Mô hình hóa tín hiệu ngẫu nhiên bằng phương pháp số

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. T. Nguyên, P. T. Giáo, Đ. H. Giác, “Mô hình hóa tín hiệu bằng phương pháp số.” 112 MÔ HÌNH HÓA TÍN HIỆU NGẪU NHIÊN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ Nguyễn Thị Nguyên1*, Phạm Tuấn Giáo2, Đỗ Huy Giác2 Tóm tắt: Bài báo 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. Các kết quả nghiên cứu mô hình hóa tín hiệu ngẫu nhiên thu được bằng các phương pháp dựa trên cơ sở nghiên cứu xây dựng bộ tham số đầu vào phù hợp với những đặc trưng cơ bản của tín hiệu cần mô phỏng trên hệ thống máy tính số. Từ khóa: Mô hình hóa tín hiệu ngẫu nhiên, Hệ thống vô tuyến, Phương pháp số. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Sự biến đổi khí hậu hiện nay làm cho tín hiệu của radar khí tượng thay đổi với những tham số biến động, để bám sát sự thay đổi đó, việc mô phỏng tín hiệu radar khí tượng cần phải có những quan điểm, đánh giá khác so với những cấu trúc tín hiệu trước đây. Để tạo ra các dạng tín hiệu ngẫu nhiên với các tham số đặc trưng thống kê mong muốn bằng các phương pháp khác nhau, có thể sử dụng phương pháp tạo các mức tín hiệu tương tự kết hợp với các bộ biến đổi tương tự - số, số - tương tự. Chúng ta có thể tạo ra tín hiệu ngẫu nhiên ở dạng số, hoặc tương tự với số lượng mức lượng tử hóa phù hợp với yêu cầu về độ chính xác đối với từng loại thiết bị theo yêu cầu [1, 3]. Trên cơ sở các công cụ máy tính số, các bộ biến đổi và xử lý số tín hiệu tiến hành mô hình hóa tín hiệu cho các hệ thống radar khí tượng như sau: 2. NỘI DUNG 2.1. Mô hình hóa tín hiệu có tham số ngẫu nhiên bằng phương pháp số Hình 1. Lưu đồ thực hiện mô hình hóa tín hiệu ngẫu nhiên bằng phương pháp số trên máy tính. Trên cơ sở sử dụng trực tiếp phương pháp số để tạo ra dãy các 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 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 113 trung bình bằng 0 còn phương sai của tạp ( )n nT có giá trị chuẩn hóa bằng 1. Tín hiệu ( )x nT có giá trị trung bình khác 0 tại các thời điểm ( )i it n T , trong trường hợp đó, thông qua tín hiệu ( )x nT nhận được các giá trị phù hợp của tín hiệu tổng hợp ( )s nT . Tức là dãy các nhóm số nhị phân có số bít của từng nhóm có thể là: 8, 12, 16,... Sau đó, nếu cần thiết có thể sử dụng bộ biến đổi số - tương tự để tạo ra tín hiệu ngẫu nhiên liên tục. Lưu đồ thuật toán quá trình tạo tín hiệu bằng phương pháp số chỉ ra trên hình 1 [1]. Trong đó: CT là chương trình, DL là dữ liệu, SL là số liệu, ADC là bộ biến đổi tương tự - số, D- A là số - tương tự, ADC là bộ biến đổi tương tự - số, DLNN là dữ liệu ngẫu nhiên. Để đơn giản cho quá trình tính toán thường giả thiết rằng các tín hiệu, ( )s nT , ( )x nT và ( )n nT có quan hệ giá trị tính theo [1,6]: ( ) ( ) ( ) ( )s nT A nT x nT n nT  (1) Căn cứ vào phân tích cấu trúc và đặc tính thống kê của các loại tín hiệu vô tuyến, tiến hành xây dựng bộ tham số đầu vào phù hợp với những đặc trưng cơ bản như: Sự biến thiên về biên độ, sai lệch về pha, cũng như dải tần của tín hiệu cần mô phỏng. Trên cơ sở lưu đồ thuật toán chỉ ra trên hình 1, với tham số đầu vào được chọn phù hợp, tiến hành xử lý trên hệ thống máy tính số kết quả nhận được như chỉ ra trên bảng 1 và dạng tín hiệu chỉ ra trên hình 2. Bảng 1. Đặt tham số và kết quả tạo tín hiệu ngẫu nhiên dạng xung vuông giá trị cực đại lấy bằng 1,0 mV, DAC 8 bit. TT Giá trị mẫu Giá trị thay đổi Tần số (Mhz) Bít dấu Giá trị nhị phân Thời gian (μs) Biên độ mẫu (mV) 1 18 07 1,0 0 0001.0010 50 ≈ 0,07 2 25 38 1,5 0 0001.1001 50 ≈ 0,100 3 - 13 34 1,5 1 1111.0011 50 ≈ - 0,05 4 21 51 2,0 0 0001.0101 50 ≈ 0,082 5 - 30 118 2,5 1 1110.0010 50 ≈ - 0,12 6 88 18 1,0 0 0101.1000 80 ≈ 0,312 7 70 05 1,0 0 0100.0110 80 ≈ 0,280 8 65 13 1,0 0 0100.0001 80 ≈ 0,260 9 78 06 1,0 0 0100.1110 80 ≈ 0,300 10 84 102 3,0 0 0101.0100 80 ≈ 0,310 11 -18 05 1,0 1 1110.1111 90 ≈ - 0,07 12 -23 31 1,5 1 1110.1001 90 ≈ - 0,09 13 08 21 1,5 0 0000.1000 90 ≈ 0,034 14 29 14 1,0 0 0001.1101 90 ≈ 0,118 15 15 08 1,0 0 0000.1111 90 ≈ 0,060 16 07 30 1,5 0 0000.0111 90 ≈ 0,030 17 - 23 31 1,5 1 1110.1001 90 ≈ - 0,09 Kết quả mô phỏng tạo tín hiệu xung vuông dương dạng tín hiệu xung đường bao sau tách sóng tín hiệu thực hiện bằng phương pháp số để mô hình hóa tín hiệu xung đơn chỉ ra trên hình 2. Dạng của tín hiệu mô phỏng tương đối phù hợp với dạng của tín hiệu đầu ra tách sóng của tín hiệu xung đơn. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. T. Nguyên, P. T. Giáo, Đ. H. Giác, “Mô hình hóa tín hiệu bằng phương pháp số.” 114 Hình 2. Mô hình hóa tín hiệu xung có tham số ngẫu nhiên bằng phương pháp số. 2.2. Mô hình hóa tín hiệu ngẫu nhiên sử dụng trộn và khuếch đại tín hiệu tạp trắng Ta có thể tạo ra dãy xung đường bao tín hiệu cao tần trên cơ sở sử dụng các bộ phát tín hiệu xung có biên độ, độ rộng và chu kỳ thay đổi theo quy luật mong muốn. Nhưng cũng có thể tạo ra xung đường bao cao tần nhờ vào việc sử dụng bộ cộng liên tiếp tín hiệu có biên độ biến thiên theo yêu cầu với việc điều khiển liên tục các hệ số suy giảm, hệ số khuếch đại trên bộ khuếch đại và truyền tín hiệu với tín hiệu đầu vào cơ sở là tạp trắng [7]. Hình 3. Lưu đồ thuật toán thực hiện mô hình hóa tín hiệu ngẫu nhiên sử dụng trộn và khuếch đại tín hiệu tạp trắng. Khi mô hình hóa tín hiệu có ích thu được trên đầu vào máy thu của hệ thống radar khí tượng có dạng theo công thức [1, 5]: ( ) ( )sin( ) ( )s t A t t n t    (2) Trong đó, A(t) là biên độ của tín hiệu có ích đối với hệ thống radar khí tượng là đại lượng biến đổi chậm tuân theo quy luật biến đổi của đường bao chùm xung tín hiệu. Sự Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 115 thay đổi diện tích phản xạ tức thời của mục tiêu và môi trường truyền sóng của hệ thống radar khí tượng có thể coi là không đáng kể. Lưu đồ thuật toán thực hiện tạo xung đường bao cao tần nhờ sử dụng bộ cộng liên tiếp tín hiệu có biên độ biến thiên theo yêu cầu với việc điều khiển liên tục các hệ số suy giảm, hệ số khuếch đại trên bộ khuếch đại và truyền tín hiệu với tín hiệu đầu vào cơ sở là tín hiệu tạp trắng chỉ ra trên hình 3. Trong đó: CT là chương trình, DL là dữ liệu, SL là số liệu, A-D là tương tự - số, DAC là bộ biến đổi số - tương tự, DLNN là dữ liệu ngẫu nhiên. Tạp trắng được sử dụng để tạo tạp màu khi sử dụng các bộ lọc dải thông với độ rộng và tần số trung tâm khác nhau [1]. Biên độ tín hiệu bị thăng giáng được xử lý bằng cách nhân tín hiệu đầu vào với các hệ số nhân khác nhau để thay đổi biên độ theo yêu cầu. Điều này hoàn toàn có thể thực hiện một cách đơn giản thông qua mô phỏng, hoặc mạch xử lý thực tế [4, 6]. Bảng 2. Đặt hệ số KĐ và kết quả tạo tín hiệu ngẫu nhiên dạng xung đường bao giá trị biên độ tạp lấy bằng 0,020 mV, ADC 8 bít, giá trị cực đại bằng 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) 1 05 01 1,0 1 1110 0111 50 - 0,10 2 06 02 1,5 0 0001.1110 50 0,12 3 04 01 1,5 1 1110.1111 50 - 0,08 4 05 02 2,0 0 0001.1001 50 0,10 5 03 13 2,5 1 1111.0001 50 - 0,06 6 16 02 1,0 0 0101.0000 80 0,32 7 18 03 1,0 1 1010.0110 80 - 0,36 8 15 04 1,0 0 0100.1101 80 0,30 9 19 02 1,0 1 10100.001 80 - 0,38 10 17 15 3,0 0 0101.0101 80 0,34 11 02 01 1,0 1 1111.0110 90 - 0,04 12 03 02 1,5 0 0000.1111 90 0,06 13 05 01 1,5 1 1110 0111 90 - 0,10 14 06 02 1,0 0 0001.1110 90 0,12 15 04 01 1,0 0 1110 1111 90 - 0,08 16 07 30 1,5 0 0000.0111 90 ≈ 0,030 17 04 31 1,5 1 1110.1001 90 ≈ - 0,09 Kết quả mô phỏng 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 yêu cầu phân tích mô hình toán học với tín hiệu tạp trắng, để mô hình hóa tín hiệu xung cao tần tác động lên đầu vào thiết bị thu trong hệ thống radar khí tượng chỉ ra trên hình 4. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. T. Nguyên, P. T. Giáo, Đ. H. Giác, “Mô hình hóa tín hiệu bằng phương pháp số.” 116 Hình 4. Mô hình hóa tín hiệu ngẫu nhiên sử dụng trộn và khuếch đại tín hiệu tạp trắng. Trên cơ sở tạp trắng có cấu trúc đã cho trong mô hình hóa, ta có thể sử dụng phương pháp biến đổi để tạo ra tín hiệu ngẫu nhiên có đặc tính thống kê theo yêu cầu. Sơ đồ cấu trúc tạo tín hiệu ngẫu nhiên từ tạp trắng với việc thay đổi hệ số khuếch đại tín hiệu chỉ ra trên hình 5. Hình 5. Sơ đồ cấu trúc tạo tín hiệu ngẫu nhiên sử dụng trộn và khuếch đại tín hiệu tạp trắng. Nhận xét: Phương pháp mô phỏng này giúp ta có thể thay đổi các tham số của tín hiệu một cách thuận tiện và nhanh chóng, phù hợp với sự thay đổi của tín hiệu thực tế trong hệ thống radar khí tượng với điều kiện biến đổi khí hậu hiện nay. Nhờ đó có thể khảo sát, đánh giá thiết bị một cách nhanh chóng và chính xác hơn. 3. KẾT LUẬN Nội dung bài báo trình bày phương pháp mô hình hóa tín hiệu ngẫu nhiên trên cơ sở phân tích toán học và lý thuyết thống kê nhờ công cụ máy tính số, nhằm tạo ra dạng tín hiệu cơ bản tác động lên các khâu của máy thu hệ thống radar khí tượng. Dạng và các tham số của tín hiệu tạo ra bằng mô phỏng phù hợp với dạng tín hiệu cao tần trên đầu vào máy thu và tín hiệu sau tách sóng biên độ [2, 5]. Kết quả mô phỏng tạo ra hai dạng tín hiệu xung đường bao Phối ghép tín Tạp trắng Nhận tín hiệu tổng hợp Khuếch đại tín hiệu Lưu trữ tín hiệu tương tự Phối ghép tín hiệu Điều chỉnh hệ số khuếch đại Biến đổi A-D Đặt hệ số khuếch đại Hiển thị, kết xuất dữ liệu Lưu trữ tín hiệu số Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 117 sau tách sóng và xung cao tần ở đầu vào máy thu. Bằng cách mô hình hóa tín hiệu này giúp cho việc đánh giá, kiểm tra, bảo dưỡng hệ thống thuận lợi và chính xác hơn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Phạm Tuấn Giáo (2010). Mạng anten và xử lý không gian-thời gian tín hiệu. Học viện Kỹ thuật Quân sự. [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 4. 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 5- 9900094-5-3), 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 bài 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: 1 Đại học Công nghiệp Việt - Hung - Phố Hữu nghị - Sơn tây - Hà Nội; 2 Học viện Kỹ thuật Quân Sự - 236 Hoàng Quốc Việt – Hà Nội; * Email: nguyenduc7978@gmail.com.