báo cáo thông tin vô tuyến topic 5 nhiễu trắng nhiễu isi nhiễu xuyên kênh nhiễu đồng kênh nhiễu đa truy cập

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 hoặ

TRƯỜNG ĐIỆN ĐIỆN TỬ KHOA ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO: THÔNG TIN VÔ TUYẾN

KÊNH, NHIỄU ĐỒNG KÊNH, NHIỄU ĐA TRUY CẬP

Giảng viên hướng dẫn: NGUYỄN THU NGA Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 01

1 Vũ Đức Anh – 20198114 2 Hà Trung Hải - 20198127 3 Nguyễn Trọng Lâm – 20198135 4 Nguyễn Hoàng Ly – 20198138 5 Phạm Ngọc Thành - 20198151

Hà Nội, 11 - 2022

MỤC L C Ụ

MỤC LỤC 2

LỜI MỞ ĐẦ 3 UDANH MỤC HÌNH ẢNH 4

DANH MỤC BẢNG BIỂU 4

PHẦN I NHI U TRẾ ẮNG – GAUSSIAN NOISE 5

1 Khái niệm nhiễu trắng 5

2 Các phép biểu diễn toán học của nhiễu trắng 6

PHẦN II NHIỄU XUYÊN TÍN HIỆU ISI 9

2 ICI trong OFDM 15

3 Nguyên nhân & Tổng kết 16

4 Phương pháp xử lí ICI 17

5 Công thức liên quan 18

PHẦN IV NHIỄU ĐỒNG KÊNH 20

1 Định Nghĩa và Nguyên Nhân 20

2 Giải pháp 21

2.1 Nguyên lý tái sử d ng t n sụầố 22

PHẦN V NHIỄU ĐA TRUY CẬP 28

1 Định nghĩa 28

2 TDMA: Đa truy nhập phân chia theo thời gian 29

3 FDMA: Đa truy nhập phân chia theo tần số 29

4 CDMA: Đa truy nhập phân chia theo mã 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO 34

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 báo cáo gồm có 05 phần, tương ứng với 05 loại nhiễu, đó là:

1 Nhiễu trắng (Gaussian Noise)

2 Nhiễu xuyên tín hiệu ISI gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường (Intersymbol Interference)

3 Nhiễu xuyên kênh (Interchannel Interference) 4 Nhiễu đồng kênh (Co – channel Interference) 5 Nhiễu đa truy cập (Multiple access interference)

Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thu Nga đã hướng dẫn, giúp đỡ để chúng em hoàn thành bài báo caó này

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Đồ thị biểu diễn mâtj độ phổ công suất của nhiễu trắng trên toàn bộ dải tần 5

Hình 2 Môi trường truyền dẫn với sự có mặt của nhiễu trắng 5

Hình 3 Hàm phân bố Gauss 6

Hình 4 Mật độ phổ công suất nhiễu 7

Hình 5 Mô hình gây nhiễu 9

Hình 6 Ví dụ minh họa tín hiệu Input và Output 9

Hình 7 Méo pha 10

Hình 8 Bộ lọc cos nâng 11

Hình 9 Vị trí bộ lọc cân bằng kênh 13

Hình 10 Bộ lộc cân bằng kênh 13

Hình 11 Nhiễu xuyên kênh giữa 2 sóng mang kề nhau 15

Hình 12 Lỗi dịch tần số ICI trong hệ thống OFDM 16

Hình 13 Khoảng bảo vệ lặp 17

Hình 14 Biểu đồ tiền tố lặp CP 18

Hình 15 Giao thoa xuyên kênh 20

Hình 16 Một hệ thống thông tin tế bào (Cellular) 20

Hình 17 Các kỹ thuật giảm nhiễu 22

Hình 18 FR1 23

Hình 19 FR3 24

Hình 20 Tín hiệu của các user giao thoa với nhau 28

Hình 21 Các loại đa truy nhập thường gặp 28

Hình 22 Sự phân chia thời gian đối với các truy cập 29

Hình 23 Sự phân chia theo thời giam đối với các truy cập 30

Hình 24 Nhiễu lân cận tren các kênh của FDMA 30

Hình 25 Sự phân chia theo mã đối với các truy cập 32

Hình 26 Sơ đồ nguyên lý trải phổ 32

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Các kĩ thuật tái sử dụng tần số 25

PHẦN I NHI U TR NG GAUSSIAN NOISE Ế Ắ –

1.Khái niệm nhiễu trắng

Nhiễu trắng là quá trình xác suất có mậ độ phổ công suất phẳng (không đổi) trên toàn bộ dải tần [1]

Hình 1 Đồ thị biểu diễn mâtj độ phổ công suất của nhiễu trắng trên toàn bộ

dải tần

Nhiễu trắng là một loại nhiễu có hàm mật độ xác suất tuân theo phân bố Gauss [1] Môi trường truyền dẫn thực tế không chỉ có tác động của hiệu ứng phân tập đa đường và hiệu ứng doppler mà còn có sự tác động của nhiễu trắng như hình dưới Nhiễu trắng có thể do nguồn khác nhau gây ra như do thời tiết, do bộ khuếch đại ở máy thu, do nhiệt độ, hay do chính con người, tín hiệu của máy thu được viết lại như sau:

y(t)=x(t)*h(τ)+n(t)

Với n(t) là tác động nhiễu trắng

Hình 2 Môi trường truyền dẫn với sự có mặt của nhiễu trắng

➢ Hiệu ứng Doppler: gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu, bản chất hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu được bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler [1]

➢ Hiệu ứng phân tập đa đường: tín hiệu từ anten phát được truyền đến máy thu thông qua nhiều hướng phản xạ hoặc tán xạ khác nhau( dẫn tới: suy giảm cường độ và xoay pha tín hiệu không giống nhau tại các thời điểm các tần số khác nhau) [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 x tuân theo phân bố xác suất Gaus với giá trị kì vọng µ (giá trị trung bình xác suát) bằng không và độ lệch chuần là 𝜎2 [1] Điều này có nghĩa là:

µ := E[x]=0 và 𝜎2:= E[(x- µ)2]

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 và là 𝜎2 Hàm phân bố còn được viết dưới dạng:

𝑃𝑛(𝑥) = 1√2𝜋𝜎 𝑒

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 [1] Do vậy mật độ phổ công suất của nhiễu cũng bị giới hạn như sau:

Hình 4 Mật độ phổ công suất nhiễu

Ở hình trên ta giả sử là hệ thống có băng tần giới hạn 𝐵 = 2𝜔𝑔với chu kì lấy mẫu là t Mật độ phổ công suất của nhiễu như a Hình 4

được viết lại như sau:

⏀𝑛𝑛(𝑗𝜔) = 𝐹 𝜑{ 𝑛𝑛(𝜏) = {} 𝜎2𝑡0 𝑛ế𝑢 |𝜔| ≥ 𝜔𝑎 𝑛ế𝑢 |𝜔| < 𝜔𝑔; 𝑔 Trong đó: ⏀𝑛𝑛(𝑗𝜔) – Hàm mật độ công suất nhiễu 𝜑𝑛𝑛(𝜏) – Hàm tự tương quan của nhiễu

Hàm tự tương quan là biến đổi Fourier của hàm mật độ phổ công suất [1]Công suất của nhiễu có thể tính được bằng cả từ hàm mật độ công suất nhiễu hoặc hàm tự tương quan của nhiễu:

𝑃𝑛= 𝐸[𝑛2(𝑡)] = 𝜑𝑛𝑛(0) = 2𝜋 ∫ ⏀1 ∞ 𝑛𝑛(𝑗𝜔)𝑑𝜔 = 𝜎2 ∀𝑡−∞

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm: 𝑆𝑁𝑅 =𝑃𝑃𝑆

𝑛Với: 𝑃𝑆 - công suất tín hiệu có ích

Tỉ số SNR quyết định chất lượng tín hiệu và dung lượng kênh Sự can thiệp nhiễu trắng đến kênh truyền dẫn, cụ thể hơn là tỷ số công suất tín hiệu trên tạp âm, ảnh hưởng trực tiếp đến thông lượng của kênh và chất lượng tín hiệu thu

PHẦN II NHIỄU XUYÊN TÍN HIỆU ISI

Intersymbol Interference

1 Khái niệm

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(các xung riêng biệt chồng lên nhau trên miền thời gian ,các xung đến sau gây ảnh hưởng lên xung đến trước) 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

Hình 5 Mô hình gây nhiễu

Hình 6 Ví dụ minh họa tín hiệu Input và Output

2 Nguyên nhân gây nhiễu

Sự không chính xác của thời gian (tín hiệu phản xạ đến chậm hơn đè lên tín hiệu đến trước gây nhiễu)

Độ rộng dải tần không đủ

Méo biên độ: Các bộ lọc được sử dụng có đáp ứng xung riêng,do đó đáp ứng tần số của kênh bị ảnh hưởng.Khi mà đặc tuyến tần số của kênh truyền tin lệch khỏi các giả trị chuẩn hoặc các giá trị mong muốn thì sẽ có méo xung.Việc bù các sai lệch đó gọi là cân bằng biên độ

Méo pha: Một xung là sự tổng hợp hoặc chồng nhau của các sóng hình sin có biên độ và pha riêng biệt.Nếu các quan hệ pha tương đối của các sóng hình sin đó biến đổi thì sẽ xuất hiện méo pha.Méo pha xuất hiện khi các thành phần tần số có sự khác biệt về độ lệch thời gian trong qua trình truyền dẫn qua môi trường.Các bộ cân bằng độ lệch thời gian thưòng được sử dụng để bù độ lệch và giảm méo pha

Hình 7 Méo pha

3.Các bi n pháp khệ ắc ph c nhi u ISIụ ễ

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)

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 lúc này có phanr ứng xung:

Có giá trị cực đại bằng 1 tại t = 0 và có giá trị bằng 0 tại t = kπ/ω0 Gỉa sử rằng đầu vào của bộ lọc lý tưởng này có 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:

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

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 FIR như hình vẽ dưới

Hình 10 Bộ lộc cân bằng kênh

Đáp ứng xung của bộ lọc cân bằng kênh là:

PHẦN III NHIỄU XUYÊN KÊNH – Interchannel

Interference

1.Định nghĩa

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

Hình 11 Nhiễu xuyên kênh giữa 2 sóng mang kề nhau

2.ICI trong OFDM

Trong 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 phổ của các sóng mang chồng

lấn nhưng vẫn trực giao với sóng mang khác Điều này có nghĩa là tại tần số cực đại của phổ mỗi sóng mang thì phổ của các sóng mang khác bằng không Máy thu lấy mẫu các ký tự dữ liệu trên các sóng mang riêng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chúng tránh nhiễu từ các sóng mang khác Nhiễu gây ra bởi các dữ liệu trên sóng mang kế cận được xem là nhiễu xuyên kênh (ICI)

Hình 12 Lỗi dịch tần số ICI trong hệ thống OFDM

3 Nguyên nhân & Tổng kết

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 đưa vào giữa các dải tần làm việc một khoảng phổ bảo vệ nhằm tránh xuyên âm

ICI xảy ra khi kênh đa đường thay đổi trên thời gian ký tự OFDM Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra dịch tần số trên mỗi sóng mang, kết quả là mất tính trực giao giữa chúng

ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM bị nhiễu ISI

Sự lệch tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra nhiễu ICI trong hệ thống OFDM

Hình 14 Biểu đồ tiền tố lặp CP

Tái sử dụng tần số chương

5 Công thức liên quan

Năng lượng Của ICI

Năng lượng được biểu diễn theo hàm tương quan r(j)

Năng lượng được biểu diễn thông qua phổ Doppler

Biểu diễn theo kiểu thông thường

Giới hạn của công suất ICI

PHẦN IV NHIỄU ĐỒNG KÊNH

Co – Channel Interference

1. Định Nghĩa và Nguyên Nhân

Nhiễu đồng kênh xảy ra khi cả hai máy phát trên cùng một tần số hoặc trên cùng một kênh Máy thu điều chỉnh ở kênh này sẽ thu được cả hai tín hiệu với cường độ phụ thuộc vào vị trí của máy thu so với hai máy phát

Hình 15 Giao thoa xuyên kênh

Nhiễu đồng kênh thường gặp trong hệ thống thông tin số Cellular (mạng đa tế bào), trong đó để tăng hiệu suất sử dụng phổ bằng cách sử dụng lại tần số Như vậy có thể coi nhiễu đồng kênh trong hệ thống Cellular là nhiễu gây nên do các Cell sử dụng cùng 1 kênh tần số

Một mạng Cellular với mỗi Cell sử dụng một dải tần được ký hiệu 1 màu sắc khác nhau Các Cell có cùng dải tần sẽ gây nhiễu đồng kênh lẫn nhau Nhiễu đồng kênh liên quan tới việc sử dụng tần số Có thể ví dụ trong mạng GSM: Trong mạng GSM, mỗi trạm BTS được cấp phát một nhóm tần số vô tuyến Các trạm thu phát gốc BTS lân cận được cấp phát các nhóm kênh vô tuyến không trùng với các kênh của BTS liền kề Đặc trưng cho loại nhiễu này là tỉ số sóng mang trên nhiễu (C/I) Tỉ số này được định nghĩa là cường độ tín hiệu mong muốn trên cường độ tín hiệu nhiễu sau lọc cao tần và nó thể hiện mối quan hệ giữa cường độ tín hiệu mong muốn so với nhiễu đồng kênh từ các BTS khác

Công thức C/I: C/I = 10log (𝑃𝑐

𝑃𝑖) Trong đó:

Pc = Công suất tín hiệu thu mong muốn Pi = Công suất nhiễu thu được

=>khoảng cách các cell cùng tần số phải đủ lớn

➢ GIẢM NHIỄU CCI và ICI BẰNG KỸ THUẬT TÁI SỬ DỤNG TẦN SỐ PHÂN ĐOẠN

Hình 17 Các kỹ thuật giảm nhiễu

2.1 Nguyên lý tái s d ng t n sử ụ ầ ố

Một hệ thống tổ ong làm việc dựa trên việc sử dụng lại tần số Nguyên lý cơ bản khi thiết kế hệ thống tổ ong là các mẫu sử dụng lại tần số Tổng băng thông có trên mạng được phân chia giữa các tế bào trong một cụm

Cụm này sau đó có thể được sử dụng để xác định số cuộc gọi có thể được hỗ trợ trong mỗi tế bào Bằng việc giảm số lượng các tế bào trong một cụm, dung lượng của hệ thống có thể tăng lên, vì có thể có thêm nhiều kênh hơn trong mỗi tế bào Tuy nhiên mỗi lần giảm kích thước cụm sẽ gây nên một lần giảm khoảng cách sử dụng lặp tần, do vậy, hệ thống rất có nguy cơ trở thành giao thoa đồng kênh

Theo định nghĩa sử dụng lại tần số là việc sử dụng các kênh vô tuyến ở cùng một tần số mang để phủ sóng cho các vùng địa lý khác nhau Các vùng này phải cách nhau một cự ly đủ lớn để mọi nhiễu giao thoa đồng kênh (có thể xảy ra) chấp nhận được Tỉ số sóng mang trên nhiễu C/I phụ thuộc vào vị trí tức thời của thuê bao di động do địa hình không đồng nhất, số lượng và kiểu tán xạ Phân bố tỉ số C/I cần thiết ở hệ thống xác định số nhóm tần số F mà ta có thể sử dụng Nếu toàn bộ số kênh quy định N được chia thanh F nhóm thì mỗi

nhóm sẽ chứa N/F kênh Vì tổng số kênh N là cố định nên số nhóm tần số F nhỏ hơn sẽ dẫn đến nhiều kênh hơn ở một nhóm và một đài trạm Vì vậy, việc giảm số lượng các nhóm tần số sẽ cho phép mỗi đài trạm tăng lưu lượng nhờ đó sẽ giảm số lượng các đài trạm cần thiết cho tải lưu lượng định trước Ta biết rằng sử dụng lại tần số ở các cell khác nhau thì bị giới hạn bởi nhiễu đồng kênh C/I giữa các cell đó nên C/I sẽ là một vấn đề chính cần được quan tâm

Các kỹ tái sử dụng tần số cơ bản

Khái niệm về sector: trong 1 Cell có 1 trạm gốc đặt ở trung tâm Cell; trạm gốc này chứa 3 anten phát theo 3 hướng khác nhau tạo thành 3 vùng truyền dẫn hình cánh quạt

Giải pháp phân phổ tần số đơn giản nhất trong 1 mạng di động tế bào là phương pháp FR1: toàn bộ phổ tần số được tái sử dụng lại trên mỗi sector khác nhau và không có bất cứ hạn chế nào để phân bổ tài nguyên tần số hay công suất do đó cỏ thể đại được tốc độ đỉnh Tuy nhiên, trường hợp này nhiễu liên Cell tồi tệ đặc biệt tại vùng biên Cell

Hình 18 FR1

Toàn bộ băng tần có thể được chia thành 3 dải tần con và được phân phối cho mỗi sector sao cho mỗi sector sử dụng dải tần trực giao với