Giải pháp xử lý tín hiệu cho bộ cảm nhận phổ dải rộng trong hệ thống thông tin vô tuyến nhận thức

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ VŨ LÊ HÀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU CHO BỘ CẢM NHẬN PHỔ DẢI RỘNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN NHẬN THỨC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2015 nmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwe BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ VŨ LÊ HÀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU CHO BỘ CẢM NHẬN PHỔ DẢI RỘNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN NHẬN THỨC Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 62 52 02 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1.PGS.TS. BẠCH NHẬT HỒNG 2.TS. PHẠM THANH HÙNG HÀ NỘI – NĂM 2015 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2015 TÁC GIẢ Vũ Lê Hà ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Bạch Nhật Hồng, TS. Phạm Thanh Hùng, những người thầy trực tiếp hướng dẫn tôi hoàn thành luận án. Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp tại Viện Điện tử, đặc biệt các cán bộ nghiên cứu tại Phòng Thiết kế vi mạch chuyên dụng/Viện Điện tử đã đóng góp ý kiến và trợ giúp tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cám ơn các Thủ trưởng Viện KH-CN Quân sự, các đồng nghiệp trong Viện KH-CN Quân sự, người thân trong gia đình, vợ và các con tôi, những người luôn quan tâm tới tiến độ thực hiện luận án của tôi, tạo cho tôi một động lực rất lớn để có thể hoàn thành công trình này. Xin chân thành cảm ơn. TÁC GIẢ LUẬN ÁN Vũ Lê Hà iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU xii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xiii MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM NHẬN PHỔ TRONG VÔ TUYẾN ĐỊNH DẠNG MỀM VÀ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 7 1.1 Vô tuyến định dạng mềm và vô tuyến nhận thức 7 1.1.1 Kiến trúc SDR lý tưởng 9 1.1.2 Kiến trúc SDR thực tế 10 1.2 Cảm nhận phổ trong vô tuyến nhận thức 11 1.2.1 Cảm nhận phổ cho truy cập phổ tần động 11 1.2.2 Cảm nhận phổ đa chiều 14 1.2.3 Nền tảng phần cứng thực thi CR 15 1.2.4 Bài toán PU ẩn 15 1.2.5 Thời gian và tần suất cảm nhận 16 1.3 Các thuật toán cảm nhận phổ đơn sensor 17 1.3.1 Bộ lọc phối hợp 19 1.3.2 Phát hiện dừng vòng 19 1.3.3 Phát hiện năng lượng 21 1.3.4 Phát hiện năng lượng với nhiều mức phân giải tần số 23 1.4 Bộ tổ hợp tần số trong SDR 27 1.4.1 Bộ tổ hợp tần số tương tự trực tiếp 27 1.4.2 Bộ tổ hợp tần số số trực tiếp 27 1.4.3 Bộ tổ hợp tần số theo nguyên lý vòng khóa pha 28 1.4.4 Bộ tổ hợp tần số lai DDS+PLL 30 iv 1.4.5 So sánh các bộ THTS và chọn lựa mô hình nghiên cứu 30 1.4.6 Các kỹ thuật tăng tốc độ khóa 31 1.4.7 Bộ tổ hợp tần số tái cấu hình để tiết kiệm năng lượng 35 1.5 Kết luận chương 1 37 2 CHƯƠNG 2. GIẢI PHÁP CẢM NHẬN PHỔ DẢI RỘNG CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 39 2.1 Lý thuyết quyết định và các tiêu chuẩn đánh giá 39 2.1.1 Tiêu chuẩn Bayes 40 2.1.2 Tiêu chuẩn minimax 42 2.1.3 Tiêu chuẩn Neyman-Pearson 43 2.2 Đánh giá hiệu năng phát hiện năng lượng tín hiệu vô tuyến 44 2.3 Giải pháp cảm nhận phổ dải rộng bằng mô hình vô tuyến kép 51 2.3.1 Ước lượng tham số trạng thái kênh và tính giá trị N avg 57 2.3.2 Ước lượng tham số bằng khối cảm nhận toàn dải tần 61 2.3.3 Thuật toán điều chỉnh tốc độ lấy mẫu để phát hiện pilot 64 2.3.4 Bộ cảm nhận đơn kênh 66 2.4 Xây dựng mô hình bộ cảm nhận phổ trên nền FPGA 70 2.4.1 Mô hình cảm nhận phổ dải rộng 70 2.4.2 Bộ DDS tạo tần số lấy mẫu tín hiệu pilot 72 2.5 Mô phỏng đánh giá hoạt động của bộ WSB 74 2.5.1 Đánh giá kênh sử dụng bộ cảm nhận toàn dải 74 2.5.2 Điều chỉnh tốc độ lấy mẫu để phát hiện tín hiệu pilot 81 2.5.3 Cảm nhận phổ bằng bộ cảm nhận đơn kênh 84 2.6 Kết luận chương 2 87 3 CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP TÁI CẤU HÌNH CHO BỘ TỔ HỢP TẦN SỐ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 89 3.1 Giới thiệu 89 3.2 Bộ THTS PLL kinh điển và các tham số thiết kế 90 3.2.1 Thời gian khóa và các dải làm việc của bộ PLL bậc ba 90 3.2.2 Các vấn đề khi thiết kế bộ PLL 97 3.3 Đề xuất giải pháp tái cấu hình cho mô hình bộ tổ hợp tần số 98 v 3.3.1 Bộ PLL trong tổ hợp tần số có thể tái cấu hình 98 3.3.2 Bộ DDS trong tổ hợp tần số có thể tái cấu hình 109 3.4 Mô phỏng đánh giá mô hình bộ PLL bằng công nghệ CMOS 112 3.4.1 Khái quát về công nghệ CMOS 112 3.4.2 Bộ PLL thiết kế bằng công nghệ CMOS 113 3.5 Kết quả mô phỏng 115 3.5.1 Tính toán tham số lý thuyết với bộ PLL được thiết kế 115 3.5.2 Sự phụ thuộc thời gian và độ ổn định vào hệ số tắt dần 120 3.5.3 Mô phỏng đánh giá thời gian khóa khi I CP thay đổi 123 3.6 Áp dụng giải pháp cho chip PLL thực tế 128 3.7 Kết luận chương 3 129 KẾT LUẬN 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO 134 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT λ Ngưỡng so sánh c λ Ngưỡng so sánh tín hiệu trong kênh pc λ Ngưỡng so sánh tín hiệu pilot ε Hệ số lỗi tần số đầu vào của bộ PLL 2 ( ) t ε Hệ số lỗi tần số chuẩn hóa của bộ PLL bậc 2 3 ( ) t ε Hệ số lỗi tần số chuẩn hóa của bộ PLL bậc 3 m φ Độ dự trữ pha của bộ PLL ξ Độ lệch tần số pilot so với bin tần số lân cận đầu ra bộ DFT ( ) t θ Độ lệch pha đầu vào bộ PLL theo thời gian ( ) s θ Độ lệch pha đầu vào bộ PLL theo tần số ( ) e t θ Lỗi pha chuẩn hóa của bộ PFD ζ Hệ số tắt dần của bộ PLL n ω Tần số tự nhiên của bộ PLL c ω Tần số cắt của bộ PLL * s f ∆ Bước tần điều chỉnh tần số lấy mẫu H ω ∆ Dải giữ của bộ PLL L ω ∆ Dải khóa của bộ PLL P ω ∆ Dải kéo vào của bộ PLL PO ω ∆ Dải kéo ra của bộ PLL C z Tụ điện xác định điểm zero của bộ lọc vòng C P Tụ điện xác định điểm cực của bộ lọc vòng E s Năng lượng của tín hiệu 2 0 ( ) T s E s t dt = ∫ f c Tần số sóng mang vii f s Tần số lấy mẫu f s * Tần số lấy mẫu được điều chỉnh cho phát hiện pilot ( ) o ut f s Tần số đầu ra bộ PLL error f Lỗi tần số đầu vào bộ PLL f ref Tần số tham chiếu đầu vào bộ PLL f VCO_out Tần số đầu ra VCO H 0 Giả thiết không có tín hiệu trong kênh quan sát H 1 Giả thiết tín hiệu tồn tại trong kênh quan sát ( ) cl H s Hàm truyền vòng kín bộ PLL 2 ( ) cl H s Hàm truyền vòng kín bộ PLL bậc 2 3 ( ) cl H s Hàm truyền vòng kín bộ PLL bậc 3 ( ) Vc H s Hàm truyền bộ VCO trong mạch PLL ( ) e H s Hàm truyền pha đầu vào bộ PFD CP I Dòng điện đầu ra của bộ bơm điện tích _ CP adap I Dòng điện đầu ra của bộ bơm điện tích của bộ PLL thích nghi _ CP fast I Dòng điện đầu ra của bộ bơm điện tích trong chế độ tăng tốc _ CP norm I Dòng điện đầu ra của bộ bơm điện tích trong chế độ khóa tần số vco K Hệ số khuếch đại bộ VCO PD K Hệ số khuếch đại của bộ phát hiện pha-tần số k Chỉ số của thành phần tần số f k n(t): Tạp âm Gauss cộng trắng có giá trị trung bình bằng zero oar c st N Số mẫu đầu vào cho bộ FFT độ phân giải thô N fine Số mẫu đầu vào cho bộ FFT độ phân giải tinh N avg_max Giá trị mẫu trung bình tối đa để phát hiện tín hiệu N FFT Số mẫu đầu vào cho bộ FFT viii N avg Số mẫu tính trung bình để phát hiện tín hiệu N Hệ số chia của bộ chia phản hồi trong PLL P d Xác suất phát hiện P fa Xác suất cảnh báo lầm P m =1-P d Xác suất trượt P PLLmax Công suất tiêu thụ tối đa được phép của bộ PLL P PLL Công suất tiêu thụ tổng cộng của mạch PLL R z Điện trở xác định điểm zero của bộ lọc vòng R z_fast Điện trở xác định điểm zero của bộ lọc vòng khi tăng tốc R z_norm Điện trở xác định điểm zero bộ lọc vòng khi giữ ổn định tần số s(t) Tín hiệu oar FFT c st T − Thời gian tính toán cho bộ biến đổi FFT thô D D S P LL T + Thời gian thiết lập tần số của tổ hợp tần số T fft_fine Thời gian thực thi FFT độ phân giải cao comp T Thời gian so sánh mức năng lượng tại mỗi kênh với ngưỡng T PLL_lock Thời gian khóa bộ PLL T PLL_tune Thời gian điều hưởng của bộ PLL T PLL_tune_opt Thời gian điều hưởng tối ưu của bộ PLL T PLL_pull-in Thời gian kéo vào của bộ PLL T PLL_pull-adap Thời gian kéo vào của bộ PLL thích nghi T SW Thời gian chuyển chế đô hoạt động bộ PLL 1 c V Điện áp điều khiển ổn định bộ VCO VDD Điện áp nguồn cung cấp x(n) Mẫu tín hiệu miền thời gian f X Thành phần phổ tín hiệu sau biến đổi FFT . W f n N Hệ số pha tính toán biến đổi DFT [...]... giải pháp xử lý tín hiệu cho bộ cảm nhận phổ dải rộng trong hệ thống CR, xây dựng mô hình bộ cảm nhận phổ, cung cấp một trong những tham số đầu vào quan trọng chứa thông tin về phổ tần vô tuyến tới bộ máy nhận thức (Cognitive Engine - CE) của CR Luận án nghiên cứu tổng quan về cấu trúc SDR trong ngữ cảnh CR, các yêu cầu đặt ra đối với SDR; nghiên cứu các thuật toán, mô hình cảm nhận phổ ở phần xử lý. .. được giải quyết bằng giải pháp cảm nhận phổ dải rộng thông qua mô hình bộ thu vô tuyến kép thực hiện chức năng cảm nhận phổ Giải pháp được đề xuất trong chương 2 5 Trong mô hình bộ thu vô tuyến dải rộng thực hiện chức năng cảm nhận phổ, bộ tổ hợp tần số (THTS) là một khối chức năng thiết yếu, tham gia trực tiếp vào hoạt động của hệ thống Các tham số quan trọng đánh giá hiệu năng hoạt động của bộ THTS... dung chương 2 đi sâu giải quyết vấn đề xử lý tín hiệu số bằng mô hình khối điện tử số có cấu trúc vô tuyến kép, gồm một bộ phát hiện năng lượng toàn dải tần và một bộ thu cảm nhận đơn kênh Chương 3: Giải pháp tái cấu hình cho bộ tổ hợp tần số trong hệ thống thông tin vô tuyến nhận thức Trong mô hình bộ thu cảm nhận phổ được đề xuất trong nội dung của Chương 2, ở khối điện tử tương tự, bộ THTS tham gia... lý tín hiệu số và mô hình tái điều hưởng các khối chức năng ở phần xử lý tín hiệu tương tự trong CR Luận án đề xuất giải pháp xử lý tín hiệu số và xử lý tín hiệu tương tự cho CR thông qua mô hình mức vật lý của bộ cảm nhận phổ dải rộng ở khối điện tử số tái cấu hình và khối điện tử tương tự tái điều hưởng, với mục tiêu cải 3 thiện thời gian cảm nhận phổ và mức tiêu thụ năng lượng nguồn cung cấp của hệ. .. tục, nhằm quét được toàn bộ băng tần cần cảm nhận Để tiết kiệm năng lượng thì bài toán cấu hình động cho các khối chức năng tương tự (analog) nói chung hay bộ THTS nói riêng trong cấu trúc của CR cũng đang được nhiều nhà khoa học quan tâm Vì vậy, ở đây, luận án được chọn với tiêu đề là: Giải pháp xử lý tín hiệu cho bộ cảm nhận phổ dải rộng trong hệ thống thông tin vô tuyến nhận thức 2 Mục tiêu nghiên... xây dựng trên cơ sở lý thuyết thông tin vô tuyến điện, xử lý tín hiệu số, xử lý tín hiệu tương tự Nội dung khoa học được xây dựng dựa vào các tài liệu tham khảo mới nhất về lĩnh vực nghiên cứu được công bố trên thế giới 5 Phương pháp nghiên cứu Dựa vào các tài liệu về hệ thống CR, SDR, luận án nghiên cứu bài toán cảm nhận phổ một sensor và giải pháp tái cấu hình cho bộ THTS trong hệ thống CR Tìm hiểu... VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 1.1 Vô tuyến định dạng mềm và vô tuyến nhận thức Vô tuyến định dạng mềm (Software Defined Radio - SDR) là một hệ thống hoặc thiết bị thông tin liên lạc vô tuyến với các khối chức năng cơ bản được thực thi bằng phần mềm trên một nền tảng phần cứng cố định Vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) được coi như thế hệ phát triển tiếp theo của các hệ thống thông tin liên lạc vô tuyến trên nền... kênh [13] Trong CRN, các thiết bị đầu cuối phải có khả năng xử lý tín hiệu trong một dải tần rất rộng với tốc độ nhanh để tìm kiếm cơ hội hoạt động cho mình Vì vậy các thành phần phần cứng trong hệ thống cũng phải đáp ứng được yêu cầu này Cảm nhận phổ có thể được thực hiện thông qua hai kiến trúc khác nhau: vô tuyến đơn” và vô tuyến kép” [88], [75] Trong kiến trúc vô tuyến đơn”, cảm nhận phổ chỉ được... Down Converter – STDC) 1.2 Cảm nhận phổ trong vô tuyến nhận thức 1.2.1 Cảm nhận phổ cho truy cập phổ tần động Trong các hệ thống thông tin liên lạc dân sự, nhu cầu sử dụng phổ tần đang tăng nhanh và cần một số phương thức tiếp cận mới trong bài toán sử dụng tài nguyên phổ tần số một cách hiệu quả Hiện tại, việc cấp phát sử dụng băng tần từ nhà quản lý đến người sử dụng vẫn trong trạng thái tĩnh, và... và vô tuyến nhận thức Chương này trình bày tổng quan về công nghệ SDR và CR, đi sâu vào chức năng cảm nhận phổ trong CR Các thuật toán cảm nhận phổ được trình bày, trong đó thuật toán cảm nhận phổ sử dụng bộ phát hiện năng lượng (energy detector) và các thuật toán dẫn xuất của nó được nghiên cứu sâu Trong các tham số để đánh giá hiệu năng hoạt động của một bộ cảm nhận phổ, tham số về tốc độ cảm nhận . dải rộng trong hệ thống thông tin vô tuyến nhận thức 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của luận án là nghiên cứu một giải pháp xử lý tín hiệu cho bộ cảm nhận phổ dải rộng trong hệ thống CR,. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ VŨ LÊ HÀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU CHO BỘ CẢM NHẬN PHỔ DẢI RỘNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN NHẬN. VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ VŨ LÊ HÀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU CHO BỘ CẢM NHẬN PHỔ DẢI RỘNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN NHẬN THỨC Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 62