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

Nghiên 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 hướng
phát triển đầy hứa hẹn trong lĩnh vực thông tin liên lạc vô tuyến thông minh thế hệ
mới. Một trong những đặc điểm chính của CR đó là khả năng thích nghi với môi
trường xung quanh, nơi mà các tham số như tần số, công suất tiêu thụ, phương
thức điều chế, băng thông,..có thể thay đổi phụ thuộc vào môi trường, tình huống
của người dùng, điều kiện mạng, vị trí địa lý,... CR hoạt động theo một chu trình
khép kín thích nghi gọi là chu kỳ nhận thức (cognitive cycle) [1]. Trong chu kỳ
nhận thức này, cảm nhận phổ (spectrum sensing) là một trong những chức năng
quan trọng. Để cảm nhận phát hiện tín hiệu băng hẹp, có nhiều thuật toán phát hiện
đã được nghiên cứu. Trong [9], sự ảnh hưởng của kích thước dữ liệu đầu vào bộ
biến đổi Fourier nhanh (FFT) tới khả năng phát hiện tín hiệu được phân tích, kích
thước FFT phù hợp được tính toán để nâng cao xác suất phát hiện. Ý tưởng của
thuật toán là đưa các thành phần tần số băng hẹp cần phát hiện vào gần vị trí các
thành phần tần số đầu ra bộ FFT (còn gọi là các bin tần số) bằng một mô hình bộ

FFT với chiều dài N có thể thay đổi.
Xuất hiện trong nhiều dạng tín hiệu thông tin liên lạc vô tuyến hiện nay, tín hiệu
pilot được sử dụng cho mục đích giám sát, đồng bộ hoặc nhận biết sự tồn tại của
nguồn phát xạ. Ví dụ như phổ tín hiệu điều tần băng rộng WFM [8] có tín hiệu
pilot tại 19 kHz. Thông thường tín hiệu này là đơn tần (1 tone), định vị ở một vị trí
cố định trong băng thông tín hiệu và có mức năng lượng vượt trội so với các thành
phần tín hiệu khác. Vì vậy để xác định một kênh tần số là đang trống hay đã được
sử dụng, một phương pháp tiếp cận là đi tìm sự có mặt của tín hiệu pilot thay vì
phải phân tích phổ toàn bộ kênh.
Bài toán tìm nhanh và chính xác năng lượng tần số pilot phụ thuộc vào thuật
toán tính toán và tốc độ lấy mẫu để số hóa tín hiệu. Khối phân tích phổ là một

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015

53


Kỹ thuật điện tử

thành phần quan trọng trong bộ cảm nhận phổ, thông thường được thực hiện bằng
thuật toán FFT của Cooley-Turkey [4]. Thuật toán này rất hiệu quả khi cần tính
toàn bộ các thành phần tần số. Tuy nhiên khi chỉ cần tính một hoặc một vài thành
phần tần số trong băng tần (như tần số pilot), thuật toán Goertzel [5] tính toán các
thành phần tần số đơn cho thấy hiệu quả tốt hơn cả về tốc độ và độ chính xác, đặc
biệt 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 số
lượng mẫu là một lũy thừa của 2, thuật toán Goertzel có khả năng tính toán hệ số
Fourier với một tập N mẫu bất kỳ [2].
Một trong những thuật toán phát hiện tín hiệu pilot được đề xuất trong [3]. Tác
giả chỉ ra rằng các thành phần tần số tín hiệu quanh tín hiệu pilot có các xác suất

xuất hiện năng lượng tín hiệu khác nhau, vì vậy có thể gán trước một xác suất phát
hiện tương ứng với thứ tự được kiểm tra tại các tần số này, sau đó sử dụng thuật
toán Goertzel phát hiện tuần tự để duyệt qua danh sách các tần số. Thuật toán này
cũng 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 có
chức năng làm tần số ngoại sai để trộn với tín hiệu cao tần. Tín hiệu sau bộ trộn
được 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 tích
phổ, cho thấy hiệu quả tốt hơn về độ phân giải tần số và dung lượng tài nguyên
phần cứng. Khi phát hiện tín hiệu pilot băng hẹp, [9] đã chứng minh trong trường
hợp vị trí tần số của tín hiệu pilot không nằm đúng vị trí của các thành phần tần số
đầu ra bộ FFT, tỷ số tín/tạp (SNR) ở hai thành phần tần số lân cận sẽ giảm và tín
hiệu pilot sẽ khó bị phát hiện và khi tăng kích thước FFT sẽ làm tăng SNR.
Trong hình 1, khi thực hiện biến đổi FFT độ dài N, kết quả đầu ra là năng lượng
tín hiệu tại các tần số có chỉ số 0, ..., k, k+1, k+2,...,N-1. Giả thiết tần số tín hiệu
pilot nằm tại tần số k   trong đó  là độ lệch tần số từ bin tần số thứ k đến tần số
pilot.

Hình 1. Vị trí tín hiệu pilot nằm lệch các khay tần số bộ FFT.
Nghiên cứu [9] đã chứng minh rằng, Khi  nằm lệch ở chính giữa các bin tần
số đầu ra bộ FFT, tỷ số SNR ở hai thành phần tần số lân cận (k và k+1) sẽ nhỏ
nhất. Khi tăng kích thước FFT sẽ làm tăng được tỷ số SNR. Trên cơ sở nghiên cứu

54

V.L. Hà, Tr.Đ.Lâm, L.T.T.Hồng, “Thuật toán phát hiện tín hiệu … vô tuyến nhận thức.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

này, bài báo xây dựng thuật toán sử dụng biến đổi Goertzel để đánh giá chính xác
biên độ các thành phần tần số băng hẹp. Tuy nhiên không giống như [9] (cần tăng
số điểm FFT để có thể đưa thành phần tần số pilot vào gần tâm bin tần số), giải
pháp xử lý tín hiệu mà bài báo đưa ra là thay đổi tần số lấy mẫu với bước tần nhỏ.
Nội dung giải pháp được trình bày trong phần 2.
2. ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH VÀ THUẬT TOÁN PHÁT HIỆN PILOT

Mô hình cấu trúc thực thi thuật toán như hình 2:

Hình 2. Sơ đồ khối tìm chính xác tần số pilot.
Ý tưởng của thuật toán là điều khiển khối tổ hợp tần số (THTS) kiểu DDS để
tạo ra các tần số lấy mẫu khác nhau cho bộ ADC. Tần số lấy mẫu được tính toán để
đưa thành phần tín hiệu pilot băng hẹp vào chính xác vị trí tâm của các khay tần số
sau bộ biến đổi FFT. Gọi tần số lấy mẫu ban đầu là fs, tín hiệu băng hẹp có tần số
là fc nằm tại một vị trí giữa các khay tần số fk và fk+1. Cần tính tần số fs1 để fc nằm
tại vị trí k khi phân tích tập N điểm mẫu dữ liệu mới sử dụng tần số lấy mẫu fs1.
Với tần số lấy mẫu fs chỉ số k của thành phần tần số fk là:
k  N . fk / fs
(1)
Như vậy, trong trường hợp tín hiệu PU nằm tại tần số f k  với    0,1 , cần
phải điều chỉnh các tham số ở vế phải của biểu thức (1) để có thể đưa f k  vào
đúng vị trí thứ k (thành phần tần số thứ k) hoặc vị trí thứ (k+1) (thành phần tần số
thứ k +1). Với độ dài chuỗi dữ liệu N không đổi, để thực hiện điều này cần phải
N . fk
thay đổi tần số lấy mẫu fs . Từ (1), tần số lấy mẫu là: f s 
k
Hiển nhiên fs và fk tỷ lệ thuận với nhau (khi tăng fs thì fk cũng sẽ tăng và ngược
lại). Gọi fs1 là tần số lấy mẫu mới để cho tần số f k  nằm tại bin tần số thứ k, sẽ có:

N ( f k  f . ) N . f k N .f .
f .


 fs  s
k
k
k
k
Khi  chạy từ 0 đến 1 tần số lấy mẫu sẽ chạy từ fs đến [fs+ fs/k].
f s1 

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015

(2)

55


Kỹ thuật điện tử

Để xác định được chính xác tần số fc của PU, tần số lấy mẫu fs* sẽ được điều
1
chỉnh dần trong phạm vi f s [1  (1  )] với bước tần f s* đặt trước (giới hạn tối
k
thiểu của f s* phụ thuộc vào giới hạn phân giải tần số của bộ DDS). Giá trị fc* lớn
nhất chính là giá trị tần số sóng mang của pilot.
DDS tạo ra tần số lấy mẫu để thực hiện thuật toán phát hiện tín hiệu pilot như
trong phương trình (2). Vì trước khi vào bộ phân tích và lấy mẫu, tín hiệu đã được
đưa xuống băng tần gốc, nên tốc độ lấy mẫu không cần cao, có nghĩa là hạn chế

của bộ DDS về giới hạn trên của tần số đầu ra cũng không phải là vấn đề lớn. Tần
số lấy mẫu tín hiệu cần phải được điều chỉnh với một bước tần đủ mịn với tốc độ
nhanh. Đây chính là ưu điểm của bộ DDS. Việc điều chỉnh tần số lấy mẫu được
thực hiện bằng bộ tổ hợp tần số DDS thực thi trên nền FPGA. Thuật toán xác định
chính xác tần số pilot được xây dựng như hình 3. Giả sử trong dải phổ tín hiệu cần
phân tích B bằng 200kHz, tần số pilot định vị tại fpilot bằng 150kHz. Vì nhiều
nguyên nhân khác nhau, tín hiệu pilot thực tế thu được sẽ nằm tại một tần số nào
đó (giả sử 150,1 kHz) gần tần số 150kHz trung tâm.
Giả sử thuật toán phát hiện pilot sử dụng phân tích FFT với độ dài N điểm, để
đạt được các bin tần số với độ phân dải ffft_res bằng 0,1kHz trong dải DC đến
200kHz, độ dài dữ liệu cần phân tích là: N fft  2* B / f fft _ res  2* 200 / 0.1  4000 .
Tốc độ lấy mẫu cần tạo ra từ DDS là: f DDS  2* B  400 (kHz ) . Với tín hiệu pilot
nằm quanh vị trí tần số 150 kHz, chỉ số bin tần số của tín hiệu này là:
1 N fft * f pilot 1 4000*150
k

 1500
2
B
2
200
Thực hiện quét qua các tần số lân cận với bước nhảy tần f  0.01kHz . Gọi n là
số tần số sẽ được được quét qua, số này được xác định là: n 

f fft _ res
f



0.1

 10 .
0.01

1
 0.1 . Cho n chạy từ -4 đến 5, các tần số cần được phân tích là
n
fpilot_i bằng 149,96 kHz đến 150,15 kHz. Để đưa được các tần số fpilot_i vào tâm
khay tần số thứ k=1500, tần số lấy mẫu fsi mà DDS cần được thiết lập quanh tần số
f .
fs=400kHz ban đầu là: f si  f s  s .
k
Bảng thiết lập tần số lấy mẫu như bảng 1.
Như vậy  

56

V.L. Hà, Tr.Đ.Lâm, L.T.T.Hồng, “Thuật toán phát hiện tín hiệu … vô tuyến nhận thức.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

Bắt đầu

Khởi tạo:
Đặt Fs, N, k
Tính toán:
fs*max=fs[1+1/Nk]
Tính thành phần tần số thứ k
X[k]=G(fs*,N,k)

So sánh tìm X[k] max
Thay đổi tần số lấy mẫu
fs*=fs*+DeltaF

fs*>fs*max?

Xác định vị trí X[k] max

Kết thúc
Hình 3. Thuật toán xác định chính xác vị trí tần số pilot.
Bảng 1. Thiết lập tần số lấy mẫu thực hiện thuật toán phát hiện pilot.
fs (kHz)
400
400
400
400
400
400
400
400
400

N
4000
4000
4000
4000
4000
4000
4000

4000
4000

k
1500
1500
1500
1500
1500
1500
1500
1500
1500

fk (kHz)
150
150
150
150
150
150
150
150
150


-0.4
-0.3
-0.2
-0.1

0
0.1
0.2
0.3
0.4

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015

fsi (kHz)
399.893
399.920
399.947
399.973
400.000
400.027
400.053
400.080
400.107

57


Kỹ thuật điện tử

Từ bảng thiết lập tần số cho bộ DDS, hệ số tăng pha được xác định để cấu hình
lại bộ DDS. Cấu hình thực thi bộ DDS bằng công nghệ FPGA.
3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Cài đặt tham số đầu vào cho mô phỏng đo các thành phần tần số khác nhau như
sau: Tần số clock hệ thống: fs = 100 MHz; Băng tần: B=50 MHz; N = 200. Chọn

lựa khảo sát các tần số nằm tại các khay tần thứ 1, 11, 21, 31, 41. Các tần số nằm
chính giữa các khay tần số này là: f1=0.25MHz, f11=5.25MHz, f21=10.25MHz và
f31=15.25MHz. Khoảng cách tần số giữa hai bin tần số liền kề là 0.5MHz. Đặt các
tần số pilot cần khảo sát gần các vị trí trung tâm của các bin tần số, với các khoảng
cách khác nhau như trong Bảng 2 và tính toán các thành phần tần số.
Bảng 2. Đặt tần số khảo sát khả năng phát hiện pilot.
ST
T
1
2
3
4

Tần số pilot (MHz)
f01’=0,25
f11’= 5,35
f21’ = 10,45
f31’=15,55

Tần số trung tâm
(MHz)
f01 = 0,25
f11 = 5,25
f21 = 10,25
f31 = 15,25

Bin tần số
01
11
21

31

Độ lệch tần
(MHz)
0
0,1
0,2
0,3

Hình 4. Phổ tín hiệu của 5 thành phần tần số.
Kết quả mô phỏng cho thấy, khi các thành phần tần số càng lệch xa so với tâm
của các bin tần số, biên độ tín hiệu sau phân tích phổ bị suy giảm đi đáng kể. Để
đánh giá sự hiệu quả đo đạc khi thay đổi tần số lấy mẫu: đo tín hiệu tại các tần số f1
và f2 bin tần số 15 và 20. Điều chỉnh tần số lấy mẫu fs sao cho tần số f1 nằm lệch
khỏi tâm bin tần số với một lượng dịch tần thay đổi với bước f0 bằng 1/8 bước tần
của bộ biến đổi FFT. Trong khi đó f2 luôn được điều chỉnh ở chính giữa bin 20 với
mục đích tham chiếu. Khảo sát sự thay đổi biên độ của tần số f1 so với tần số f2.
Kết quả mô phỏng thể hiện như trong hình 5.
58

V.L. Hà, Tr.Đ.Lâm, L.T.T.Hồng, “Thuật toán phát hiện tín hiệu … vô tuyến nhận thức.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

Hình 5. Điều chỉnh tần số lấy mẫu.
Kết quả đo năng lượng tín hiệu pilot trong hình 5 được tổng hợp và mô tả lại
như trong hình 6, với các giá trị năng lượng tín hiệu pilot trong 9 trường hợp, khi
tín hiệu pilot nằm tại một vị trí tần số trong khoảng từ tâm bin thứ k đến tâm bin
thứ k+1.

Đồ thị khảo sát sự thay đổi biên độ khi
tín hiệu pilot nằm trong khoảng tần số
giữa hai thành phần fk và fk+1 cho thấy:
biên độ f1 bị suy giảm đáng kể khi độ lệch
tần lớn nhất (lệch 4f0 hoặc 5f0), mức tín
hiệu pilot bị suy giảm tới 3,6dB so với khi
tần số tín hiệu pilot nằm chính xác tại các
bin tần số. Như vậy: việc điều chỉnh tần số
lấy mẫu phù hợp sẽ cho phép đo năng
lượng tín hiệu pilot tốt nhất tại f0 bằng 0
hoặc 8, tức là tín hiệu nằm chính xác tại
các bin tần số của bộ phân tích FFT.

Hình 6. Cường độ pilot khi nằm tại
vị trí khác nhau trong bin tần số.

4. KẾT LUẬN

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015

59


Kỹ thuật điện tử

Để làm tăng độ chính xác đo năng lượng tín hiệu pilot, thuật toán điều chỉnh tốc
độ lấy mẫu cho bộ FFT được đề xuất, với mục tiêu đưa chính xác tần số tín hiệu
pilot vào giữa bin tần số, giảm thiểu hiệu ứng dò phổ. Thiết kế, mô phỏng và thực
thi các khối chức năng trên nền FPGA đã được trình bày. Kết quả 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.
TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Josef Mitola, "Cognitive Radio: An Integrated Agent Architecture for Software
Defined Radio", Ph.D. dissertation, Royal Inst. of Tech., Sweden, May (2000).
[2]. Dương Tử Cường (2001), Xử lý tín hiệu số, NXB KH&KT, Hà Nội.
[3]. Carlos C., (Aug 2007), “Spectrum sensing for dynamic spectrum access of TV
band”, in Proc.2th International Conference on Cognitive Radio Oriented
Wireless Networks and Communications.
[4]. Cooley J., Tukey J. (1965), “An Algorithm for the machine calculation of
complex fourier series”, Machine calculation of complex fourier serie.
[5]. Goertzel G.(1958),“An Algorithm for the Evaluation of Finite Trigonometric
Series”,The American Mathematical Monthly,Vol.65,pp. 34-35.
[6]. Jung Hoiyoon (2011), “Non-uniform spectrum sensing using computationally
efficient 2-level (FFT-Goertzel) based Energy Detection”, 5/11/IEEE.
[7]. Lin M.Chuan, Tsai Guo-Ruey, Tu Yung-Chin, Chang Tai-Hsiung, Lin ChingHu (2008), “FPGA based spectrum analyzer with high area efficiency by
Goertzel algorithm”, Congress on Image and Signal Processing, IEEE 2008.
[8]. Roland Proesch (2011), Technical Handbook for Radio Monitoring
VHF/UHF, Nordersteds, Germany.
[9]. Yan Y., Gong Y. (2010), “Energy Detection of Narrowband Signals in
Cognitive Radio Systems”, 978-1-4244-7555-1/10, IEEE 2010
[10]. Zhang Xinyi (2010), ”The FPGA Implementation of Modified Goertzel
Algorithm for DTMF Signal Detection”, International Conference on
Electrical and Control Engineering, IEEE 2010.
ABSTRACT
PILOT DETECTION ALGORITHM FOR
SPECTRUM SENSING IN COGNITIVE RADIO
The article proposes a new model and algorithm in order to increase the
accuracy of pilot signal power measurement. The sampling rate control algorithm
for the FFT is proposed, aiming to take the pilot frequency to the center of frequency

bin, minimize the spectrum leak effect. Simulation results show that the algorithm
achieves 3.6 dB better than the detector without sampling rate adjustment feature.
This algorithm is accommodated in cognitive radio for spectrum sensing function.
Keywords: Cognitive radio, Pilot signal detect, Spectrum sensing.

Nhận bài ngày 21 tháng 07 năm 2015
Hoàn thiện ngày 10 tháng 08 năm 2015
Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015
Địa chỉ: * Viện Điện Tử, Viện KH-CN quân sự. Email:

60

V.L. Hà, Tr.Đ.Lâm, L.T.T.Hồng, “Thuật toán phát hiện tín hiệu … vô tuyến nhận thức.”