Báo cáo bài tập lớn môn hệ thống viễn thông tìm hiểu về noise trong hệ thống rf

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN ĐIỆN TỬ BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỆ THỐNG VIỄN THÔNG TÌM HIỂU VỀ NOISE TRONG HỆ THỐNG RF Giảng viên Thầy Nguyễn Nam Phong Sinh viên thực hiện Phạm Quang Trun[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỆ THỐNG VIỄN THÔNG

TÌM HIỂU VỀ NOISE TRONG HỆ THỐNG RF

Giảng viên: Thầy Nguyễn Nam Phong

Sinh viên thực hiện: Phạm Quang Trung

Mã sinh viên: 20193155

Mã lớp: 137317

Hà Nội, 12/2022

Mục lục

I Giới thiệu chung 4

1 Định nghĩa 4

2 Dải động và nguồn tạp âm 4

2.1 Dải động (dynamic range) 4

2.2 Nguồn tạp âm 5

II Cách tính toán và đo đạc 7

1 Công suất tạp âm và nhiệt độ tạp âm tương đương 7

2 Đo nhiệt độ tạp âm 9

3 Hệ số tạp âm 10

4 Một số phương pháp khác để đo tạp âm 12

IV Tài liệu tham khảo 12

Danh mục hình ảnh:

Hình 1: Mô tả dải động của bộ khuếch đại thực tế

Hình 2: Điện áp ngẫu nhiên gây bởi điện trở có tạp âm

Hình 3: Ba mạch tương đương, (A) điện trở có tạp âm tại nhiệt độ T(K), (B) điện trở không tạp âm nối tiếp với nguồn áp tạo tap âm (mạch tương đương Thevenin) và (C) điện trở không tạp âm song song với nguồn dòng tạo tạp âm (mạch tương đương Norton)

Hình 4: Nhiệt độ tạp âm tương đương Te của nguồn tạp âm trắng tùy ý

Hình 5: Nhiệt độ tạp âm tương đương của bộ khuếch đại mang tạp âm (a) khuếch đại có tạp âm, (b) khuếch đại không tạp âm

Hình 6: Phương pháp Y-factor để đo nhiệt độ tạp âm tương đương của bộ khuếch đại

Hình 7: Hệ số tạp âm của một mạng có tạp âm

Hình 8: Hệ thống ghép nối 2 tầng và hệ thống tương đương

Hình 9: Sơ đồ đơn giản của một hệ thống đo tạp âm

Hình 10: Tạp âm pha (phase noise) hiển thị trên máy phân tích phổ

I Giới thiệu chung

Tạp âm là một yếu tố có tầm ảnh hưởng quan trọng trong nhiều hệ thống thông tin vi ba, vô tuyến, radar và viễn thám vì tạp âm quyết định ngưỡng tối thiểu mà tín hiệu có thể được thu với độ tin cậy cao Công suất tạp

âm của máy thu sẽ được đưa vào từ môi trường thông qua anten thu, đồng thời cũng tự sinh ra bởi mạch điện trong máy thu

1 Định nghĩa

Tạp âm là kết quả của các quá trình ngẫu nhiên như dòng điện hoặc lỗ trống trong ống điện tử hoặc thiết bị thể rắn, lan truyền qua tầng điện ly hoặc khí bị ion hóa Cơ bản nhất, tạp âm có thể được tạo ra từ dao động nhiệt trong bất kì vật nào ở nhiệt độ trên độ không tuyệt đối

Tạp âm có thể truyền vào hệ thống vi ba từ các nguồn bên ngoài, hoặc

tự tạo ra bởi bản thân hệ thống Trong cả hai trường hợp, mức độ tạp âm của

hệ thống làm giới hạn cường độ tín hiệu có thể thu được khi có sự hiện hữu của tạp âm Như vậy, thông thường các hệ thống sẽ được thiết kế sao cho có thể giảm thiểu tối đa mức độ tạp âm của máy thu để đạt dược hiệu suất tốt nhất Trong một số trường hợp, chẳng hạn như máy đo bức xạ hoặc hệ thống thiên văn vô tuyến, tín hiệu mong muốn lại là công suất tạp âm thu bởi anten,

và ta cần phải phân biệt giữa công suất tạp âm và tạp âm không mong muốn sinh ra bởi bản thân hệ thống máy thu

2 Dải động và nguồn tạp âm

2.1 Dải động (dynamic range)

Thông thường, chúng ta ngầm giả định các linh kiện đều tuyến tính, tức

là mức tín hiệu đầu ra tỷ lệ thuận với mức đầu vào, và có thể xác định (dự đoán được từ tín hiệu vào) Thực tế, không thể có thành phần nào trong hệ thống có thể lý tưởng được như vậy, chưa kể tới lượng tín hiệu vào/ra không giới hạn Tuy nhiên thường có một dải mức tín hiệu mà các giả định như vậy gần đúng, đó chính là dải động (dynamic range) của thiết bị

Lấy ví dụ, một bộ khuếch đại transistor vi sóng có hệ số khuếch đại công suất G (hình 1) Nếu bộ khuếch đại là lý tưởng, công suất đầu ra sẽ tỷ lệ với đầu vào, Pout = GPin, và mối quan hệ này sẽ đúng với bất kì giá trị nào của

Pin Do đó, nếu Pin = 0, ta có Pout = 0, nếu Pin = 106 W và G = 10 dB thì Pout =

107 W Tuy vậy, hai kết quả này đều không thực sự xảy ra trong thực tế Do tạp âm tự sinh ra trong bộ khuếch đại, một số tạp âm khác không luôn luôn xuất hiện trong bộ khuếch đại ngay cả khi đầu vào bằng 0 Trong trường hợp khác, công suất đầu vào quá lớn sẽ làm hỏng bộ khuếch đại Như vậy, mối

quan hệ thực sự giữa công suất đầu vào và đầu ra được biểu diễn ở hình 1 Ở mức đầu vào rất thấp, đầu ra bị lấn áp bởi tạp âm của chính bộ khuếch đại Mức này thường được gọi là lề nhiễu của thiết bị hoặc hệ thống, giá trị thường từ -80 đến -140 dBm trên băng thông của hệ thống Trên lề nhiễu, bộ khuếch đại có một dải đầu vào mà giá trị Pout = GPin gần đúng Đây chính là dải động có thể sử dụng của thiết bị Ở phần trên của dải này, đầu ra bắt đầu

bị bão hòa, tức là công suất đầu ra không còn tăng một cách tuyến tính nếu công suất đầu vào tăng Công suất đầu vào quá mức sẽ làm hỏng bộ khuếch đại

Hình 1: Mô tả dải động của bộ khuếch đại thực tế

2.2 Nguồn tạp âm

Tạp âm được sinh ra bên trong thiết bị thường do chuyển động ngẫu nhiên của điện tích hoặc hạt mang điện trong thiết bị và vật liệu Những chuyển động này có thể dựa theo bất kỳ cơ chế nào, dẫn tới có nhiều loại tạp

âm khác nhau:

 Tạp âm nhiệt (thermal noise): là tạp âm cơ bản nhất, gây ra bởi sự dao động nhiệt của các điện tích chuyển động Nó còn được gọi là tạp âm Johnson hoặc tạp âm Nyquist

 Shot noise: do các dao động ngẫu nhiên của hạt mang điện, electron hoặc lỗ trống trong ống điện tử hoặc thiết bị thể rắn

 Tạp âm nháy (flicker noise): xảy ra ở các linh kiện thể rắn và ống chân không Công suất tạp âm nháy thay đổi theo tỷ lệ nghịch với tần số, do vậy nó còn hay được gọi là 1/f-noise

 Tạp âm plasma (plasma noise): gây ra bởi chuyển động ngẫu nhiên của điện tích trong khí bị ion hóa, chẳng hạn như plasma, tầng điện ly hoặc tia lửa điện

 Tạp âm lượng tử (quantum noise): là kết quả từ bản chất lượng tử của các hạt mang điện và photon Nó thường không đáng kể so với các nguồn tạp âm khác

 Tạp âm pha (phase noise): là một dạng tạp âm vô tuyến có thể thấy được trên tần số vô tuyến và các tín hiệu khác Nó xuất hiện dưới dạng rung pha hoặc nhiễu loạn ở tín hiệu Tạp âm pha tự biểu hiện dưới dạng dải biên trải ra hai bên của tín hiệu hoặc sóng mang

Tạp âm từ bên ngoài có thể đi vào hệ thống bằng anten thu hoặc các khớp ghép nối điện từ Một số nguồn tạp âm vô tuyến bên ngoài:

 Tạp âm nhiệt từ mặt đất (thermal noise)

 Tạp âm nền vũ trụ từ bầu trời (cosmic background noise)

 Tạp âm từ các thiên thể (stars), bao gồm cả mặt trời

 Tia chớp

 Đèn xả khí gas

 Đài phát thanh, TV và các trạm di động

 Thiết bị không dây

 Lò vi sóng

 Thiết bị gây nhiễu có chủ ý

Các ảnh hưởng của tạp âm trong hệ thống vô tuyến và hệ thống vi ba về nhiệt độ tạp âm và hệ số tạp âm (noise figure) sẽ áp dụng cho tất cả các loại tạp âm, bất kể nguồn gốc miễn là phổ tạp âm tương đối phẳng trên băng thông của hệ thống Tạp âm với phổ tần số phẳng được gọi là tạp âm trắng (white noise)

II Cách tính toán và đo đạc

1 Công suất tạp âm và nhiệt độ tạp âm tương đương

Xem xét một điện trở ở nhiệt độ vật lý là T theo thang Kelvin, mô tả trong hình 2 Các electron trong điện trở chuyển động ngẫu nhiên với động năng tỷ lệ thuận với nhiệt độ Các chuyển động ngẫu nhiên này tạo ra điện áp thấp và ngẫu nhiên dao động tại các cực của điện trở, mô tả trong hình 2 Điện

áp này có giá trị trung bình bằng 0 nhưng giá trị trung bình bình phương (rms) được tính theo định luật bức xạ vật đen của Planck:

V n=√ 4hf BR

Trong đó:

 h = 6.626 × 10−34 J-sec là hằng số Planck

 k = 1.380 × 10−23 J/K là hằng số Boltzmann

 T = nhiệt độ theo thang Kelvin (K)

 B = băng thông của hệ thống (Hz)

 f = tần số trung tâm của băng thông (Hz)

 R = điện trở (Ω)

Hình 2: Điện áp ngẫu nhiên gây bởi điện trở có tạp âm

Thông thường, có thể coi hf << kT, ta có biểu thức sau theo khai triển Taylor:

e hf /kt −1 ≈ hf

kT

Khi đó

V n=√4kTBR (2)

Điện trở tạp âm tại hình 2 có thể được thay bởi mạch điện tương đương Thevenin hoặc Norton, bao gồm điện trở không tạp âm và nguồn với giá trị điện áp Vn ở công thức (2)

Hình 3: Ba mạch tương đương, (A) điện trở có tạp âm tại nhiệt độ T(K), (B) điện trở không tạp âm nối tiếp với nguồn áp tạo tap âm (mạch tương đương Thevenin) và (C) điện trở không tạp âm song song với nguồn dòng tạo tạp âm

(mạch tương đương Norton)

Ghép thêm điện trở tải Công suất đưa ra tải với băng thông B:

P n=(V n

2 R)

2

R= V n2

4 R =kTB (3)

Từ kết quả trên có thể xác định được công suất tạp âm lớn nhất có thể

từ điện trở tạp âm tại nhiệt độ T

 Khi B  0, Pn  0, hệ thống có băng thông nhỏ hơn sẽ thu ít tạp âm hơn

 Khi T  0, Pn  0, linh kiện mát hơn sẽ tạo ra ít tạp âm hơn

 Khi B  ∞, Pn  ∞, điều này không thể xảy ra trong thực tế vì băng thông hoặc tần số là tài nguyên có hạn, không thể đạt tới ∞ Khi đó phải

sử dụng công thức (1)

Nếu một nguồn tạp âm tùy ý (nhiệt hoặc không) là tạp âm trắng, thì công suất tạp âm không phải là đặc điểm quan trọng của tần số trên băng thông mong muốn Nó có thể biến đổi thành một nguồn tạp âm nhiệt tương đương, đặc trưng bởi nhiệt độ tạp âm tương đương Ta xét nguồn tạp âm trắng tùy ý như ở hình 4, có điện trở R đưa công suất tạp âm N0 tới điện trở tải R Nguồn tạp âm này được thay thế bởi điện trở mang tạp âm với giá trị R tại

nhiệt độ Te, với Te là nhiệt độ tương đương được chọn sao cho có thể đưa tới tải công suất tạp âm giống ban đầu

T e=N0

kB (4)

Hình 4: Nhiệt độ tạp âm tương đương T e của nguồn tạp âm trắng tùy ý.

Trong trường hợp mạch khuếch đại có tạp âm (hình 5):

T e= N0

G kB (5)

Hình 5: Nhiệt độ tạp âm tương đương của bộ khuếch đại mang tạp âm (a)

khuếch đại có tạp âm, (b) khuếch đại không tạp âm.

2 Đo nhiệt độ tạp âm

Theo nguyên tắc, nhiệt độ tạp âm tương đương của linh kiện có thể được xác định bằng việc đo công suất đầu ra khi tải được phối hợp tại 0 độ K được nối ở đầu vào của linh kiện Tuy nhiên thực tế không thể đạt được nhiệt

độ nguồn 0 K Nếu có thể dùng hai tải được phối hợp ở các nhiệt độ khác

nhau thì ta có thể áp dụng phương pháp Y-factor Phương pháp này được mô

tả trong hình 6, một bộ khuếch đại (hoặc thành phần khác) được kết nối tới một trong hai tải ở nhiệt độ khác nhau, và công suất đầu ra sẽ được tính cho từng trường hợp T1, T2 là nhiệt độ của tải nóng và lạnh, P1 và P2 là công suất

đo ở đầu ra Công suất tạp âm đầu ra sẽ bao gồm tạp âm sinh ra bởi bộ khuếch đại và tạp âm của trở kháng nguồn:

N1 = GkT1B + GkTeB

N2 = GkT2B + GkTeB Khi đó Y= N 1 N 2 =T 1+Te T 2+Te>1

Te= T 1−Y T 2

Y−1

Hình 6: Phương pháp Y-factor để đo nhiệt độ tạp âm tương đương của bộ

khuếch đại

3 Hệ số tạp âm

Ngoài nhiệt độ tạp âm, linh kiện hoặc thành phần vi sóng có thể được đặc trung bởi một đặc tính khác là hệ số tạp âm Đặc tính này biểu thị sự suy giảm về tỉ số tín hiệu trên tạp âm (signal-to-noise ratio) giữa đầu vào và ra của thành phần Tỉ số tín hiệu trên tạp âm là tỉ lệ giữa công suất tín hiệu mong muốn trên tín hiệu không mong muốn, do đó nó phụ thuộc vào công suất tín hiệu Khi tạp âm và tín hiệu mong muốn đặt tại đầu vào của một hệ thống không tạp âm, cả hai thành phần này sẽ bị suy giảm hoặc khuếch đại bởi cùng một hệ số, do đó tỉ số tín hiệu trên tạp âm là không đổi Tuy nhiên, nếu hệ thống có tạp âm, công suất tạp âm đầu ra sẽ lớn hơn công suất tín hiệu đầu ra, làm cho tỉ số tín hiệu tạp âm trên nhiễu ở đầu ra giảm đi Hệ số tạp âm F dùng

để đo sự suy giảm này qua công thức:

F= Si/ So/No¿ ≥ 1

Hình 7: Hệ số tạp âm của một mạng có tạp âm

Từ hình 7 có thể tính được hệ số tạp âm:

F= S i

k T0B

kGB(T0+T e)

G S i =1+

T e

T0≥1

=> T e =(F−1)T0

Ngoài ra trong hệ thống viễn thông, có thể có nhiều tầng được ghép nối với nhau Khi đó hệ số tạp âm của hệ thống tính bằng công thức Friss:

F total =F1+F2 −1

G1 +F3 −1

G1G2+…

T total =T e1+T G e 2

1 +G T e3

1G2+…

Hình 8: Hệ thống ghép nối 2 tầng và hệ thống tương đương

4 Một số phương pháp khác để đo tạp âm

 Đo bằng máy đo tạp âm (meter method)

Hình 9: Sơ đồ đơn giản của một hệ thống đo tạp âm

 Máy phân tích phổ (spectrum analyser)

Hình 10: Tạp âm pha (phase noise) hiển thị trên máy phân tích phổ

IV Tài liệu tham khảo

[1]Pozar, David M - Microwave engineering-Wiley (2012)

[2] https://www.electronics-notes.com/articles/basic_concepts/electronic-rf-noise/measurement-techniques.php

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Johnson%E2%80%93Nyquist_noise