Mô hình hóa tín hiệu ngẫu nhiên bằng phương pháp số

Bài viết trình bày mô hình hóa tín hiệu ngẫu nhiên bằng phương pháp số được ứng dụng trong việc phân tích và xử lý tín hiệu. Các dạng tín hiệu ngẫu nhiên với các tham số đặc trưng thống kê được tạo ra bằng phương pháp số và phương pháp sử dụng trộn và khuếch đại nguồn tín hiệu tạp trắng.

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử MƠ HÌNH HĨA TÍN HIỆU NGẪU NHIÊN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ Nguyễn Thị Nguyên1*, Phạm Tuấn Giáo2, Đỗ Huy Giác2 Tóm tắt: Bài báo trình bày mơ hình hóa tín hiệu ngẫu nhiên phương pháp số ứng dụng việc phân tích xử lý tín hiệu Các dạng tín hiệu ngẫu nhiên với tham số đặc trưng thống kê tạo phương pháp số phương pháp sử dụng trộn khuếch đại nguồn tín hiệu tạp trắng Các kết nghiên cứu mơ hình hóa tín hiệu ngẫu nhiên thu phương pháp dựa sở nghiên cứu xây dựng tham số đầu vào phù hợp với đặc trưng tín hiệu cần mơ hệ thống máy tính số Từ khóa: Mơ hình hóa tín hiệu ngẫu nhiên, Hệ thống vô tuyến, Phương pháp số ĐẶT VẤN ĐỀ Sự biến đổi khí hậu làm cho tín hiệu radar khí tượng thay đổi với tham số biến động, để bám sát thay đổi đó, việc mơ tín hiệu radar khí tượng cần phải có quan điểm, đánh giá khác so với cấu trúc tín hiệu trước Để tạo dạng tín hiệu ngẫu nhiên với tham số đặc trưng thống kê mong muốn phương pháp khác nhau, sử dụng phương pháp tạo mức tín hiệu tương tự kết hợp với biến đổi tương tự - số, số - tương tự Chúng ta tạo tín hiệu ngẫu nhiên dạng số, tương tự với số lượng mức lượng tử hóa phù hợp với yêu cầu độ xác loại thiết bị theo yêu cầu [1, 3] Trên sở công cụ máy tính số, biến đổi xử lý số tín hiệu tiến hành mơ hình hóa tín hiệu cho hệ thống radar khí tượng sau: NỘI DUNG 2.1 Mơ hình hóa tín hiệu có tham số ngẫu nhiên phương pháp số Hình Lưu đồ thực mơ hình hóa tín hiệu ngẫu nhiên phương pháp số máy tính Trên sở sử dụng trực tiếp phương pháp số để tạo dãy tín hiệu nhị phân theo quy luật ngẫu nhiên thống kê để đáp ứng yêu cầu với số lượng mức lượng tử hóa có giá trị 112 N T Ngun, P T Giáo, Đ H Giác, “Mơ hình hóa tín hiệu … phương pháp số.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ trung bình phương sai tạp n(nT ) có giá trị chuẩn hóa Tín hiệu x(nT ) có giá trị trung bình khác thời điểm (ti  niT ) , trường hợp đó, thơng qua tín hiệu x(nT ) nhận giá trị phù hợp tín hiệu tổng hợp s (nT ) Tức dãy nhóm số nhị phân có số bít nhóm là: 8, 12, 16, Sau đó, cần thiết sử dụng biến đổi số - tương tự để tạo tín hiệu ngẫu nhiên liên tục Lưu đồ thuật tốn q trình tạo tín hiệu phương pháp số hình [1] Trong đó: CT chương trình, DL liệu, SL số liệu, ADC biến đổi tương tự - số, DA số - tương tự, ADC biến đổi tương tự - số, DLNN liệu ngẫu nhiên Để đơn giản cho q trình tính tốn thường giả thiết tín hiệu, s (nT ) , x(nT ) n(nT ) có quan hệ giá trị tính theo [1,6]: (1) s (nT )  A(nT ) x(nT )  n(nT ) Căn vào phân tích cấu trúc đặc tính thống kê loại tín hiệu vơ tuyến, tiến hành xây dựng tham số đầu vào phù hợp với đặc trưng như: Sự biến thiên biên độ, sai lệch pha, dải tần tín hiệu cần mơ Trên sở lưu đồ thuật tốn hình 1, với tham số đầu vào chọn phù hợp, tiến hành xử lý hệ thống máy tính số kết nhận bảng dạng tín hiệu hình Bảng Đặt tham số kết tạo tín hiệu ngẫu nhiên dạng xung vuông giá trị cực đại lấy 1,0 mV, DAC bit TT 10 11 12 13 14 15 16 17 Giá trị mẫu 18 25 - 13 21 - 30 88 70 65 78 84 -18 -23 08 29 15 07 - 23 Giá trị thay đổi 07 38 34 51 118 18 05 13 06 102 05 31 21 14 08 30 31 Tần số (Mhz) 1,0 1,5 1,5 2,0 2,5 1,0 1,0 1,0 1,0 3,0 1,0 1,5 1,5 1,0 1,0 1,5 1,5 Bít dấu 0 1 0 0 1 0 0 Giá trị nhị phân 0001.0010 0001.1001 1111.0011 0001.0101 1110.0010 0101.1000 0100.0110 0100.0001 0100.1110 0101.0100 1110.1111 1110.1001 0000.1000 0001.1101 0000.1111 0000.0111 1110.1001 Thời gian (μs) 50 50 50 50 50 80 80 80 80 80 90 90 90 90 90 90 90 Biên độ mẫu (mV) ≈ 0,07 ≈ 0,100 ≈ - 0,05 ≈ 0,082 ≈ - 0,12 ≈ 0,312 ≈ 0,280 ≈ 0,260 ≈ 0,300 ≈ 0,310 ≈ - 0,07 ≈ - 0,09 ≈ 0,034 ≈ 0,118 ≈ 0,060 ≈ 0,030 ≈ - 0,09 Kết mơ tạo tín hiệu xung vng dương dạng tín hiệu xung đường bao sau tách sóng tín hiệu thực phương pháp số để mơ hình hóa tín hiệu xung đơn hình Dạng tín hiệu mơ tương đối phù hợp với dạng tín hiệu đầu tách sóng tín hiệu xung đơn Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 113 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Hình Mơ hình hóa tín hiệu xung có tham số ngẫu nhiên phương pháp số 2.2 Mơ hình hóa tín hiệu ngẫu nhiên sử dụng trộn khuếch đại tín hiệu tạp trắng Ta tạo dãy xung đường bao tín hiệu cao tần sở sử dụng phát tín hiệu xung có biên độ, độ rộng chu kỳ thay đổi theo quy luật mong muốn Nhưng tạo xung đường bao cao tần nhờ vào việc sử dụng cộng liên tiếp tín hiệu có biên độ biến thiên theo yêu cầu với việc điều khiển liên tục hệ số suy giảm, hệ số khuếch đại khuếch đại truyền tín hiệu với tín hiệu đầu vào sở tạp trắng [7] Hình Lưu đồ thuật tốn thực mơ hình hóa tín hiệu ngẫu nhiên sử dụng trộn khuếch đại tín hiệu tạp trắng Khi mơ hình hóa tín hiệu có ích thu đầu vào máy thu hệ thống radar khí tượng có dạng theo công thức [1, 5]: s (t )  A(t ) sin(t   )  n(t ) (2) Trong đó, A(t) biên độ tín hiệu có ích hệ thống radar khí tượng đại lượng biến đổi chậm tuân theo quy luật biến đổi đường bao chùm xung tín hiệu Sự 114 N T Ngun, P T Giáo, Đ H Giác, “Mơ hình hóa tín hiệu … phương pháp số.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ thay đổi diện tích phản xạ tức thời mục tiêu mơi trường truyền sóng hệ thống radar khí tượng coi khơng đáng kể Lưu đồ thuật toán thực tạo xung đường bao cao tần nhờ sử dụng cộng liên tiếp tín hiệu có biên độ biến thiên theo u cầu với việc điều khiển liên tục hệ số suy giảm, hệ số khuếch đại khuếch đại truyền tín hiệu với tín hiệu đầu vào sở tín hiệu tạp trắng hình Trong đó: CT chương trình, DL liệu, SL số liệu, A-D tương tự - số, DAC biến đổi số - tương tự, DLNN liệu ngẫu nhiên Tạp trắng sử dụng để tạo tạp màu sử dụng lọc dải thông với độ rộng tần số trung tâm khác [1] Biên độ tín hiệu bị thăng giáng xử lý cách nhân tín hiệu đầu vào với hệ số nhân khác để thay đổi biên độ theo yêu cầu Điều hoàn toàn thực cách đơn giản thơng qua mô phỏng, mạch xử lý thực tế [4, 6] Bảng Đặt hệ số KĐ kết tạo tín hiệu ngẫu nhiên dạng xung đường bao giá trị biên độ tạp lấy 0,020 mV, ADC bít, giá trị cực đại 1,0 mV TT Hệ số khuếch đại Giá trị thay đổi Tần số (Ghz) Bít dấu Giá trị nhị phân Thời gian (μs) Biên độ tức thời (mV) 05 01 1,0 1110 0111 50 - 0,10 06 02 1,5 0001.1110 50 0,12 04 01 1,5 1110.1111 50 - 0,08 05 02 2,0 0001.1001 50 0,10 03 13 2,5 1111.0001 50 - 0,06 16 02 1,0 0101.0000 80 0,32 18 03 1,0 1010.0110 80 - 0,36 15 04 1,0 0100.1101 80 0,30 19 02 1,0 10100.001 80 - 0,38 10 17 15 3,0 0101.0101 80 0,34 11 02 01 1,0 1111.0110 90 - 0,04 12 03 02 1,5 0000.1111 90 0,06 13 05 01 1,5 1110 0111 90 - 0,10 14 06 02 1,0 0001.1110 90 0,12 15 04 01 1,0 1110 1111 90 - 0,08 16 07 30 1,5 0000.0111 90 ≈ 0,030 17 04 31 1,5 1110.1001 90 ≈ - 0,09 Kết mơ tạo tín hiệu xung vuông đường bao cao tần hai chiều theo phương pháp nhân hệ số (khuếch đại tín hiệu) theo quy luật ngẫu nhiên, mang tính thống kê đặc trưng theo u cầu phân tích mơ hình tốn học với tín hiệu tạp trắng, để mơ hình hóa tín hiệu xung cao tần tác động lên đầu vào thiết bị thu hệ thống radar khí tượng hình Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 115 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Hình Mơ hình hóa tín hiệu ngẫu nhiên sử dụng trộn khuếch đại tín hiệu tạp trắng Trên sở tạp trắng có cấu trúc cho mơ hình hóa, ta sử dụng phương pháp biến đổi để tạo tín hiệu ngẫu nhiên có đặc tính thống kê theo u cầu Sơ đồ cấu trúc tạo tín hiệu ngẫu nhiên từ tạp trắng với việc thay đổi hệ số khuếch đại tín hiệu hình Tạp trắng Phối Phối ghép ghéptín tín hiệu Khuếch đại tín hiệu Nhận tín hiệu tổng hợp Biến đổi A-D Điều chỉnh hệ số khuếch đại Đặt hệ số khuếch đại Lưu trữ tín hiệu tương tự Hiển thị, kết xuất liệu Lưu trữ tín hiệu số Hình Sơ đồ cấu trúc tạo tín hiệu ngẫu nhiên sử dụng trộn khuếch đại tín hiệu tạp trắng Nhận xét: Phương pháp mơ giúp ta thay đổi tham số tín hiệu cách thuận tiện nhanh chóng, phù hợp với thay đổi tín hiệu thực tế hệ thống radar khí tượng với điều kiện biến đổi khí hậu Nhờ khảo sát, đánh giá thiết bị cách nhanh chóng xác KẾT LUẬN Nội dung báo trình bày phương pháp mơ hình hóa tín hiệu ngẫu nhiên sở phân tích tốn học lý thuyết thống kê nhờ cơng cụ máy tính số, nhằm tạo dạng tín hiệu tác động lên khâu máy thu hệ thống radar khí tượng Dạng tham số tín hiệu tạo mơ phù hợp với dạng tín hiệu cao tần đầu vào máy thu tín hiệu sau tách sóng biên độ [2, 5] Kết mơ tạo hai dạng tín hiệu xung đường bao 116 N T Nguyên, P T Giáo, Đ H Giác, “Mơ hình hóa tín hiệu … phương pháp số.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ sau tách sóng xung cao tần đầu vào máy thu Bằng cách mơ hình hóa tín hiệu giúp cho việc đánh giá, kiểm tra, bảo dưỡng hệ thống thuận lợi xác TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Tuấn Giáo (2010) Mạng anten xử lý không gian-thời gian tín hiệu Học viện Kỹ thuật Quân [2] Nguyễn Hướng Điền, Tạ Văn Ba (2007), Khí tượng Radar Đại học QGHN [3] Alper Demir, Peter Feldmann (1999), Modeling and Simulation of the Interference due to Digital Switching in Mixed-Signal Ics, Bell Laboratories Murray Hill, New Jersey, USA [4] Bruner W G., Case W N, and Leedom R C Digital Control in Modern Radar EASCON 1971 Record, IEEE Electronics and Aerospace Systems Convention, October 6-8, 1971 Washington, DC, pp 200-207 [5] Бaкaлов B.П (2002), Цифровое моделирование случайных процессов Выпуск М.: Изд-во «САЙНС-ПРЕСС», 90 с [6] Быков B.B (1971), Цифровое моделирование о cтатистической радиотехнике, M.: Coв Радио, [7] Фам Туан Жао, (2005), Моделирование многоканального цифрового приемника при слабом входном сигнале Труды XI Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», г Воронеж, 2005 г (ISBN 59900094-5-3), том 1, с 130-143 ABSTRACT MODELING OF RANDOM SIGNAL BY DIGITAL METHODS This paper presents modeling of random signals by digital methods applied in the analysis and signal processing The random signal format with specific parameters is generated by statistical methods and methods of using the mixer and amplifier signal source white noise The research results modeling random signal by methods based on research build the input parameters in accordance with the basic characteristics of the signal to be simulated on a digital computer system Keywords: Modeling of random signals, Radio systems, Digital method Nhận ngày 12 tháng 10 năm 2017 Hoàn thiện ngày 07 tháng 01 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 26 tháng 02 năm 2018 Địa chỉ: Đại học Công nghiệp Việt - Hung - Phố Hữu nghị - Sơn tây - Hà Nội; Học viện Kỹ thuật Quân Sự - 236 Hoàng Quốc Việt – Hà Nội; * Email: nguyenduc7978@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 117 ... tạo tín hiệu xung vng dương dạng tín hiệu xung đường bao sau tách sóng tín hiệu thực phương pháp số để mơ hình hóa tín hiệu xung đơn hình Dạng tín hiệu mơ tương đối phù hợp với dạng tín hiệu. .. sóng tín hiệu xung đơn Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 113 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Hình Mơ hình hóa tín hiệu xung có tham số ngẫu nhiên phương pháp số 2.2 Mơ hình hóa tín. .. Điện tử Hình Mơ hình hóa tín hiệu ngẫu nhiên sử dụng trộn khuếch đại tín hiệu tạp trắng Trên sở tạp trắng có cấu trúc cho mơ hình hóa, ta sử dụng phương pháp biến đổi để tạo tín hiệu ngẫu nhiên