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 THƠNG 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 Định nghĩa Dải động nguồn tạp âm .4 2.1 Dải động (dynamic range) 2.2 Nguồn tạp âm .5 II Cách tính tốn đo đạc .7 Công suất tạp âm nhiệt độ tạp âm tương đương Đo nhiệt độ tạp âm Hệ số tạp âm 10 Một số phương pháp khác để đo tạp âm 12 IV Tài liệu tham khảo .12 Danh mục hình ảnh: Hình 1: Mơ tả dải động khuếch đại thực tế Hình 2: Điện áp ngẫu nhiên gây điện trở có tạp âm Hình 3: Ba mạch tương đương, (A) điện trở có tạp âm nhiệt độ T(K), (B) điện trở không tạp âm nối tiếp với nguồn áp tạo tap âm (mạch tương đương Thevenin) (C) điện trở khơng tạp âm song song với nguồn dịng tạo tạp âm (mạch tương đương Norton) Hình 4: Nhiệt độ tạp âm tương đương Te nguồn tạp âm trắng tùy ý Hình 5: Nhiệt độ tạp âm tương đương khuếch đại mang tạp âm (a) khuếch đại có tạp âm, (b) khuếch đại khơng tạp âm Hình 6: Phương pháp Y-factor để đo nhiệt độ tạp âm tương đương khuếch đại Hình 7: Hệ số tạp âm mạng có tạp âm Hình 8: Hệ thống ghép nối tầng hệ thống tương đương Hình 9: Sơ đồ đơn giản hệ thống đo tạp âm Hình 10: Tạp âm pha (phase noise) hiển thị máy phân tích phổ I Giới thiệu chung Tạp âm yếu tố có tầm ảnh hưởng quan trọng nhiều hệ thống thông tin vi ba, vơ tuyến, radar viễn thám tạp âm định ngưỡng tối thiểu mà tín hiệu thu với độ tin cậy cao Công suất tạp âm máy thu đưa vào từ môi trường thông qua anten thu, đồng thời tự sinh mạch điện máy thu Định nghĩa Tạp âm kết trình ngẫu nhiên dòng điện lỗ trống ống điện tử thiết bị thể rắn, lan truyền qua tầng điện ly khí bị ion hóa Cơ nhất, tạp âm tạo từ dao động nhiệt vật nhiệt độ độ khơng tuyệt đối Tạp âm truyền vào hệ thống vi ba từ nguồn bên ngoài, tự tạo thân hệ thống Trong hai trường hợp, mức độ tạp âm hệ thống làm giới hạn cường độ tín hiệu thu có hữu tạp âm Như vậy, thông thường hệ thống thiết kế cho giảm thiểu tối đa mức độ tạp âm máy thu để đạt dược hiệu suất tốt Trong số trường hợp, chẳng hạn máy đo xạ hệ thống thiên văn vơ tuyến, tín hiệu mong muốn lại cơng suất tạp âm thu anten, ta cần phải phân biệt công suất tạp âm tạp âm không mong muốn sinh thân hệ thống máy thu Dải động nguồn tạp âm 2.1 Dải động (dynamic range) Thông thường, ngầm giả định linh kiện tuyến tính, tức mức tín hiệu đầu tỷ lệ thuận với mức đầu vào, xác định (dự đốn từ tín hiệu vào) Thực tế, khơng thể có thành phần hệ thống lý tưởng vậy, chưa kể tới lượng tín hiệu vào/ra khơng giới hạn Tuy nhiên thường có dải mức tín hiệu mà giả định gần đúng, dải động (dynamic range) thiết bị Lấy ví dụ, khuếch đại transistor vi sóng có hệ số khuếch đại cơng suất G (hình 1) Nếu khuếch đại lý tưởng, công suất đầu tỷ lệ với đầu vào, Pout = GPin, mối quan hệ với giá trị Pin Do đó, Pin = 0, ta có Pout = 0, Pin = 106 W G = 10 dB P out = 107 W Tuy vậy, hai kết không thực xảy thực tế Do tạp âm tự sinh khuếch đại, số tạp âm khác không luôn xuất khuếch đại đầu vào Trong trường hợp khác, công suất đầu vào lớn làm hỏng khuếch đại Như vậy, mối quan hệ thực công suất đầu vào đầu biểu diễn hình Ở mức đầu vào thấp, đầu bị lấn áp tạp âm khuếch đại Mức thường gọi lề nhiễu thiết bị hệ thống, giá trị thường từ -80 đến -140 dBm băng thông hệ thống Trên lề nhiễu, khuếch đại có dải đầu vào mà giá trị P out = GPin gần Đây dải động sử dụng thiết bị Ở phần dải này, đầu bắt đầu bị bão hịa, tức cơng suất đầu khơng cịn tăng cách tuyến tính cơng suất đầu vào tăng Công suất đầu vào mức làm hỏng khuếch đại Hình 1: Mơ tả dải động khuếch đại thực tế 2.2 Nguồn tạp âm Tạp âm sinh bên thiết bị thường chuyển động ngẫu nhiên điện tích hạt mang điện thiết bị vật liệu Những chuyển động dựa theo chế nào, dẫn tới có nhiều loại tạp âm khác nhau:  Tạp âm nhiệt (thermal noise): tạp âm nhất, gây dao động nhiệt điện tích chuyển động Nó cịn gọi tạp âm Johnson tạp âm Nyquist  Shot noise: dao động ngẫu nhiên hạt mang điện, electron lỗ trống ống điện tử thiết bị thể rắn  Tạp âm nháy (flicker noise): xảy linh kiện thể rắn ống chân không Công suất tạp âm nháy thay đổi theo tỷ lệ nghịch với tần số, hay gọi 1/f-noise  Tạp âm plasma (plasma noise): gây chuyển động ngẫu nhiên điện tích khí bị ion hóa, chẳng hạn plasma, tầng điện ly tia lửa điện  Tạp âm lượng tử (quantum noise): kết từ chất lượng tử hạt mang điện photon Nó thường khơng đáng kể so với nguồn tạp âm khác  Tạp âm pha (phase noise): dạng tạp âm vơ tuyến thấy tần số vơ tuyến tín hiệu khác Nó xuất dạng rung pha nhiễu loạn tín hiệu Tạp âm pha tự biểu dạng dải biên trải hai bên tín hiệu sóng mang Tạp âm từ bên ngồi vào hệ thống anten thu khớp ghép nối điện từ Một số nguồn tạp âm vô tuyến bên ngoài:          Tạp âm nhiệt từ mặt đất (thermal noise) Tạp âm vũ trụ từ bầu trời (cosmic background noise) Tạp âm từ thiên thể (stars), bao gồm mặt trời Tia chớp Đèn xả khí gas Đài phát thanh, TV trạm di động Thiết bị khơng dây Lị vi sóng Thiết bị gây nhiễu có chủ ý Các ảnh hưởng tạp âm hệ thống vô tuyến hệ thống vi ba nhiệt độ tạp âm hệ số tạp âm (noise figure) áp dụng cho tất loại tạp âm, nguồn gốc miễn phổ tạp âm tương đối phẳng băng thông hệ thống Tạp âm với phổ tần số phẳng gọi tạp âm trắng (white noise) II Cách tính tốn đo đạc Công suất tạp âm nhiệt độ tạp âm tương đương Xem xét điện trở nhiệt độ vật lý T theo thang Kelvin, mô tả hình Các electron điện trở chuyển động ngẫu nhiên với động tỷ lệ thuận với nhiệt độ Các chuyển động ngẫu nhiên tạo điện áp thấp ngẫu nhiên dao động cực điện trở, mơ tả hình Điện áp có giá trị trung bình giá trị trung bình bình phương (rms) tính theo định luật xạ vật đen Planck: V n= Trong đó:       √ hf BR e hf /kT −1 (1) h = 6.626 × 10−34 J-sec số Planck k = 1.380 × 10−23 J/K số Boltzmann T = nhiệt độ theo thang Kelvin (K) B = băng thông hệ thống (Hz) f = tần số trung tâm băng thơng (Hz) R = điện trở (Ω) Hình 2: Điện áp ngẫu nhiên gây điện trở có tạp âm Thơng thường, coi hf 1 N T 2+ Te Te= T 1−Y T Y −1 Hình 6: Phương pháp Y-factor để đo nhiệt độ tạp âm tương đương khuếch đại Hệ số tạp âm Ngoài nhiệt độ tạp âm, linh kiện thành phần vi sóng đặc trung đặc tính khác hệ số tạp âm Đặc tính biểu thị suy giảm tỉ số tín hiệu tạp âm (signal-to-noise ratio) đầu vào thành phần Tỉ số tín hiệu tạp âm tỉ lệ cơng suất tín hiệu mong muốn tín hiệu khơng mong muốn, phụ thuộc vào cơng suất tín hiệu Khi tạp âm tín hiệu mong muốn đặt đầu vào hệ thống không tạp âm, hai thành phần bị suy giảm khuếch đại hệ số, tỉ số tín hiệu tạp âm khơng đổi Tuy nhiên, hệ thống có tạp âm, cơng suất tạp âm đầu lớn công suất tín hiệu đầu ra, làm cho tỉ số tín hiệu tạp âm nhiễu đầu giảm Hệ số tạp âm F dùng để đo suy giảm qua công thức: F= Si/¿ ≥1 So /No 10 Hình 7: Hệ số tạp âm mạng có tạp âm Từ hình tính hệ số tạp âm: F= S i kGB (T 0+T e ) Te =1+ ≥1 k T0 B G Si T0 => T e =( F−1)T Ngoài hệ thống viễn thơng, có nhiều tầng ghép nối với Khi hệ số tạp âm hệ thống tính cơng thức Friss: F total=F1 + F2−1 F 3−1 + +… G1 G1 G2 T total=T e1 + T e T e3 + +… G G1 G Hình 8: Hệ thống ghép nối tầng hệ thống tương đương 11 Một số phương pháp khác để đo tạp âm  Đo máy đo tạp âm (meter method) Hình 9: Sơ đồ đơn giản hệ thống đo tạp âm  Máy phân tích phổ (spectrum analyser) Hình 10: Tạp âm pha (phase noise) hiển thị máy phân tích phổ 12 IV Tài liệu tham khảo [1] Pozar, David M - Microwave engineering-Wiley (2012) [2] https://www.electronics-notes.com/articles/basic_concepts/electronic-rfnoise/measurement-techniques.php [3] https://en.wikipedia.org/wiki/Johnson%E2%80%93Nyquist_noise 13 ... truyền vào hệ thống vi ba từ nguồn bên ngoài, tự tạo thân hệ thống Trong hai trường hợp, mức độ tạp âm hệ thống làm giới hạn cường độ tín hiệu thu có hữu tạp âm Như vậy, thơng thường hệ thống thiết... ảnh hưởng tạp âm hệ thống vô tuyến hệ thống vi ba nhiệt độ tạp âm hệ số tạp âm (noise figure) áp dụng cho tất loại tạp âm, nguồn gốc miễn phổ tạp âm tương đối phẳng băng thông hệ thống Tạp âm với... đương khuếch đại Hình 7: Hệ số tạp âm mạng có tạp âm Hình 8: Hệ thống ghép nối tầng hệ thống tương đương Hình 9: Sơ đồ đơn giản hệ thống đo tạp âm Hình 10: Tạp âm pha (phase noise) hiển thị máy phân