان		صفحه
شکل 6-3-6 برسی معیار بهره برای تقویت کننده معمولی و متعادل		107
شکل 6-3-7 برسی معیارنویز برای تقویت کننده معمولی و متعادل		107
شکل 6-3-7 دایره های بهره توان و دایره نویز بر روی نمودار اسمیت طرح شماره2		110
شکل 6-3-8 تحقیق شبکه تطبیق خروجی با استفاده از نمودار اسمیت		112
شکل 5-3-9 تحقیق شبکه تطبیق ورودی با استفاده از نمودار اسمیت		113
شکل 6-3-10 شماتیک عناصر شبکه تطبیق ورودی و خروجی		114
شکل 6-3-11 پاسخ فرکانسی تقویت کننده متعادل		115
شکل 6-3-12 بررسی معیار نویز برای تقویت کننده معمولی و تقویت کننده متعادل		116
شکل 6-3-13 دایره بهره توان خروجی بر روی نمودار اسمیت طرح شماره3		120
شکل 6-3-14 تحقیق شبکه تطبیق خروجی با استفاده از نمودار اسمیت		122
شکل 6-3-15 شماتیک عناصر شبکه تطبیق ورودی و خروجی		124
شکل 6-3-16 طرح تقویت کننده متعادل با استفاده از کوپلر لانژ		125
شکل 6-3-17 پاسخ فرکانسی تقویت کننده متعادل		125
شکل 6-3-18 بررسی معیار نویز برای تقویت کننده معمولی و تقویت کننده متعادل		126
شکل 6-3-19 توان برگشتی در پورت های ورودی و پورت خروجی		126
شکل 6-3-20 میزان VSWR در ورودی تقویت کننده معمولی و متعادل		127
شکل 6-3-21 میزان VSWR در خروجی تقویت کننده معمولی و متعادل		127
شکل 6-3-22	معیار توان تقویت کننده معمولی	128
شکل 6-3-23	معیار توان تقویت کننده متعادل با استفاده از کوپلر لانژ	129
شکل 6-3-24 نمودار مربوط به توان خروجی به ازای توان ورودی		129
شکل 6-3-25 نمودارهای کلی مربوط به تقویت کننده متعادل باند X طرح نهایی		130
شکل 6-3-26 دوایر مشخصه برای تشخیص شبکه های تطبیق ورودی		136
شکل 6-3-27 دوایر مشخصه برای تشخیص شبکه های تطبیق خروجی		137
شکل 6-3-28 شماتیک تقویت کننده متعادل طراحی شده با روش لیائو		138
شکل 6-3-29	مشخصه گین مربوط به تقویت کننده متعادل به روش لیائو	139
شکل 6-3-30 مشخصه نویز مربوط به تقویت کننده متعادل به روش لیائو		139

چکیده
طراحی و شبیه سازی LNA متعادل باند X با استفاده از کوپلر لانژ

با توجه به اهمیت ویژه تقویت کننده های نویز پایین در صنایع مخابرات نظامی و تجاری موجب پیشرفت تکنولوژی ساخت نیمه هادی GaAs MEFET و همچنین ارائه طرح های نوین در صنعت ساخت شده است. در این پروژه با استفاده از ترانزیستور HFX04LG ساخت شرکت Fujitsu مراحل طراحی تقویت کننده متعادل ، نویز پایین در باند X انجام می گیرد. LNA طراحی شده در محدوده فرکانسی 8~12GHz و جهت دستیابی به بهره 10dB و عدد نویز کمتر از 1/5dB

می باشد. از کوپلر لانژ برای متعادل طراحی شدن تقویت کننده بهره گرفته شده است که مشخصه های کوپلر لانژ در باند مورد نظر طراحی شده است. طراحی تقویت کننده پهن باند از روش های تطبیق جبران شده صورت می گیرد که در نهایت نتایج آنالیز وشبیه سازی با استفاده از نرم افزار Microwave Office ارائه خواهد شد.

فصل اول

.1-0 مقدمه :

در این پایان نامه روند طراحی یک تقویت کننده متعادل با نویز پایین در باندX دنبال خواهد شده ، این پروژه شامل دارای چندین ویژگی منحصر به فرد و توام را شامل می شود که عبارتند از :

1. طراحی تقویت کننده با ویژگی نویز پذیری پایین .

 

2. طراحی تقویت کننده با ویژگی پهنای باند وسیع .

 

3. طراحی تقویت کننده متعادل برای حصول بهره متوسط در باند وسیع .

توام بودن ویژگی های فوق در یک مدار تقویت کننده مایکروویو مستلزم طراحی مرحله به مرحله و استفاده از تکنیک های روتین طراحی و در نهایت جهت بهینه سازی پاسخ طراحی بدست آوردن ترکیب مناسبی از نمونه های طراحی می باشد .

.1-1   مدارات مایکروویو

فرکانس های مایکروویو بصورت قراردادی به فرکانس های 1 تا300GHz اطلاق می گردد یا به عبارت دیگر طول موج های رنج میکرون از نواحی مادون قرمز و نور مرئی را در خود دارد. با توجه به استاندارد

سازی انجام گرفته توسط IEEE یک مقیاس بندی در فرکانس های مایکروویو صورت گرفته است و

بعنوان نمونه در این پروژه هدف طراحی در باند X می باشد یعنی در رنج فرکانسی 8~12GHz

طراحی انجام می گیرد .

با پیشرفت تکنولوژی رویکردی در تجهیزات مایکروویو انجام گرفته و استفاده از موجبرها ، خطوط هم محور یا خطوط نواری جای خود را به مدارات مجتمع در فرکانس های مایکروویو داده است که در اینجا به سه دسته از آن اشاره خواهیم کرد :

-1   مدارات مایکروویو گسسته. (MDCs) 1  یک مدار گسسته شامل عناصر جداگانه ای است که

 

عنوان			صفحه
فصل سوم
رادارهای پالسی و ابهامات
۳-۱) رادارهای پالسی و مقایسه بین انواع آن………………………………….			۶۵
۳-۲) ابهامات در برد وداپلر…………………………………………………			۷۶
۳-۳) رفع ابهام رنج…………………………………………………………			۰۷
۳-۴) رفع ابهام داپلر………………………………………………………..			۲۷
۳-۵) عملیاتی کردن تئوری………………………………………………….			۵۷
۳-۵-۱) نحوه آشکارسازی…………………………………………………..			۷۷
۳-۵-۲) جمع پذیری………………………………………………………..			۲۹
۳-۵-۳) الگوریتم دیجیتالی برای آشکارسازی برد هدف……………………….		۰۰۱
نتیجه گیری و پیشنهادات
نتیجه گیری……………………………………………………………….		۰۱۱
پیوستها( برنامه های ………………………………………….(MATLAB		۲۱۱
منابع و مآخذ
منابع فارسی……………………………………………………………….		۴۲۱
مانبع غیر فارسی…………………………………………………………..		۵۲۱
چکیده انگلیسی…………………………………………………………….		۶۲۱

فهرست جدول ها

عنوان		صفحه
جدول ۱-۱. نسبت سیگنال به نویز واحتمال آشکارسازی و احتمال خطاﺀ………………….		۶۱
جدول ۱-۲. مثالی از سطح مقطعهای راداری در فرکانس ماکروویو……………………………		۳۲
جدول ۳-۱. مقایسه رادارهای با PRFهای مختلف و ابهامات آنها………………………………		۴۶
جدول ۳-۲. محاسبه داپلر واقعی از روی داپلرهای مبهم………………………………………		۴۷
جدول ۳-۳. مقادیر بدست آمده از معادلات ۳-۶۱برای برد ……………………………70Km		۱۸
جدول ۳-۴. مقادیر بدست آمده از معادلات ۳-۶۱برای برد ……………………………20Km		۶۸
جدول۳-۵. مقایسه مدلهای مختلف TMSها از نظر سرعت و مقدار حافظه هایشان……………..		۳۰۱
جدول۳-۶. حجم محاسبات برای یک بافر…………………………………………………..		۴۰۱

فهرست شکلها

عنوان		صفحه
شکل ۱-۱. سیگنال دریافتی در مجاورت نویز…………………………………………………		۳
شکل۱-۲. آشکار ساز پوش………………………………………………………………….		۸
شکل ۱-۳. پوش خروجی گیرنده برای تشریح آﮊیرهای غلط در اثر نویز……………………….		۰۱
شکل ۱-۴. زمان متوسط بین آﮊیرهای غلط بر حسب سطح آستانه V وپهنای باند گیرنده………. B		۱۱
شکل۱-۵. تابع چگالی احتمال برای نویز به تنهایی و سیگنال همراه با نویز……………………..		۴۱
شکل ۱-۶. احتمال آشکارسازی یک سیگنال سینوسی آغشته به نویز…………………………….		۵۱
شکل۱-۷. تلفات جمع بندی بر حسب تعداد پالسها……………………………………………….		۸۱
شکل۱-۸. احتمال آشکار سازی بر حسب سیگنال به نویز واحتمال خطاﺀ …………………..10−9		۰۲
شکل۱-۹. سطح مقطع راداری کره ای به شعاع a و طول موج …………………………….. λ		۲۲
شکل۱-۰۱. نسبت سیگنال به نویز دریافتی بر حسب برد هدف………………………………….		۳۲
شکل۱-۱۱. انعکاس با زمان حدود چند پریود وابهام در فاصله………………………………….		۸۲
شکل۱-۲۱. مقدار نسبت سیگنال به نویزبر حسب برد هدف…………………………………….		۹۲
شکل ۲-۱. بلاک دیاگرام یک رادار پالسی ساده……………………………………………….		۲۳
شکل ۲-۲. قطار پالسهای ارسالی و دریافتی…………………………………………………..		۲۳
شکل ۲-۳. توضیح فاصله مبهم………………………………………………………………		۴۳
شکل ۲-۴. تحلیل اهداف در راستای عمود و افق………………………………………………		۵۳
شکل ۲-۵. .aدو هدف غیر قابل تفکیک .b دو هدف قابل تفکیک………………………………		۷۳
شکل ۲-۶. تاثیر هدف متحرک در جبهه موج همفاز ارسالی……………………………………		۹۳
شکل ۲-۷. شرح چگونگی فشردگی یک هدف متحرک برای یک پالس تنها………………………		۰۴
شکل ۲-۸. شرح چگونگی تاثیرات هدف متحرک بر روی پالسهای رادار………………………..		۱۴
شکل ۲-۹. فرکانس دریافتی یک رادار مربوط به اهداف دور و نزدیک شونده………………..		….۳۴
شکل ۲-۰۱. نمایه سه هدف با سرعتهای برابر ولی سرعتهای شعاعی متفاوت…………………….		۳۴
شکل ۲-۱۱. سرعت شعاعی متناسب است با زاویه هدف در راستاهای عمود وافق…………………		۴۴
شکل ۲-۲۱. خروجی حاصله از برنامه lprf_req.m برای سه مقدار از ……………………… np		۷۴
شکل ۲-۳۱. نمودار نسبت سیگنال به نویز به ازاﺀ تعداد پالسهای همزمان………………………..		۸۴
شکل ۲-۴۱. نمودار سیگنال به نویز بر حسب برد برای رادار ……………………… HighPRF		۰۵
شکل ۲-۵۱. شمای پترن یک آنتن بسیار ساده شده……………………………………………..		۲۵
شکل ۲-۶۱. تلفات فروپاشی………………………………………………………………….		۴۵
شکل ۳-۱. مقایسه فاصله هامونیکها در LPRF و ……………………………………HPRF		۹۵

 

عنوان		صفحه
شکل ۳-۲. مقایسه بین تعداد پاسهای دریافتی درLPRFو………………………………HPRF		۰۶
شکل ۳-۳. نحوه تاثیر فیلترهای MTI بر روی کلاتر دریافتی…………………………………		۳۶
شکل ۳-۴. بلاک دیاگرام یک رادار پالسی…………………………………………………..		۵۶
شکل ۳-۵. نمودار توان بر حسب فرکانس برای قسمت های مختلف یک رادار………………….		این مطلب را هم بخوانید :		۶۶
شکل ۳-۶. پاسخ فرکانسی سیگنال ارسالی با مد نظر قرار دادن ………………………….PRF		۸۶
شکل ۳-۷. طیف فرکانسی سیگنالهای فرستاده شده و دریافتی و بانک فیلترها…………………..		۹۶
شکل ۳-۸. رفع ابهام در برد……………………………………………………………….		۱۷
شکل ۳-۹. برگشتیهای حاصل از PRF3 و PRF1 برای برد …………………………70Km		۲۸
شکل ۳-۰۱. نمایی از برگشتیها در خلال PRF1 برای برد ……………………………70Km		۲۸
شکل ۳-۱۱. مقاسیه پالسهای دریافتی در طول ارسال PRF برای برد …………………..70Km		۳۸
شکل ۳-۲۱. پالسهای دریافتی در طول PRFهای ارسالی و نتیجه نهایی………………………..		۴۸
شکل ۳-۳۱. برگشتیهای حاصل در خلال ارسال PRF1 برای برد ……………………..20Km		۶۸
شکل ۳-۴۱. برگشتیها در خلالPRF1 و فاصله از آخرین پالس ارسالی در برد……………20Km		۷۸
شکل ۳-۵۱.  مقاسیه پالسهای دریافتی در طول ارسال ……………………………..PRF1,2,3		۷۸
شکل ۳-۶۱. پالسهای دریافتی در طول PRFهای ارسالی و نتیجه نهایی مقایسه پالسها…………….		۸۸
شکل ۳-۷۱. نحوه استفاده از توان بالای ارسالی و دریافتی دریک رادار…………………MPRF		۰۹
شکل ۳-۸۱. بهبود سیگنال به نویز با کمک تعداد زیاد پالسهای دریافتی…………………………		۱۹
شکل ۳-۹۱.  بهبود در پاسخ با استفاده از Integration به ازای۶ و ۲۱ بار تجمع………………		۳۹
شکل ۳-۰۲. تاثیر جمع پذیری همفاز بر روی سیگنالهای برگشتی در۰۱ مرتبه جمع کردن………..		۴۹
شکل ۳-۱۲. افزایش SNR با تجمع همفاز و بهره کامل …………………………………………..		۵۹
شکل ۳-۲۲. کاهش اثر تجمع همفاز در اثر تغییر فاز سیگنالهای دریافتی………………………………..		۶۹
شکل ۳-۳۲. ضریب بهبود آشکار سازی برحسب تعداد پالسها………………………………….		۸۹
شکل ۳-۴۲. نمای یک رادار مولتی PRF با قابلیت جمع پذیری………………………………..		۰۰۱
شکل ۳-۵۲. چگونگی ارتباط TMS با سیستم مولد ……………………………………..PRF		۲۰۱
شکل ۳-۶۲. الگوریتم تعیین برد هدف برای یک رادار ……………………………….MPRF		۷۰۱

چکیده:

در رادارها پالسی، با بالا رفتن فرکانس تکرار پالس رادار، برد غیر مبهم کاهش می یابـد.

چنانکه در پروﮊه نیز دیده شد، با افزایش فرکانس تکرار پالس از 1KHz به 50KHz  برد

غیر مبهم از 150Km به 3Km کاهش یافت ولی در عوض توانستیم اهدافی با سرعت تـا

750m/s را آشکارسازی کنیم. این در حالی است که به ازای فرکانس تکرار پالس اولیـه،

ما فقط قادر به آشکار سازی صحیح اهداف با سرعتهای تا 15m/s بودیم! همچنین توانستیم

با کم کردن τ، متناسب با افزایش PRF ، قدرت تفکیک را از 3000m به 60m برسـانیم که یک پارامتر مناسب برای آشکارسازی اهداف نزدیک به هم می باشد. همچنـین نشـان دادیم با بالا بردن فرکانس تکرار پالس و افزایش در تعداد پالسهای ارسالی و دریـافتی در

طول ارسال یک PRF ، در مقایسه با رادارهای LPRF مقدار بسیار زیادی توان حاصـل شد ، که با استفاده از روشی خاص ، از این پالسهای دریافتی برای بالا بردن نسبت سیگنال

به نویز تا 15dB وحتی بیشتر برای PRFهای بالاتر استفاده شد که ایـن امـر مـا را در آشکار سازی بهتر یاری خواهد داد. همچنین نشان دادیم که با تجمـع بـر روی پالسـهای

دریافتی در طول ارسال چند PRF می توان باز هم نسبت سیگنال به نویز را افـزایش داد.

و فرضا با توجه به زمان ارسال هر PRF اگر هدف ۰۳ برابر این زمان در پتـرن آنـتن

رادار ما قرار گیرد برای هر کدام از PRFها می توان تا 10dB نسبت سیگنال به نویز را افزایش داد. و در انتها بحث کلاترها که با بالا بردن فرکانس تکرار پالس می توان اثـرات

منفی آنها را بهبود بخشید، ولی با استفاده از چند PRF قادر خواهیم بود تا اثرات آنرا بـه حداقل برسانیم و از طرفی همانطور که نشان داده شد ، توانستیم برد واقعی هـدف را بـا

استفاده از PRF های مرتبط با هم از روی مقایسه دریافتیهایشان بدست آوریم.

مقدمه:

در این پروﮊه گردآوری و شبیه سازی روی رادارهای پالسی انجام شده است. رادارهـای پالسی خود به چند گونه تقسیم می شوند که یکی از مهمترین آن تقسیمات ، مربوط به میزان فرکانس تکرار پالس می باشد که به دو و یا سـه دسـته تقسـیم مـی شـوند. دسـته اول

LowPRF و دسته دوم Medium PRF و دسته سوم HighPRF ها. در حالت کلی و با در نظر گرفتن دسته اول و سوم ،در میابیم که هرکدام دارای مزایایی هسـتند. مهمتـرین مزیت رادارهای با فرکانس تکرار پالس کم ساده بودن طراحی و برد مبهم زیاد است. ولی در قبال این وضعیت ما دچار مشکلاتی در شناسایی فرکانس داپلر خواهیم بـود و ….. .

برای رادارهای با فرکانس تکرار پالس بالا در قبال برد مبهم کم ، ما به شناسایی بهتری از تغییر فرکانس داپلر دست خواهیم یافت . البته این سیستم پیچیده تر است. ولی با توجه بـه آنکه با بالا رفتن فرکانس تکرار پالس می توان چرخه کار را کاهش داد ، لذا پدیده اخفـاﺀ کمتر پیش می آید از طرف دیگر چنانکه در فصل دوم هم نشان داده شـده ، بیشـینه بـرد رادار با توان میانگین نسبت مستقیم دارد که سبب می شود به نسبت رادارهای LowPRF

، توان میانگین بیشتری در رادارهای HighPRF انتقال یابد و این خود سبب بـالا رفـتن نسبت سیگنال به نویز و برد آشکار سازی رادار می شود. اما برد مبهم کـم ایـن گونـه

رادارها این مزیت را از بین می برد. لذا می توان با ترکیب چند (Multi PRF) PRF که نزدیک به هم هستند و بر هم قابل قسمت نیز نمی باشند ، برد مبهم رادار را افزایش داد که این کار سبب پیچیده تر شدن هرچه بیشتر رادار می شود ولی در قبال این پیچیدگی ما هـم قادر به آشکارسازی هرچه بهتر فرکانس داپلر هستیم ، برد مبهم رادار زیاد مـی شـود و
نسبت سیگنال به نویز نیز افزایش می یابد و …. . مقایسه کامل بین رادارهای LowPRF

وHighPRF در فصل ۳ ارائه شده است.

فصل اول

بررسی معادله رادار:

مقدمه:

به طور کلی با استفاده از معادله رادار می توان حداکثر برد رادار را بدست آورد. حداکثر برد رادار بر حسب پارامترهای رادار به صورت زیر بدست می آید.

14		P GA σ			Rmax  =
۱-۱)		e	t
		2	(4π)
	Smin

که در آن :

= Pt توان ارسالی بر حسب وات؛

= G بهره آنتن؛

= Ae سطح موثر آنتن بر حسب متر مربع؛

=σ سطح مقطع راداری هدف بر حسب متر مربع؛

= Smin حداقل توان سیگنال قابل آشکار سازی بر حسب وات؛

از پارامترهای فوق تمام گزینه ها به جز سطح مقطع راداری هدف ، تقریبا دراختیار طراح رادار است. معادله رادار نشان می دهد که برای بردهای زیاد ، توان ارسالی باید زیاد باشد

و انرﮊی تششع شده دریک شعاع باریک متمرکز باشد به معنی اینکه بهره آنتن زیاد باشد و گیرنده نسبت به سیگنالهای ضعیف حساس باشد.

در عمل برد محاسبه شده از یک چنین معادله ای شاید به نصف هم نرسد! علت آن است که پارامترها و تضعیفات بسیاری بر سر سیگنال منتشر شده قرار خواهند گرفت کـه مقـدار بسیاری از توان ارسالی را تلف خواهد کرد و ما در ادامه به این پارامترهاو پارامترهـای ارائه شده در فرمول فوق می پردازیم تا به یک مقدار توان مناسب بـرای ۰۵۱ کیلـومتر برای رادار موردنظر برسیم.

البته اگر تمام پارامترهای موثر در برد رادار معین بودند ، پیش بینی دقیـق از عملکـرد رادار امکان پذیر بود ولی در واقع اکثر این مقادیر دارای ماهیت آماری می باشند و ایـن کار را برای یک طراح رادار بسیار سخت می کند. پس به ناچار همیشه یک مصالحه بین آنچه که انسان می خواهد و آنچه عملا با کوشش معقول می توان بدست آورد لازم اسـت، که این مطلب به طور کامل در طول این فصل حس خواهد

 

فهرست مطالب
عنوان مطالب	شماره صفحه
(6-3مفاهیم کنترلی ترافیک بزرگراه	37
فصل چهارم : کنترل ترافیک در بزرگراه با ترکیب کنترلر فازی و الگوریتم	43
ژنتیک
(1-4مقدمه	44
(2-4کنترل کننده شار ترافیک پیشرفته	44
(3-4ساختار کنترلر فازی شار ترافیک	46
(4-4ارزیابی پروسه با شبیه سازی ترافیک	50
(5-4کاربرد الگوریتم ژنتیک	51
(6-4نتایج شبیه سازی	54
فصل پنجم : نتیجهگیری و پیشنهادات	58
نتیجهگیری	59
پیشنهادات	60
منابع و ماخذ	61
فهرست منابع فارسی	62
فهرست منابع لاتین	63
چکیده انگلیسی	65

فهرست جدول ها

عنوان		شماره صفحه
: 1-2 معرفی پارامترهای حاکم بر پدیده ترافیک		11
: 1-3 اصول موارد آزمایش شده در کنترل ایزوله سیگنال ترافیک		34
1-4	: پارامترهای تنظیم دو مدل پیشنهادی	49
2-4	: شرایط اولیه مورد استفاده در الگوریتم ژنتیک	53
3-4	: پارامترهای تعریف شده بر اساس دو مدل پیشنهادی	54
4-4	: نتایج عددی کاربرد کنترلر فازی	57

فهرست شکلها

عنوان	شماره صفحه
: 1-2 تعریف فواصل زمانی برای فلوی جریان	12
: 2-2 طرح چراغ دو فازه	14
: 3-2 طرح چراغ سه فازه	14
: 4-2 طرح چراغ چهار فازه	15
: 5-2 فرایند تحلیل تقاطع های چراغدار	16
: 1-3 ساختار سیستم کنترل فازی	24
: 2-3 دی فازی ساز مرکز ثقل	26
: 3-3 بلوک دیاگرام کنترل کننده فازی ترافیک	27
: 4-3 ساختار کنترل سیگنال فازی	28
: 5-3 شبیه ساز مدل HUTSIG	30
: 6-3 کنترل کننده سیگنال فازی و ارتباطش با عملگرها	31
: 7-3 قوانین کنترلی حرکت عابران پیاده	35
: 8-3 نمونه ای از مسیر کنترل برای حالت کنترل دوفازه	36
: 9-3 دی فازی سازی	37
: 1-4 کنترل شار ترافیک	45
: 2-4 شبکه بزرگراه مورد بررسی	45
: 3-4 مکانیزم کنترل شار	46
: 4-4 توابع عضویت متغیر های ورودی	48
: 5-4 توابع عضویت متغیر خروجی	48

فهرست شکلها

عنوان			شماره صفحه
: 6-4 قوانین استنتاج برای کنترلر فازی			50
7-4	: تخمین سطح شار با شبیه ساز ترافیک		51
8-4	: کدگذاری در الگوریتم ژنتیک		53
9-4	: نتایج 5 مرتبه اجرای الگوریتم		54
10-4		: تغییرات وضعیت ازدحام ترافیک	56
11-4		: تغییرات زمانی شار ترافیک	56

چکیده:

آنچه در این تحقیق و در پنج فصل ارائه شده است ، ثمره مطالعاتی است که در زمینـه روشـهای مختلـف کنترل ترافیک شهری ، به ویژه کنتـرل فـازی کـه بـه نـوعی کنترلـی هوشـمند را در سـطوح مختلـف کنتـرل ترافیک از جمله در تقاطع های درون شهری، بزرگراهها، حرکت عابران پیاده و… اعمال مـی کنـد، صـورت پذیرفته است. با گسترش سریع کلان شهرها، افزایش جمعیت، بهای سوخت، استفاده بهینـه از ظرفیـت جـاده های موجود، مساله محیط زیست و… ، اهمیت مدیریتی موثر وکارآمد در ترافیک آشکار می شود. تحقیقات صورت گرفته در این زمینه نشان داده اند که کاربرد تکنیکهای هوشمند به علت قابلیتهـای متنوعـشان، ابـزاری مناسب در جهت تحقق سیستمهای مدیریت ترافیک با ویژگی ارزشمند خود- سازماندهی مـی باشـند. در ایـن سمینار پس از معرفی کلی سیستمهای ترافیـک وآشـنایی بـا مفـاهیم اصـلی در ایـن زمینـه، معرفـی مختـصری درمورد سیستمهای فازی و چگونگی کاربرد آن در زمینه های مختلف مباحث ترافیـک صـورت گرفتـه و در نهایت به بررسی نتایج حاصل از کاربرد نوعی سیستم کنترل هوشمند ترافیک که ترکیبی از روشـهای فـازی و الگوریتم ژنتیک بوده و در یکی از بزرگراههای کشور ژاپن اعمال شده است، پرداخته می شود.

کلمات کلیدی: الگوریتم ژنتیک،کنترل ترافیک، کنترل فازی.

مقدمه:

با پیشرفت سریع جوامع شهری، تغییر وتحولات سریعی در زندگی شهرنشینی ایجاد شده است و هرساله بر تعداد وسایط نقلیه به ویژه در کلان شهرها، افزوده می

این مطلب را هم بخوانید :

 شود. این افزایش که به عوامل متعددی از جمله رشد جمعیت، شرایط اقتصادی، اجتماعی، فرهنگی، مهاجرتها و… بستگی دارد، مسائل ومشکلات فراوانی را نیز با خود به دنبال دارد. با وجود آنکه هرساله میلیاردها ریال صرف احداث راهها وجاده های جدید می شود، معضل ترافیک همچنان رو به افزایش بوده و حتی در برخی از ساعات شبانه روز به حد اشباع و غیر مطلوبی می رسد.

تاکنون روشهای کنترل ترافیک بیشتر مبتنی بر روشهای کنترل کلاسیک بوده است. در این روشها با استفاده از روشهای آماری و منحنی های به دست آمده تجربی و نهایتا با تخمین برخی از متغیرهای موثر بر ترافیک سعی بر آن است که پارامترهای مورد نظر درآن سطح خاص کنترلی، به گونه ای مطلوب تنظیم شود. واضح است که این حد پاسخگویی سیستم های ترافیک در ازای پیچیدگی بالای ساختار شامل بخشهای : کنترل، مخابرات و کامپیوتر و هچنین حجم بالای هزینه های پیاده سازی و نگهداری به دست آمده است.
با گسترش کاربرد روشهای هوشمند شامل هوش مصنوعی، منطق فازی و شبکه های عصبی و با توجه به قابلیتهای متنوع آنها انتظار می رود که روشهای فوق در حوزه های مختلف کنترل ترافیک شامل : برآورد وتعبیر و پردازش اطلاعات مختلف جمع آوری شده، برخورد و مدل سازی مناسب پارامترها و شرایط مبهم موجود در پروسه کنترل، پیشگویی آینده، افزایش قدرت یادگیری سیستم افزایش هوشمندی آنها بسیار پر کاربرد بوده و نتایج قابل قبولی را ارائه دهد. در این سمینار سعی برآن است که ضمن آشنایی با مفاهیم کلی موجود در مبحث کنترل ترافیک، روشهای مختلف کنترل هوشمند ترافیک به ویژه کنترل مربوط به تقاطع ها معرفی و یک نمونه کاربرد عملی کنترل فازی با ترکیب الگوریتم ژنتیک که دریکی از بزرگراههای کشور ژاپن به کار گرفته شده است، ارائه و نتایج حاصل از اجرای آن بررسی و با روشهای سنتی مقایسه شود.
در فصل اول کلیاتی راجع به روشهای مختلف کنترل ترافیک و تحقیقات صورت گرفته در این زمینه ارئه شده است. در فصل دوم به معرفی اصول نظریه جریان کنترل ترافیک و روابط حاکم برارامترهای حاکم بر آن پرداخته شده است. فصل سوم به معرفی مختصری از اصول کنترل فازی و نحوه کاربرد آن در بخشهای مختلف کنترل ترافیک اختصاص داشته و در نهایت و در فصل چهارم یک نمونه کاربرد عملی منطق فازی و ترکیب آن با الگوریتم ژنتیک در کنترل ترافیک یکی از بزرگراههای کشور ژاپن ارائه و نتایج آن مورد بررسی قرار گرفته است. در فصل پنجم نیز نتیجه گیری و چند پیشنهاد ارائه شده است.

فصل اول

کلیـات

فصل اول : کلیات

(1-1 هدف

با گسترش سریع کلان شهرها، افزایش جمعیت، بهای سوخت، استفاده بهینه از ظرفیـت جـاده هـای موجود، مساله محیط زیست و… اهمیت مدیریتی موثر وکارآمد در کنترل ترافیک آشکار مـی شـود. در جهـت

فهرست مطالب

عنوان مطالب	شماره صفحه
فصل سوم : کنترل کنندههای فازی – عصبی	32
(1-3مقدمه	33
(2-3سیستم های فازی	33
(3-3شبکه های عصبی RBF	38
(4-3الگوریتم های آموزشی در شبکه عصبی RBF	40
(5-3سیستم های نرو-فازی	44
(6-3شبکه عصبی RBF و کنترل کننده فازی	46
فصل چهارم : الگوریتم آموزشی FHLA	48
(1-4مقدمه	49
(2-4طراحی ساختار شبکه RBF و مقداردهی اولیه به آن	49
(3-4مشخص نمودن تعداد نرونهای لایه RBF	54
(4-4تنظیم پارامترهای شبکه RBF	55
(5-4پروسه تنظیم پارامترهای شبکه	58
(6-4حساسیت الگوریتم FHLA نسبت به الگوهای آموزشی	59
فصل پنجم : اصول پردازش تصویر	61
(1-5مقدمه	62
(2-5مفاهیم اولیه در پردازش تصویر	62
(3-5روشهای استخراج پارامترهای ترافیکی	63
(4-5نظارت مبتنی بر ناحیه ثابت	64

فهرست مطالب

عنوان مطالب	شماره صفحه
(5-5 نظارت مبتنی بر ردگیری	66
فصل ششم : شبیهسازی کنترل کننده هوشمند ترافیک	73
(1-6مقدمه	74
(2-6طراحی سیستم کنترلرفازی	77
(3-6پیادهسازی نرم افزاری الگوریتم آموزشی FHLA	79
(4-6مدل سازی تقاطع ایزوله	82
(5-6کنترل کننده پیش زمانبندی شده	83
(6-6پردازش تصویر	84
(7-6نتایج شبیه سازی	88
فصل هفتم : نتیجهگیری و پیشنهادات	101
نتیجهگیری	102
پیشنهادات	103
منابع و ماخذ	104
فهرست منابع فارسی	105
فهرست منابع لاتین	106
چکیده انگلیسی	109

فهرست جدول ها

عنوان		شماره صفحه
: 1-2 معرفی پارامترهای حاکم بر پدیده ترافیک		13
: 1-4 اندیسهای اعتباری خوشهای		56
: 1-6 پایگاه دانش قوانین فازی		79
: 2-6 میانگین ورود وسایل نقلیه در طی 3 روز متوالی		80
: 3-6 مقادیر تابع هزینه با تغییر تعداد نرونهای لایه میانی		81
: 4-6 خطای نهایی آموزش و تست شبکه عصبی		82
5-6	: نرخ جریان اشباع در هر یک از ورودیهای تقاطع	83
: 6-6 نتایج حاصل از زمان بندی چراغ تقاطع به روش کنترل کلاسیک		84
7-6	: متوسط سطح اشباع در هر یک از ورودیهای تقاطع	89
8-6	: متوسط تاخیر تقاطع با دو روش کنترل چراغ تقاطع	90

فهرست نمودارها

عنوان	شماره صفحه
: 1-6 نرخ ورود وسایل نقلیه به تقاطع در24 ساعت	77
: 2-6 منحنی تغییرات تابع هزینه	81
: 3-6 روند آموزش شبکه عصبی	82
: 4-6 مقایسه آمار شمارش دستی و شمارش هوشمند در 15 دقیقه	88
: 5-6 نرخ ورود وسایل نقلیه به تقاطع در 100 مرحله تکرار الگوریتم	91
: 6-6 روند تغییرات چرخه	92
: 7-6 روند تغییرات طول زمان سبز چراغ در هریک از فازها	92
: 8-6 متوسط تاخیر تقاطع در هر مرحله اجرای الگوریتم با دو روش کنترل	93
: 9-6 روند تغییرات تاخیر تقاطع با در نظرگرفتن تغییرات متوسط شار ورودی	94
: 10-6 تغییرات شار ورودی شمالی (کنترلر هوشمند)	95
: 11-6 تغییرات شار ورودی شمالی (کنترلر کلاسیک)	95
: 12-6 تغییرات شار ورودی جنوبی (کنترلر هوشمند)	96
: 13-6 تغییرات شار ورودی جنوبی (کنترلر کلاسیک)	96
: 14-6 تغییرات شار ورودی شرقی (کنترلر هوشمند)	97
: 15-6 تغییرات شار ورودی شرقی (کنترلر کلاسیک)	97
: 16-6 تغییرات درجه اشباع در ورودی شمالی (کنترلر هوشمند)	98	این مطلب را هم بخوانید :
: 17-6 تغییرات درجه اشباع در ورودی شمالی (کنترلر کلاسیک)	98
: 18-6 تغییرات درجه اشباع در ورودی جنوبی (کنترلر هوشمند)	99
: 19-6 تغییرات درجه اشباع در ورودی جنوبی (کنترلر کلاسیک)	99
: 20-6 تغییرات درجه اشباع در ورودی شرقی (کنترلر هوشمند)	100
: 21-6 تغییرات درجه اشباع در ورودی شرقی (کنترلر کلاسیک)	100

فهرست شکلها

عنوان	شماره صفحه
: 1-2 منحنی حجم-ترافیک به صورت تابعی از تراکم	15
: 2-2 بررسی مدل احتمالی ترافیک	16
: 3-2 فرآیند تحلیل تقاطعهای چراغدار	19
: 4-2 ساختار روش کنترل سازگار با ترافیک	23
: 5-2 نحوه عملکرد کنترل کننده سازگار با ترافیک	24
: 6-2 طرح چراغ دوفازه	27
: 7-2 طرح چراغ سه فازه	27
: 8-2 طرح چراغ چهار فازه	28
: 9-2 نمودار تخلیه تقاطع در طول یک فاز چراغ راهنمایی	29
: 1-3 ساختار سیستم کنترل کننده فازی	34
: 2-3 دی فازی ساز مرکز ثقل	36
: 3-3 بلوک دیاگرام کنترل کننده فازی ترافیک	37
: 4-3 ساختار شبکه عصبی RBF	38
: 5-3 ساختار نوع خاصی از شبکه نرو- فازی	45
: 1-4 فلوچارت طراحی مقادیر اولیه شبکه عصبی RBF	51
: 1-5 چرخه به روز رسانی در تخمین بردار حالت	71
: 1-6 تقاطع ایزوله دوفازه	76
: 2-6 انتخاب تصویر زمینه و پنجره ثابت	87
: 3-6 عبور وسیله نقلیه از پنجره ثابت در یک فریم	87

فهرست شکلها

عنوان		شماره صفحه
4-6	: اختلاف پنجره ثابت در تصویر زمینه و فریم خوانده شده وتبدیل به باینری	87
5-6	: حذف عناصر اضافی از تصویر	87
: 6-6 به هم چسباندن اجزای گسسته شده		87
7-6	: شمارش اشیاء برچسب گذاری شده	87

چکیده:

دراین پایان نامه یک تکنیک موثر بر مبنای سیستمهای عصبی- فازی برای کنترل چراغهای راهنمایی و بر اساس پردازش هوشمند تصاویر ترافیکی دریافتی از دوربینهای نصب شده در یک تقـاطع ایزولـه، ارائـه شـده است. هدف از کنترل ترافیک در خیابانهای منتهی به یک تقـاطع ایزولـه آن اسـت کـه در یـک بـازه زمـانی مشخص، از ایجاد اشباع در هریک از بازوها جلوگیری کرده و همچنـین بتـوان زمـان انتظـار وسـایل نقلیـه در پشت چراغ قرمز را به حداقل رساند تا نهایتا ترافیکی روان و مطلوب، همراه بـا ایمنـی در سـطح تقـاطع ایجـاد گردد. به این منظور قوانین فازی مدل کننده تقاطع ایزوله که ساختار کنترلر فازی را تشکیل دادهاند، بر مبنـای درجه اشباع که نشان دهنده میزان تقاضا به ظرفیت هریـک از ورودیهـای تقـاطع میباشـد، طراحـی شـدهانـد.

اساس کار، بر استفاده از شبکه عصبی RBF١، به همراه یک روش پیشنهادی آموزش مبتنـی بـر فـازی خواهـد بود. در الگوریتم یادگیری 2FHLA، علاوه بر تعیین وزنهای ارتباطی بین لایه مخفـی و خروجـی، پارامترهـای لایه RBF شامل تعداد نرون، مرکز نرون و عرض آن نیز در طول فرایند آموزش تعیین میگردند. مقادیر اولیه پارامترها با استفاده از منطق فازی و روشهای خوشه یابی فازی و به کمک تکنیک 3FCM به دست مـی آینـد.

همچنین از میزان تعلق هر الگوی ورودی به خوشهها و فاصله الگو تا مرکـز هـر خوشـه جهـت محاسـبه میـزان عدم شباهت استفاده شده وسپس این فاصله مینیمم میگـردد. بـرای تعیـین مقـادیر نهـایی پارامترهـا و وزنهـای ارتباطی، از ترکیب روشهای 4LLS و گرادیان5 به عنوان روش بهینهسازی استفاده میشود. نتایج شبیهسازی بر روی بانک اطلاعاتی موجود و مقایسه نتایج کاربرد این الگوریتم با سـایر روشـهای کلاسـیک کـه در کنتـرل تقاطعهای ایزوله معمول هستند، نشان دهنده میزان قابلیت این تکنیک می باشد.

کلمات کلیدی: پردازش تصویر، تقاطع ایزوله، شبکه عصبی، کنترل ترافیک، کنترل فازی

مقدمه:

امروزه با افزایش سریع کلان شهرها و افزایش تعداد خودروها، اهمیت داشتن مدیریت ترافیک موثر و کارآمد بر کسی پوشیده نیست. تـاکنون روشـهای کنتـرل ترافیـک بیـشتر مبتنـی بـر روشـهای کنترلـی کلاسیک بوده است که با مسائلی همچون سطح پایین هوشمندی در مواجه با شرایط پیچیـده ترافیکـی و عدم مدلسازی مناسب، مواجه میباشند. در این پایان نامه سعی برآن است کـه بـا بـه کـارگیری تکنیـک آموزشی FHLA که بر مبنای شبکههای عصبی RBF و روش خوشه یابی فـازی عمـل مـینمایـد، نـوعی کنترل هوشمند برای تنظیم پارامترهای یک تقاطع ایزوله ارائه شود، به طوری کـه در نهایـت بـه کـاهش تاخیر وسایل نقلیه در عبور از تقاطع و جلوگیری از ایجاد اشباع در هر یک از ورودیهـای تقـاطع منتهـی گردد. به این منظور برای جمع آوری اطلاعات آماری از سطح تقاطع، برای ارزیابی وضعیت ترافیکی در هر لحظه، از روشهای پردازش تصاویر حاصل از دوربینهای نصب شده در تقاطع ایزوله، استفاده شده است. در این پایان نامه و در فصل اول کلیاتی راجع به روشهای مختلف کنترل ترافیک، و تحقیقات صـورت گرفتـه در این زمینه ارئه شده است. در فصل دوم به معرفی نظریه جریان کنترل ترافیـک و روابـط حـاکم بـر آن پرداخته شده است. فصل سوم به معرفی مختصری از اصول کنتـرل فـازی و برخـی از روشـهای آموزشـی شبکههای عصبی و معرفی کنترل کنندههای نرو- فازی اختصاص دارد. در فـصل چهـارم، ارائـه الگـوریتم پیشنهادی FHLA و روش پیادهسازی آن صورت میپذیرد و در فصل پنجم به بررسی روشهای اسـتخراج اطلاعات آماری ترافیک از تصاویر ویدئویی پرداخته میشود. در فصل ششم کنترلر نـرو- فـازی طراحـی و پس از شبیه سازیهای لازم در محیط برنامـه نویـسی MATLAB، تـاثیر بـه کـارگیری کنتـرل کننـده هوشمند با استفاده ازتکنیک FHLA و به کارگیری نوعی کنترل کلاسیک پیش زمانبندی شده، بر میزان سطح تاخیر و سطح اشباع ورودیهای تقاطع بررسی و مقایسه شده است.فصل هفتم نیز بـه ارائـه نتیجـه گیری وچند پیشنهاد اختصاص دارد.

کلیـات

فصل اول: کلیات

(1-1 هدف

امروزه با افزایش سریع کلان شهرها، افزایش تعداد خودروهـا، افـزایش بهـای سـوخت، مـساله محـیط زیست، استفاده مفید از ظرفیت جادههای موجود و…، اهمیت داشتن مدیریت ترافیک موثر و کارآمد بر کـسی پوشیده نیست.

در گذشته طراحان ترافیک تنها به نحوه حرکت وسایل نقلیه، به طـوری کـه در تقاطعهـا تـصادفی رخ ندهد، به عنوان مساله اصلی در مدیریت ترافیک توجه داشتند. امروزه مسائل عمده دیگـری نیـز مـورد توجـه میباشد که از جمله میتوان به کاهش تاخیر، کاهش توقفات، کاهش مصرف سـوخت، کـاهش طـول صـفهای پشت چراغ قرمز، حذف اثرات نویز، افزایش توجه به مسائل عابران پیاده وحرکت وسایل نقلیه سـنگین، اشـاره نمود. تاکنون روشهای کنترل ترافیک بیشتر مبتنی بر روشهای کنترلی کلاسیک بوده است. در این روشـها بـا استفاده از روشهای آماری و منحنیهای به دست آمده تجربی و نهایتا با تخمین برخی از متغیرهای مـوثر بـر ترافیک سعی بر آن است که پارامترهای مورد نظر درآن سطح خـاص کنترلـی، بـه گونـهای مطلـوب تنظـیم شود.[4]

تاکنون در جهت رفع این نیاز سیستمهای کنترل ترافیک متعددی توسط مراکز حمل ونقل کشورهای مختلف توسعه یافتهاند که تا حدی پاسخگوی نیازهای موجود بوده است. البته این حد پاسخگویی سیستمهای کلاسیک در ازای پیچیدگیهای بالای ساختار (شامل بخشهای کنترل، مخابرات و کامپیوتر) و هچنین حجـم بالای هزینههای پیاده سازی، (به علت تجهیزات به کار رفته) و نگهداری به دست آمدهاند. از دیدگاه کنترلـی، سیستمهای کلاسیک موجود از الگوریتمهای مختلف برنامه ریزی ریاضی (از جمله الگوریتمهای برنامـه ریـزی خطی صحیح و الگوریتمهای برنامه ریزی دینامیکی) استفاده میکنند که خود معمولا مشکلات متعددی مانند حجم بالای محاسباتی و مشکل پیادهسازی را به دنبال دارند. همچنین از جمله نواقص مطرح شده در کنتـرل سنتی ترافیک میتوان به مسائلی همچون برخورداری از سطح پایین هوشمندی در مواجه بـا شـرایط پیچیـده ترافیکی، عدم مدلسازی مناسب و واقع بینانه از ابهامات موجود در بحث کنتـرل ترافیـک (تعیـین پارامترهـا و مدلسازی رفتار رانندگان و عابران پیاده)، عدم وجود ویژگی خود سازماندهی، در طراحی استراتژیهای ترافیک، غیر قابل پیش بینی بودن شرایط ترافیکی حتی برای چند لحظه آینده و عدم دسترسی به جزئیات ایجاد شده مانند تعیین نوع خودرو و یا تغییرات سرعت آنها، اشاره نمود.

سیستمهای مورد بررسی در کنترل ترافیک میتوانند شامل موارد زیر باشد :[5]