Đề tài Các loại nhiễu trong di động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG š & › BÁO CÁO THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỀ TÀI: CÁC LOẠI NHIỄU TRONG DI ĐỘNG GV hướng dẫn : Trương Tấn Quang Nhóm thực hiện : Dương Quang Long 0620032 Nguyễn Thị Tân 0620102 Đinh Văn Lợi 0620041 Trần Bình Trọng 0620089 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 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 báo cáo 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). ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 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: 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 biến xác suất Gauss với giá trị kì vọng μ =0 và độ lệch chuẩn là σ2 μ =E[x]=0 σ2 =E[(x- μ)2] Hình 2: Hàm phân bố Gauss Do kỳ vọng bằng không nên độ lệch chuẩn cũng bằng phương sai của biến ngẫu nhiên x. Cụ thể hơn nhiễu trắng có công suất không đổi σ2 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 Ở hình trên ta giả sử là hệ thống có băng tần giới hạn B = 2ωg , vớichu kì lấy mẫu là ta 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 Fourier của hàm tự tương quan.Ở phương trình trên Фnn(jω) là hàm mật độ công suất nhiễu còn φnn(τ) là hàm tự tương quan của nhiễu với định nghĩa : φnn(τ) = E[n(t)n(t+ τ)] = σ2 si ωg τ Theo phương trình hàm tự tương quan là biến đổi Fourie 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 Fourie 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: Khi đó tỉ số tín hiệu trên tạp âm được tính theo công thức sau: SNR=Ps/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) 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 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.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). 2.2.1. Bộ lọc cos nâng: Tín hiệu từ nguồn gồm có M phần tử, song chúng ta hạn chế chỉ khảo sát trường hợp khi các phần tử si(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 mk một hằng số ak mà 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=kTs. Các xung dạng dirac này, có biên độ thay đổi tuỳ theo sự thay đổi các giá trị mk, qua bộ lọc T(ω) 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(ω)=T(ω).R(ω). Bây giờ chúng ta sẽ tìm kiếm lớp các đặc tính lọc C(ω) 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 π/T tính theo tần số góc). Trước tiên ta hãy xem xét trường hợp C(ω) 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(ω)| có dạng: Bộ lọc này có phản ứng xung là: Có giá trị cực đại bằng 1 tại t=0 và có giá trị bằng 0 tạo t=kπ/ω0. 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(ω)được cho bởi: Trong trường hợp này, phản ứng xung đầu ra sẽ không gây nên ISI nếu tần số cắt của bộ lọc là f0=ω0/2π=1/2T. Do đơn giản trong tính toán, hàm số cong dạng cosine thường được sử dụng để phân tích các bộ lọc này. Hàm truyền tổng cộng khi đó có dạng: Và phản ứng xung có dạng: Hàm truyền liên tục thì có biên độ gợn sóng suy giảm theo luỹ thừa 3 của biến t. Do vậy ngay cả khi đồng bộ không lý tưởng thì giá trị của phản ứng xung đầu ra của các bộ lọc này sẽ bị chặn. Do đó, ISI sẽ nhỏ ngay cả khi đồng bộ không lý tưởng. 2.2.2. Bộ lọc ngang ép không: Theo hình 6 ta có đáp ứng tần số của toàn hệ thống từ phát đến thu là H0(f)= HT(f). Hc(f)HE(f) Với đáp ứng xung tổng hợp h0(t)= f -1 [H0(f) ] Để thoả mãn điều kiện không có nhiẽu liên kí hiệu ISI thì 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 FIR0 như hình vẽ dưới Đáp ứng xung của bộ lọc cân bằng kênh là: Đáp ứng tần số tương ứng là: Vấn đề của bộ lọc đảo chính là lựa chọn các hệ số của bộ lọc sao cho xấp xỉ được điều kiện zero- ISI. 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 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 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 và riêng. Giới hạn chung chỉ phụ thuộc vào tần số Doppler lớn nhất ( d f ) và thời gian ký tự ( s T ). 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 Với fk= fo +kf là tần số của k – kênh con (subchannel) và f=1/Ts .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,τ ), là: 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,τ ) =γ (t)δ (τ ) Tín hiệu nhận được sẽ là: γ (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 γ (t ) là: tần số Doppler lớn nhất : d f . Cả 2 trường hợp phổ Doppler đều đồng dạng và có 2 kiểu đường dẫn. (path). Đó là: Và: Hàm tương quan của γ (t ) , định nghĩa là Dễ dàng suy ra r(τ ) =F−1 {P(f)} Hàm tương quan có thể biểu diễn ở 3 dạng như sau: 3.2.3. Phân tích nhiễu xuyên kênh (ICI) Để đơn giản, sự hội nhập (intergration) sẽ dùng để thay thế hàm chuyển đổi Fourier rời rạc (DFT). Bởi vậy, kết quả sẽ bao gồm cả phần đưa vào trường hợp số song mang không xác định. Tuy nhiên, so sánh với trường hợp số 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: a 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, a1 ≠ 0 , và ra kết quả của ICI. Năng lượng của ICI được định nghĩa là: Với OFDM có số sóng mang con không xác định, ICI P có thể biểu diễn thông qua hàm tương quan r (τ) là: Hoặc thông qua mật độ phổ Doppler: 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: b. Giới hạn Sử dụng các công thức phía trên, năng lượng ICI có thể tính chính xác. Tuy nhiên, các công thức tính chính xác khá phức tạp và không dễ 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. Dễ thấy : Hơn nữa : Với i=1, 2 ..được định nghĩa là Hằng số α1 và α2 dễ dàng tính toán và đưa ra kết quả như bảng 1. Thay vào bất đẳng thức (7), chúng ta tính được giới hạn của công suất ICI. Nếu không biết phổ Doppler, α1 và α2 cũng có thể tính đuowcj thông qua cách tính gần đúng khác. Ví dụ, có thể chứng minh như sau: Cách tính có phần đơn giản hơn khi liên quan đến phổ Doppler. Bởi vì γi (t ) độc lập với I và có cùng thống kê, giống với cả kênh phẳng và kênh fading phân tán. Hơn nữa, công thức chính xác tính P ICI vàgiới 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 dT 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 được hiệu quả sử dụng phổ. 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 hiệu OFDM 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 một (hay nhiều) sóng mang con không tồn tại chính xác một số nguyên lần chu kì. Hình 10Khi đó, người ta thay khoảng bảo vệ “trắng” bằng khoảng bảo vệ lặp, tức là mở rộng chu kì mẫu tín hiệu Hệ thống OFDM do vậy rất đc kì vọng cho các ứng dụng ở địa hình phức tạp, như các thành phố (với nhiều nhà cao tầng) hay vùng nông thôn(nhiều đồi núi). Theo mình biết thì kĩ thuật này hiện có trong các chuẩn phát thanh số (DAB), truyền hình số (DVB), IEEE802.11a,g và IEEE802.16 với tốc độ truyền dữ liệu rất hấp dẫn, có thể lên tới 54Mbps thay vì 11Mbps như trong CDMA. Tuy nhiên, vấn đề triển khai hệ thống này còn gặp khá nhiều khó khăn, chủ yếu là do vấn đề chi phí lắp đặt, và hiện tại cũng không có nhiều ứng dụng đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu quá cao, còn với các ứng dụng thấp hơn, các hệ thống hiện nay đã quá đủ để cung cấp dịch vụ. Nhiễu lựa chọn tần số cũng là