Nghiên cứu ứng dụng bộ lọc không gian nhằm giảm thiểu nhiễu tích cực lọt vào máy thu hình

Bài viết đề xuất sử dụng hệ thống tự bù khử cầu phương trong bộ lọc không gian để tăng hiệu quả khử nhiễu ngoài máy thu hình theo hướng sóng cánh bên của anten thu chính.

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ LỌC KHƠNG GIAN NHẰM GIẢM THIỂU NHIỄU TÍCH CỰC LỌT VÀO MÁY THU HÌNH Trần Hữu Tồn* Tóm tắt: Những năm gần kỹ thuật xử lý số không gian hướng sâu nghiên cứu nhà khoa học tính hấp dẫn ứng dụng, đặc biệt ứng dụng hệ anten thông minh Bài bào tác giả đề xuất sử dụng hệ thống tự bù khử cầu phương lọc không gian để tăng hiệu khử nhiễu ngồi máy thu hình theo hướng sóng cánh bên anten thu Từ khóa: Bộ lọc khơng gian; Bộ tự bù khử cầu phương ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, nhu cầu nghe xem ngày tăng Các chương trình truyền hình đòi hỏi khơng có nội dung mà u cầu chất lượng ngày nâng cao Các chương trinh NVOD hay VOD ngày quan tâm dịch vụ tương tác hai chiều xuất ngày nhiều lên Mặt khác, xu hướng công nghệ HD ngày phát triển, thiết bị sản xuất chương trình HD thay hệ thống sản xuất chương trình SD Tất vấn đề nêu đòi hỏi phải tiếp tục hoàn thiện chuẩn DVB-T2 nhiều vấn đề: chẳng hạn nghiên cứu ứng dụng chuẩn nén MPEG-4, tiếp tục cải thiện xác suất lỗi bit … Cho đến có số cơng trình nghiên cứu nhằm khắc phục, cải thiện để nâng cao chất lượng truyền hình số mặt đất DVB-T2 Năm 2010, Eun Su Kang, Humor Hwang Dong Seog Han đề xuất thuật tốn phục hồi sóng mang mạnh (thuật toán thiết lập bù tần số mạnh) để trì đồng độ dịch tần Doppler lớn hệ thống OFDM Trong hệ thống OFDM sử dụng tín hiệu dẫn đường “pilots”, việc thiết lập kênh biểu diễn tín hiệu sau nội suy trục thời gian tần số Khi thiết lập nội suy thời gian xuất sai số trung bình, nghiên cứu [6] đề xuất sử dụng lọc đa tần số thích nghi để đưa tần số tương quan Trong DVB-T2 sử dụng kỹ thuật ống lớp vật lý để tăng hiệu sử dụng phổ Năm 2014, Ahmed H.Eldieb, Mona Z.Saleh Salwa Elramly, cơng trình nghiên cứu đưa kỹ thuật cải tiến ước lượng kênh cho OFDM DVB-T2, dựa xếp tín hiệu dẫn đường kênh fading chọn lọc tần số theo thời gian Đây phương pháp cải tiến phương pháp ước lượng bình phương nhỏ chuyển miền (DTLSE) phương pháp nội suy hai chiều Cũng năm đó, Ahmad A.Aziz El-Banna Maha ElSabrouty, đề xuất thay mã hóa hình cầu K tối ưu cố định thành mã hóa hình cấu K tối ưu thích nghi nhằm khai thác đáp ứng xung kênh để đo chọn lọc kênh báo trạng thái kênh Năm 2016, Marwa Chafii cộng đề xuất phương pháp âm hiệu dành riêng thích nghi (Adaptive Tone Reservation) để thay phương pháp cổ điển sử dụng DVB-T2, kết cho độ lợi 5db BER=10-3 Như vậy, qua tìm hiểu, phân tích giải pháp cơng nghệ chuẩn phát hình số mặt đất hệ thứ DVB-T, hệ thứ hai DVB-T2 [1], phân tích số cơng trình công bố trên, tác giả nhận thấy rằng: - Chưa có giải pháp kỹ thuật để giảm nhiễu tích cực trước máy thu hình - Chưa có giải pháp kỹ thuật hiệu giảm thiểu tác động nhiễu xuyên kênh ICI độ dịch tần tần số Doppler lớn - Vấn đề giải mã DVB-T2 thực theo phương thức cứng Vì vậy, báo tác giả đề xuất ba giải pháp nghiên cứu ứng dụng hệ thống tự bù khử cầu phương lọc không gian nhằm nâng cao tỷ số tín/nhiễu đầu vào máy thu hình, đồng nghĩa với việc cải thiện xác suất lỗi bit hệ thống 52 Trần Hữu Toàn, “Nghiên cứu ứng dụng lọc không gian … lọt vào máy thu hình.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ BỘ TỰ TRIỆT NHIỄU TÍCH CỰC CẦU PHƯƠNG Để giảm thiểu nhiễu xuyên kênh ICI, theo lý thuyết mạch lọc khơng gian có M phần tử tạo M-1 hướng triệt tiêu khử M-1 nguồn nhiễu ICI Hiệu lọc nhiễu mạch lọc không gian thường đánh giá tỷ số tín hiệu nhiễu cộng tạp âm SINR Khi M lớn SINR lớn Tuy nhiên, lúc nảy sinh yêu cầu phải thực khối lượng lớn phép tính (đặc biệt phép nhân) Chính vậy, vấn đề nâng cao SINR mạch lọc không gian thường ý tới số lượng phép tính (liên quan tới tốc độ xử lý tín hiệu) hạn chế lớn làm giảm khả ứng dụng mơ hình vào thực tiễn Để giảm mức thu hướng có nguồn nhiễu tích cực, đây, báo đề xuất sử dụng phương pháp tự bù khử hoàn toàn thực phương án phần cứng ứng dụng cho máy thu hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý Để nâng cao chất lượng triệt nhiễu tích cực ta đề xuất sử dụng tự động triệt nhiễu tích cực cầu phương sơ đồ nêu hình Hình Bộ tự động bù khử cầu phương Bộ triệt nhiễu tích cực cầu phương Hình hệ thống tự động điều khiển kín, đó: - Bộ điều chế cân làm nhiệm vụ đảo pha vectơ thành phần nhiễu phần tử điều khiển biên độ hai vectơ nhiễu thành phần trực giao - Bộ nhân tách tín hiệu sai lệch pha hai thành phần trực giao - Khóa điện tử làm nhiệm vụ: khơng có nhiễu ngắt hệ thống, có nhiễu hệ thống nối nhờ điện áp điều khiển Giả sử tín hiệu nhiễu thu từ anten phụ: U n p  U m p sin( 2f t   n p ) (1) Trong đó: U m p : Biên độ tín hiệu nhiễu thu anten phụ;  n p : Pha đầu ngẫu nhiên tín hiệu nhiễu anten phụ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 57, 10 - 2018 53 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Tín hiệu nhiễu thu cánh sóng phụ anten chính:  U nc  U mc sin 2f t   nc  (2) Trong đó: U mc : Biên độ tín hiệu nhiễu thu cánh sóng phụ anten chính; nc : Pha đầu ngẫu nhiên tín hiệu nhiễu anten Đầu vào mạch nhân có hai tín hiệu: - Một tín hiệu nhiễu anten phụ phân tích thành hai thành phần trực giao (nhờ quay pha 00 900) - Hai tín hiệu sai lệch vectơ nhiễu thu từ anten phụ vectơ nhiễu thu  từ cánh bên anten từ đầu cộng S Bộ nhân có nhiệm vụ tách tín hiệu sai lệch cấp cho hai kênh trực giao Tín hiệu sau nhân:    U  K TS U n 00 ,900 U S  cos n  sin n 2     (3) Mức độ nhạy nhân (được coi tách sóng pha) với biến đổi  n p đặc trưng độ nhạy tách sóng pha  :  n    K TS U  cos  sin n    (4) Gọi hệ số khuếch đại phần tử điều khiển K đc Khi lượng sai lệch dư hệ thống là: U Sdu  U S  K đc (5) Từ suy hệ số chế áp nhiễu: K CA  U S   K đc U Sdu (6) Như vậy, hệ số chế áp bù khử phụ thuộc vào K đc độ nhạy nhân  , với K đc  K cb K sbc (trong đó: K cb hệ số khuếch đại điều chế cân bằng, K sbc hệ số khuếch đại sau cộng) 2.2 Nguyên lý hoạt động Nguyên tắc hoạt động sơ đồ tự động bù khử cầu phương minh họa hình Hình Nguyên lý làm việc kênh tự bù khử cầu phương 54 Trần Hữu Toàn, “Nghiên cứu ứng dụng lọc không gian … lọt vào máy thu hình.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Trong đó: S véctơ tín hiệu thu từ cánh bên anten S n véctơ tín hiệu thu từ anten phụ Ở kênh thu phụ véctơ S n tách hai véctơ thành phần trực giao S Yn , S X n , sau hai véctơ đảo pha điều chế cân bằng, ta nhận  S Yn  S X n Tại cộng ta nhận được: Đầu cộng ta có:     S  S X n  ( S Yn ) (7)    S   S n  S (8)    Tín hiệu sai lệch S đưa tới hai nhân hai nhánh, tạo tín hiệu sai lệch cho hai nhánh, qua khóa điện tử mạch tích phân đưa tới điều khiển biên độ  S X n  SYn Khi biên độ hai thành phần thay đổi dẫn tới pha  S n thay đổi Khi pha  S n  ngược với pha S n S  , mạch tự bù khử dừng hoạt động Như vậy, ta tạo khe lõm hướng có nguồn nhiễu tích cực, nên nhiễu tích cực không lọt vào máy thu Điều nâng cao phẩm chất BER hệ thống Có thể tạo khe lõm hướng tới nguồn nhiễu tích cực, cách sử dụng anten phụ - đặt vuông góc với – anten thu phụ tránh tạo khe lõm góc vng MƠ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ Như biết, xác suất lỗi bit hàm tỷ số tín/tạp (SNR) đầu vào máy S  Trong thông tin số tỷ số tín/tạp đánh giá (hay thể hiện) thơng qua N E  tỷ số Eb/N0, viết lại Pb  f  b  Nếu sử dụng tự triệt nhiễu tích cực cầu  N0  thu Pb  f   E  phương Pb  f  K CA b  N0   Theo [5], xác suất lỗi bit cho tín hiệu M-QAM xác định theo cơng thức:   Pb  Q log M      log M   M  1 Eb  N0  (9) Trong đó: M mức chòm tín hiệu Q hàm phân bố tích lũy âm biến ngẫu nhiên chuẩn hóa: Q x   2  e  x2 dx (10) x Nếu có thêm tự triệt nhiễu tích cực cầu phương đầu vào máy thu xác suất lỗi bit đầu vào máy thu là: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 57, 10 - 2018 55 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử   Pb  Q log M        log M  Q Eb  log M  M  1K CA   N0     log M  (11) Eb  M  11  K đc   N0  Để đánh giá hiệu tự triệt nhiễu tích cực cầu phương tác giả mơ sử dụng phần mềm Matlab theo công thức (11) thiết lập thông số theo bảng Bảng Thiết lập thơng số tính BER tự triệt nhiễu STT Thông số Thiết lập Eb/N0 0:30 Loại kênh Loại điều chế Giải điều chế Mức điều chế Hệ số chế áp K CA AWGN QAM Coherent 4,16,64,256 1,5,10  Kết mô phỏng: Kết mô hiệu BER tự triệt nhiễu tích cực cầu phương thể hình 3, hình 4, hình hình Hình Hiệu BER tự triệt nhiễu tích cực cầu phương với điều chế 4-QAM Hình Hiệu BER tự triệt nhiễu tích cực cầu phương với điều chế Hình Hiệu BER tự triệt nhiễu tích cực cầu phương với điều chế 64-QAM Hình Hiệu BER tự triệt nhiễu tích cực cầu phương với điều chế 256-QAM 56 16-QAM Trần Hữu Toàn, “Nghiên cứu ứng dụng lọc không gian … lọt vào máy thu hình.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Để thấy rõ hiệu tự triệt nhiễu, dựa kết mô tác giả tính độ tăng ích BER = 10-3 theo bảng Bảng Độ tăng ích tự triệt nhiễu BER = 10-3 Bộ điểu chế 4-QAM 16-QAM 64-QAM 256-QAM K CA  (Không sử dụng tự triệt nhiễu) 7dB 10.5dB 15dB 19dB K CA  Độ tăng ích K CA  10 Độ tăng ích 5.5dB 8.5dB 12.5dB 15.5dB 1.5dB 2dB 2.5dB 3.5dB 4dB 6.5dB 9.5dB 11.5dB 3dB 4dB 5.5dB 7.5dB Qua kết mô phỏng, kết tính độ tăng ích bảng ta thấy: Với việc sử dụng tự triệt nhiễu tích cực cầu phương trước máy thu hình cho hiệu khử nhiễu tốt, qua cải thiện chất lượng hệ thống Khi mức điều chế tăng lên (nhiễu tăng) triệt nhiễu cho hiệu tốt hơn, cụ thể thấy: điều chế 4-QAM, K CA  10 cho độ tăng ích 3dB; với 256QAM, K CA  10 cho độ tăng ích lên đến 7.5dB Điều có nghĩa ta ứng dụng tự triệt nhiễu vào hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2 sử dụng điều chế lên đến 256-QAM KẾT LUẬN Trong báo này, tác giả hạn chế nhiễu ngồi máy thu hình theo hướng cánh sóng bên anten thu hệ thống tự bù khử Việc ứng dụng sơ đồ đề xuất khơng q phức tạp, cho phép khử nhiễu tích cực ngồi máy thu hình, qua cải thiện đáng kể phẩm chất BER toàn hệ thống Một giải pháp mà chuẩn DVB-T2 thiếu Tuy nhiên, hệ anten thu phải cấu tạo phức tạp hệ thống có độ trễ định so với hệ anten thu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] European Broadcasting Union (April 2009),“Digital Video Broadcasting (DVB); Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital transmission system”, CH-1218 GRAND SACONNEX (Geneva),Switzerland [2] Jiefeng Zang, Chuan Lin, Anyong Qing, Mingyao He, “Design of spatial filter applied to millimeter wave fast imaging system”, Applied Computational Electromagnetics Society Symposium (ACES), 2017 International [3] Alberto Palacios Pawlovsky, Makoto Hozaki, “A new way of applying spatial filters and wavelets to reduce noise in medical images”, Region 10 Conference (TENCON), 2016 IEEE [4] Amiya Halder, Sandeep Shekhar, Shashi Kant, Musheer Ahmed Mubarki, Anand Pandey, “A New Efficient Adaptive Spatial Filter for Image Enhancement”, Computer Engineering and Applications (ICCEA), 2010 Second International Conference on, April 2010 [5] Andrea Goldsmith, “Wireless communications”, Stanford University, January 2008 [6] Marco Rotoloni, Matteo Butussi, Stefano Tomasin, Mauro Lattuada, and Christian Ruppert, “Multiple Adaptive Frequency Filtering for OFDM Channel Estimation”, IEEE Transaction on Broadcasting, vol 55, no 4, December 2009 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 57, 10 - 2018 57 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử ABSTRACT RESEARCHING THE APPLICATION OF SPATIAL FILTER TO MINIMIZE INTERFERENCE OCCURRING IN TELEVISION RECEIVER Recently years, spatial processing techniques are one of the most in-depth studies of scientists by the attractiveness of applications, especially in smart antenna systems In this paper, the use of quadrature self-compensation in spatial filter to increase noise cancellation efficiency outside television receiver in the direction of the lateral wave of the main antenna was proposed Keywords: Spatial Filter; Quadrature self-compensation Nhận ngày 15 tháng năm 2018 Hoàn thiện ngày 19 tháng năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng năm 2018 Địa chỉ: Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Email: toanth84@gmail.com * 58 Trần Hữu Toàn, “Nghiên cứu ứng dụng lọc khơng gian … lọt vào máy thu hình.” ... triệt nhiễu tích cực cầu phương với điều chế 64-QAM Hình Hiệu BER tự triệt nhiễu tích cực cầu phương với điều chế 256-QAM 56 16-QAM Trần Hữu Toàn, Nghiên cứu ứng dụng lọc không gian … lọt vào máy. .. triệt nhiễu tích cực cầu phương thể hình 3, hình 4, hình hình Hình Hiệu BER tự triệt nhiễu tích cực cầu phương với điều chế 4-QAM Hình Hiệu BER tự triệt nhiễu tích cực cầu phương với điều chế Hình. .. bù khử cầu phương minh họa hình Hình Nguyên lý làm việc kênh tự bù khử cầu phương 54 Trần Hữu Toàn, Nghiên cứu ứng dụng lọc khơng gian … lọt vào máy thu hình. ” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Trong