Luận án Giải pháp xử lý tín hiệu cho bộ cảm nhận phổ dải rộng trong hệ thống thông tin vô tuyến nhận thức

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ------------------------------------- VŨ LÊ HÀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU CHO BỘ CẢM NHẬN PHỔ DẢI RỘNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN NHẬN THỨC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2015 nmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwe BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ------------------------------------- VŨ LÊ HÀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU CHO BỘ CẢM NHẬN PHỔ DẢI RỘNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN NHẬN THỨC Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 62 52 02 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1.PGS.TS. BẠCH NHẬT HỒNG 2.TS. PHẠM THANH HÙNG HÀ NỘI – NĂM 2015 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2015 TÁC GIẢ Vũ Lê Hà ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Bạch Nhật Hồng, TS. Phạm Thanh Hùng, những người thầy trực tiếp hướng dẫn tôi hoàn thành luận án. Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp tại Viện Điện tử, đặc biệt các cán bộ nghiên cứu tại Phòng Thiết kế vi mạch chuyên dụng/Viện Điện tử đã đóng góp ý kiến và trợ giúp tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cám ơn các Thủ trưởng Viện KH-CN Quân sự, các đồng nghiệp trong Viện KH-CN Quân sự, người thân trong gia đình, vợ và các con tôi, những người luôn quan tâm tới tiến độ thực hiện luận án của tôi, tạo cho tôi một động lực rất lớn để có thể hoàn thành công trình này. Xin chân thành cảm ơn. TÁC GIẢ LUẬN ÁN Vũ Lê Hà iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... ii MỤC LỤC .............................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................ vi DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU ..................................................................... xii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ........................................................ xiii MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM NHẬN PHỔ TRONG VÔ TUYẾN ĐỊNH DẠNG MỀM VÀ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC .................................... 7 1.1 Vô tuyến định dạng mềm và vô tuyến nhận thức .................................................... 7 1.1.1 Kiến trúc SDR lý tưởng ................................................................................... 9 1.1.2 Kiến trúc SDR thực tế .................................................................................... 10 1.2 Cảm nhận phổ trong vô tuyến nhận thức .............................................................. 11 1.2.1 Cảm nhận phổ cho truy cập phổ tần động ..................................................... 11 1.2.2 Cảm nhận phổ đa chiều .................................................................................. 14 1.2.3 Nền tảng phần cứng thực thi CR .................................................................... 15 1.2.4 Bài toán PU ẩn ............................................................................................... 15 1.2.5 Thời gian và tần suất cảm nhận ..................................................................... 16 1.3 Các thuật toán cảm nhận phổ đơn sensor .............................................................. 17 1.3.1 Bộ lọc phối hợp .............................................................................................. 19 1.3.2 Phát hiện dừng vòng ...................................................................................... 19 1.3.3 Phát hiện năng lượng ..................................................................................... 21 1.3.4 Phát hiện năng lượng với nhiều mức phân giải tần số ................................... 23 1.4 Bộ tổ hợp tần số trong SDR .................................................................................. 27 1.4.1 Bộ tổ hợp tần số tương tự trực tiếp ................................................................ 27 1.4.2 Bộ tổ hợp tần số số trực tiếp .......................................................................... 27 1.4.3 Bộ tổ hợp tần số theo nguyên lý vòng khóa pha ............................................ 28 1.4.4 Bộ tổ hợp tần số lai DDS+PLL ...................................................................... 30 iv 1.4.5 So sánh các bộ THTS và chọn lựa mô hình nghiên cứu ................................ 30 1.4.6 Các kỹ thuật tăng tốc độ khóa ........................................................................ 31 1.4.7 Bộ tổ hợp tần số tái cấu hình để tiết kiệm năng lượng .................................. 35 1.5 Kết luận chương 1 ................................................................................................. 37 2 CHƯƠNG 2. GIẢI PHÁP CẢM NHẬN PHỔ DẢI RỘNG CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN NHẬN THỨC .................................... 39 2.1 Lý thuyết quyết định và các tiêu chuẩn đánh giá .................................................. 39 2.1.1 Tiêu chuẩn Bayes ........................................................................................... 40 2.1.2 Tiêu chuẩn minimax ...................................................................................... 42 2.1.3 Tiêu chuẩn Neyman-Pearson ......................................................................... 43 2.2 Đánh giá hiệu năng phát hiện năng lượng tín hiệu vô tuyến ................................. 44 2.3 Giải pháp cảm nhận phổ dải rộng bằng mô hình vô tuyến kép ............................. 51 2.3.1 Ước lượng tham số trạng thái kênh và tính giá trị Navg .................................. 57 2.3.2 Ước lượng tham số bằng khối cảm nhận toàn dải tần.................................... 61 2.3.3 Thuật toán điều chỉnh tốc độ lấy mẫu để phát hiện pilot ............................... 64 2.3.4 Bộ cảm nhận đơn kênh .................................................................................. 66 2.4 Xây dựng mô hình bộ cảm nhận phổ trên nền FPGA ........................................... 70 2.4.1 Mô hình cảm nhận phổ dải rộng .................................................................... 70 2.4.2 Bộ DDS tạo tần số lấy mẫu tín hiệu pilot ...................................................... 72 2.5 Mô phỏng đánh giá hoạt động của bộ WSB ......................................................... 74 2.5.1 Đánh giá kênh sử dụng bộ cảm nhận toàn dải ............................................... 74 2.5.2 Điều chỉnh tốc độ lấy mẫu để phát hiện tín hiệu pilot ................................... 81 2.5.3 Cảm nhận phổ bằng bộ cảm nhận đơn kênh .................................................. 84 2.6 Kết luận chương 2 ................................................................................................. 87 3 CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP TÁI CẤU HÌNH CHO BỘ TỔ HỢP TẦN SỐ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN NHẬN THỨC ..... 89 3.1 Giới thiệu............................................................................................................... 89 3.2 Bộ THTS PLL kinh điển và các tham số thiết kế ................................................. 90 3.2.1 Thời gian khóa và các dải làm việc của bộ PLL bậc ba ................................ 90 3.2.2 Các vấn đề khi thiết kế bộ PLL ...................................................................... 97 3.3 Đề xuất giải pháp tái cấu hình cho mô hình bộ tổ hợp tần số ............................... 98 v 3.3.1 Bộ PLL trong tổ hợp tần số có thể tái cấu hình ............................................. 98 3.3.2 Bộ DDS trong tổ hợp tần số có thể tái cấu hình .......................................... 109 3.4 Mô phỏng đánh giá mô hình bộ PLL bằng công nghệ CMOS ............................ 112 3.4.1 Khái quát về công nghệ CMOS ................................................................... 112 3.4.2 Bộ PLL thiết kế bằng công nghệ CMOS ..................................................... 113 3.5 Kết quả mô phỏng ............................................................................................... 115 3.5.1 Tính toán tham số lý thuyết với bộ PLL được thiết kế ................................ 115 3.5.2 Sự phụ thuộc thời gian và độ ổn định vào hệ số tắt dần .............................. 120 3.5.3 Mô phỏng đánh giá thời gian khóa khi ICP thay đổi .................................... 123 3.6 Áp dụng giải pháp cho chip PLL thực tế ............................................................ 128 3.7 Kết luận chương 3 ............................................................................................... 129 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 134 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT λ Ngưỡng so sánh c λ Ngưỡng so sánh tín hiệu trong kênh pcλ Ngưỡng so sánh tín hiệu pilot ε Hệ số lỗi tần số đầu vào của bộ PLL 2( )tε Hệ số lỗi tần số chuẩn hóa của bộ PLL bậc 2 3( )tε Hệ số lỗi tần số chuẩn hóa của bộ PLL bậc 3 m φ Độ dự trữ pha của bộ PLL ξ Độ lệch tần số pilot so với bin tần số lân cận đầu ra bộ DFT ( )tθ Độ lệch pha đầu vào bộ PLL theo thời gian ( )sθ Độ lệch pha đầu vào bộ PLL theo tần số ( ) e tθ Lỗi pha chuẩn hóa của bộ PFD ζ Hệ số tắt dần của bộ PLL n ω Tần số tự nhiên của bộ PLL c ω Tần số cắt của bộ PLL * sf∆ Bước tần điều chỉnh tần số lấy mẫu Hω∆ Dải giữ của bộ PLL Lω∆ Dải khóa của bộ PLL Pω∆ Dải kéo vào của bộ PLL POω∆ Dải kéo ra của bộ PLL Cz Tụ điện xác định điểm zero của bộ lọc vòng CP Tụ điện xác định điểm cực của bộ lọc vòng Es Năng lượng của tín hiệu 2 0 ( ) T sE s t dt= ∫ fc Tần số sóng mang vii fs Tần số lấy mẫu fs* Tần số lấy mẫu được điều chỉnh cho phát hiện pilot ( ) o u tf s Tần số đầu ra bộ PLL error f Lỗi tần số đầu vào bộ PLL fref Tần số tham chiếu đầu vào bộ PLL fVCO_out Tần số đầu ra VCO H0 Giả thiết không có tín hiệu trong kênh quan sát H1 Giả thiết tín hiệu tồn tại trong kênh quan sát ( ) c lH s Hàm truyền vòng kín bộ PLL 2 ( )clH s Hàm truyền vòng kín bộ PLL bậc 2 3 ( )clH s Hàm truyền vòng kín bộ PLL bậc 3 ( )V cH s Hàm truyền bộ VCO trong mạch PLL ( ) e H s Hàm truyền pha đầu vào bộ PFD CPI Dòng điện đầu ra của bộ bơm điện tích _CP adapI Dòng điện đầu ra của bộ bơm điện tích của bộ PLL thích nghi _CP fastI Dòng điện đầu ra của bộ bơm điện tích trong chế độ tăng tốc _CP normI Dòng điện đầu ra của bộ bơm điện tích trong chế độ khóa tần số vcoK Hệ số khuếch đại bộ VCO PDK Hệ số khuếch đại của bộ phát hiện pha-tần số k Chỉ số của thành phần tần số fk n(t): Tạp âm Gauss cộng trắng có giá trị trung bình bằng zero oarc stN Số mẫu đầu vào cho bộ FFT độ phân giải thô Nfine Số mẫu đầu vào cho bộ FFT độ phân giải tinh Navg_max Giá trị mẫu trung bình tối đa để phát hiện tín hiệu NFFT Số mẫu đầu vào cho bộ FFT viii Navg Số mẫu tính trung bình để phát hiện tín hiệu N Hệ số chia của bộ chia phản hồi trong PLL Pd Xác suất phát hiện Pfa Xác suất cảnh báo lầm Pm=1-Pd Xác suất trượt PPLLmax Công suất tiêu thụ tối đa được phép của bộ PLL PPLL Công suất tiêu thụ tổng cộng của mạch PLL Rz Điện trở xác định điểm zero của bộ lọc vòng Rz_fast Điện trở xác định điểm zero của bộ lọc vòng khi tăng tốc Rz_norm Điện trở xác định điểm zero bộ lọc vòng khi giữ ổn định tần số s(t) Tín hiệu oarFFT c stT − Thời gian tính toán cho bộ biến đổi FFT thô D D S P L LT + Thời gian thiết lập tần số của tổ hợp tần số Tfft_fine Thời gian thực thi FFT độ phân giải cao compT Thời gian so sánh mức năng lượng tại mỗi kênh với ngưỡng TPLL_lock Thời gian khóa bộ PLL TPLL_tune Thời gian điều hưởng của bộ PLL TPLL_tune_opt Thời gian điều hưởng tối ưu của bộ PLL TPLL_pull-in Thời gian kéo vào của bộ PLL TPLL_pull-adap Thời gian kéo vào của bộ PLL thích nghi TSW Thời gian chuyển chế đô hoạt động bộ PLL 1cV Điện áp điều khiển ổn định bộ VCO VDD Điện áp nguồn cung cấp x(n) Mẫu tín hiệu miền thời gian fX Thành phần phổ tín hiệu sau biến đổi FFT .W f nN Hệ số pha tính toán biến đổi DFT ix ADC Bộ biến đổi tương tự - số (Analog Digital Converter) AGC Điều khiển độ lợi tự động (Automatic Gain Control) AM Điều chế biên độ (Amplitude Modulation) ASIC Mạch tích hợp chuyên dụng (Application Specific Integrated Circuit) ASN Số mẫu trung bình (Average Sample Number) BPF Lọc dải thông (Band Pass Filter) CDMA Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access) CE Bộ máy nhận thức (Cognitive Engine) CIC Bộ lọc răng lược tích phân tầng (Cascade Intergrated-Comb) CMOS Bán dẫn oxit kim loại bù (Complementary Metal Oxide Semiconductor) CP Bơm điện tích (Charge Pump) CR Vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) CRN Mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio Network) CSDL Cơ sở dữ liệu CSI Thông tin trạng thái kênh (Channel State Infomation) DAC Bộ biến đổi số- tương tự (Digital Analog Converter) DDC Bộ biến đổi số tuyến xuống (Digital Down Converter) DDS Bộ tổ hợp tần số số trực tiếp (Direct Digital Synthersizer) DFH Nhảy tần động (Dynamic Frequency Hoping) DSP Xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processing) DSSS Trải phổ chuỗi trực tiếp (Direct sequence Spread Spectrum) DUC Bộ biến đổi số tuyến lên (Digital Up Converter) FBSB Bộ cảm nhận toàn dải tần (Full Band Sensing Block) FFT Biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier Transform) FHSS Trải phổ nhảy tần (Frequency Hopping Spread Spectrum) FPGA Mảng cổng khả trình trường (Field Programable Gate Array) FSS Kích thước mẫu cố định (Fixed Sample Size) x IF Trung tần (Intermediate Frequency) I Thành phần thực của tín hiệu phức (In-phase, Inphase) ISE Môi trường phần mềm tích họp (Integrated Software Environment) JTRS Hệ thống vô tuyến liên kết chiến thuật (Joint Tactical Radio System) LF Bộ lọc vòng (Loop Filter) LNA Bộ khuếch đại tạp âm thấp (Low noise Amplifier) LLR Tỉ số hợp lý logarith (Log Likelihood Ratio) MSPS Triệu mẫu trong 1 giây (Megasample per second) NCO Bộ dao động nội (Numerical Control Oscillator) PA Bộ khuếch đại công suất (Power Amplifier) PLL Vòng khóa pha (Phase-Locked Loop) PFD Bộ phát hiện Pha-Tần số (Phase-Frequency Detector) PSD Mật độ phổ công suất (Power Spectral Density) PU Người dùng đầu tiên (Primary User) Q Thành phần ảo của tín hiệu phức (Quadrature) RAM Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (Random Access Memory) RDR Vô tuyến số có thể cấu hình (Reconfigurable Digital Radio) RF Tần số vô tuyến (Radio Frequency) RTOS Hệ điều hành thời gian thực (Real Time Operating System) SCSB Bộ cảm nhận đơn kênh (Single Channel Sensing Block) SDR Vô tuyến định dạng mềm (Software Defined Radio) SNR Tỷ số tín/tạp (Signal to noice Rate) SPRT Thử tỉ lệ xác suất nối tiếp (Sequential Probability Ratio Test) STR Vô tuyến điều hưởng mềm (Software Tunable Radio) STAR Vô tuyến tương tự điều hưởng mềm (Software Tunable Analog Radio) STDC Bộ biến đổi tuyến xuống điều hưởng mềm (Software Tunable Down Converter) xi STUC Bộ biến đổi tuyến lên điều hưởng mềm (Software Tunable Up Converter) SU Người dùng thứ cấp (Secondary User) SysGen Công cụ lập trình DSP của Xilinx (System Generator for DSP) THTS Tổ hợp tần số VCO Dao động điều khiển bằng điện áp (Voltage-Controlled Oscillator) VGA Bộ khuếch đại hệ số biến đổi (Variable Gain Amplifier) WSB Bộ cảm nhận phổ dải rộng (Wideband Sensing Block) xii DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU Bảng 1-1. So sánh ưu nhược điểm các loại THTS khác nhau ........................ 31 Bảng 2-1. Thiết lập tần số lấy mẫu thực hiện thuật toán phát hiện pilot ........ 73 Bảng 2-2. Tần số và biên độ tín hiệu cho mô phỏng bộ cảm nhận băng rộng 75 Bảng 2-3. CSDL đánh giá 10 kênh cài đặt các mức SNR khác nhau ............. 78 Bảng 2-4. Tính NFFT phù hợp cho băng thông tín hiệu khác nhau .................. 80 Bảng 2-5. Đặt tần số khảo sát khả năng phát hiện pilot .................................. 82 Bảng 3-1. Tần số ra bộ PLL với hệ số N nguyên fref cố định ....................... 110 Bảng 3-2. Tham số MOSFET chuẩn hóa sử dụng trong mô phỏng [10]. ..... 113 Bảng 3-3. Thời gian kéo là hàm của dòng bơm điện tích ............................. 115 xiii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ khối chức năng của CR ........................................................... 8 Hình 1.2. Một kiến trúc SDR lý tưởng .............................................................. 9 Hình 1.3. Kiến trúc SDR thực tế điển hình ..................................................... 11 Hình 1.4. Chu kỳ CR ....................................................................................... 13 Hình 1.5. Kiến trúc bộ phát hiện băng trống ................................................... 18 Hình 1.6. Sơ đồ khối bộ phát hiện đặc trưng dừng vòng ................................ 20 Hình 1.7. Bộ tổ hợp tần số số trực tiếp ........................................................... 28 Hình 1.8. Cấu trúc cơ bản của bộ THTS theo nguyên lý PLL ........................ 29 Hình 1.9. Cấu trúc các khối điện tử tương tự có thể điều hưởng [52] ............ 36 Hình 2.3. Sơ đồ khối bộ đo vô tuyến .............................................................. 48 Hình 2.4. Sơ đồ khối bộ phát hiện năng lượng vùng tần số ............................ 49 Hình 2.5. Mô hình cảm nhận phổ băng rộng cho CR ..................................... 51 Hình 2.6. Mối liên hệ giữa Navg và SNR ứng với Pfa khác nhau ..................... 54 Hình 2.7. Navg để phát hiện tín hiệu với tham số thăng giáng tạp khác nhau.. 55 Hình 2.8. Phân tích phổ với độ dài NFFT khác nhau ........................................ 60 Hình 2.9. Sơ đồ khối bộ cảm nhận phổ toàn dải ............................................. 61 Hình 2.10. Lưu đồ thuật toán thực thi bộ cảm nhận phổ toàn dải .................. 62 Hình 2.11. Cảm nhận các kênh có mức SNR khác nhau ................................ 63 Hình 2.12. Vị trí tín hiệu pilot nằm lệch các khay tần số bộ FFT .................. 64 Hình 2.13. Sơ đồ khối tìm chính xác tần số pilot ............................................ 64 Hình 2.14. Thuật toán xác định chính xác vị trí tần số tín hiệu pilot ............. 65 Hình 2.15. Thuật toán hoạt động của bộ cảm nhận phổ đơn kênh ................. 67 Hình 2.16. Bộ cảm nhận phổ dải rộng ............................................................ 70 Hình 2.17. Khối phân tích phổ và biến đổi FFT ............................................. 71 Hình 2.18. Tần số đầu ra DDS làm tần số lấy mẫu phát hiện pilot ................ 74 Hình 2.19. Phát hiện tín hiệu với SNR = -11, -12, -13, -14 dB, Pfa=0,1......... 75 xiv Hình 2.20. Phát hiện tín hiệu với SNR = -15, -16, -17, -18 dB, Pfa=0,1......... 76 Hình 2.21. Đánh giá tham số tạp âm và tín hiệu ............................................. 76 Hình 2.22. Đánh giá tạp âm và mức tín hiệu phát trong kênh ........................ 77 Hình 2.23. Cảm nhận kênh có băng thông khác nhau với các NFFT ............... 79 Hình 2.24. Cảm nhận phổ với NFFT : (a) 128; (b) 512; (c) 2.048; (d) 8.192 ... 81 Hình 2.25. Phổ tín hiệu của 5 thành phần tần số ............................................. 82 Hình 2.26. Điều chỉnh tần số lấy mẫu ............................................................. 83 Hình 2.27. Cường độ pilot khi nằm tại vị trí khác nhau trong bin tần số ....... 83 Hình 2.28. SCSB thay đổi Navg