nghiên cứu, cải thiện chất lượng thông tin và mô phỏng hệ thống đài dẫn đường đa hướng sóng cực ngắn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ NHẬT BÌNH

NGHIÊN CỨU, CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG THÔNG TIN
VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐÀI DẪN ĐƯỜNG
ĐA HƯỚNG SÓNG CỰC NGẮN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203

S K C0 0 4 5 0 3

Tp. Hồ Chí Minh, năm 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ NHẬT BÌNH

NGHIÊN CỨU, CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG THÔNG TIN
VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐÀI DẪN ĐƢỜNG
ĐA HƢỚNG SÓNG CỰC NGẮN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ: 60520203

Hƣớng dẫn khoa học:
TS. NGUYỄN THANH DŨNG

Tp. Hồ Chí Minh, năm 2015

Lê Nhật Bình

i


LÝ LỊCH KHOA HỌC
(Dùng cho nghiên cứu sinh & học viên cao học)

Hình 3x4

I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ và tên: Lê Nhật Bình

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 19/10/1990

Nơi sinh: Gia Lai

Quê quán: Gia Lai

Dân tộc: Kinh

Chức vụ, đơn vị công tác trƣớc khi học tập, nghiên cứu: Học viện Hàng không
Việt Nam.

Địa chỉ liên lạc: T07 Chung cƣ Hoàng Long – Thị xã Dĩ An – Tỉnh Bình Dƣơng
Điện thoại cơ quan:

Di động: 0937834777

Fax:

Email:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính qui.

Thời gian đào tạo từ 2008 đến 2012.

Nơi học: Học viện Hàng không Việt Nam.
Ngành học: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Viễn thông Hàng không.
Tên môn thi tốt nghiệp: Truyền thông đa phƣơng tiện.
Ngày và nơi thi tốt nghiệp: năm 2012 tại Học viện Hàng không Việt Nam.
2. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: Chính qui

Thời gian đào tạo từ: 4/2013 đến 4/2015

Nơi học: Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh.
Ngành học: Kỹ thuật điện tử
Tên luận văn: Nghiên cứu, cải thiện chất lƣợng thông tin và mô phỏng hệ thống
đài dẫn đƣờng đa hƣớng sóng cực ngắn.
Ngày và nơi bảo vệ luận văn: Năm 2015 tại Trƣờng đại học Sƣ Phạm Kỹ
thuậtTp. Hồ Chí Minh

Ngƣời hƣớng dẫn:TS. Nguyễn Thanh Dũng.
3. Trình độ ngoại ngữ: Anh văn trình độ B, B1, C. Toeic 735.

Lê Nhật Bình

ii


III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Nơi công tác

Thời gian
Từ 12/2012

Học viện Hàng không Việt

đến nay

Nam

Công việc đảm nhiệm
Giảng viên.

Ngày 22 tháng 04năm 2015

XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI
HỌC
(Ký tên, đóng dấu)

Ngƣời khai ký tên

Lê Nhật Bình

Lê Nhật Bình

iii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu ra trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp.Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng04 năm 2015
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Lê Nhật Bình

Lê Nhật Bình

iv


LỜI CẢM ƠN
Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến TS. Nguyễn Thanh Dũng đã tận tình
hƣớng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này.
Xin chân thành gừi lời cảm ơn đến Cô PGS.TS Trần Thu Hà và Thầy TS. Lê
Mỹ Hà đã chấm phản biện luận văn và đã hƣớng dẫn tôi hoàn thành báo cáo luận
văn để đạt đƣợc kết quả tốt nhất.
Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến toàn thể Quí Thầy Cô trƣờng Đại học Sƣ

Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh đã giảng dạy, hƣớng dẫn và tạo mọi điều kiện,
môi trƣờng học tập tốt cho tôi.
Cảm ơn quý thầy cô, các anh chị phòng Đào tạo Sau đại học trƣờng Đại học
Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã giúp đỡ, giải đáp các vƣớng mắc về
các thủ tục hành chính cho tôi trong thời gian học vừa qua.
Chân thành cảm ơn Học viện Hàng không Việt Nam đã tạo điều kiện để tôi
tham gia và hoàn thành học khóa học này.
Xin cảm ơn các anh chị học viên lớp KĐT13A ngành Kỹ thuật điện tử đã chia
sẽ, hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập.
Xin kính chúc sức khỏe Quí Thầy Cô, Anh Chị và chân thành cảm ơn.
Học viên

Lê Nhật Bình

Lê Nhật Bình

v


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Đề tài này thực hiện việc nghiên cứu đài dẫn đƣờng đa hƣớng sóng cực ngắn,
mô phỏng lại nguyên lý các tín hiệu của hệ thống đài phát dẫn đƣờng đa hƣớng
sóng cực ngắn bằng phần mềm matlab, sau đó tạo nhiễu ở tín hiệu thu đƣợc để phù
hợp với thực tế do can nhiễu của môi trƣờng truyền tác động, do nhiễu tại máy
phát… Từ đó dùng thuật toán biến đổi wavelet để triệt nhiễu tín hiệu thu đƣợc có
can nhiễu để có thể xác định chính xác thông tin từ máy phát hệ thống dẫn đƣờng đa
hƣớng sóng cực ngắn.
Công việc triệt nhiễu dùng thuật toán biến đổi wavelet bằng cách dùng các
hàm wavelet và mức ngƣỡng ở các mức phân tách khác nhau trong wavelet packet
để triệt nhiễu tín hiệu thu đƣợc bằng phần mềm matlab, sử dụng file .m để viết và

dạng Gui để thể hiện kết quả công việc thực hiện.

Lê Nhật Bình

vi


MỤC LỤC
LÝ LỊCH KHOA HỌC .............................................................................................. ii
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................iv
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................v
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................vi
MỤC LỤC ................................................................................................................ vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH .........................................................................................ix
DANH MỤC CÁC BẢNG.......................................................................................... x
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT..................................................................................xi
Chƣơng 1 ..................................................................................................................... 1
TỔNG QUAN .............................................................................................................1
1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và
ngoài nƣớc. ..............................................................................................................1
1.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu. ..................................................1
1.1.2 Một số kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc. ........................................3
1.1.3 Mục đích của đề tài nghiên cứu...................................................................5
1.1.4 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài. .................................................................6
1.1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu. ............................................................................6
1.1.6

Khả năng ứng dụng. ................................................................................6

Chƣơng 2 ..................................................................................................................... 8

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................................8
2.1 Đài dẫn đƣờng đa hƣớng sóng cực ngắn ........................................................... 8
2.1.1 Giới thiệu .....................................................................................................8
2.1.2 Nguyên lý hoạt động ...................................................................................9
2.1.3 Sơ đồ khối đơn giản hệ thống....................................................................12
2.2 Các loại nhiễu tác động vào tín hiệu thông tin. ...............................................21
2.2.1 Mô hình nhiễu và một số khái niệm. ......................................................... 21
2.2.2 Đặc tính tần số của nhiễu. .........................................................................22
2.2.3 Nhiễu Trắng ............................................................................................... 23

Lê Nhật Bình

vii


2.3 Biến đổi wavelet. ............................................................................................. 25
2.3.1 Biểu diễn thời gian – tần số của tín hiệu. .................................................. 26
2.3.2 Nguyên lý bất định. ................................................................................... 26
2.3.3 Các Atom và tần số. .................................................................................. 27
2.3.4 Phép biến đổi Fourier cửa sổ. ....................................................................28
2.3.5 Mặt phẳng thời gian tần số và hộp Heisenberg. ........................................28
2.3.6 Biến đổi wavelet liên tục. ..........................................................................29
2.3.7 Biến đổi wavelet rời rạc. ...........................................................................30
2.3.8 Biến đổi wavelet Packet. ...........................................................................31
2.3.9 Quan điểm nghiên cứu. .............................................................................33
Chƣơng 3 ................................................................................................................... 35
TRIỆT NHIỄU BẰNG WAVELET .........................................................................35
3.1 Lựa chọn Wavelet ............................................................................................ 35
3.2 Mô hình xử lý nhiễu......................................................................................... 36
3.3 Khử nhiễu bằng phƣơng pháp đặt ngƣỡng cứng và mềm................................ 38

Chƣơng 4 ................................................................................................................... 40
MÔ PHỎNG..............................................................................................................40
4.1 Hệ thống đài dẫn đƣờng vô hƣớng VOR ......................................................... 40
4.1.1 Tín hiệu pha chuẩn trong đài VOR ........................................................... 40
4.1.2 Tín hiệu pha biến thiên trong đài VOR ..................................................... 40
4.1.3 Tín hiệu tổng hợp khi thu đƣợc. ................................................................ 42
4.2 Quá trình xử lý nhiễu. ...................................................................................... 43
Chƣơng 5 ................................................................................................................... 52
KẾT LUẬN ...............................................................................................................52
5.1 Kết luận ............................................................................................................52
5.2 Hƣớng phát triển đề tài .................................................................................... 53

Lê Nhật Bình

viii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2. 1: Hệ thống đài Vor. ....................................................................................... 8
Hình 2. 2: Nguyên lý hoạt động của đài Vor. ............................................................. 9
Hình 2. 3: Giãn đồ bức xạ tín hiệu pha chuẩn........................................................... 10
Hình 2. 4: Phổ cao tần của đài Vor. ..........................................................................11
Hình 2. 5: Sơ đồ khối đơn giản hệ thống Vor. .......................................................... 14
Hình 2. 6: Mật đổ phổ công suất nhiễu trắng. ........................................................... 23
Hình 2. 7: Môi trƣờng truyền dẫn với sự có mặt của nhiễu trắng. ............................ 23
Hình 2. 8: Hàm phân bố Gauss. ................................................................................24
Hình 2. 9: Mật độ công suất nhiễu. ...........................................................................24
Hình 2. 10: Đặc tính thời gian tần số của WFT. ....................................................... 29
Hình 2. 11: Biến đổi wavelet mở rộng thành cây wavelet packet. ........................... 31
Hình 2. 12: Cây wavelet packet theo các không gian. ..............................................32

Hình 3. 1: Mô hình khử nhiễu bằng dãy lọc hai kênh. ..............................................37
Hình 3. 2: Ngƣỡng cứng và ngƣỡng mềm. ............................................................... 37

Hình 4. 1: Tín hiệu 30Hz Pha chuẩn. ........................................................................40
Hình 4. 2: Dùng cánh tay đòn mang anten quay ngƣợc chiều kim đồng hồ. ............40
Hình 4. 3: Tín hiệu 30Hz Pha biến thiên ở góc pha 2060..........................................41
Hình 4. 4: Tín hiệu thu đƣợc từ đài VOR nếu không có can nhiễu. ......................... 43
Hình 4. 5: Tín hiệu thu đƣợc từ đài VOR nếu có nhiễu. ...........................................43
Hình 4. 6: Giao diện chƣơng trình mô phỏng. .......................................................... 45
Hình 4. 7: Tách sóng pha chuẩn không sử dụng wavelet. ........................................46
Hình 4. 8: Tách sóng Pha chuẩn dùng biến đổi Wavelet. .........................................46
Hình 4. 9: Tách sóng Pha biến thiên không sử dụng wavelet. ..................................49
Hình 4. 10: Tách sóng Pha biến thiên dùng biến đổi Wavelet. .................................49

Lê Nhật Bình

ix


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4. 1: Tỷ số tín hiệu trên nhiễu pha chuẩn sau khi triệt nhiễu ( Hàm Haar,
Coif5, Db10). ............................................................ Error! Bookmark not defined.
Bảng 4. 2: Tỷ số tín hiệu trên nhiễu pha chuẩn sau khi triệt nhiễu ( Hàm: Sym7
Bior3.1, Rmey). ......................................................... Error! Bookmark not defined.
Bảng 4. 3: Tỷ số tín hiệu trên nhiễu pha biến thiên sau khi triệt nhiễu ( Hàm Haar,
Coif5, Db10). ............................................................ Error! Bookmark not defined.
Bảng 4. 4: Tỷ số tín hiệu trên nhiễu pha biến thiên sau khi triệt nhiễu ( Hàm: Sym7
Bior3.1, Rmey). ......................................................... Error! Bookmark not defined.

Lê Nhật Bình

x


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Tên nƣớc ngoài

CNS

Communication, Navigation,
Surveillance
Aeronautical Mobile Services

AMS
AFS
VHF
NDB
VOR
DME
GPS
PSWF

FFT
WFT

Lê Nhật Bình

Tên Việt Nam

Dịch vụ thông tin,
dẫn đƣờng,giám sát
Thông tin lƣu động
hàng không
Aeronautical Fix Services
Thông tin cố
định hàng không
Very High Frequency
Sóng cao tần
Non-Directional Beacon
Đài dẫn đƣờng vô
hƣớng
VHF Omni-directional Range
Đài dẫn đƣờng đa
hƣớng sóng cực ngắn
Distance Measuring Equipment
Thiết bị đo khoảng
cách
Global Positioning System
Hệ thống định vị toàn
cầu
Prolate Spheroidal Wave FunctionHàm nén wavelet
thống kê trong
miền cảm quan
Fast Fourier Transform
Biến đổi Fourier
nhanh

Windowed Fourier Transform
Phép biến đổi Fourier
cửa sổ

xi


Chƣơng 1: Tổng quan

Chƣơng 1

TỔNG QUAN
Chƣơng này sẽ trình bày tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, mục đích, nhiệm
vụ và giới hạn của đề tài.
1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và
ngoài nƣớc.
1.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu.
Việc đảm bảo an toàn cho ngành vận tải hàng không trên thế giới đang đƣợc
quan tâm rất nhiều trong bối cảnh hiện nay khi mà ngành hàng không đóng một vai
trò không thể thiếu trong sự phát triển đi lên về kinh tế, chính trị và xã hội của mỗi
quốc gia. Bên cạnh đó là sự bùng nổ về khoa học kỹ thuật trong những thập niên
gần đây đã phát triển một cách nhanh chóng, thay đổi toàn bộ hệ thống, cơ sở vật
chất cũ, mở ra một kỷ nguyên mới – kỷ nguyên khoa học kỹ thuật. Để đảm bảo cho
một chuyến bay đƣợc an toàn, có rất nhiều hệ thống máy móc với những vai trò cụ
thể và chức năng cụ thể để có thể đảm bảo cho sự an toàn. Cụ thể nhất, hệ thống
thông tin – dẫn đƣờng – giám sát là một trong các kỹ thuật mà từ đó các hệ thống
này có thể cung cấp cho các chuyến bay đi hoặc đến các sân bay, hoặc các chuyến
bay quá cảnh qua vùng thông báo bay của khu vực hoặc nƣớc đó. Hệ thống thông
tin – dẫn đƣờng – giám sát đóng vai trò quan trọng vì đây chính là phƣơng tiện để
liên lạc giữa ngƣời lái và kiểm soát viên không lƣu. Và cũng có thể nói rằng hệ

thống quản lý không lƣu không thể tồn tại nếu không có hệ thống trang thiết bị kỹ
thuật thông tin – dẫn đƣờng – giám sát.
Hệ thống dẫn đƣờng vô tuyến sóng cực ngắn là một hệ thống phát sóng điện
từ, giúp máy bay có thể bay đúng đƣờng bay và đến đúng đích đã định, không vi
phạm các quy tắc không lƣu hay uy hiếp an toàn cho ngƣời và tài sản trên máy bay
cũng nhƣ trên mặt đất. Do đó, việc xử lý tín hiệu nói riêng thì tín hiệu của hệ thống
dẫn đƣờng vô tuyến sóng cực ngắn đang nhận đƣợc sự quan tâm của nhiều nhà
nghiên cứu nhằm cải thiện tốt hơn nữa đặc tính của hệ thống dẫn đƣờng vô tuyến
sóng cực ngắn. Trong đó, nhiều công cụ xử lý tín hiệu mới đã ra đời và cho thấy

Lê Nhật Bình

1


Chƣơng 1: Tổng quan

những tác dụng nhất định trong việc xử lý tín hiệu, mà nổi bật là phƣơng pháp biến
đổi wavelet đƣợc sự quan tâm nhiều nhà nghiên cứu. Biến đổi wavelet có thể áp
dụng đƣợc cho nhiều loại tín hiệu, đặc biệt là các tín hiệu liên tục, không tuần hoàn.
Nhiều ứng dụng biến đổi wavelet đã có kết quả tốt và hơn hẵn các biến đổi khác
nhƣ: phân tích phổ, nén tín hiệu, khử nhiễu,…
Một số nghiên cứu dựa vào các đặc tính thông kê của các biến ngẫu nhiên,
xét tín hiệu và nhiễu nhƣ các quá trình ngẫu nhiên qua các đặc tính thông kê.
Phƣơng pháp khử nhiễu phi tuyến trên các cơ sở các wavelet cũng đã đƣợc nghiên
cứu và ứng dụng rất nhiều, nhất là khi xử lý các tín hiệu nhỏ trong các môi trƣờng
nhiễu phức tạp. Nhiều nghiên cứu đã sử dụng và xây dựng nên các quy luật tín hiệu
và nhiễu mang tính tổng quát và đặc thù sau đó áp dụng giải thuật ngƣỡng để hạn
chế các thành phần nhiễu. Ngoài ra còn có những hƣớng nghiên cứu khác nhau nhƣ
khử nhiễu wavelet sử dụng cây Markov ẩn, mô hình hóa sự phụ thuộc các hệ số

wavelet liền kề bằng cây Markov ẩn và sai đố trung bình bình phƣơng cực tiểu cho
ƣớc lƣợng nén nhiễu. Các phƣơng pháp ngƣỡng còn lại hội tụ về mô hình thống kê
của các hệ số wavelet đối với một lớp tín hiệu nào đó để chọn giá trị ngƣỡng [10].
Phần lớn các công trình nghiên cứu lý thuyết cũng nhƣ thực nghiệm và các
ứng dụng thực tế đều tập trung khai thác và phát triển các phƣơng pháp ngƣỡng
wavelet. Donoho và Johnstone đã chứng minh một số lý thuyết quan trọng về
phƣơng pháp ngƣỡng wavelet trong và chứng tỏ đƣợc rằng: phƣơng pháp ngƣỡng
wavelet tối ƣu trong việc giảm thiểu lỗi, tốc độ xử lý nhanh. Do đó luận văn xét đến
việc dùng ngƣỡng ở các mức phân tách khác nhau để khử nhiễu tín hiệu.
Nhìn chung các đề tài nghiên cứu khử nhiễu bằng phƣơng pháp dùng ngƣỡng
ở các mức phân tách khác nhau đã có những thay đổi xung quanh giá trị ngƣỡng
hoặc hàm ngƣỡng theo các quan điểm khác nhau, bổ sung cho những lý thuyết khử
nhiễu mới hoặc cho những ứng dụng thực tế cụ thể. Trong một số trƣờng hợp ứng
dụng cụ thể, tham số phƣơng sai đƣợc chọn theo giá trị thực nghiệm, chƣa có đƣợc
phƣơng pháp tính tổng quát. Giá trị ngƣỡng đã mềm dẻo hơn bằng cách phân khối
hoặc theo mức phân giải, nhƣng vẫn chƣa sát với các đặc tính của nhiễu.

Lê Nhật Bình

2


Chƣơng 1: Tổng quan

Cùng trong khuynh hƣớng đó và nhằm đánh dấu sự hoàn thành một quá trình
lao động học tập, nên đề tài “Nghiên cứu, cải thiện chất lƣợng thông tin và mô
phỏng hệ thống đài dẫn đƣờng đa hƣớng sóng cực ngắn” đã đƣợc lựa chọn.
Đề tài đƣợc lựa chọn nhằm giải quyết một số vấn đề của hệ thống dẫn đƣờng
đa hƣớng sóng cực ngắn, loại hệ thống đƣợc sử dụng nhiều và phổ biến nhất trong
lĩnh vực hàng không.

Để mô phỏng hệ thống và phƣơng pháp triệt nhiễu, học viên sử dụng phần
mềm Matlab của hãng Mathwork, Inc, phần mềm này có rất nhiều thuận lợi riêng
biệt. Matlab cho phép sử dụng ngôn ngữ cấp cao nhƣ là C, C++. Matlab có hàng
trăm hàm xây dựng sẵn và có thể sửdụng trong nhiều lĩnh vực: toán học, xác suất
thống kê, việc xử lý và thu nhận ảnh,việc xử lý tín hiệu, sự mô phỏng,…
1.1.2 Một số kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc.
D.L. Donoho và I.M. Johnstone đã sử dụng biến đổi wavelet rời rạc để biến
đổi các tín hiệu có nhiễu, ƣớc lƣợng tín hiệu có ích trên nền nhiễu trắng Gauss theo
luật ngƣỡng đều gọi là Visushink. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là không phụ
thuộc vào việc chọn wavelet hoặc mức phân giải trong cây wavelet mà chỉ phụ
thuộc vào kích thƣớc mẫu dữ liệu đã cho. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là các
hệ số biến đổi không phải là các đƣợng lƣợng dịch vòng nên khi dịch vòng chuẩn
thời gian bằng một lƣợng nào đó sẽ không dịch vòng các hệ số biến đổi wavelet rời
rạc bằng đúng lƣợng đó. Điều này làm giảm đáng kể chất lƣợng khử nhiễu. Để khắc
phục nhƣợc điểm trên, Honoho và Coifman năm 1995 đã đề xuất kỹ thuật xoắn
vòng [36]. Ý tƣởng triệt nhiễu qua dịch xoắn vòng là áp dụng khử nhiễu đều đối với
tất cả các phiên bản dịch vòng có thể của tín hiệu và lấy kết quả trung bình. Các kết
quả của phƣơng pháp này đã khôi phục đƣợc tín hiệu gốc trơn hơn, giảm đƣợc
những dao động giả tạo sinh ra trong quá trình biến đổi. Những vấn đề lý thuyết và
ứng dụng theo hƣớng này vẫn đang đƣợc các nhà khoa học trên thế giới quan tâm
và phát triển [32].
Phƣơng pháp Visushink [30] dễ thực hiện, dễ thích ứng theo các giai đoạn tín
hiệu với xác suất cao và có thể tái tạo tín hiệu gốc tƣơng đối trơn. Nhƣng phƣơng

Lê Nhật Bình

3


Chƣơng 1: Tổng quan

pháp chỉ thực hiện với một bậc cân bằng giữa những phân bố vi sai và thiên lệch,
trong khi bình phƣơng thiên lệch lại có bậc cao hơn biên độ vi sai. Do ngƣỡng đều
loại bỏ các hệ số nhiễu đồng thời cũng làm mất đi một số hệ số tín hiệu gốc nên đã
vi phạm luật logarit trong đánh giá lỗi trung bình bình phƣơng. Kết quả ƣớc lƣợng
tín hiệu lại bị thiên lệch nhiều, hàm ƣớc lƣợng có những biến đổi đáng kể.
Phƣơng pháp Minimax [32] theo tiêu chuẩn minimax, khử nhiễu bằng
ngƣỡng có độ lệch chuẩn phụ thuộc mức phân giải. Phƣơng pháp này đã khắc phục
đƣợc một số nhƣợc điểm của Visushink, nhƣng do ngƣỡng thiết kế không liên tục
nên tính trơn của tín hiệu hồi phục còn hạn chế.
Phƣơng pháp Blockshrink [24] thực hiện ngƣỡng theo các khối, có độ thích
ứng cao về không gian, các ƣớc lƣợng thực hiện tối ƣu trong các giai đoạn biến đổi
của nhiều các lớp hàm trơn không đều. Bockshrink đƣợc Cai [28] năm 1996, Cai
[29] năm 1999, Hall [56] năm 1999 và Cai [30] năm 2000 đề xuất và phát triển, đã
liên tục thay đổi mức ngƣỡng và phƣơng pháp ngƣỡng, thực hiện ngƣỡng cục bộ và
ngƣỡng toàn cục thay cho một ngƣỡng. Mặc dù đã có cải thiện trong kết quả khử
nhiễu, nhƣng còn phụ thuộc nhiều vào việc phân khối các hệ số.
Phƣơng pháp SureShrink [5], [20] khử nhiễu sử dụng kết hợp luật ngƣỡng
đều và luật Sure. Phƣơng pháp này khắc phục đƣợc nhƣợc điểm của ngƣỡng đều
nhƣng lại bỏ qua các lỗi trong ƣớc lƣợng độ lệch chuẩn của nhiễu.
Phƣơng pháp BayesShrink chọn ngƣỡng có sai số trung bình bình phƣơng
Bayes cực tiểu theo luật Bayes để khử nhiễu [10]. Ngƣỡng phụ thuộc phƣơng sai tín
hiệu ở các mức phân giải khác nhau, phƣơng sai nhiễu không đổi nên tác dụng khử
nhiễu chỉ là trơn tín hiệu nhƣng hiệu quả khử nhiễu vẫn thấp.
Phƣơng pháp khử nhiễu bằng ƣớc lƣợng độ dài mô tả cực tiểu [24] thực hiện
qua các họ cơ sở trực giao, cấu trúc bằng các gói wavelet hoặc các cơ sở cosin cục
bộ. Chọn cơ sở tốt nhất dựa vào tiêu chuẩn lỗi tái tạo tín hiệu là cực tiểu. Kết quả
đƣợc đánh giá bằng trị sai số trung bình bình phƣơng. Một số nghiên cứu sử dụng
phƣơng pháp biến đổi wavelet, sau đó kết hợp đặc tính thông kê và giải thuật

Lê Nhật Bình

4


Chƣơng 1: Tổng quan

ngƣỡng để thực hiện khử nhiễu bằng cách chọn cây biểu diễn các gói wavelet tối
ƣu, có tính toán cao, tốc độ xử lý thấp.
Sử dụng mô hình tuyến tính hóa từng phần, phƣơng pháp hồi quy không
tham số. Trên cơ sở biến đổi wavelet rời rạc và giải thuật ngƣỡng [31] có thể khắc
phục đƣợc tính quá trơn của giải thuật ngƣỡng thông thƣờng, nhƣng do sử dụng
biến đổi wavelet rời rạc nên vẫn bị mất mát một số chi tiết tín hiệu gốc sau khi tái
tạo. Khử nhiễu qua biểu diễn cực đại wavelet [7] giữ đƣợc các giá trị biên rìa và các
giá trị cực đại tín hiệu những vẫn trên cơ sở ngƣỡng đều toàn cục, hiệu quả khử
nhiễu chƣa cao.
Các nghiên cứu khác: ứng dụng phƣơng pháp ngƣỡng đều [8] ngƣỡng phụ
thuộc các mức phân giải [13]. Phƣơng pháp ƣớc lƣợng độ dài mô tả cực tiểu [15].
Phƣơng pháp thống kê [7]. Kết hợp phƣơng pháp ngƣỡng và thống kê khử nhiễu
không Gauss [11], [12], [14]. Khử nhiễu bằng lọc phi tuyến wavelet.
Những ứng dụng thực tế áp dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ: khử nhiễu cho hệ
thống đo lƣờng nhiều kênh, ứng dụng khử nhiễu thích ứng nhanh cho các môi
trƣờng không dừng nhƣ khử nhiễu phổ âm thanh, ứng dụng khử nhiễu gói wavelet
trong phân tích phổ thiên văn, ứng dụng khử nhiễu và tăng tƣơng phản cho ảnh
cộng hƣởng từ, khử nhiễu tín hiệu điện tim, điện não, khử nhiễu thiết bị đo trọng lực
bằng ngƣỡng cứng, tách lỗi cơ khí, khử nhiễu tín hiệu siêu âm Doppler, sử dụng
phép biến đổi wavlet rời rạc trực giao và ngƣỡng mềm phi tuyến đối với các hệ số
wavelet rời rạc trực giao và ngƣỡng mềm phi tuyến đối với các hệ số wavelet chi
tiết với mức ngƣỡng.
1.1.3 Mục đích của đề tài nghiên cứu.

 Tìm hiểu, phân tích và mô phỏng lại tín hiệu phát và thu của hệ thống dẫn
đƣờng vô tuyến sóng cực ngắn.
 Nghiên cứu và tìm hiểu sự tác động của các loại nhiễu lên hệ thống.
 Nghiên cứu, tìm hiểu và ứng dụng kỹ thuật biến đổi wavelet để loại bỏ nhiễu
khỏi tín hiệu thu đƣợc từ đài phát dẫn đƣờng đa hƣớng sóng cực ngắn.

Lê Nhật Bình

5


Chƣơng 1: Tổng quan

1.1.4 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài.
Đề tài “Nghiên cứu, cải thiện chất lƣợng thông tin và mô phỏng hệ thống đài
dẫn đƣờng đa hƣớng sóng cực ngắn”đƣa ra kết quả mô phỏng, phân tích sự ảnh
hƣởng của nhiễu lên hệ thống và tác dụng của việc sử dụng biến đổi wavelet sau khi
xử lý tín hiệu bị nhiễu.
Nhiệm vụ và giới hạn đề tài nghiên cứu:
 Tìm hiểu về hệ thống thông tin, dẫn đƣờng và giám sát trong hoạt động
hàng không.
 Tìm hiểu, phân tích và đánh giá hệ thống dẫn đƣờng vô hƣớng sóng cực
ngắn VOR.
 Nghiên cứu phần mềm mô phỏng matlab.
 Nghiên cứu các loại nhiễu và sự ảnh hƣởng của nó lên tín hiệu.
 Tìm hiểu, phân tích, đánh giá và ứng dụng của phƣơng pháp biến đổi
wavelet.
 Nghiên cứu, xây dựng phần mềm mô phỏng xử lý tín hiệu đài dẫn đƣờng
vô hƣớng sóng cực ngắn.
 Đánh giá chỉ số tín hiệu trên nhiễu trong các trƣờng hợp có hoặc không

sử dụng biến đổi wavelet để triệt nhiễu.
1.1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu.
Để đáp ứng các mục tiêu đã đề ra, tiến hành nghiên cứu và giải quyết các vấn
đề sau:
 Thu thập, nghiên cứu các tài liệu liên quan về hệ thống đài dẫn đƣờng vô
hƣớng sóng cực ngắn.
 Nghiên cứu và phân tích giải thuật đã chọn.
 Chọn phƣơng án tốt nhất và có khả năng thực hiện đề tài.
 Lập trình mô phỏng bằng công cụ phần mềm matlab.
 Nhận xét kết quả - Kết luận.
1.1.6 Khả năng ứng dụng.
Dùng trong việc dạy và học về thiết bị dẫn đƣờng, mô phỏng trên phần mềm.

Lê Nhật Bình

6


Chƣơng 1: Tổng quan

Có thể áp dụng kỹ thuật triệt nhiệt bằng wavelet cho các thiết bị điện tử vô
tuyến khác, không chỉ phục vụ cho các hệ thống dẫn đƣờng hàng không.
Là công cụ hoặc tài liệu tham khảo cho các công trình khoa học khác.

Lê Nhật Bình

7


Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết.

Chƣơng 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chƣơng này trình bày tổng quan về đài dẫn đƣờng đa hƣớng sóng cực ngắn,
phân tích các loại nhiễu tác động vào hệ thống, giới thiệu về kỹ thuật biến đổi
wavelet.
2.1 Đài dẫn đƣờng đa hƣớng sóng cực ngắn
2.1.1 Giới thiệu
Đài dẫn đƣờng đa hƣớng sóng cực ngắn trên mặt đất phát các tín hiệu chuẩn
để thiết bị đồng bộ trên máy bay (máy thu VOR) xác định vị trí của mình so với
điểm đặt đài.

Hình 2. 1: Hệ thống đài Vor.
Tham số vị trí đƣợc xác định là bán kính hay phƣơng vị và hƣớng về đài,
không phụ thuộc vào hƣớng chuyển động thực tế của máy bay.
Ƣu điểm của hệ thống dẫn đƣờng VOR:
• Độ chính xác của thông tin vị trí (phƣơng vị hay hƣớng về đài) cao.
• Cho phép thiết lập mạng đài VOR trên các đƣờng bay cố định.
Nhƣợc điểm của hệ thống dẫn đƣờng VOR:

Lê Nhật Bình

8


Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết.

• Chịu ảnh hƣởng của hiệu ứng đa đƣờng: sai số xác định vị trí tăng
khi máy bay nhận đƣợc đồng thời tín hiệu trực tiếp từ đài VOR và tín

hiệu của đài VOR phản xạ từ địa vật nhƣ nhà cửa, núi đồi …
• Dễ bị tác động của tín hiệu nhiễu.
• Cự ly hoạt động phụ thuộc vào tầm nhìn thấy trực tiếp và công suất
phát xạ của đài.
• Không thuận tiện cho phi công khi điều khiển máy bay theo đƣờng
bay tự do.
• Độ chính xác giảm khi khoảng cách từ máy bay tới điểm đặt đài
tăng.
2.1.2 Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của trạm VOR dựa theo sự sai pha giữa hai tín hiệu
30Hz đƣợc điều chế với sóng mang, tín hiệu thứ nhất là tín hiệu pha chuẩn không
thay đổi ở mọi phƣơng vị trong vòng tròn 360 độ ký hiệu là REF và tín hiệu thứ hai
có pha thay đổi ký hiệu là VAR,tại hƣớng bắc từ pha của tín hiệu 30Hz REF trùng
với pha của tín hiệu 30Hz VAR.

Hình 2. 2: Nguyên lý hoạt động của đài Vor.

Lê Nhật Bình

9


Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết.

Tín hiệu pha chuẩn có đƣợc nhờ điều biên sóng mang với tín hiệu hình sin
30Hz. Tín hiệu điều biên này đƣợc bức xạ đẳng hƣớng trong mặt phẳng ngang nhờ
anten sóng mang trung tâm. Đồ thị bức xạ là hình tròn và các thông số trong tín hiệu
30Hz REF này thu đƣợc trên máy bay có pha không phụ thuộc phƣơng vị của máy
bay.

Hình 2. 3: Giãn đồ bức xạ tín hiệu pha chuẩn.
Tín hiệu pha biến thiên đƣợc tạo ra từ sóng mang phụ điều tần 9660Hz đem
điều chế biên độ vào sóng mang. Sự điều biên sóng mang này thƣờng gọi là điều
chế không gian vì nó đƣợc hình thành bằng cách cộng trong không gian tín hiệu
sóng mang bức xạ đẳng hƣớng và các tín hiệu biên trên và biên dƣới đƣợc bức xạ
riêng rẽ từ vòng tròn của các anten biên tần. Các tín hiệu biên trên và biên dƣới
chuyển đổi qua mức trung bình, 9660Hz trên và dƣới sóng mang tƣơng ứng và khi
cộng thêm tín hiệu pha đúng vào sóng mang sẽ tạo ra tín hiệu kết quả đƣợc điều
biên ở 9660Hz.
Sóng mang phụ đƣợc điều tần với tín hiệu 30Hz. Các tín hiệu biên tần đƣợc
phân bổ lần lƣợt tới và bức xạ từ 48 anten biên tần giống nhƣ cách mô phỏng 2
anten đối xứng nhau qua đƣờng kính, quay ngƣợc chiều kim đồng hồ theo đƣờng
tròn của vòng anten biên tần với tốc độ 30 vòng/s, với 1 anten bức xạ tín hiệu biên
trên và một cái bức xạ tín hiệu biên dƣới. Vì chiều dài hiệu dụng đƣờng quay giữa
các nguồn phát biên tần quay và khoảng cách điểm thu biến đổi với tốc độ 30Hz
nên tần số quan sát của các tín hiệu biên tần cũng biến đổi ở tốc độ 30Hz (chẳng
hạn các biên tần) và vì thế tín hiệu sóng mang phụ đƣợc điều tần ở tốc độ 30Hz.
Độ dịch dần tỷ lệ với đƣờng kính vòng anten biên tần thể hiện qua bƣớc sóng
ở tần số hoạt động. Nếu đặt đƣờng kính tới 44 feet (13,4m) sẽ tạo ra độ di tần đỉnh

Lê Nhật Bình

10


Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết.

là 480Hz ở tần số 113,85MHz; 454Hz ở 108 MHz và 497Hz ở 118MHz. Hình 2.4
mô tả một phổ cao tần điển hình của trạm VOR ở tần số hoạt động fc. Tỷ lệ dịch tần
tƣơng ứng biến đổi từ 15,13 ở 108 MHz tới 16,57 ở 118 Mhz.

Hình 2. 4: Phổ cao tần của đài Vor.
Độ dịch tần số đƣợc xác định bằng công thức:
fd = ..

(2.1)

Với: fd tƣơng ứng độ dịch tần (Hz).
 tƣơng ứng vận tốc góc của tín hiệu (30Hz).
 tƣơng ứng đƣờng kính của vòng tròn trong chiều dài sóng.
(có thể hiểu tƣơng đƣơng là : Rd=đƣờng kính/ =13.4/).
 = 3,14
Do đó công thức (2.1) đƣợc viết dƣới dạng sau
fd = .13.4/.

(2.2)

Tỷ lệ lệch(chỉ số điều tần)đƣợc xác định bằng công thức:
rd = fd/30

Lê Nhật Bình

(2.3)

11


Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết.

Ở máy thu trên máy bay, tín hiệu 30Hz đƣợc tách ra từ sóng mang phụ

9960Hz FM. Pha của tín hiệu 30Hz thứ hai này biến thiên tuyến tính với sự biến đổi
của góc phƣơng vị tại điểm thu, cứ góc phƣơng vị biến đổi 10, pha của tín hiệu pha
biến thiên cũng thay đổi 10.
Năng lƣợng bức xạ liên tiếp tiếp của các anten biên tần và điều chế biên độ
30Hz của sóng mang có mối quan hệ thời gian với nhau, vì thế các tín hiệu 30Hz
pha chuẩn và pha biến thiên có trùng pha là 00 theo hƣớng từ trƣờng từ trạm VOR.
Khi điểm thu chuyển động theo chiều kim đồng hồ vòng quanh trạm, tín hiệu pha
thay đổi bắt đầu sớm pha so với tín hiệu pha chuẩn (30Hz AM). Ví dụ quan sát viên
ở hƣớng Tây trạm VOR sẽ thấy tín hiệu 30Hz FM sớm pha hơn tín hiệu 30Hz AM
là 2700. Máy thu trên máy bay xác định sự khác pha giữa hai tín hiệu 30Hz và vì thế
nó có liên hệ về độ tới trạm, khí đó xác định đƣợc số độ nhờ tín hiệu 30Hz AM
chậm pha hơn tín hiệu 30 Hz FM.
2.1.3 Sơ đồ khối đơn giản hệ thống.
Xem hình 2.5. Máy phát (chính và dự phòng) gồm một khối tạo tần số, khối
khuếch đại công suất cao tần CSB , bộ lọc thông thấp, bộ ghép định hƣớng, vỉ mạch
tạo tín hiệu âm tần, 2 khối tạo tín hiệu biên tần và 2 khối lấy mẫu tín hiệu cao tần.
Khối tạo tần số tạo 3 tín hiệu cao tần liên hệ với nhau cung cấp cho trạm
DVOR. Tín hiệu cao tần sóng mang trên kênh điều khiển khối khuếch đại công suất
cao tần. Tín hiệu cao tần biên trên và biên dƣới điều khiển 2 khối tạo tín hiệu biên
tần.
Khối khuếch đại công suất cao tần khuếch đại và điều chế tín hiệu cao tần
sóng mang tới mức đầu ra hoạt động. Khối này có 3 phiên bản: phiên bản 1 là
030363-001 gồm 5 khối nhỏ, phiên bản 2 là 030363-003 và 3 là 030363-003 gồm 4
khối nhỏ và chỉ khác nhau ở cực nguồn của transistor đầu ra cuối cùng.
Khối lọc thông thấp gồm một mạch lọc 4 cực để: triệt hết các hài tạp từ tín
hiệu sóng mang cao tần. Bộ lọc cũng lấy mẫu phần năng lƣợng cao tần sử dụng nhƣ
tín hiệu sửa sai sau đó hồi tiếp về khối tạo tần số.

Lê Nhật Bình

12


Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết.

Bộ ghép hai hƣớng gồm 1 mẫu sóng mang tới và phản xạ. Sóng tới và sóng
phản xạ đƣợc lấy mẫu trực tiếp đƣa tới khối giám sát cao tần sử dụng cho mạch tách
sóng và mạch xử lý phân tích.
Khối giám sát cao tần có chức năng nhƣ một bộ khuếch đại/tách sóng cao
tầnRF và phân luồng tín hiệu cao tần tách sóng. Khối này cũng bao gồm tải giả cho
tín hiệu sóng mang cao tần máy phát dự phòng. ở các thế hệ trƣớc, khối này bao
gồm tải giả cho 4 tín hiệu biên tần. Thế hệ hiện nay không có tải giả bên trong khối.
Các tải giả cho 4 tín hiệu biên tần đƣợc thay đổi gắn trực tiếp trên các rơle chuyển
đổi.
Vỉ mạch tạo tín hiệu âm tần tạo và xử lý tất cả các tín hiệu điều chế phát ra từ
máy phát DVOR và tạo ra tín hiệu điều khiển mức công suất và các tín hiệu điều
khiển pha cần thiết cho hoạt động máy phát và khối chuyển mạch. Nó cũng phụ
trách việc giám sát hoạt động của máy phát.
Hệ thống VOR sử dụng 2 khối tạo tín hiệu biên tần cho mỗi máy phát. Mỗi
bộ gồm 2 vỉ mạch khuếch đại biên tần và 2 vỉ mạch điều khiển biên tần.
Bộ tạo tín hiệu biên tần khuếch đại tín hiệu cao tần biên tần từ bộ tạo tần số
tới các mức công suất hoạt động đƣợc. Nó cũng đƣa ra tín hiệu sai pha và biên độ
điều khiển méo trong tín hiệu cao tần biên tần.

Lê Nhật Bình

13