lý thuyết về 05 loại nhiễu trong thông tin di động

Phổ công suất của nhiễu trắng có băng tần giới hạn: .... LỜI MỞ ĐẦU Nhiễu là một vấn đề rất quan trọng trong thông tin di động, ảnh hưởng đến chất lượng của tín hiệu, khi xử lý tín hiệu

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI MỞ ĐẦU 2

1.Nhiễu trắng 3

1.1 Khái niệm về nhiễu trắng 3

1.2 Các phép biểu diễn toán học của nhiễu trắng 4

1.3 Phổ công suất của nhiễu trắng có băng tần giới hạn: 4

2 Nhiễu liên ký tự ISI (Inter symbol interference) 6

2.2 Các biện pháp khắc phục nhiễu ISI 7

2.2.1 Bộ lọc cos nâng: 7

2.2.2 Bộ lọc ngang ép không: 9

3 Nhiễu liên kênh ICI (Interchannel Interference) 11

3.1 Nhiễu liên kênh ICI 11

3.2.Nhiễu xuyên kênh trong OFDM ở kênh thông tin di động 12

3.2.1 Giới thiệu 12

3.2.2 OFDM ở kênh thay đổi theo thời gian 13

3.2.3 Phân tích nhiễu xuyên kênh (ICI) 15

3.2.4 Kết luận 19

3.3.ISI và ICI trong hệ thống FDM 19

4 Nhiễu đồng kênh (Co-Channel Interference) 23

4.1 Khái niệm chung 23

4.2.Tái sử dụng tần số 24

4.2.1.Khái niệm tái sử dụng tần số 24

4.3.Các mẫu tái sử dụng tần số 29

4.3.1 Mẫu 3/9 29

4.3.2.Mẫu 4/12 30

4.3.3.Mẫu 7/21 31

4.3 Nhận xét 31

4.3.1 So sánh giữa các mẫu sử dụng tần số: 31

4.3.2 Dung lượng và tỉ số C/I 31

5 Nhiễu đa truy nhập (Multiple Access Interference) 32

KẾT LUẬN 37

LỜI MỞ ĐẦU

Nhiễu là một vấn đề rất quan trọng trong thông tin di động, ảnh hưởng đến chất lượng của tín hiệu, khi xử lý tín hiệu và khi truyền tín hiệu tín hiệu làm gây méo tín hiệu hoặc xuất hiện các tạp âm trong các thiết bị

tái tạo lại tín hiệu

Vì vậy ta phải giám sát được chúng và tìm biện pháp khắc phục tín hiệu nhiễu đến mức tối đa để tăng chất lượng của của tín hiệu

Bài tiểu luận dưới đây sẽ trình bày một cách ngắn gọn lý thuyết về 05 loại nhiễu trong thông tin di động Nắm vững lý thuyết về nhiễu và tìm hiểu, nghiên cứu các biện pháp khắc phục chúng sẽ giúp mạng thông tin di động nâng cao chất lượng, hiệu quả

Bố cục của bài tiểu luận gồm có 05 phần, tương ứng với 05 loại nhiễu, đó là:

1.Nhiễu trắng ( White Gaussian Noise)

2.Nhiễu xuyên âm ( Intersymbol Interference)

3.Nhiễu xuyên kênh ( Interchannel Interference)

4.Nhiễu đồng kênh ( Cochannel Interference)

5.Nhiễu đa truy nhập ( Multiple access Interference)

Nhóm chúng tôi xin chân thành cám ơn thầy Nguyễn Văn Đức đã hướng dẫn, giúp đỡ để chúng tôi hoàn thành bài tiểu luận này

1.Nhiễu trắng

1.1 Khái niệm về nhiễu trắng

Nhiễu trắng là quá trình xác xuất có mật độ phổ công suất phẳng( không đổi ) trên toàn bộ dải tần

Nhiễu trắng là một loại nhiễu có hàm mật độ xác suất tuân theo phân

bố Gauss

Nhiễu trắng có thể do nhiều nguồn khác nhau gây ra như thời tiết,do

bộ khuếch đại ở máy thu,do nhiệt độ,hay do con người.Tín hiệu thu do vậy được viết lại như sau:

Mô hình kênh

Hinh 1 Môi truờng truyền dẫn với sự có mặt của nhiễu trắng

1.2 Các phép biểu diễn toán học của nhiễu trắng

Về mặt toán học,nguồn nhiễu trắng n(t) có thể mô hình bằng một

2

biến xác suất Gauss với giá trị kì vọng =0 và độ lệch chuẩn là

=E[x]=0 =E[(x- ) ] 2 2

Hình 2 Hàm phân bố Gauss

Do kỳ vọng bằng không nên độ lệch chuẩn cũng bằng phương sai của

2

biến ngẫu nhiên x Cụ thể hơn nhiễu trắng có công suất không đổi

1.3 Phổ công suất của nhiễu trắng có băng tần giới hạn:

Về mặt lí thuyết ,nhiễu trắng có băng tần vô hạn và công suất nhiễu

là đều đặn ở mọi tần số Về mặt thực tế không có hệ nào có băng tần vô hạn mà bị giới hạn ở một băng tần nào đó Do vậy mật độ phổ công suất của nhiễu cũng bị giới hạn như ở hình 3

Hình 3 Mật độ phổ công suất nhiễu

Ở hình trên ta giả sử là hệ thống có băng tần giới hạn B = 2 g với chu kì lấy mẫu là t a Mật độ phổ công suất của nhiễu như hình1 được viết lại như sau:

Tất cả các biến ngẫu nhiên đều không tồn tại phép biến đổi Fourier

mà chỉ tồn tại hàm tự tương quan và hàm mật độ công suất,trong đó hàm mật độ công suất là phép biến đổi Furie của hàm tự tương quan.Ở phương trình trên Ф nn(j) là hàm mật độ công suất nhiễu còn nn() là hàm tự tương quan của nhiễu với định nghĩa :

2

nn() = E[n(t)n(t+ )] = si g Theo phương trình hàm tự tương quan là biến đổi Furie ngược của hàm mật độ phổ công suất.Do hàm mật độ phổ công suất có dạng hình chữ nhật như ở hình 1, kết quả biến đổi Furie ngược của hàm hình chữ nhật cho ta hàm số Si()

Công suất của nhiễu có thể tính được bằng cả từ hàm mật độ công suất nhiễu hoặc hàm tự tương quan của nhiễu như sau:

+

t

Khi đó tỉ số tín hiệu trên tạp âm được tính theo công thức sau:

SNR=P s/Pn Với Ps là công suất tín hiệu có ích.Tỉ số này quyết định chất lượng tín hiệu và dung lượng kênh

2 Nhiễu liên ký tự ISI (Inter symbol interference)

Hình 4 Mô hình gây nhiễu

Trong môi trường truyền dẫn đa đường, nhiễu xuyên ký tự (ISI) gây bởi tín hiệu phản xạ có thời gian trễ khác nhau từ các hướng khác nhau từ phát đến thu là điều không thể tránh khỏi Ảnh hưởng này sẽ làm biến dạng hoàn toàn mẫu tín hiệu khiến bên thu không thể khôi phục lại được tín hiệu gốc ban đầu Các kỹ thuật sử dụng trải phổ trực tiếp DS-CDMA như trong chuẩn 802.11b rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa đường vì thời gian trễ có thể vượt quá khoảng thời gian của một ký tự OFDM sử dụng kỹ thuật truyền song song nhiều băng tần con nên kéo dài thời gian truyền một ký tự

ký tự nên nhiễu ISI có thể bị loại bỏ hoàn toàn.2.1 Đặc điểm:Dải thông

tuyệt đối của các xung nhiều mức đỉnh phẳng là vô hạn Nếu các xung này

được lọc không đúng khi chúng truyền qua một hệ thống thông tin thì

chúng sẽ trải ra trên miền thời gian và xung cho mỗi kí hiệu sẽ chèn vào các

khe thời gian bên cạnh gây ra nhiễu giữa các kí hiệu (ISI).ISI là hiện tượng

nhiễu liên kí hiệu ISI xảy ra do hiệu ứng đa đường, trong đó một tín hiệu

tới sau sẽ gây ảnh hưởng lên kí hiệu trước đó

Chẳng hạn như ở hình 4 phía trên, ta thấy rõ tín hiệu phản xạ

(reflection) đến máy thu theo đường truyền dài hơn so với các tín hiệu còn

lại

2.2 Các biện pháp khắc phục nhiễu ISI

Trong các hệ thống đơn sóng mang, ISI là một vấn đề khá nan giải

Lí do là độ rộng băng tần tỉ lệ nghịch với khoảng thời gian kí hiệu, do vậy,

nếu muốn tăng tốc độ truyền dữ liệu trong các hệ thống này, tức là giảm

khoảng kí hiệu, vô hình chung đã làm tăng mức trải trễ tương đối Lúc này

hệ thống rất nhạy với trải trễ Và việc thêm khoảng bảo vệ khó triệt tiêu hết

ISI

Để giảm nhiễu xuyên âm người ta phải làm thế nào hạn chế dải thông

mà vẫn không gây ra ISI Khi dải thông bị giới hạn, xung sẽ có đỉnh tròn

thay vì đỉnh phẳng

Một trong những phương pháp để loại bỏ nhiễu ISI là dùng bộ lọc

cos nâng và bộ lọc ngang ép không (phương pháp Nyquist I)

Tín hiệu từ nguồn gồm có M phần tử, song chúng ta hạn chế chỉ khảo sát trường hợp khi các phần tử s i(t) của tập tín hiệu chỉ khác nhau về biên độ, tức là ta sẽ hạn chế chỉ xét hệ thống điều chế biên độ xung PAM

Thực tế hệ thống này có thể xem như gán cho mỗi một tin m k một hằng số

a kmà biên độ của xung đầu ra của bộ tạo xung sẽ được nhân với nó

Ta hãy giả sử rằng bộ tạo xung cho ra các xung Dirắc tại các thời điểm t=kT s Các xung dạng dirac này, có biên độ thay đổi tuỳ theo sự thay đổi các giá trị m k, qua bộ lọc T() sẽ tới kênh truyền Phần máy thu trên

hình 2.2 là máy thu tối ưu, thu lọc phối hợp, mạch quyết định thực hiện lấy mẫu và so ngưỡng Hàm truyền tổng cộng của hệ thống (đặc tính tần số tổng cộng của hệ thống) là tích của hai đặc tính của hai bộ lọc phát và thu

C()=T().R() Bây giờ chúng ta sẽ tìm kiếm lớp các đặc tính lọc C()

sao cho việc truyền chuỗi tín hiệu qua hệ thống sẽ không có ISI Việc truyền được coi là không có ISI nếu vào thời điểm quyết định tín hiệu lấy

mẫu thứ k, chỉ có phản ứng xung của tín hiệu thứ k là khác không còn phản ứng của các tín hiệu khác đều bằng không

Theo định lý Nyquist, độ rộng băng tần truyền dẫn nhỏ nhất để có thể truyền được không méo tín hiệu băng gốc là B=1/2.T Độ rộng băng ở đây

có nghĩa là dải tần mà ngoài nó giá trị hàm truyền đồng nhất bằng không

Tần số 1/2T được gọi là tần số Nyquist Do vậy chúng ta sẽ xét các đặc tính lọc có độ rộng thông tần tối thiểu là 1/2T (hay /T tính theo tần số góc)

Trước tiên ta hãy xem xét trường hợp C() là đặc tính của bộ lọc thông thấp lý tưởng, tức là đáp tuyến pha của bộ lọc thì tuyến tính còn đáp tuyến biên độ |C()| có dạng:

C () = ⎨ ⎧ ;1 ⎪ 0 0

Bộ lọc này có phản ứng xung là:

c (t) = sin 0t

0t

Có giá trị cực đại bằng 1 tại t=0 và có giá trị bằng 0 tạo t=k/ 0

Giả sử rằng đầu vào bộ lọc lý tưởng này có tín hiệu được tạo bởi bộ tạo xung như trên hình 2.2, tức là tín hiệu lối vào bộ lọc T()được cho bởi:

khi đồng bộ không lý tưởng

2.2.2 Bộ lọc ngang ép không:

Nguồn số

liệu

Bộ lọc phát

Kênh truyền

Bộ lọc cân bằng kênh

t m=mT+t

V(t m) V(t)

Hình 6 Vị trí bộ lọc cân bằng kênh

Theo hình 6 ta có đáp ứng tần số của toàn hệ thống từ phát đến thu là

H 0(f)= H T(f) H c(f)H E(f) Với đáp ứng xung tổng hợp

Tần số lấy mẫu tín hiệu bên thu là 1/T Theo đó thì mật độ cân bằng

lý tưởng zero- ISI đơn giản là một bộ lọc nghịch đảo đáp ứng tần số của bên

phát và kênh truyền Bộ lọc đảo này thường được xấp xỉ bởi một bộ lọc FIR

Đáp ứng xung của bộ lọc cân bằng kênh là:

có thể vượt quá khoảng thời gian của một ký tự OFDM sử dụng kỹ thuật truyền song song nhiều băng tần con nên kéo dài thời gian truyền một ký tự lên nhiều lần Ngoài ra, OFDM còn chèn thêm một khoảng bảo vệ (guard interval - GI), thường lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền, giữa hai

ký tự nên nhiễu ISI có thể bị loại bỏ hoàn toàn

3 Nhiễu liên kênh ICI (Interchannel Interference)

3.1 Nhiễu liên kênh ICI

Nhiễu xuyên kênh gây ra do các thiết bị phát trên các kênh liền nhau

j 2nTf

Hình 8

Nhiễu liên kênh thường xảy ra do tín hiệu truyền trên kênh vô tuyến

bị dịch tần gây can nhiễu sang các kênh kề nó

Để loại bỏ nhiễu xuyên kênh người ta phải có khoảng bảo vệ (guard band) giữa các dải tần

3.2.Nhiễu xuyên kênh trong OFDM ở kênh thông tin di động

3.2.1 Giới thiệu

Trong phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDM), băng thông truyền được chia thành nhiều kênh nhỏ, và được truyền song song với nhau Do đó, giới hạn của ký tự tăng lên và nhiễu liên

ký tự (ISI) gây ra môi trường fading theo thời gian bị loại bỏ Tuy nhiên,

với những giới hạn ký tự dài hơn, nhiễu xuyên kênh (ICI) gây ra bởi Doppler ở kênh thông tin di động lại tăng lên Hiệu ứng Doppler có ảnh hưởng đến hệ thống OFDM Ở đây, chúng ta nhận được giới hạn của ICI, tính toán dễ dàng hơn và hữu ích hơn Giới hạn bao gồm cả giới hạn chung

thời gian ký tự (T s ) Giới hạn riêng cũng phụ thuộc vào biến của phổ

Doppler

3.2.2 OFDM ở kênh thay đổi theo thời gian

Giả sử tín hiệu OFDM ở miền thời gian là

Tín hiệu truyền qua k (kênh con), s[k], được coi là độc lập với các kênh con

khác Tín hiệu nhận được, sau khi truyền qua kênh thay đổi theo thời gian

với đáp ứng xung h(t, ) , là:

~

x (t) = h(t, ) x(t ) d

Với nhiễu kênh (channel noise) và nhiễu đồng kênh (co-channel

interference) không tính tới

Trong điều kiện fading phẳng, đáp ứng xung kênh có thể đặt là:

h (t, ) = (t) ( )

Tín hiệu nhận được sẽ là:

~

x (t) = (t) x(t) (t) là quá trình wide-sense stationary stochastic với dãy số 0 và biến đơn

vị Với phổ Doppler nguyên thủy, mật độ phổ của (t) là:

tần số Doppler lớn nhất : f d Cả 2 trường hợp phổ Doppler đều đồng dạng

và có 2 kiểu đường dẫn (path) Đó là:

là trễ của dãy i và (t)là biên độ phức tương ứng Ở đây, chúng ta giả sử

quá trình phức stochastic của (t) là độc lập với I, nhưng có cùng thông số

3.2.3 Phân tích nhiễu xuyên kênh (ICI)

sóng mang xác định thì sự sai khác là không đáng kể

a.Tính toán chính xác

Để đơn giản, đầu tiên chúng ta nhận được biên ICI cho kênh fading phẳng, và sau đó mở rộng kết quả cho môi trường có tần số bất kỳ khác Từ (3.1), (3.2) và (3.4), tín hiệu được điều chế lại trở thành:

(3.6)

a 0 biểu diễn sự suy giảm và pha của tín hiệu mong muốn, còn với biểu

diễn hệ số khuếch đại kênh của tín hiệu nhiễu Với thời gian bất kỳ trên kênh, a 0, và ra kết quả của ICI

2

l0

P ICI a s l [m l]

Với OFDM có số sóng mang con không xác định,

diễn thông qua hàm tương quan

Cả (7) và (8) đều cho OFDM với số sóng mang con xác định, ta có

thể thấy chỉ có sai số rất nhỏ, ta có thẻ dùng cho OFDM với số sóng mang

xác định Do đó, công thức (7) và (8) có thể dung tính gần chính xác năng

lượng ICI cho OFDM với số sóng mang xác định

Biết mỗi hàm tương quan trong miền thời gian của kênh thay đổi theo

thời gian, ta có thể tính năng lượng của ICI dùng công thức (3.7) Biểu diễn

theo kiểu thông thường:

dàng Hơn nữa, trong nhiều trường hợp, hàm tương quan theo miền thời gian chính xác hay phổ công suất là không thể tính Ở đây, chúng ta nhận

được giới hạn trên và dưới và giới hạn chung của công suất ICI Những giới hạn này ít phức tạp hơn và dễ tính toán hơn

Đầu tiên, đưa 1 r(T sx)

(k)

E (t) (2 f d )

Từ định nghĩa 1 , rõ ràng 1 1 Thực tế, cùng với (3.13), ta có thể tính giới

hạn trên của công suất ICI, chỉ phụ thuộc vào f d T s ,

P ICI

1

12 (2 f T d ) s 2

(3.14) Giới hạn trên có thể dung cho hệ thống OFDM với phổ Doppler, bao gồm hệ thống OFDM với tần số off-set Bởi vì 1 thường nhỏ hơn 1 nên giới hạn trên rộng hơn giới hạn ở (3.13) Tuy nhiên, (3.14) dễ tính toán hơn

vì chỉ phụ thuộc f d T s Với dạng hai dường, 1 = 1 và giới hạn chung cũng là giới hạn hẹp

Như đã nói ở trên, chúng ta có giới hạn chung và riêng cho kênh fading phẳng Ở hệ thống OFDM kênh fading thời gian phân tán, thường thì

ta sẽ giả sử rằng phần mở rộng theo chu kỳ được thêm vào giữa ký tự OFDM để tránh nhiễu xuyên khối Với giả thuyết đó, ta sẽ có

Bởi vì (t)i độc lập với I và có cùng thống kê, E { a l 2} giống với cả kênh phẳng và kênh fading phân tán Hơn nữa, công thức chính xác tính P ICI và

giới hạn khác cũng có thể để tính kênh phân tán

3.2.4 Kết luận

Để đi sâu vào tính chính xác các giới hạn, chúng ta so sánh giới hạn

trên và giới hạn dưới và giới hạn chung với giá trị chính xác của công suất

ICI ( P ICI ) Chú ý rằng với kiểu hai đường, giới hạn trên và dưới là xác định

Giới hạn riêng rất gần để tính chính xác P ICI Khi thiết kế hệ thống OFDM,

nếu chu kỳ của ký tự, Ts, phải được chọn để f d T s rất nhỏ, do đó ảnh hưởng

của phổ Doppler sẽ không đáng kể

3.3.ISI và ICI trong hệ thống FDM

Trong hệ thống đa sóng mang (FDM), vấn đề về đa đường và fading

lựa tần đc giả quyết Tín hiệu đc chia thành N dòng song song và truyền

trên N sóng mang con với tốc độ nhỏ hơn Để tiết kiệm băng thông, người

ta đưa vào hệ thống OFDM, trong đó các sóng mang con là trực giao lẫn

nhau, tức là cho phép các sóng mang con này chồng phổ, như vậy tăng đc

hiệu quả sử dụng phổ

Hình 9

Các sóng mang con có dải tần hẹp, khoảng kí hiệu dài hơn nên trễ đa đường tương đối là nhỏ Do vậy, để khử hoàn toàn nhiễu do đa đường, người ta thêm vào kí hiệuOFDM một khoảng bảo vệ Khoảng này có thể là khoảng trắng Tuy nhiên, một vấn đề mới lại nảy sinh Đó là hiện tượng nhiễu liên kênh (ICI) giữa các sóng mang con của OFDM Nguyên nhân vẫn ở hiệu ứng đa đường, cộng thêm và khoảng bảo vệ trắng

ICI sinh ra do sự chồng phổ giữa các sóng mang, gây ra xuyên âm Trong các hệ thống đơn sóng mang, ICI thường xuất hiện ở các hệ thống làm việc tại các dải tần kề nhau Trong các hệ thống này, người ta thường đưa vào giữa ác dải tần làm việc một khoảng phổ nhằm tránh xuyên âm

Trong hệ thống OFDM nói ở trên, phổ các sóng mang con vốn

"chồng" lên nhau, tuy nhiên vẫn không gây xuyên âm, đó là do các sóng

mang con là trực giao nhau theo nghĩa toán học Sự trực giao này sẽ mất đi nếu trong khoảng kí hiệu ( chính xác hơn là trong khoảng tích phân FFT) có