Mô phỏng quá trình xử lý tín hiệu điều pha nhị phân

Mở đầu Tín hiệu cấu trúc mã Barker và tín hiệu cấu trúc mã M là hai dạng tín hiệu điều pha nhị phân đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị vô tuyến điện tử nhờ các đặc tính

ứng dụng chương trình Matlab-simulink Mô phỏng quá trình xử lý tín hiệu điều pha nhị phân

Nguyễn Trung Kiên, Phạm Quang Hưng

1 Mở đầu

Tín hiệu cấu trúc mã Barker và tín hiệu cấu trúc mã M là hai dạng tín hiệu điều pha nhị

phân đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị vô tuyến điện tử nhờ các đặc tính ưu

việt của nó Đây là dạng tín hiệu xung rộng (τx) bao gồm trong nó là N xung con liên tiếp có

cùng độ rộng (τx1= τx/N) và tần số mang (ω0) còn pha ban đầu (θn) nhận những giá trị rời rạc

thay đổi theo quy luật của mã nhị phân

Trên cơ sở ứng dụng chương trình Matlab-Simulink, bài viết sẽ giới thiệu một trong

những phương pháp xây dựng các sơ đồ mô phỏng quá trình tạo và xử lý lọc nén đối với hai

loại tín hiệu này

2 Tạo và lọc nén tín hiệu điều pha theo m∙ Barker

a Quá trình tạo tín hiệu

Chúng ta có thể tạo tín hiệu mã Baker với độ dài N bất kỳ, để minh hoạ xem xét đối

với tín hiệu mã Barker_7

Tín hiệu mã Barker, độ dài N = 7 với cấu trúc {Cn}={+ + + - - + -} có thể được tạo ra

từ sơ đồ như mô tả ở hình 1

(a) Thụ động (b) Chủ động

Hình 1. Sơ đồ máy phát tín hiệu mã Barker_7

ở mô hình bộ tạo tín hiệu theo phương pháp thụ động (hình 1a), máy phát (Tx_G) tạo

xung đơn vô tuyến độ rộng τx1, tần số mang ω0, còn bộ điều chế xung (Tx_M) sẽ tạo dãy 7

phần tử mã Barker, độ rộng mỗi phần tử bằng tgc= τx1 và do vậy độ rộng xung phát là τx=7τx1

ở mô hình máy phát tín hiệu theo phương pháp chủ động (hình 1b), bộ tạo mã (Barker.7_Gen)

tạo dãy 7 phần tử mã Barker với thời gian chirp Tc= τx1, tín hiệu này được dùng để điều chế

pha dao động cao tần được tạo từ bộ tạo dạng sóng (Sine_Wave) Kết quả mô phỏng quá trình

tạo tín hiệu mã Barker_7 được thể hiện trên hình 2

Hình 2 Dạng tín hiệu mã Barker_7 (quan sát 2 chu kỳ xung phát)

b Quá trình nén tín hiệu

Quá trình lọc nén tín hiệu mã Barker được thực hiện dựa trên nguyên tắc: hệ thống giữ

Để xem xét đến sự ảnh hưởng của nhiễu tạp trong quá trình thu và xử lý, một nguồn nhiễu tạp được từ bộ phát tạp (Noise_Gen) được đặt vào kênh truyền tín hiệu theo mô hình đề xuất như hình 3

Hình 3. Mô hình kênh truyền sóng với sự có mặt của nhiễu tạp

Cuối cùng chúng ta đã xây dựng được mô hình mô phỏng hệ thống tạo và xử lý lọc nén tín hiệu mã Barker như hình 4 Kết quả mô phỏng được thể hiện trên các hình 5

Hình 4. Mô hình hệ thống tạo và lọc nén tín hiệu cấu trúc mã Barker_7

Hình 5. Kết quả lọc nén tín hiệu cấu trúc mã Barker_7

c Nhận xét

- Tín hiệu đầu ra có đỉnh chính xuất hiện tại thời điểm t = τx, có biên độ tăng N=7 lần

so với biên độ tín hiệu đầu vào Độ rộng tín hiệu ra (đỉnh chính) bằng τx/N, tức là tín hiệu vào

đã bị nén với hệ số nén N

- Biên độ các đỉnh phụ (6 đỉnh) đều bằng nhau và bằng 1/N cực đại chính

- Thành phần nhiễu tạp, do tính ngẫu nhiên về biên độ, tần số, pha… nên khi qua bộ

lọc sẽ được cộng ngẫu nhiên, theo lý thuyết thì phương sai của tạp ở đầu ra bộ lọc tăng N

lần Các thành phần tín hiệu có ích được cộng đồng pha, công suất của tín hiệu tăng N lần và vì vậy tỷ số tín/tạp đầu ra bộ lọc tăng N lần Các kết luận này cũng đúng cho các chuỗi mã Barker bất kỳ khi thực hiện mô phỏng

3 Tạo và lọc nén tín hiệu điều pha theo m∙ M

a Tạo chuỗi M

Đầu tiên, chúng ta sẽ xây dựng sơ đồ mạch ghi dịch (hình 6) để tạo chuỗi M từ đa thức

sinh bậc 4, g(x) = x4 + x3 + 1 Đầu ra mạch ghi dịch này sẽ nhận được chuỗi M có chu kỳ N =

24 - 1 = 15: c = 101011110001001

Hình 6 Sơ đồ mạch tạo chuỗi M, độ dài N=15

b Quá trình tạo và lọc nén tín hiệu

Máy phát tín hiệu mã M (khối M Code Sig_Gen hình 7) có hai chế độ: phát liên tục

(C.M mode) và phát xung (P.M mode) Trong chế độ phát xung, mã điều chế (được tạo từ

chuỗi M qua biến đổi: “0”→ “+1” và “1”→ “-1”) được đưa qua khối (C.P_M) và tại đó được

điều chế bởi một xung vuông độ rộng NTc, chu kỳ 2NTc

Việc lọc nén tín hiệu mã M được thực hiện cũng dựa trên hệ thống dây giữ chậm nhiều

đầu đóng vai trò một bộ lọc phối hợp với đặc tính xung là phản ảnh gương của tín hiệu đầu

vào Tín hiệu đầu ra tương tự tín hiệu đầu ra bộ lọc tối ưu của máy thu Từ chuỗi: c =

101011110001001, ta có mã điều chế:

{Cn}= {- + - + - - - - + + + - + + -}

Cần tạo bộ lọc có đặc tính xung là phản ảnh gương của tín hiệu đầu vào{Cn}: {C-n}= {- + + - + + + - - - - + - + -}

Cấu trúc này có thể thực hiện trên hệ thống dây giữ chậm 15 đầu ra với 14 phần tử giữ

chậm giống hệt nhau, thời gian giữ chậm trên mỗi phần tử bằng thời gian chirp, Tgc=Tc= τx1(độ

rộng xung con)

Hình 7 Mô hình cấu trúc hệ thống tạo và lọc nén tín hiệu mã M

Như vậy chúng ta đã xây dựng được một mô hình mô phỏng quá trình tạo và lọc nén tín hiệu mã M như hình 7 Kết quả mô phỏng bao gồm tín hiệu mã M đã điều chế (tín hiệu vào lọc nén) và tín hiệu ra lọc nén thể hiện trên hình 8 nhận được khi tiến hành quan sát trong khoảng thời gian chu kỳ xung phát, tương đương với hai chu kỳ của chuỗi M (tqs = 2NTc = 30s)

c Đánh giá so sánh với quá trình tạo và lọc nén tín hiệu Barker

* Giống nhau:

- Đỉnh cực đại chính của tín hiệu đầu ra của bộ lọc nén xuất hiện tại thời điểm t =τx, có biên

độ bằng N lần so với biên độ tín hiệu đầu vào (N=15)

- Độ rộng tín hiệu đầu ra bộ lọc (ứng với đỉnh chính) bằng τx/N = τx1, tức là đã được nén N lần

** Điểm khác: Biên độ của các đỉnh phụ của hàm tự tương quan của tín hiệu không

đều nhau Do sự hoán vị theo chu trình các phần tử của dãy trong giới hạn của một chu kỳ sẽ dẫn tới sự không đều nhau của các búp sóng phụ Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra

rằng, mức tăng búp sóng phụ cực đại chỉ đạt giá trị gần N , tỷ số mức điện áp giữa các đỉnh

phụ so với đỉnh chính gần bằng 1/ N

4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả lọc nén

Sử dụng mô hình khảo sát như hình 9 để thấy được ảnh hưởng của một vài yếu tố tác

động lên quá trình lọc nén tín hiệu Các yếu tố phải kể đến là sự tác động của nhiễu, sự thăng giáng biên độ và sự thay đổi thời gian giữ chậm trên các khâu

Sự tác động của nhiễu: Khi tín hiệu đầu vào là hỗn hợp cộng của tín hiệu có ích và

nhiễu tạp thì ở đầu ra bộ lọc chúng ta vẫn nhận được một lượng tăng tỷ số tín/tạp bằng N và thành phần tín hiệu có ích vẫn được phát hiện trên nền nhiễu Chuỗi càng phức tạp (càng dài)

sẽ cho một độ lợi xử lý tín hiệu càng cao, khả năng chống nhiễu càng tốt

Sự thăng giáng biên độ xung tín hiệu: Sự thăng giáng về biên độ tín hiệu đầu vào thì

tỷ số tín/tạp tại đầu ra bộ lọc nhận giá trị khác N, tuy nhiên sự khác biệt này không đáng kể

Sự thay đổi thời gian giữ chậm trên các khâu: Các kết quả khảo sát cho thấy khi có

sự mất ổn định thời gian giữ chậm trên các khâu sẽ có một sự tác động đến hiệu quả hiệu quả lọc nén Đặc biệt khi sai lệch cỡ 5%.tgc thì sự suy giảm biên độ đỉnh chính và sự gia tăng các

đỉnh phụ càng rõ rệt Chúng ta có thể minh hoạ sự ảnh hưởng này như ở hình 10, sự sai lệnh cỡ 1% thì ảnh hưởng là không rõ ràng nhưng sai lệnh 5% thì tín hiệu đầu ra bị méo rất lớn

Hình 9 Mô hình khảo sát tác động của các yếu tố lên quá trình lọc nén tín hiệu

Hình 10 Tín hiệu đầu ra bộ lọc khi có sự mất ổn định về thời gian

5 Kết luận

Phương pháp mô phỏng đã cho chúng ta một cái nhìn trực quan để nghiên cứu quá trình xử lý tín hiệu Mặc dù các ví dụ đưa ra mới chỉ là các ví dụ đơn giản trong hàng loạt các vấn đề phức tạp cần được giải quyết Trên thực tế, có rất nhiều yếu tố đồng thời tác động lên quá trình xử lý tín hiệu và làm giảm chất lượng của hệ thống Sự tác động của các yếu tố mất

ổn định sẽ làm giảm hiệu quả xử lý cụ thể là giảm tỷ số tín/tạp ở đầu ra lọc nén và gây méo dạng tín hiệu hoặc có thể làm mất mát tín hiệu có ích /

Tài liệu tham khảo:

[1] Nguyễn Đức Luyện (2003), Cơ sở thống kê của rađa, NXB Quân đội

[2] Hoàng Thọ Tu (2003), Cơ sở xây dựng đài rađa cảnh giới, HVKTQS, Hà Nội

[3] Hoàng Thọ Tu (2005), Lý thuyết tín hiệu rađa và các phương pháp xử lý, Tài liệu dùng cho học

viên cao học, HVKTQS, Hà Nội

[4] Nguyễn Phạm Anh Dũng (2000), Lý thuyết trải phổ và ứng dụng, NXB Bưu điện, Hà Nội

[5] Nguyễn Quốc Trung (1999), Xử lý tín hiệu và lọc số, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội

[6] Robert H,Morelos-Zaragoza(2002), The Art of Error Correcting Coding, SONY Computer

Science Laboratories, Inc JAPAN

[7] Merril I.Skolic (1990), Radar Handbook Second Edition, Mc.Graw-Hill

[8] Peyton Z.Peebles (1998), Radar Principles, New York, John Wiley & Sons

[9] Bassem R.Mahafza, Ph.D (2000), Radar Systems Analysis and Design Using Matlab, Chapman

& Hall/CRC_ A CRC Press company Boca Raton London New York Washington, DC