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

ứng dụng chơng trình Matlab-simulink
Mô phỏng quá trình xử lý tín hiệu điều pha nhị phân
Nguyễn Trung Kiên, Phạm Quang Hng
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 đợc sử dụng rộng rãi trong các thiết bị vô tuyến điện tử nhờ các đặc tính u
việt của nó. Đây là dạng tín hiệu xung rộng (x) bao gồm trong nó là N xung con liên tiếp có
cùng độ rộng (x1= x/N) và tần số mang (0) còn pha ban đầu (n) nhận những giá trị rời rạc
thay đổi theo quy luật của mã nhị phân.
Trên cơ sở ứng dụng chơng trình Matlab-Simulink, bài viết sẽ giới thiệu một trong
những phơng 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 đợc tạo ra
từ sơ đồ nh 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 phơng pháp thụ động (hình 1a), máy phát (Tx_G) tạo
xung đơn vô tuyến độ rộng x1, tần số mang 0, còn bộ điều chế xung (Tx_M) sẽ tạo dãy 7
phần tử mã Barker, độ rộng mỗi phần tử bằng tgc= x1 và do vậy độ rộng xung phát là x=7x1.
ở mô hình máy phát tín hiệu theo phơng pháp chủ động (hình 1b), bộ tạo mã (Barker.7_Gen)
tạo dãy 7 phần tử mã Barker với thời gian chirp Tc= x1, tín hiệu này đợc dùng để điều chế
pha dao động cao tần đợc tạo từ bộ tạo dạng sóng (Sine_Wave). Kết quả mô phỏng quá trình
tạo tín hiệu mã Barker_7 đợc 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 đợc thực hiện dựa trên nguyên tắc: hệ thống giữ
chậm sẽ thực hiện vai trò một bộ lọc phối hợp với đặc tính xung là phản ảnh gơng {C-n} của
tín hiệu đầu vào {Cn}.
1


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

Hình 3. Mô hình kênh truyền sóng với sự có mặt của nhiễu tạp
Cuối cùng chúng ta đã xây dựng đợc mô hình mô phỏng hệ thống tạo và xử lý lọc nén
tín hiệu mã Barker nh hình 4. Kết quả mô phỏng đợc thể hiện trên các hình 5.

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

(a) Lý tởng

(b) Có nhiễu tác động

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 = x, có biên độ tăng N=7 lần
so với biên độ tín hiệu đầu vào. Độ rộng tín hiệu ra (đỉnh chính) bằng x/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 đợc cộng ngẫu nhiên, theo lý thuyết thì phơng sai của tạp ở đầu ra bộ lọc tăng N
lần. Các thành phần tín hiệu có ích đợc 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.

2


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 đợc 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 (đợc tạo từ
chuỗi M qua biến đổi: 0 +1 và 1 -1) đợc đa qua khối (C.P_M) và tại đó đợc
điều chế bởi một xung vuông độ rộng NTc, chu kỳ 2NTc.
Việc lọc nén tín hiệu mã M đợc 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 gơng của tín hiệu đầu
vào. Tín hiệu đầu ra tơng tự tín hiệu đầu ra bộ lọc tối u của máy thu. Từ chuỗi: c =
101011110001001, ta có mã điều chế:
{Cn} = {- + - + - - - - + + + - + + -}
Cần tạo bộ lọc có đặc tính xung là phản ảnh gơng 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= x1(độ
rộng xung con).

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

(a) Tín hiệu mã M liên tục

(b) Tín hiệu xung mã M

Hình 8. Kết quả lọc nén tín hiệu xung mã M
3


Nh vậy chúng ta đã xây dựng đợc một mô hình mô phỏng quá trình tạo và lọc nén
tín hiệu mã M nh 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 đợc khi tiến hành quan sát trong
khoảng thời gian chu kỳ xung phát, tơng đơng 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 =x, 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 x/N = x1, tức là đã đợc nén N lần.
**. Điểm khác: Biên độ của các đỉnh phụ của hàm tự tơng 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 hởng đến hiệu quả lọc nén
Sử dụng mô hình khảo sát nh hình 9 để thấy đợc ảnh hởng 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 đợc một lợng tăng tỷ số tín/tạp bằng N và
thành phần tín hiệu có ích vẫn đợc 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 hởng này nh ở hình 10, sự sai lệnh cỡ
1% thì ảnh hởng là không rõ ràng nhng 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

4


Hình 10. Tín hiệu đầu ra bộ lọc khi có sự mất ổn định về thời gian
5. Kết luận
Phơng 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 đa ra mới chỉ là các ví dụ đơn giản trong hàng loạt các
vấn đề phức tạp cần đợc 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 lợng 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 phơng 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 Bu 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.

5