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

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ LỌC KHÔNG GIAN NHẰM
GIẢM THIỂU NHIỄU TÍCH CỰC LỌT VÀO MÁY THU HÌNH
Trần Hữu Toàn*
Tóm tắt: Những năm gần đây kỹ thuật xử lý số không gian là một trong những
hướng đi sâu nghiên cứu của các nhà khoa học do tính hấp dẫn của các ứng dụng,
đặc biệt ứng dụng trong các hệ anten thông minh. Bài bào này tác giả đề xuất sử
dụng hệ thống tự bù khử cầu phương trong bộ lọc không gian để tăng hiệu quả khử
nhiễu ngoài máy thu hình theo hướng sóng cánh bên của anten thu chính.
Từ khóa: Bộ lọc không gian; Bộ tự bù khử cầu phương.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, nhu cầu về nghe xem ngày càng tăng. Các chương trình truyền hình được
đòi hỏi không chỉ có nội dung mà còn yêu cầu về chất lượng ngày càng nâng cao. Các
chương trinh NVOD hay VOD ngày càng được quan tâm các dịch vụ tương tác hai chiều
cũng đã xuất hiện ngày một nhiều lên. Mặt khác, xu hướng công nghệ HD ngày càng được
phát triển, các thiết bị sản xuất chương trình HD đang thay thế hệ thống sản xuất chương
trình SD hiện tại. Tất cả những vấn đề nêu trên đòi hỏi phải tiếp tục hoàn thiện chuẩn
DVB-T2 về nhiều vấn đề: chẳng hạn như nghiên cứu ứng dụng chuẩn nén MPEG-4, tiếp
tục cải thiện xác suất lỗi bit …
Cho đến nay cũng đã có một số công trình nghiên cứu nhằm khắc phục, cải thiện để
nâng cao chất lượng truyền hình số mặt đất DVB-T2. Năm 2010, Eun Su Kang, Humor
Hwang và Dong Seog Han đã đề xuất thuật toán phục hồi các sóng mang mạnh (thuật toán
thiết lập bù tần số mạnh) để duy trì sự đồng bộ ngay cả khi độ dịch tần Doppler lớn đối với
hệ thống OFDM. Trong hệ thống OFDM sử dụng các tín hiệu dẫn đường “pilots”, việc
thiết lập kênh được biểu diễn trên các tín hiệu này và sau đó được nội suy trên các trục
thời gian và tần số. Khi thiết lập nội suy thời gian xuất hiện sai số trung bình, chính vì vậy
nghiên cứu [6] đã đề xuất sử dụng bộ lọc đa tần số thích nghi để đưa ra tần số tương quan.
Trong DVB-T2 sử dụng kỹ thuật ống lớp vật lý để tăng hiệu quả sử dụng phổ. Năm 2014,
Ahmed H.Eldieb, Mona Z.Saleh và Salwa Elramly, trong công trình nghiên cứu của mình

đã đưa ra kỹ thuật cải tiến ước lượng kênh cho OFDM trong DVB-T2, dựa trên sắp xếp tín
hiệu dẫn đường trong kênh fading chọn lọc tần số theo thời gian. Đây là phương pháp cải
tiến của phương pháp ước lượng bình phương nhỏ nhất chuyển miền (DTLSE) và phương
pháp nội suy hai chiều. Cũng trong năm đó, Ahmad A.Aziz El-Banna và Maha ElSabrouty, đã đề xuất thay thế bộ mã hóa hình cầu K tối ưu cố định thành bộ mã hóa hình
cấu K tối ưu thích nghi nhằm khai thác đáp ứng xung kênh để đo chọn lọc kênh như một
bộ báo trạng thái kênh. Năm 2016, Marwa Chafii cùng các cộng sự đề xuất phương pháp
âm hiệu dành riêng thích nghi (Adaptive Tone Reservation) để thay thế phương pháp cổ
điển đang được sử dụng trong DVB-T2, và kết quả cho độ lợi 5db tại BER=10-3.
Như vậy, qua tìm hiểu, phân tích các giải pháp công nghệ của chuẩn phát hình
số mặt đất thế hệ thứ nhất DVB-T, thế hệ thứ hai DVB-T2 [1], cũng như phân tích một số
công trình đã công bố ở trên, tác giả nhận thấy rằng:
- Chưa có giải pháp kỹ thuật để giảm nhiễu tích cực trước máy thu hình.
- Chưa có giải pháp kỹ thuật hiệu quả giảm thiểu tác động của nhiễu xuyên kênh
ICI khi độ dịch tần và tần số Doppler lớn.
- Vấn đề giải mã của DVB-T2 vẫn thực hiện theo phương thức cứng.
Vì vậy, bài báo này tác giả đề xuất một trong ba giải pháp trên đó là nghiên cứu ứng
dụng hệ thống tự bù khử cầu phương trong bộ lọc không gian nhằm nâng cao tỷ số tín/nhiễu
ở đầu vào máy thu hình, đồng nghĩa với việc cải thiện xác suất lỗi bit của hệ thống.

52

Trần Hữu Toàn, “Nghiên cứu ứng dụng bộ lọc không gian … lọt vào máy thu hình.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

2. BỘ TỰ TRIỆT NHIỄU TÍCH CỰC CẦU PHƯƠNG
Để giảm thiểu nhiễu xuyên kênh ICI, theo lý thuyết mạch lọc không gian có M
phần tử có thể tạo được M-1 hướng triệt tiêu và như vậy chỉ có thể khử được M-1 nguồn
nhiễu ICI. Hiệu quả lọc nhiễu của mạch lọc không gian thường được đánh giá bằng tỷ số

tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm SINR. Khi M càng lớn thì SINR càng lớn. Tuy nhiên, lúc
đó nảy sinh yêu cầu phải thực hiện một khối lượng lớn các phép tính (đặc biệt là các phép
nhân). Chính vì vậy, trong vấn đề nâng cao SINR của mạch lọc không gian thường chú ý
tới số lượng các phép tính (liên quan tới tốc độ xử lý tín hiệu) và đây là một hạn chế rất
lớn làm giảm khả năng ứng dụng mô hình trên vào thực tiễn. Để giảm mức thu ở hướng có
nguồn nhiễu tích cực, ở đây, bài báo đề xuất sử dụng phương pháp tự bù khử hoàn toàn
thực hiện bằng phương án phần cứng và khả dĩ ứng dụng cho các máy thu hình hiện nay.
2.1. Sơ đồ nguyên lý
Để nâng cao chất lượng triệt nhiễu tích cực ta đề xuất sử dụng bộ tự động triệt nhiễu
tích cực cầu phương như sơ đồ nêu trên hình 1.

Hình 1. Bộ tự động bù khử cầu phương.
Bộ triệt nhiễu tích cực cầu phương Hình 1 là một hệ thống tự động điều khiển kín,
trong đó:
- Bộ điều chế cân bằng làm nhiệm vụ đảo pha các vectơ thành phần của nhiễu và là
phần tử điều khiển biên độ của một trong hai vectơ nhiễu thành phần trực giao.
- Bộ nhân là bộ tách tín hiệu sai lệch về pha của hai thành phần trực giao.
- Khóa điện tử làm nhiệm vụ: khi không có nhiễu thì ngắt hệ thống, còn khi có
nhiễu thì hệ thống được nối nhờ điện áp điều khiển. Giả sử tín hiệu nhiễu thu được từ
anten phụ:

U n p  U m p sin( 2f 0 t   n p )

(1)

Trong đó:
U m p : Biên độ của tín hiệu nhiễu thu được ở anten phụ;

 n p : Pha đầu ngẫu nhiên của tín hiệu nhiễu ở anten phụ.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 57, 10 - 2018

53


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

Tín hiệu nhiễu thu được ở cánh sóng phụ anten chính:



U nc  U mc sin 2f 0 t   nc



(2)

Trong đó:
U mc : Biên độ của tín hiệu nhiễu thu được ở cánh sóng phụ anten chính;

nc : Pha đầu ngẫu nhiên của tín hiệu nhiễu ở anten chính.
Đầu vào mạch nhân có hai tín hiệu:
- Một là tín hiệu nhiễu ở anten phụ được phân tích thành hai thành phần trực giao
(nhờ bộ quay pha 00 và 900).
- Hai là tín hiệu sai lệch giữa vectơ nhiễu thu được từ anten phụ và vectơ nhiễu thu

được từ cánh bên của anten chính từ đầu ra bộ cộng S .
Bộ nhân có nhiệm vụ tách tín hiệu sai lệch cấp cho hai kênh trực giao. Tín hiệu ra sau
bộ nhân:




U ra  K TS U n 00 ,900 U S  cos n  sin n
2
2






(3)

Mức độ nhạy của bộ nhân (được coi như tách sóng pha) với sự biến đổi của  n p được
đặc trưng bởi độ nhạy tách sóng pha  :



n



2

  K TS U ra  cos

 sin

n 


2 

(4)

Gọi hệ số khuếch đại của phần tử điều khiển là K đc . Khi đó lượng sai lệch còn dư
của hệ thống sẽ là:

U Sdu 

U S
1  K đc

(5)

Từ đây có thể suy ra hệ số chế áp nhiễu:

K CA 

U S
 1  K đc
U Sdu

(6)

Như vậy, hệ số chế áp của bộ bù khử phụ thuộc vào K đc và độ nhạy của bộ nhân  ,
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
hệ số khuếch đại sau bộ cộng).
2.2. Nguyên lý hoạt động
Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ bộ tự động bù khử cầu phương minh họa trên hình 2.

Hình 2. Nguyên lý làm việc của một kênh tự bù khử cầu phương.

54

Trần Hữu Toàn, “Nghiên cứu ứng dụng bộ lọc không gian … lọt vào máy thu hình.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

Trong đó: S 0 véctơ tín hiệu thu được từ cánh bên của anten chính

S n là véctơ tín hiệu thu được từ anten phụ
Ở kênh thu phụ véctơ S n được tách ra hai véctơ thành phần trực giao S Yn , S X n , sau
đó hai véctơ được đảo pha ở bộ điều chế cân bằng, ta nhận được  S Yn và  S X n .
Tại bộ cộng ta nhận được:
Đầu ra bộ cộng ta có:




 S 0  S X n  ( S Yn )

(7)




S 0   S n  S

(8)






Tín hiệu sai lệch S đưa tới hai bộ nhân của hai nhánh, tạo tín hiệu sai lệch cho hai
nhánh, qua khóa điện tử và mạch tích phân đưa tới điều khiển biên độ  S X n và  SYn .
Khi biên độ hai thành phần này thay đổi dẫn tới pha của  S n thay đổi. Khi pha của  S n



ngược với pha của S n thì S  0 , mạch tự bù khử dừng hoạt động.
Như vậy, ta đã tạo được khe lõm ở hướng có nguồn nhiễu tích cực, nên nhiễu tích cực
sẽ không lọt được vào máy thu. Điều này sẽ nâng cao phẩm chất BER của hệ thống.
Có thể tạo 4 khe lõm hướng tới 4 nguồn nhiễu tích cực, bằng cách sử dụng 4 anten
phụ - đặt vuông góc với nhau – 1 anten thu phụ tránh tạo khe lõm trong một góc vuông.
3. MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ
Như đã biết, xác suất lỗi bit là 1 hàm của tỷ số tín/tạp (SNR) ở đầu vào máy

S
 . Trong thông tin số tỷ số tín/tạp được đánh giá (hay thể hiện) thông qua
N
E 
tỷ số Eb/N0, vì vậy có thể viết lại Pb  f  b  . Nếu sử dụng bộ tự triệt nhiễu tích cực cầu
 N0 
thu Pb  f 



E 

phương thì Pb  f  K CA b  .
N0 

Theo [5], xác suất lỗi bit cho tín hiệu M-QAM được xác định theo công thức:



4
Pb 
Q
log 2 M 





3 log 2 M 

M  1 Eb 
N0 

(9)

Trong đó: M là mức chòm sao tín hiệu
Q là một hàm phân bố tích lũy âm của biến ngẫu nhiên chuẩn hóa:

Q x  

1
2



e



x2
2 dx

(10)

x

Nếu có thêm bộ tự triệt nhiễu tích cực cầu phương ở đầu vào máy thu thì xác suất lỗi
bit ở đầu vào máy thu sẽ là:

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 57, 10 - 2018

55


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử



4

Pb 
Q
log 2 M 







3 log 2 M
4

Q
Eb  log 2 M 
M  1K CA 

N0 




3 log 2 M
 (11)
Eb 
M  11  K đc  
N0 

Để đánh giá hiệu quả của bộ tự triệt nhiễu tích cực cầu phương tác giả mô phỏng sử
dụng phần mềm Matlab theo công thức (11) và thiết lập các thông số theo bảng 1.

Bảng 1. Thiết lập các thông số tính BER của bộ tự triệt nhiễu.
STT
Thông số
Thiết lập
1

Eb/N0

0:30

2
3
4
5
6

Loại kênh
Loại điều chế
Giải điều chế
Mức điều chế
Hệ số chế áp K CA

AWGN
QAM
Coherent
4,16,64,256
1,5,10



Kết quả mô phỏng:

Kết quả mô phỏng hiệu năng BER của bộ tự triệt nhiễu tích cực cầu phương được thể
hiện trên hình 3, hình 4, hình 5 và hình 6.

Hình 3. Hiệu năng BER của bộ tự triệt
nhiễu tích cực cầu phương với bộ điều chế
4-QAM.

Hình 4. Hiệu năng BER của bộ tự triệt
nhiễu tích cực cầu phương với bộ điều chế

Hình 5. Hiệu năng BER của bộ tự triệt
nhiễu tích cực cầu phương với bộ điều chế
64-QAM.

Hình 6. Hiệu năng BER của bộ tự triệt
nhiễu tích cực cầu phương với bộ điều chế
256-QAM.

56

16-QAM.

Trần Hữu Toàn, “Nghiên cứu ứng dụng bộ lọc không gian … lọt vào máy thu hình.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

Để có thể thấy được rõ hơn hiệu quả của bộ tự triệt nhiễu, dựa trên các kết quả mô

phỏng tác giả tính độ tăng ích tại BER = 10-3 theo bảng 2.
Bảng 2. Độ tăng ích của bộ tự triệt nhiễu tại BER = 10-3.
Bộ điểu
chế
4-QAM
16-QAM
64-QAM
256-QAM

K CA  1
(Không sử dụng bộ
tự triệt nhiễu)
7dB
10.5dB
15dB
19dB

K CA  5

Độ tăng
ích

K CA  10

Độ tăng
ích

5.5dB
8.5dB
12.5dB

15.5dB

1.5dB
2dB
2.5dB
3.5dB

4dB
6.5dB
9.5dB
11.5dB

3dB
4dB
5.5dB
7.5dB

Qua các kết quả mô phỏng, cũng như kết quả tính độ tăng ích trong bảng 2 ta có thể
thấy: Với việc sử dụng bộ tự triệt nhiễu tích cực cầu phương trước máy thu hình đã cho
hiệu quả khử nhiễu tốt, qua đó cải thiện chất lượng của hệ thống. Khi mức điều chế càng
tăng lên (nhiễu càng tăng) thì bộ triệt nhiễu càng cho hiệu quả tốt hơn, cụ thể có thể
thấy: bộ điều chế 4-QAM, K CA  10 cho độ tăng ích là 3dB; trong khi đó với 256QAM, K CA  10 cho độ tăng ích lên đến 7.5dB. Điều này có nghĩa ta có thể ứng dụng
bộ tự triệt nhiễu vào hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2 khi sử dụng bộ điều chế
lên đến 256-QAM.
4. KẾT LUẬN
Trong bài báo này, tác giả đã hạn chế nhiễu ngoài máy thu hình theo hướng cánh sóng
bên của anten thu chính bằng một hệ thống tự bù khử. Việc ứng dụng sơ đồ đề xuất này
không quá phức tạp, cho phép khử nhiễu tích cực ngoài máy thu hình, qua đó cải thiện
đáng kể phẩm chất BER của toàn hệ thống. Một giải pháp mà chuẩn DVB-T2 còn thiếu.
Tuy nhiên, hệ anten thu sẽ phải cấu tạo phức tạp hơn và hệ thống sẽ có độ trễ nhất định so

với hệ anten thu hiện nay.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. European Broadcasting Union (April 2009),“Digital Video Broadcasting (DVB);
Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital
transmission system”, CH-1218 GRAND SACONNEX (Geneva),Switzerland.
[2]. Jiefeng Zang, Chuan Lin, Anyong Qing, Mingyao He, “Design of spatial filter
applied to millimeter wave fast imaging system”, Applied Computational
Electromagnetics Society Symposium (ACES), 2017 International.
[3]. Alberto Palacios Pawlovsky, Makoto Hozaki, “A new way of applying spatial filters
and wavelets to reduce noise in medical images”, Region 10 Conference (TENCON),
2016 IEEE.
[4]. Amiya Halder, Sandeep Shekhar, Shashi Kant, Musheer Ahmed Mubarki, Anand
Pandey, “A New Efficient Adaptive Spatial Filter for Image Enhancement”, Computer
Engineering and Applications (ICCEA), 2010 Second International Conference on,
April 2010.
[5]. Andrea Goldsmith, “Wireless communications”, Stanford University, January 2008.
[6]. Marco Rotoloni, Matteo Butussi, Stefano Tomasin, Mauro Lattuada, and Christian
Ruppert, “Multiple Adaptive Frequency Filtering for OFDM Channel Estimation”,
IEEE Transaction on Broadcasting, vol. 55, no. 4, December 2009.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 57, 10 - 2018

57


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

ABSTRACT
RESEARCHING THE APPLICATION OF SPATIAL FILTER
TO MINIMIZE INTERFERENCE OCCURRING IN TELEVISION RECEIVER

Recently years, spatial processing techniques are one of the most in-depth
studies of scientists by the attractiveness of applications, especially in smart
antenna systems. In this paper, the use of quadrature self-compensation in spatial
filter to increase noise cancellation efficiency outside television receiver in the
direction of the lateral wave of the main antenna was proposed.
Keywords: Spatial Filter; Quadrature self-compensation.

Nhận bài ngày 15 tháng 8 năm 2018
Hoàn thiện ngày 19 tháng 9 năm 2018
Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 8 năm 2018
Địa chỉ:

Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội.
Email:

*

58

Trần Hữu Toàn, “Nghiên cứu ứng dụng bộ lọc không gian … lọt vào máy thu hình.”