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

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Trần Hữu Toàn, “Nghiên cứu ứng dụng bộ lọc không gian lọt vào máy thu hình.” 52 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ LỌC KHÔNG GIAN NHẰM GIẢM THIỂU NHIỄU TÍCH CỰC LỌT VÀO MÁY THU HÌNH Trần Hữu Toàn* Tóm tắt: Những năm gần đây kỹ thuật xử lý số không gian là một trong những hướng đi sâu nghiên cứu của các nhà khoa học do tính hấp dẫn của các ứng dụng, đặc biệt ứng dụng trong các hệ anten thông minh. Bài bào này tác giả 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. Từ khóa: Bộ lọc không gian; Bộ tự bù khử cầu phương. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, nhu cầu về nghe xem ngày càng tăng. Các chương trình truyền hình được đòi hỏi không chỉ có nội dung mà còn yêu cầu về chất lượng ngày càng nâng cao. Các chương trinh NVOD hay VOD ngày càng được quan tâm các dịch vụ tương tác hai chiều cũng đã xuất hiện ngày một nhiều lên. Mặt khác, xu hướng công nghệ HD ngày càng được phát triển, các thiết bị sản xuất chương trình HD đang thay thế hệ thống sản xuất chương trình SD hiện tại. Tất cả những vấn đề nêu trên đòi hỏi phải tiếp tục hoàn thiện chuẩn DVB-T2 về nhiều vấn đề: chẳng hạn như nghiên cứu ứng dụng chuẩn nén MPEG-4, tiếp tục cải thiện xác suất lỗi bit Cho đến nay cũng đã có một số công 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 và Dong Seog Han đã đề xuất thuật toán phục hồi các sóng mang mạnh (thuật toán thiết lập bù tần số mạnh) để duy trì sự đồng bộ ngay cả khi độ dịch tần Doppler lớn đối với hệ thống OFDM. Trong hệ thống OFDM sử dụng các tín hiệu dẫn đường “pilots”, việc thiết lập kênh được biểu diễn trên các tín hiệu này và sau đó được nội suy trên các trục thời gian và tần số. Khi thiết lập nội suy thời gian xuất hiện sai số trung bình, chính vì vậy nghiên cứu [6] đã đề xuất sử dụng bộ lọc đa tần số thích nghi để đưa ra tần số tương quan. Trong DVB-T2 sử dụng kỹ thuật ống lớp vật lý để tăng hiệu quả sử dụng phổ. Năm 2014, Ahmed H.Eldieb, Mona Z.Saleh và Salwa Elramly, trong công trình nghiên cứu của mình đã đưa ra kỹ thuật cải tiến ước lượng kênh cho OFDM trong DVB-T2, dựa trên sắp xếp tín hiệu dẫn đường trong kênh fading chọn lọc tần số theo thời gian. Đây là phương pháp cải tiến của phương pháp ước lượng bình phương nhỏ nhất chuyển miền (DTLSE) và phương pháp nội suy hai chiều. Cũng trong năm đó, Ahmad A.Aziz El-Banna và Maha El- Sabrouty, đã đề xuất thay thế bộ mã hóa hình cầu K tối ưu cố định thành bộ mã hóa hình cấu K tối ưu thích nghi nhằm khai thác đáp ứng xung kênh để đo chọn lọc kênh như một bộ báo trạng thái kênh. Năm 2016, Marwa Chafii cùng các cộng sự đề xuất phương pháp âm hiệu dành riêng thích nghi (Adaptive Tone Reservation) để thay thế phương pháp cổ điển đang được sử dụng trong DVB-T2, và kết quả cho độ lợi 5db tại BER=10-3. Như vậy, qua tìm hiểu, phân tích các giải pháp công nghệ của chuẩn phát hình số mặt đất thế hệ thứ nhất DVB-T, thế hệ thứ hai DVB-T2 [1], cũng như phân tích một số công trình đã công bố ở 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 quả giảm thiểu tác động của nhiễu xuyên kênh ICI khi độ dịch tần và tần số Doppler lớn. - Vấn đề giải mã của DVB-T2 vẫn thực hiện theo phương thức cứng. Vì vậy, bài báo này tác giả đề xuất một trong ba giải pháp trên đó là nghiên cứu ứng dụng hệ thống tự bù khử cầu phương trong bộ lọc không gian nhằm nâng cao tỷ số tín/nhiễu ở đầu vào máy thu hình, đồng nghĩa với việc cải thiện xác suất lỗi bit của hệ thống. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 57, 10 - 2018 53 2. BỘ TỰ TRIỆT NHIỄU TÍCH CỰC CẦU PHƯƠNG Để giảm thiểu nhiễu xuyên kênh ICI, theo lý thuyết mạch lọc không gian có M phần tử có thể tạo được M-1 hướng triệt tiêu và như vậy chỉ có thể khử được M-1 nguồn nhiễu ICI. Hiệu quả lọc nhiễu của mạch lọc không gian thường được đánh giá bằng tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm SINR. Khi M càng lớn thì SINR càng lớn. Tuy nhiên, lúc đó nảy sinh yêu cầu phải thực hiện một khối lượng lớn các phép tính (đặc biệt là các phép nhân). Chính vì vậy, trong vấn đề nâng cao SINR của mạch lọc không gian thường chú ý tới số lượng các phép tính (liên quan tới tốc độ xử lý tín hiệu) và đây là một hạn chế rất lớn làm giảm khả năng ứng dụng mô hình trên vào thực tiễn. Để giảm mức thu ở hướng có nguồn nhiễu tích cực, ở đây, bài báo đề xuất sử dụng phương pháp tự bù khử hoàn toàn thực hiện bằng phương án phần cứng và khả dĩ ứng dụng cho các máy thu hình hiện nay. 2.1. Sơ đồ nguyên lý Để nâng cao chất lượng triệt nhiễu tích cực ta đề xuất sử dụng bộ tự động triệt nhiễu tích cực cầu phương như sơ đồ nêu trên hình 1. Hình 1. Bộ tự động bù khử cầu phương. Bộ triệt nhiễu tích cực cầu phương Hình 1 là một hệ thống tự động điều khiển kín, trong đó: - Bộ điều chế cân bằng làm nhiệm vụ đảo pha các vectơ thành phần của nhiễu và là phần tử điều khiển biên độ của một trong hai vectơ nhiễu thành phần trực giao. - Bộ nhân là bộ tách tín hiệu sai lệch về pha của hai thành phần trực giao. - Khóa điện tử làm nhiệm vụ: khi không có nhiễu thì ngắt hệ thống, còn khi có nhiễu thì hệ thống được nối nhờ điện áp điều khiển. Giả sử tín hiệu nhiễu thu được từ anten phụ: )tfsin(UU ppp nmn   02 (1) Trong đó: pm U : Biên độ của tín hiệu nhiễu thu được ở anten phụ; pn  : Pha đầu ngẫu nhiên của tín hiệu nhiễu ở anten phụ. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Trần Hữu Toàn, “Nghiên cứu ứng dụng bộ lọc không gian lọt vào máy thu hình.” 54 Tín hiệu nhiễu thu được ở cánh sóng phụ anten chính:   ccc nmn tfsinUU   02 (2) Trong đó: cm U : Biên độ của tín hiệu nhiễu thu được ở cánh sóng phụ anten chính; cn  : Pha đầu ngẫu nhiên của tín hiệu nhiễu ở anten chính. Đầu vào mạch nhân có hai tín hiệu: - Một là tín hiệu nhiễu ở anten phụ được phân tích thành hai thành phần trực giao (nhờ bộ quay pha 00 và 900). - Hai là tín hiệu sai lệch giữa vectơ nhiễu thu được từ anten phụ và vectơ nhiễu thu được từ cánh bên của anten chính từ đầu ra bộ cộng S   . Bộ nhân có nhiệm vụ tách tín hiệu sai lệch cấp cho hai kênh trực giao. Tín hiệu ra sau bộ nhân:           22 00 900 nn S,nTSra sincosUUKU  (3) Mức độ nhạy của bộ nhân (được coi như tách sóng pha) với sự biến đổi của pn  được đặc trưng bởi độ nhạy tách sóng pha  :        22 nn raTS sincosUK   (4) Gọi hệ số khuếch đại của phần tử điều khiển là đcK . Khi đó lượng sai lệch còn dư của hệ thống sẽ là: đc S S K U U du    1 (5) Từ đây có thể suy ra hệ số chế áp nhiễu: đc S S CA K U U K du    1 (6) Như vậy, hệ số chế áp của bộ bù khử phụ thuộc vào đcK và độ nhạy của bộ nhân  , với sbccbđc KKK  (trong đó: cbK là hệ số khuếch đại của bộ điều chế cân bằng, sbcK là hệ số khuếch đại sau bộ cộng). 2.2. Nguyên lý hoạt động Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ bộ tự động bù khử cầu phương minh họa trên hình 2. Hình 2. Nguyên lý làm việc của một kênh tự bù khử cầu phương. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 57, 10 - 2018 55 Trong đó: 0S véctơ tín hiệu thu được từ cánh bên của anten chính nS là véctơ tín hiệu thu được từ anten phụ Ở kênh thu phụ véctơ nS được tách ra hai véctơ thành phần trực giao nYS , nXS , sau đó hai véctơ được đảo pha ở bộ điều chế cân bằng, ta nhận được nYS và nXS . Tại bộ cộng ta nhận được: )( nn YX SSS   0 (7) Đầu ra bộ cộng ta có:   SSS   n0 (8) Tín hiệu sai lệch S   đưa tới hai bộ nhân của hai nhánh, tạo tín hiệu sai lệch cho hai nhánh, qua khóa điện tử và mạch tích phân đưa tới điều khiển biên độ nXS và nYS . Khi biên độ hai thành phần này thay đổi dẫn tới pha của nS thay đổi. Khi pha của nS ngược với pha của nS thì 0S  , mạch tự bù khử dừng hoạt động. Như vậy, ta đã tạo được khe lõm ở hướng có nguồn nhiễu tích cực, nên nhiễu tích cực sẽ không lọt được vào máy thu. Điều này sẽ nâng cao phẩm chất BER của hệ thống. Có thể tạo 4 khe lõm hướng tới 4 nguồn nhiễu tích cực, bằng cách sử dụng 4 anten phụ - đặt vuông góc với nhau – 1 anten thu phụ tránh tạo khe lõm trong một góc vuông. 3. MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ Như đã biết, xác suất lỗi bit là 1 hàm của tỷ số tín/tạp (SNR) ở đầu vào máy thu        N S fPb . Trong thông tin số tỷ số tín/tạp được đánh giá (hay thể hiện) thông qua tỷ số Eb/N0, vì vậy có thể viết lại        0N E fP bb . Nếu sử dụng bộ tự triệt nhiễu tích cực cầu phương thì        0N E KfP bCAb . Theo [5], xác suất lỗi bit cho tín hiệu M-QAM được xác định theo công thức:                 0 2 2 1 34 N E M Mlog Q Mlog P b b (9) Trong đó: M là mức chòm sao tín hiệu Q là một hàm phân bố tích lũy âm của biến ngẫu nhiên chuẩn hóa:       x x dxexQ 2 2 2 1  (10) Nếu có thêm bộ tự triệt nhiễu tích cực cầu phương ở đầu vào máy thu thì xác suất lỗi bit ở đầu vào máy thu sẽ là: Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Trần Hữu Toàn, “Nghiên cứu ứng dụng bộ lọc không gian lọt vào máy thu hình.” 56                                  0 2 2 0 2 2 11 34 1 34 N E KM Mlog Q Mlog N E KM Mlog Q Mlog P b đc b CA b  (11) Để đánh giá hiệu quả của bộ tự triệt nhiễu tích cực cầu phương tác giả mô phỏng sử dụng phần mềm Matlab theo công thức (11) và thiết lập các thông số theo bảng 1. Bảng 1. Thiết lập các thông số tính BER của bộ tự triệt nhiễu. STT Thông số Thiết lập 1 Eb/N0 0:30 2 Loại kênh AWGN 3 Loại điều chế QAM 4 Giải điều chế Coherent 5 Mức điều chế 4,16,64,256 6 Hệ số chế áp CAK 1,5,10  Kết quả mô phỏng: Kết quả mô phỏng hiệu năng BER của bộ tự triệt nhiễu tích cực cầu phương được thể hiện trên hình 3, hình 4, hình 5 và hình 6. Hình 3. Hiệu năng BER của bộ tự triệt nhiễu tích cực cầu phương với bộ điều chế 4-QAM. Hình 4. Hiệu năng BER của bộ tự triệt nhiễu tích cực cầu phương với bộ điều chế 16-QAM. Hình 5. Hiệu năng BER của bộ tự triệt nhiễu tích cực cầu phương với bộ điều chế 64-QAM. Hình 6. Hiệu năng BER của bộ tự triệt nhiễu tích cực cầu phương với bộ điều chế 256-QAM. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 57, 10 - 2018 57 Để có thể thấy được rõ hơn hiệu quả của bộ tự triệt nhiễu, dựa trên các kết quả mô phỏng tác giả tính độ tăng ích tại BER = 10-3 theo bảng 2. Bảng 2. Độ tăng ích của bộ tự triệt nhiễu tại BER = 10-3. Bộ điểu chế 1CAK (Không sử dụng bộ tự triệt nhiễu) 5CAK Độ tăng ích 10CAK Độ tăng ích 4-QAM 7dB 5.5dB 1.5dB 4dB 3dB 16-QAM 10.5dB 8.5dB 2dB 6.5dB 4dB 64-QAM 15dB 12.5dB 2.5dB 9.5dB 5.5dB 256-QAM 19dB 15.5dB 3.5dB 11.5dB 7.5dB Qua các kết quả mô phỏng, cũng như kết quả tính độ tăng ích trong bảng 2 ta có thể thấy: Với việc sử dụng bộ tự triệt nhiễu tích cực cầu phương trước máy thu hình đã cho hiệu quả khử nhiễu tốt, qua đó cải thiện chất lượng của hệ thống. Khi mức điều chế càng tăng lên (nhiễu càng tăng) thì bộ triệt nhiễu càng cho hiệu quả tốt hơn, cụ thể có thể thấy: bộ điều chế 4-QAM, 10CAK cho độ tăng ích là 3dB; trong khi đó với 256- QAM, 10CAK cho độ tăng ích lên đến 7.5dB. Điều này có nghĩa ta có thể ứng dụng bộ tự triệt nhiễu vào hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2 khi sử dụng bộ điều chế lên đến 256-QAM. 4. KẾT LUẬN Trong bài báo này, tác giả đã hạn chế nhiễu ngoài máy thu hình theo hướng cánh sóng bên của anten thu chính bằng một hệ thống tự bù khử. Việc ứng dụng sơ đồ đề xuất này không quá phức tạp, cho phép khử nhiễu tích cực ngoài máy thu hình, qua đó cải thiện đáng kể phẩm chất BER của toàn hệ thống. Một giải pháp mà chuẩn DVB-T2 còn thiếu. Tuy nhiên, hệ anten thu sẽ phải cấu tạo phức tạp hơn và hệ thống sẽ có độ trễ nhất định so với hệ anten thu hiện nay. 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. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Trần Hữu Toàn, “Nghiên cứu ứng dụng bộ lọc không gian lọt vào máy thu hình.” 58 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 bài ngày 15 tháng 8 năm 2018 Hoàn thiện ngày 19 tháng 9 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 8 năm 2018 Địa chỉ: Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội. *Email: toanth84@gmail.com.