Thuật toán phát hiện tín hiệu Pilot trong cảm nhận phổ cho vô tuyến nhận thức

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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thuật toán phát hiện tín hiệu Pilot trong cảm nhận phổ cho vô tuyến nhận thứcNghiên cứu khoa học công nghệ THUẬT TOÁN PHÁT HIỆN TÍN HIỆU PILOT TRONG CẢM NHẬN PHỔ CHO VÔ TUYẾN NHẬN THỨC Vũ Lê Hà1*, Trần Đình Lâm1, Lưu Thị Thu Hồng1 Tóm tắt: 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. Thuật toán được sử dụng trong mô hình máy thu vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio – CR) thực hiện chức năng cảm nhận phổ (spectrum sensing).Từ khóa: Tín hiệu pilot, Vô tuyến nhận thức, Cảm nhận phổ. 1. MỞ ĐẦU Vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio - CR) đang là một trong những xu hướngphát triển đầy hứa hẹn trong lĩnh vực thông tin liên lạc vô tuyến thông minh thế hệmới. Một trong những đặc điểm chính của CR đó là khả năng thích nghi với môitrường xung quanh, nơi mà các tham số như tần số, công suất tiêu thụ, phươngthức điều chế, băng thông,..có thể thay đổi phụ thuộc vào môi trường, tình huốngcủa người dùng, điều kiện mạng, vị trí địa lý,... CR hoạt động theo một chu trìnhkhép kín thích nghi gọi là chu kỳ nhận thức (cognitive cycle) [1]. Trong chu kỳnhận thức này, cảm nhận phổ (spectrum sensing) là một trong những chức năngquan trọng. Để cảm nhận phát hiện tín hiệu băng hẹp, có nhiều thuật toán phát hiệnđã được nghiên cứu. Trong [9], sự ảnh hưởng của kích thước dữ liệu đầu vào bộbiến đổi Fourier nhanh (FFT) tới khả năng phát hiện tín hiệu được phân tích, kíchthước FFT phù hợp được tính toán để nâng cao xác suất phát hiện. Ý tưởng củathuật toán là đưa các thành phần tần số băng hẹp cần phát hiện vào gần vị trí cácthành phần tần số đầu ra bộ FFT (còn gọi là các bin tần số) bằng một mô hình bộFFT với chiều dài N có thể thay đổi. Xuất hiện trong nhiều dạng tín hiệu thông tin liên lạc vô tuyến hiện nay, tín hiệupilot được sử dụng cho mục đích giám sát, đồng bộ hoặc nhận biết sự tồn tại củanguồn phát xạ. Ví dụ như phổ tín hiệu điều tần băng rộng WFM [8] có tín hiệupilot tại 19 kHz. Thông thường tín hiệu này là đơn tần (1 tone), định vị ở một vị trícố định trong băng thông tín hiệu và có mức năng lượng vượt trội so với các thànhphần tín hiệu khác. Vì vậy để xác định một kênh tần số là đang trống hay đã đượcsử dụng, một phương pháp tiếp cận là đi tìm sự có mặt của tín hiệu pilot thay vìphải phân tích phổ toàn bộ kênh. Bài toán tìm nhanh và chính xác năng lượng tần số pilot phụ thuộc vào thuậttoán tính toán và tốc độ lấy mẫu để số hóa tín hiệu. Khối phân tích phổ là mộtTạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 53 Kỹ thuật điện tửthành phần quan trọng trong bộ cảm nhận phổ, thông thường được thực hiện bằngthuật toán FFT của Cooley-Turkey [4]. Thuật toán này rất hiệu quả khi cần tínhtoàn bộ các thành phần tần số. Tuy nhiên khi chỉ cần tính một hoặc một vài thànhphần tần số trong băng tần (như tần số pilot), thuật toán Goertzel [5] tính toán cácthành phần tần số đơn cho thấy hiệu quả tốt hơn cả về tốc độ và độ chính xác, đặcbiệt khi số tần số cần tính nhỏ hơn giá trị log2N, với N là số mẫu cần phân tích.Hơn nữa, không như thuật toán Cooley-Turkey, chỉ tính toán hiệu quả tối ưu khi sốlượng mẫu là một lũy thừa của 2, thuật toán Goertzel có khả năng tính toán hệ sốFourier với một tập N mẫu bất kỳ [2]. Một trong những thuật toán phát hiện tín hiệu pilot được đề xuất trong [3]. Tácgiả chỉ ra rằng các thành phần tần số tín hiệu quanh tín hiệu pilot có các xác suấtxuất hiện năng lượng tín hiệu khác nhau, vì vậy có thể gán trước một xác suất pháthiện tương ứng với thứ tự được kiểm tra tại các tần số này, sau đó sử dụng thuậttoán Goertzel phát hiện tuần tự để duyệt qua danh sách các tần số. Thuật toán nàycũng được [10] thực thi trên nền FPGA để phát hiện các tần số của tín hiệu DTMF.Để phát hiện biên độ lớn nhất của thành phần tần số trong vùng phổ cần phân tích,một bộ dao động điều chỉnh tần số được sử dụng trong [7]. Bộ dao động này cóchức năng làm tần số ngoại sai để trộn với tín hiệu cao tần. Tín hiệu sau bộ trộnđược đưa qua bộ lọc dải thông và đưa vào bộ phát hiện đỉnh năng lượng. Trong [6]bộ lọc Goertzel bậc hai được sử dụng thay thế cho bộ lọc FIR của bộ phân tíchphổ, cho thấy hiệu quả tốt hơn về độ phân giải tần số và dung lượng tài nguyênphần cứng. Khi phát hiện tín hiệu pilot băng hẹp, [9] đã chứng minh trong trườnghợp vị trí tần số của tín hiệu pilot không nằm đúng vị trí của các thành phần tần sốđầu ra bộ FFT, tỷ số tín/tạp (SNR) ở hai thành ...