Đang tải... (xem toàn văn)
Bài báo đề xuất một thuật toán xử lý tín hiệu để tăng độ chính xác phép đo năng lượng tín hiệu pilot. Thuật toán thực hiện điều chỉnh tốc độ lấy mẫu cho bộ FFT, với mục tiêu đưa chính xác tần số tín hiệu pilot vào giữa bin tần số, giảm thiểu hiệu ứng dò phổ. Kết quả mô phỏng cho thấy thuật toán đạt được độ lợi đến 3,6 dB khi phát hiện tín hiệu pilot so với bộ phát hiện không có tính năng điều chỉnh tốc độ lấy mẫu.
Nghiên cứu khoa học cơng nghệ THUẬT TỐN PHÁT HIỆN TÍN HIỆU PILOT TRONG CẢM NHẬN PHỔ CHO VƠ TUYẾN NHẬN THỨC Vũ Lê Hà1*, Trần Đình Lâm1, Lưu Thị Thu Hồng1 Tóm tắt: Bài báo đề xuất thuật tốn xử lý tín hiệu để tăng độ xác phép đo lượng tín hiệu pilot Thuật tốn thực điều chỉnh tốc độ lấy mẫu cho FFT, với mục tiêu đưa xác tần số tín hiệu pilot vào bin tần số, giảm thiểu hiệu ứng dò phổ Kết mơ cho thấy thuật tốn đạt độ lợi đến 3,6 dB phát tín hiệu pilot so với phát khơng có tính điều chỉnh tốc độ lấy mẫu Thuật tốn sử dụng mơ hình máy thu vơ tuyến nhận thức (Cognitive Radio – CR) thực chức cảm nhận phổ (spectrum sensing) Từ khóa: Tín hiệu pilot, Vô tuyến nhận thức, Cảm nhận phổ MỞ ĐẦU Vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio - CR) xu hướng phát triển đầy hứa hẹn lĩnh vực thông tin liên lạc vô tuyến thông minh hệ Một đặc điểm CR khả thích nghi với mơi trường xung quanh, nơi mà tham số tần số, công suất tiêu thụ, phương thức điều chế, băng thơng, thay đổi phụ thuộc vào mơi trường, tình người dùng, điều kiện mạng, vị trí địa lý, CR hoạt động theo chu trình khép kín thích nghi gọi chu kỳ nhận thức (cognitive cycle) [1] Trong chu kỳ nhận thức này, cảm nhận phổ (spectrum sensing) chức quan trọng Để cảm nhận phát tín hiệu băng hẹp, có nhiều thuật tốn phát nghiên cứu Trong [9], ảnh hưởng kích thước liệu đầu vào biến đổi Fourier nhanh (FFT) tới khả phát tín hiệu phân tích, kích thước FFT phù hợp tính tốn để nâng cao xác suất phát Ý tưởng thuật toán đưa thành phần tần số băng hẹp cần phát vào gần vị trí thành phần tần số đầu FFT (còn gọi bin tần số) mơ hình FFT với chiều dài N thay đổi Xuất nhiều dạng tín hiệu thơng tin liên lạc vơ tuyến nay, tín hiệu pilot sử dụng cho mục đích giám sát, đồng nhận biết tồn nguồn phát xạ Ví dụ phổ tín hiệu điều tần băng rộng WFM [8] có tín hiệu pilot 19 kHz Thơng thường tín hiệu đơn tần (1 tone), định vị vị trí cố định băng thơng tín hiệu có mức lượng vượt trội so với thành phần tín hiệu khác Vì để xác định kênh tần số trống hay sử dụng, phương pháp tiếp cận tìm có mặt tín hiệu pilot thay phải phân tích phổ tồn kênh Bài tốn tìm nhanh xác lượng tần số pilot phụ thuộc vào thuật tốn tính tốn tốc độ lấy mẫu để số hóa tín hiệu Khối phân tích phổ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 53 Kỹ thuật điện tử thành phần quan trọng cảm nhận phổ, thông thường thực thuật toán FFT Cooley-Turkey [4] Thuật toán hiệu cần tính tồn thành phần tần số Tuy nhiên cần tính một vài thành phần tần số băng tần (như tần số pilot), thuật tốn Goertzel [5] tính toán thành phần tần số đơn cho thấy hiệu tốt tốc độ độ xác, đặc biệt số tần số cần tính nhỏ giá trị log2N, với N số mẫu cần phân tích Hơn nữa, khơng thuật tốn Cooley-Turkey, tính tốn hiệu tối ưu số lượng mẫu lũy thừa 2, thuật tốn Goertzel có khả tính tốn hệ số Fourier với tập N mẫu [2] Một thuật toán phát tín hiệu pilot đề xuất [3] Tác giả thành phần tần số tín hiệu quanh tín hiệu pilot có xác suất xuất lượng tín hiệu khác nhau, gán trước xác suất phát tương ứng với thứ tự kiểm tra tần số này, sau sử dụng thuật tốn Goertzel phát để duyệt qua danh sách tần số Thuật toán [10] thực thi FPGA để phát tần số tín hiệu DTMF Để phát biên độ lớn thành phần tần số vùng phổ cần phân tích, dao động điều chỉnh tần số sử dụng [7] Bộ dao động có chức làm tần số ngoại sai để trộn với tín hiệu cao tần Tín hiệu sau trộn đưa qua lọc dải thông đưa vào phát đỉnh lượng Trong [6] lọc Goertzel bậc hai sử dụng thay cho lọc FIR phân tích phổ, cho thấy hiệu tốt độ phân giải tần số dung lượng tài nguyên phần cứng Khi phát tín hiệu pilot băng hẹp, [9] chứng minh trường hợp vị trí tần số tín hiệu pilot khơng nằm vị trí thành phần tần số đầu FFT, tỷ số tín/tạp (SNR) hai thành phần tần số lân cận giảm tín hiệu pilot khó bị phát tăng kích thước FFT làm tăng SNR Trong hình 1, thực biến đổi FFT độ dài N, kết đầu lượng tín hiệu tần số có số 0, , k, k+1, k+2, ,N-1 Giả thiết tần số tín hiệu pilot nằm tần số k độ lệch tần số từ bin tần số thứ k đến tần số pilot Hình Vị trí tín hiệu pilot nằm lệch khay tần số FFT Nghiên cứu [9] chứng minh rằng, Khi nằm lệch bin tần số đầu FFT, tỷ số SNR hai thành phần tần số lân cận (k k+1) nhỏ Khi tăng kích thước FFT làm tăng tỷ số SNR Trên sở nghiên cứu 54 V.L Hà, Tr.Đ.Lâm, L.T.T.Hồng, “Thuật toán phát tín hiệu … vơ tuyến nhận thức.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ này, báo xây dựng thuật tốn sử dụng biến đổi Goertzel để đánh giá xác biên độ thành phần tần số băng hẹp Tuy nhiên không giống [9] (cần tăng số điểm FFT để đưa thành phần tần số pilot vào gần tâm bin tần số), giải pháp xử lý tín hiệu mà báo đưa thay đổi tần số lấy mẫu với bước tần nhỏ Nội dung giải pháp trình bày phần 2 ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH VÀ THUẬT TỐN PHÁT HIỆN PILOT Mơ hình cấu trúc thực thi thuật tốn hình 2: Hình Sơ đồ khối tìm xác tần số pilot Ý tưởng thuật toán điều khiển khối tổ hợp tần số (THTS) kiểu DDS để tạo tần số lấy mẫu khác cho ADC Tần số lấy mẫu tính tốn để đưa thành phần tín hiệu pilot băng hẹp vào xác vị trí tâm khay tần số sau biến đổi FFT Gọi tần số lấy mẫu ban đầu fs, tín hiệu băng hẹp có tần số fc nằm vị trí khay tần số fk fk+1 Cần tính tần số fs1 để fc nằm vị trí k phân tích tập N điểm mẫu liệu sử dụng tần số lấy mẫu fs1 Với tần số lấy mẫu fs số k thành phần tần số fk là: k N fk / fs (1) Như vậy, trường hợp tín hiệu PU nằm tần số f k với 0,1 , cần phải điều chỉnh tham số vế phải biểu thức (1) để đưa f k vào vị trí thứ k (thành phần tần số thứ k) vị trí thứ (k+1) (thành phần tần số thứ k +1) Với độ dài chuỗi liệu N không đổi, để thực điều cần phải N fk thay đổi tần số lấy mẫu fs Từ (1), tần số lấy mẫu là: f s k Hiển nhiên fs fk tỷ lệ thuận với (khi tăng fs fk tăng ngược lại) Gọi fs1 tần số lấy mẫu tần số f k nằm bin tần số thứ k, có: N ( f k f ) N f k N f f fs s k k k k Khi chạy từ đến tần số lấy mẫu chạy từ fs đến [fs+ fs/k] f s1 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 (2) 55 Kỹ thuật điện tử Để xác định xác tần số fc PU, tần số lấy mẫu fs* điều chỉnh dần phạm vi f s [1 (1 )] với bước tần f s* đặt trước (giới hạn tối k thiểu f s* phụ thuộc vào giới hạn phân giải tần số DDS) Giá trị fc* lớn giá trị tần số sóng mang pilot DDS tạo tần số lấy mẫu để thực thuật toán phát tín hiệu pilot phương trình (2) Vì trước vào phân tích lấy mẫu, tín hiệu đưa xuống băng tần gốc, nên tốc độ lấy mẫu khơng cần cao, có nghĩa hạn chế DDS giới hạn tần số đầu vấn đề lớn Tần số lấy mẫu tín hiệu cần phải điều chỉnh với bước tần đủ mịn với tốc độ nhanh Đây ưu điểm DDS Việc điều chỉnh tần số lấy mẫu thực tổ hợp tần số DDS thực thi FPGA Thuật tốn xác định xác tần số pilot xây dựng hình Giả sử dải phổ tín hiệu cần phân tích B 200kHz, tần số pilot định vị fpilot 150kHz Vì nhiều nguyên nhân khác nhau, tín hiệu pilot thực tế thu nằm tần số (giả sử 150,1 kHz) gần tần số 150kHz trung tâm Giả sử thuật toán phát pilot sử dụng phân tích FFT với độ dài N điểm, để đạt bin tần số với độ phân dải ffft_res 0,1kHz dải DC đến 200kHz, độ dài liệu cần phân tích là: N fft 2* B / f fft _ res 2* 200 / 0.1 4000 Tốc độ lấy mẫu cần tạo từ DDS là: f DDS 2* B 400 (kHz ) Với tín hiệu pilot nằm quanh vị trí tần số 150 kHz, số bin tần số tín hiệu là: N fft * f pilot 4000*150 k 1500 B 200 Thực quét qua tần số lân cận với bước nhảy tần f 0.01kHz Gọi n số tần số được quét qua, số xác định là: n f fft _ res f 0.1 10 0.01 0.1 Cho n chạy từ -4 đến 5, tần số cần phân tích n fpilot_i 149,96 kHz đến 150,15 kHz Để đưa tần số fpilot_i vào tâm khay tần số thứ k=1500, tần số lấy mẫu fsi mà DDS cần thiết lập quanh tần số f fs=400kHz ban đầu là: f si f s s k Bảng thiết lập tần số lấy mẫu bảng Như 56 V.L Hà, Tr.Đ.Lâm, L.T.T.Hồng, “Thuật toán phát tín hiệu … vơ tuyến nhận thức.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Bắt đầu Khởi tạo: Đặt Fs, N, k Tính tốn: fs*max=fs[1+1/Nk] Tính thành phần tần số thứ k X[k]=G(fs*,N,k) So sánh tìm X[k] max Thay đổi tần số lấy mẫu fs*=fs*+DeltaF fs*>fs*max? Xác định vị trí X[k] max Kết thúc Hình Thuật tốn xác định xác vị trí tần số pilot Bảng Thiết lập tần số lấy mẫu thực thuật toán phát pilot fs (kHz) 400 400 400 400 400 400 400 400 400 N 4000 4000 4000 4000 4000 4000 4000 4000 4000 k 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 fk (kHz) 150 150 150 150 150 150 150 150 150 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.1 0.2 0.3 0.4 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 fsi (kHz) 399.893 399.920 399.947 399.973 400.000 400.027 400.053 400.080 400.107 57 Kỹ thuật điện tử Từ bảng thiết lập tần số cho DDS, hệ số tăng pha xác định để cấu hình lại DDS Cấu hình thực thi DDS công nghệ FPGA KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Cài đặt tham số đầu vào cho mơ đo thành phần tần số khác sau: Tần số clock hệ thống: fs = 100 MHz; Băng tần: B=50 MHz; N = 200 Chọn lựa khảo sát tần số nằm khay tần thứ 1, 11, 21, 31, 41 Các tần số nằm khay tần số là: f1=0.25MHz, f11=5.25MHz, f21=10.25MHz f31=15.25MHz Khoảng cách tần số hai bin tần số liền kề 0.5MHz Đặt tần số pilot cần khảo sát gần vị trí trung tâm bin tần số, với khoảng cách khác Bảng tính tốn thành phần tần số Bảng Đặt tần số khảo sát khả phát pilot ST T Tần số pilot (MHz) f01’=0,25 f11’= 5,35 f21’ = 10,45 f31’=15,55 Tần số trung tâm (MHz) f01 = 0,25 f11 = 5,25 f21 = 10,25 f31 = 15,25 Bin tần số 01 11 21 31 Độ lệch tần (MHz) 0,1 0,2 0,3 Hình Phổ tín hiệu thành phần tần số Kết mô cho thấy, thành phần tần số lệch xa so với tâm bin tần số, biên độ tín hiệu sau phân tích phổ bị suy giảm đáng kể Để đánh giá hiệu đo đạc thay đổi tần số lấy mẫu: đo tín hiệu tần số f1 f2 bin tần số 15 20 Điều chỉnh tần số lấy mẫu fs cho tần số f1 nằm lệch khỏi tâm bin tần số với lượng dịch tần thay đổi với bước f0 1/8 bước tần biến đổi FFT Trong f2 ln điều chỉnh bin 20 với mục đích tham chiếu Khảo sát thay đổi biên độ tần số f1 so với tần số f2 Kết mô thể hình 58 V.L Hà, Tr.Đ.Lâm, L.T.T.Hồng, “Thuật tốn phát tín hiệu … vơ tuyến nhận thức.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Điều chỉnh tần số lấy mẫu Kết đo lượng tín hiệu pilot hình tổng hợp mơ tả lại hình 6, với giá trị lượng tín hiệu pilot trường hợp, tín hiệu pilot nằm vị trí tần số khoảng từ tâm bin thứ k đến tâm bin thứ k+1 Đồ thị khảo sát thay đổi biên độ tín hiệu pilot nằm khoảng tần số hai thành phần fk fk+1 cho thấy: biên độ f1 bị suy giảm đáng kể độ lệch tần lớn (lệch 4f0 5f0), mức tín hiệu pilot bị suy giảm tới 3,6dB so với tần số tín hiệu pilot nằm xác bin tần số Như vậy: việc điều chỉnh tần số lấy mẫu phù hợp cho phép đo lượng tín hiệu pilot tốt f0 8, tức tín hiệu nằm xác bin tần số phân tích FFT Hình Cường độ pilot nằm vị trí khác bin tần số KẾT LUẬN Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 59 Kỹ thuật điện tử Để làm tăng độ xác đo lượng tín hiệu pilot, thuật toán điều chỉnh tốc độ lấy mẫu cho FFT đề xuất, với mục tiêu đưa xác tần số tín hiệu pilot vào bin tần số, giảm thiểu hiệu ứng dò phổ Thiết kế, mơ thực thi khối chức FPGA trình bày Kết cho thấy thuật tốn đạt độ lợi đến 3,6 dB phát tín hiệu pilot so với phát khơng có tính điều chỉnh tốc độ lấy mẫu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Josef Mitola, "Cognitive Radio: An Integrated Agent Architecture for Software Defined Radio", Ph.D dissertation, Royal Inst of Tech., Sweden, May (2000) [2] Dương Tử Cường (2001), Xử lý tín hiệu số, NXB KH&KT, Hà Nội [3] Carlos C., (Aug 2007), “Spectrum sensing for dynamic spectrum access of TV band”, in Proc.2th International Conference on Cognitive Radio Oriented Wireless Networks and Communications [4] Cooley J., Tukey J (1965), “An Algorithm for the machine calculation of complex fourier series”, Machine calculation of complex fourier serie [5] Goertzel G.(1958),“An Algorithm for the Evaluation of Finite Trigonometric Series”,The American Mathematical Monthly,Vol.65,pp 34-35 [6] Jung Hoiyoon (2011), “Non-uniform spectrum sensing using computationally efficient 2-level (FFT-Goertzel) based Energy Detection”, 5/11/IEEE [7] Lin M.Chuan, Tsai Guo-Ruey, Tu Yung-Chin, Chang Tai-Hsiung, Lin ChingHu (2008), “FPGA based spectrum analyzer with high area efficiency by Goertzel algorithm”, Congress on Image and Signal Processing, IEEE 2008 [8] Roland Proesch (2011), Technical Handbook for Radio Monitoring VHF/UHF, Nordersteds, Germany [9] Yan Y., Gong Y (2010), “Energy Detection of Narrowband Signals in Cognitive Radio Systems”, 978-1-4244-7555-1/10, IEEE 2010 [10] Zhang Xinyi (2010), ”The FPGA Implementation of Modified Goertzel Algorithm for DTMF Signal Detection”, International Conference on Electrical and Control Engineering, IEEE 2010 ABSTRACT PILOT DETECTION ALGORITHM FOR SPECTRUM SENSING IN COGNITIVE RADIO The article proposes a new model and algorithm in order to increase the accuracy of pilot signal power measurement The sampling rate control algorithm for the FFT is proposed, aiming to take the pilot frequency to the center of frequency bin, minimize the spectrum leak effect Simulation results show that the algorithm achieves 3.6 dB better than the detector without sampling rate adjustment feature This algorithm is accommodated in cognitive radio for spectrum sensing function Keywords: Cognitive radio, Pilot signal detect, Spectrum sensing Nhận ngày 21 tháng 07 năm 2015 Hoàn thiện ngày 10 tháng 08 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015 Địa chỉ: * Viện Điện Tử, Viện KH-CN quân Email: vulehuongha@yahoo.com 60 V.L Hà, Tr.Đ.Lâm, L.T.T.Hồng, “Thuật toán phát tín hiệu … vơ tuyến nhận thức.” ... tính tốn hiệu tối ưu số lượng mẫu lũy thừa 2, thuật tốn Goertzel có khả tính toán hệ số Fourier với tập N mẫu [2] Một thuật tốn phát tín hiệu pilot đề xuất [3] Tác giả thành phần tần số tín hiệu. .. L.T.T.Hồng, Thuật toán phát tín hiệu … vơ tuyến nhận thức. ” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Điều chỉnh tần số lấy mẫu Kết đo lượng tín hiệu pilot hình tổng hợp mơ tả lại hình 6, với giá trị lượng tín. .. mức tín hiệu pilot bị suy giảm tới 3,6dB so với tần số tín hiệu pilot nằm xác bin tần số Như vậy: việc điều chỉnh tần số lấy mẫu phù hợp cho phép đo lượng tín hiệu pilot tốt f0 8, tức tín hiệu