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