Nghiên cứu ảnh hưởng và giải pháp hạn chế nhiễu cho thiết bị đo điện áp sử dụng trong lĩnh vực đo lường kiểm tra trang thiết bị sonar quân sự

Vấn đề chống nhiễu là rất quan trọng trong việc nghiên cứu thiết kế, sản xuất các thiết bị, hệ thống điều khiển tự động, đo lường…Việc nghiên cứu về nhiễu và các phương pháp chống nhiễu

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

CAO ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG VÀ GIẢI PHÁP HẠN CHẾ NHIỄU CHO THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN ÁP

SỬ DỤNG TRONG LĨNH VỰC ĐO LƯỜNG KIỂM TRA TRANG THIẾT BỊ SONAR QUÂN SỰ

LUẬN VĂN THẠC SĨ: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

CAO ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG VÀ GIẢI PHÁP HẠN CHẾ NHIỄU CHO THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN ÁP

SỬ DỤNG TRONG LĨNH VỰC ĐO LƯỜNG KIỂM TRA TRANG THIẾT BỊ SONAR QUÂN SỰ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 60520203

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Lê Quốc Vượng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc

Hải Phòng, ngày 15tháng 9 năm 2016

Kỹ sƣ Cao Anh Tuấn

LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình làm luận văn, mặc dù đã cố gắng nhiều nhưng do trình độ có hạn nên không thể tránh khỏi những sai xót, tôi rất mong nhận được sự phê bình, hướng dẫn và sự giúp đỡ của thầy cô, bạn bè

Tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo Phó giáo sư tiến

sỹ Lê Quốc Vượng Chủ nhiệm Bộ môn Kỹ thuật điện tử đã hướng dẫn hoàn thành luận văn

Thông qua luận văn này tôi xin gởi lời cảm ơn tới gia đình, thầy cô và bè

bạn đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHIỄU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁPCHỐNG NHIỄU……… 3

1.1 Khái niệm và phân loại 3

1.1.1 Khái niệm chung 3

1.1.2 Phân loại nhiễu 4

1.2 Cơ sở toán học của nhiễu……… 12

1.2.1 Cơ sở toán học……… 12

1.2.2 Nhiễu tính nhân 18

1.3 Các phương pháp chống nhiễu 20

1.3.1 Chống nhiễu trong thông tin vô tuyến 20

1.3.2 Các phương pháp chống nhiễu trong đo lường 27

1.4 Kết luận chương I: 31

CHƯƠNG II: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỐNG NHIỄU TRONG VOLTMETER SỐ 32

2.1 Các bộ biến đổi trong Voltmeter……… 35

2.1.1 Bộ biến đổi tương tự - tương tự 32

2.1.2 Bộ biến đổi tương tự - số 34

2.1.3 Bộ biến đổi số - tương tự 37

2.2 Một số loại Voltmeter số điển hình 38

2.2.1 Voltmeter số biến đổi tần số 38

2.2.2 Voltmeter số biến đổi cân bằng 40

2.2.3 Voltmeter số tích phân một lần 41

2.3 Các phương pháp chống nhiễu trong Voltmetersố tích phân…… 50

2.3.1 Phương pháp dùng bộ lọc tương tự để chống nhiễu ngẫu nhiên 46

2.3.2 Phương pháp nhớ và bù trôi không ở bộ khuếch đại một chiều 49

2.3.4 Phương pháp phân cách tín hiệu tương tự và tín hiệu số 51

2.3.5 Phương pháp tách và bù nhiễu đầu vào 52

2.4 Kết luận chương II: 60

CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG VOLTMETER SỐ TÍCH PHÂN HAI LẦN CHỐNG NHIỄU CAO 62

3.1 Giới thiệu phần mềm Matlab 62

3.2 Mô phỏng các khối của Voltmeter số tích phân hai lần 62

3.2.1 Mô phỏng khối bộ đếm 63

3.2.2 Mô phỏng khối chức năng điều khiển 64

3.3 Mô phỏng nguyên lý hoạt động Voltmeter số tích phân hai lần 65

3.4 Mô phỏng khả năng chống nhiễu chu kỳ Voltmeter tích phân 67

3.4.1 Chống nhiễu chu kỳ 67

3.4.2 Chống nhiễu ngẫu nhiên 69

3.5 Mô phỏng quá trình thực hiện bù và nhớ điện áp trôi “0” 71

3.6 Mô phỏng hiệu chỉnh sai số trôi “0” và chống nhiễu điện áp lưới 73

3.7 Mô phỏng hiệu chỉnh trôi “0” chống nhiễu điện lưới và cao tần 74

3.8 Mô phỏng Voltmeter tích phân sử dụng bộ biến đổi thuận nghịch 76

3.9 Mô phỏng voltmeter hồi tiếp âm sử dụng bộ biến đổi số tương tự 82

3.10 Khảo sát ảnh hưởng của nhiễu ngẫu nhiên lên Voltmeter 78

3.11 Mô phỏng Voltmeter với mức tác động cao 79

3.12 Mô phỏng Voltmeter tách nhiễu 80

3.12.1 Mô phỏng Voltmeter tách nhiễu chu kỳ 80

3.12.2 Mô phỏng Voltmeter tách nhiễu chu kỳ và ngẫu nhiên 82

3.13 Kết luận chương III: 84

KẾT LUẬN 85

Tài liệu tham khảo 87

NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN 88

ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN 89

Phụ lục

Danh mục các bảng

Bảng 3.1.Khảo sát tham số hoạt động của Voltmeter số 67

Bảng 3.2Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiễu tới kết quả phép đo 71

Bảng 3.3.Khảo sát sự chống nhiễu điện lưới và điện áp trôi “0” 74

Bảng 3.4.Khảo sát ảnh hưởng tần số nhiễu ngẫu nhiên đến kết quảphép đo 79

Bảng 3.5 Khảo sát kết quả có bù nhiễu và không bù nhiễu 84

Danh mục các hình vẽ Hình 1.1 Sơ đồ tổng hợp các loại nhiễu trong tác chiến điện tử 9

Hình 1.2 Sơ đồ phân loại nhiễu trong đo lường 11

Hình 1.3 Sơ đồ máy thu có sử dụng bộ lọc 22

Hình 1.4 Dạng tín hiệu của s(t) và g(t) 24

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống có phản hồi 25

Hình 1.6 Dùng biến áp phân cách tương tự và số 29

Hình 1.7 Bọc kim dây đo 30

Hình 1.8 Bọc kim trong cầu đo 30

Hình 1.9 Bọc kim ngăn cách điện dung ký sinh 31

Hình 2.1 Sơ đồ khối bộ biến đổi điện áp - tần số 33

Hình 2.2 Biểu đồ thời gian của bộ biến đổi điện áp tần số 33

Hình 2.3 Sơ đồ khối bộ biến đổi thời gian - mã 35

Hình 2.4 Biểu đồ thời gian bộ biến đổi thời gian - mã 35

Hình 2.5 Sơ đồ khối bộ biến đổi điện áp - mã 36

Hình 2.6 Biểu đồ thời gian của bộ biến đổi điện áp - mã 37

Hình 2.7 Sơ đồ khối bộ biến đổi mã - thời gian 37

Hình 2.8 Sơ đồ khối voltmeter biến đổi tần số 39

Hình 2.9 Biểu đồ thời gian của voltmeter số biến đổi tần số Error! Bookmark not defined Hình 2.10 Sơ đồ khối vôn voltmeter biến đổi cân bằng 40

Hình 2.11 Sơ đồ khối voltmeter số tích phân một lần 41

Hình 2.12 Biểu đồ thời gian của voltmeter số tích phân 1 lần 42

Hình 2.13 Sơ đồ khối của vôn voltmeter tích phân hai lần 44

Hình 2.14 Biểu đồ thời gian voltmeter số tích phân hai lần 45

Hình 2.15 Sơ đồ mạch lọc tần số thấp 47

Hình 2.16 Xác định tần số cắt của mạch lọc 48

Hình 2.17 Sơ đồ mạch lọc RC 48

Hình 2.18 Sơ đồ mạch nhớ và bù điện áp trôi không 50

Hình 2.19 Sơ đồ voltmeter sử dụng bộ đếm thuận nghịch 51

Hình 2.20 Sơ đồ khối của voltmeter sử dụng bọc kim chống nhiễu 56

Hình 2.21 Sơ đồ rút gọn của voltmeter tách nhiễu 53

Hình 2.22 Sơ đồ khối của vôn voltmeter tích phân hai lần 54

Hình 2.23 Biểu đồ thời gian mối quan hệ điện áp nhiễu với T TP 56

Hình 2.24 Biểu đồ thời gian mối quan hệ điện áp nhiễu với T TP 57

Hình 2.25 Hệ số chế áp nhiễu B phụ thuộc vào tần số nhiễu f n 60

Hình 3.1 Sơ đồ khối bộ đếm nhị phân 63

Hình 3.2 Biểu đồ dạng tín hiệu của bộ đếm 63

Hình 3.3 Sơ đồ khối điều khiển lô gíc 64

Hình 3.4 biểu đồ thời gian khối điều khiển 64

Hình 3.5 Sơ đồ chi tiết khối điều khiển 65

Hình 3.6 Sơ đồ mô phỏng voltmeter số tích phân hai lần 65

Hình 3.7 Biểu đồ thời gian của voltmeter 66

Hình 3.8 Sơ đồ chống nhiễu của voltmeter tích phân hai lần 68

Hình 3.9 Biểu đồ thời gian của nhiễu 68

Hình 3.10 Biểu đồ thời gian của nhiễu 69

Hình 3.11 Dạng tín hiệu quan sát được trên máy hiện sóng 70

Hình 3.12 Biểu đồ thời gian sự tác động của nhiễu 70

Hình 3.13 Sơ đồ mô phỏng thực hiện bù nhớ trôi “0” 72

Hình 3.14 Biểu đồ thời gian điện áp trôi “0” 72

Hình 3.15Sơ đồ mô phỏng hiệu chỉnh trôi “0” , chống nhiễu điện áp lưới 73

Hình 3.16 Biểu đồ thời gian loại trừ nhiễu điện lưới và trôi “0” 74

Hình 3.17 Sơ đồ mô phỏng trôi “0”, chống nhiễu điện lưới và cao tần 75

Hình 3.18 Dạng nhiễu ngẫu nhiên đầu vào 75

Hình 3.19 Biểu đồ thời gian của voltmeter 76

Hình 3.20 Sơ đồ mô phỏng voltmeter sử dụng bộ biến đổi thuận nghịch 77

Hình 3.21 Sơ đồ mô phỏng voltmeter sử dụng hồi tiếp âm 78

Hình 3.22 Sơ đồ mô phỏng voltmeter tác động cao 79

Hình 3.23 Biểu đồ thời gian của voltmeter 80

Hình 3.24 Sơ đồ mô phỏng voltmeter tách nhiễu 81

Hình 3.25 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển 81

Hình 3.26 Biểu đồ thời gian của tín hiệu nhiễu và điều khiển 82

Hình 3.27 Biểu đồ thời gian của voltmeter 82

Hình 3.28 Sơ đồ mô phỏng voltmeter bù nhiễu 83

Hình 3.29 Biểu đồ thời gian dạng tín hiệu của nhiễu 83

Hình 3.30 Biểu đồ thời gian của voltmeter 83

MỞ ĐẦU

Nhiễu là một ảnh hưởng không mong muốn đối với các hệ thống đo lường, thông tin, sonar, hệ thốngtự động hoá Vấn đề chống nhiễu là rất quan trọng trong việc nghiên cứu thiết kế, sản xuất các thiết bị, hệ thống điều khiển tự động, đo lường…Việc nghiên cứu về nhiễu và các phương pháp chống nhiễu là vấn đề cấp thiết vì tác động của nhiễu làm cho các hệ thống thiết bị, sai lệch, giảm độ tin cậy,

và đặc biệt trong đo lường thì ảnh hưởng của nhiễu trực tiếp đến độ chính xác, độ tin cậy của thiết bị đo, càng hạn chế được nhiễu thì càng nâng cao được độ chính xác, độ tin cậy của các hệ thống, thiết bị, phương tiện đo

Việc nghiên cứu về các phương pháp chống nhiễu trong phương tiện đo điện

áp (Voltmeter) là nhiệm vụ quan trọng trong đo lường, trong thực tế có nhiều phương pháp chống nhiễu được áp dụng để nâng cao độ chính xác của phương tiện

đo Tuy nhiên, việc tổng hợp các phương pháp chống nhiễu và mô phỏng chúng bằng phần mềm máy tính sẽ cho ta một cách nhìn tổng thể và khẳng định tính hiệu quả của các phương pháp chống nhiễu Trên cơ sở các tài liệu tham khảo về các phương pháp chống nhiễu cho các phương tiện kỹ thuật nói chung và cho phương tiện đo điện áp nói riêng, ta cần nghiên cứu nguyên lý hoạt động của Voltmeter số tích phân hai lần, thông qua việc mô phỏng bằng phần mềm Matlab để đưa ra được những kết quả trực quan về khả năng chống nhiễu của nó

Căn cứ vào những lý do trên tôi chọn luận văn: “Nghiên cứu ảnh hưởng và giải pháp hạn chế nhiễu cho thiết bị đo điện áp sử dụng trong lĩnh vực đo lường kiểm tra trang thiết bị sonar quân sự” Mục đích của luận văn là: Nắm

vững và hiểu bản chất của nhiễu, cơ sở toán học của nhiễu, các phương pháp chống nhiễu cho phương tiện đo (PTĐ) nói chung và trong voltmeter nói riêng Sử dụng thành thạo phần mềm Matlab, mô phỏng được các phương pháp chống nhiễu trong voltmetersố tích phân hai lần Thông qua các kết quả đạt được đề xuất hướng nghiên cứu, áp dụng tiếp theo

Nội dung cụ thể của luận văn bao gồm:

Chương 1 Tổng quan về nhiễu và các phương pháp chống nhiễu

Nội dung của chương là giới thiệu một cách cụ thể về các loại nhiễu trong truyền tin, sonar và đo lường, trình bày cơ sở toán học, bản chất của nhiễu, phân loại nhiễu và các phương pháp chống nhiễu

Chương 2 Nguyên lý hoạt động của phương tiện đo điện áp(voltmeter)số và

các phương pháp chống nhiễu trong voltmetersố

Trình bày sơ đồ cấu trúc và nguyên lý hoạt động của voltmeter, tập trung vào voltmetersố tích phân hai lần Trên cơ sở đó tổng hợp và phân tích các phương pháp chống nhiễu đã dùng trong voltmeterhiện nay

Chương 3 Mô phỏng voltmetersố tích phân hai lần chống nhiễu cao

Trong chương này tập trung trình bày về mô phỏng voltmetersố tích phân hai lần với khả năng chống nhiễu cao và khảo sát kết quả mô phỏng, rút ra những kết luận cụ thể cho luận văn

Sau một thời gian nghiên cứu, được sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của

PGS-TS Lê Quốc Vượng, sự chỉ đạo, tạo điều kiện thuận lợi của Khoa Kỹ thuật điện tử

và Viện Đào tạo sau đại học Trường Đại học HHVN, bản luận văn đã được hoàn thành Tuy nhiên, do thời gian có hạn, trình độ nghiên cứu của bản thân có những hạn chế nhất định nên luận văn còn có sai sót Rất mong sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo và bạn bè đồng nghiệp

Xin trân trọng cảm ơn!

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHIỄU VÀ CÁC PHƯƠNG

PHÁPCHỐNG NHIỄU 1.1 Khái niệm và phân loại

1.1.1 Khái niệm chung

Trong thông tin nói chung, chúng ta đã biết nhiễu là một dạng tín hiệu không mong muốn nhưng vẫn tồn tại, trong các thiết bị đo lườngđiện tử thì nhiễu là một thành phần ảnh hưởng đến độ tin cậy và độ chính xác của thiết bị Chúng ta cũng

có thể hiểu một cách khác nhiễu là những tác động có ảnh hưởng xấu đến hệ thống thông tin, các thiết bị điện, điện tử

Trên cơ sở như vậy ta có một số các khái niệm về nhiễu như sau:

Các tín hiệu ngoại lai tác động lên hệ truyền và gây trở ngại cho việc nhận tín hiệu chuẩn của hệ thống được gọi là nhiễu

Nhiễu là kết quả của một năng lượng không mong muốn do một hoặc nhiều bức xạ, phát xạ kết hợp với nhau hay cảm ứng trên đầu vào của một hệ thống thông tin, hay là những dao động sóng âm không mong muốn tác động vào máy thuthủy

âm, biểu thị bằng việc làm suy giảm hay sai lệch đoạn thông tin mong muốn do sự xuất hiện của thông tin không mong muốn đó gây ra

Nguồn gây nhiễu có thể nằm trong hoặc ngoài hệ truyền (hệ truyền ở đây có thể là một hệ thống điều khiển tự động hoặc một thiết bị điện tử bất kỳ, một thiết bị

đo lường nào đó…)

Nếu như nhiễu điều hòa (hay nhiễu chu kỳ) ta đã biết được quy luật xuất hiện và các nguồn gây ra nhiễu thì việc chống nhiễu sẽ trở nên không khó, vì nền của nhiễu thay đổi có thể loại bỏ được bằng các biện pháp bù đơn giản; hoặc nhiễu

từ các trạm vô tuyến có phổ điều biến được khử bằng các bộ lọc tương ứng Như vậy việc chống nhiễu có quy luật sẽ không khó khăn bằng chống nhiễu ngẫu nhiên

Để có thể tìm hiểu sâu hơn về các loại nhiễu và tính chất của nó ta cần có một cách nhìn khái quát về phạm vi ảnh hưởng của nhiễu và cách phòng chống Mỗi một phương pháp chống nhiễu hiệu quả cho một dạng nhiễu cụ thể Trong phần sau ta tiến hành phân loại nhiễu

1.1.2 Phân loại nhiễu

a.Nhiễu trong thông tin vô tuyến điện

Trong thông tin vô tuyến điện thì nhiễu bao gồm: Nhiễu chấp nhận được; nhiễu được thừa nhận; nhiễu có hại

Để đánh giá mức độ nhiễu người ta sử dụng tham số: tỷ số tín hiệu/nhiễu (Carrier/Interference - C/I: tín hiệu mong muốn/tín hiệu không mong muốn) Giá trị này được tính bằng decibel (dB), tại đầu vào máy thu và cũng được sử dụng để đánh giá chất lượng của tín hiệu mong muốn

Để đánh giá nguồn nhiễu người ta đưa ra một số chỉ tiêu sau đây: Tần số trung tâm của nguồn nhiễu, độ rộng tần số sóng mang, độ ổn định tần số, loại phát

xạ, mức công suất phát, mức bức xạ đẳng hướng tương đương lớn nhất, các mức bức xạ ngoài băng tần

Các tính chất của anten bao gồm: độ cao hiệu dụng, hướng của anten, tỷ số sóng đứng, góc phương vị, búp sóng chính

Ta có thể phân loại theo nhiễu do một nguồn nhiễu gây nên: nhiễu vô tuyến

do nhiều nguồn nhiễu gây nên, nhiễu cùng kênh từ một máy phát đặt ở xa, nhiễu kênh kề từ một máy phát có kênh tần khác biệt

b Nhiễu trong thông tin thuỷ âm,đàisonar

Nhiễu thủy âm có nghĩa là những dao động âm không mong muốn tác động vào máy thu âm, lẫn lộn vào tín hiệu có ích, gây khó khăn cho việc phát hiện mục tiêu

Đối với Sonar, do máy thu làm việc ở tần số thấp (cỡ chục kHz) và có giải thông hẹp nên tạp nội bộ của máy thu rất nhỏ, coi như không ảnhhưởng đến độ nhạy máy thu Nhưng khi có các nhiễu thủy âm tác động từ bên ngoài luôn luôn tồn tại từ rất nhiều nguồn khác nhau, lại không thể tránh được Đó là ảnh hưởng chính đến việc thu nhận tín hiệu (các thông tin có ích) Và ảnh hưởng đến độ nhạy máy thu

Để phân tích nhiễu thủy âmcăn cứ vào nguồn gốc phátsinh ta chia thành hai thành phần: nhiễu nhân tạo và nhiễu tự nhiên

- Nhiễu nhân tạo được tạo ra bằng các thiết bị đặc biệt dùng riêng cho mục đích phá hoại sự phát hiện và thông tin liên lạc của đối phương, đồng thời tạo giả hoặc ngụy trang các mục tiêu của mình khỏi bị đối phương phát hiện Nó có thể là những dao động âm hoặc tạp âm

- Nhiễu tự nhiên có nguồn gốc từ tự nhiên và được chia làm hai loại:

+ Nhiễu tích cực: nhiễu do tạp âm của biển, của các sinh vật biển, của tàu thuyền chuyển động phát ra

+ Nhiễu tiêu cực: nhiễudo hồi âm, là nhiễu sinh ra do sự không đồng nhất của môi trường truyền âm gây lên sự hồi âm (phản xạ, khúc xạ các tầng nước có nhiệt độ khác nhau)

Các loại nhiễu tự nhiên nêu trên gây anh hưởng lớn và chủ yếu đến khả năng thu nhận tin tức của sonar.Trong số các nhiễu tự nhiên tích cực, thì quan trong nhất

là nhiễu siêu âm do chính tàu mang thiết bị thủy âm gây ra Sau đây ta nghiên cứu các loại nhiễu này:

- Nhiễu tàu mang thiết bị được tạo ra từ nhiều nguồn khác nhau, nhưng trước hết là do chân vịt quay, tốc độ quay càng lớn thì cường độ nhiễu càng tăng Áp suất nhiễu tăng tỉ lệ bậc 3 so với tốc độ chân vịt tàu

Pn = k.V3 k: hệ số tỉ lệ V: tốc độ quay chân vịt Khi chân vịt quay sẽ tạo ra nhiễu lỗ hổng, đó là do các bọt khí sinh ra và nổ

vỡ liên tục Nếu chân vịt đặt sâu dưới nước thìhiện tượng nhiễu lỗ hổngít, do áp suất cao Ngoài nhiễu này khi chân vịt chuyển động nó cũng tạo ra các dao động sóng âm gây nhiễu mà tai người nghe được

- Nhiễu thủy động:nhiễu thủy động sinh rakhi tàu chuyển độngsự cọ sát giữa thành tàu với nước biển ( do nước chảy vòng thành dòng chảy theo thân tàu) Cường độ nhiễu thủy động tăng khi tốc độ tàu tăng

Để giảm tác động của nhiễu lỗ hổng và thủy động, người ta phải lắp các bộ biến năng thu ở xa vùng có áp suất thấp (thường ở vị trí sâu nhất của tàu)

- Nhiễu gây ra từ sự rung động của các bộ phận cơ khí trong tàu truyền vào trong nước qua vỏ tàu, loại nhiễu này có năng lượng phân bố ở dải phổ tần thấp

Như vậy nhiễu tàu mang thiết bị sinh ra bởi nhiều nguồn khác nhau, có phổ tần rất rộng (từ hạ âm đến siêu âm) Chúng là nhiễu đối với các thiết bị thủy âm của tàu và là nguồn tín hiệu mục tiêu cho các sonar thụ động của các tàu khác.Khi tính toán, người ta quy chuẩn nguồn nhiễu bằng cách đocường độ nhiễu ở cách thân tàu khoảng 1m(Đo thựcnghiệm bằng cảm biến hydrophone)

- Phân tích phổ năng lượng của nhiễu tạp thủy âmcó đặc trưng sự phân bố cường độ âm theo tần số

Ta có đồ thị mối quan hệ, phổ nhiễu tàu biển và nhiễu của biển trong phạm

vi tần số từ 100Hz † 10kHz, với tốc độ từ 15†20 hải lý /giờ thì phụ thuộc vào tần

số theo quan hệ hàm:y ~1/f2

;

Và được viết là:y = a/f2

Trong đó (a)là hệ số tỉ lệ, phụ thuộc nhiễu, có thứ nguyên (wHz/m2

)

Khi tần số tăng thì cường độ nhiễu giảm.Nếu máy thu sonar vô hướng có tần

số công tác fo, giải thông là: ∆f = (f2 – f1), thì sẽ bị tác động của nhiễu với cường độ:J∆f = a.( ∆f /fo2 )

Như vậy khi ∆f đủ nhỏ thì cường độ nhiễu xâm nhập vào máy thu tỉ lệ thuận với giải thông ∆f của máy thu và tỉ lệ nghịch với bình phương tần số công tác f0

của máy thu

Nếu máy thu định hướng với hệ số định hướng là γ, thì cường độ nhiễu lọt vào máy thu sẽ giảm đi γ lần, do ở các hướng nhiễu lọt vào máy thu không giống nhau

c Nhiễu trong chế áp điện tử (tác chiến điện tử)

* Căn cứ vào nguồn gốc phát sinh chúng ta có thể chia nhiễu thành hai loại: nhiễu tiêu cực và nhiễu tích cực

- Nhiễu tiêu cực là nhiễu do phản xạ từ các mục tiêu không mong muốn, trong đó có thể chia thành:

+ Nhiễu tự nhiên là tín hiệu phản xạ từ địa vật như đồi núi, rừng cây, các vật thể khí tượng như mây, mưa

+ Nhiễu nhân tạo là tín hiệu phản xạ từ cácvật phản xạ do đối phương tạo ra như chấn tử phản xạ, góc phản xạ, các mục tiêu giả kéo theo (mồi bẫy kéo theo)

- Nhiễu tích cực là nhiễu được tạo ra bởi các nguồn đặc biệt Theo nguồn gốc phát sinh, nhiễu tích cực chia thành:

+ Nhiễu tự nhiên do các vật bức xạ tự nhiên như mặt trời, tia vũ trụ…;

+ Nhiễu lẫn nhau do ảnh hưởng qua lại của các thiết bị vô tuyến điện tử;

+ Nhiễu nhân tạo được tạo ra bởi các máy phát nhiễu, các đài gây nhiễu của đối phương

* Theo hiệu ứng tác động có thể chia thành:

- Nhiễu tích cực ngụy trang: nhiễu gây khó khăn cho việc lọc, tách tín hiệu trên nền nhiễu

- Nhiễu giả tín hiệu: nhiễu tạo ra các tín hiệu giống tín hiệu thật, gây khó khăn cho việc phát hiện các tín hiệu có ích hoặc làm cho thiết bị bám bắt bám vào các mục tiêu giả

* Theo độ rộng phổ nhiễu có thể chia thành:

- Nhiễu ngắm là nhiễu có độ rộng phổ tương đương như độ rộng phổ của tín hiệu phát Trong thực tế độ rộng phổ của nhiễu ngắm f nkhông vượt quá 23 lần dải thông máy thu: fn = (23) fMT Việc sử dụng nhiễu ngắm tương đối khó khăn

vì phải điều chỉnh tần số của nó trùng với tần số làm việc của đài radar Tuy nhiên

do độ rộng phổ nhỏ cho nên mật độ phổ của nhiễu ngắm có thể đạt tới 200W/MHz

- Nhiễu chặn là nhiễu có độ rộng phổ lớn, trong đó bao cả dải tần làm việc của một số phương tiện vô tuyến cũng như bao toàn bộ dải tần làm việc của

radarcó sử dụng biện pháp nhảy tần Thực tế độ rộng phổ của nhiễu chặn lớn hơn hàng trăm lần dải thông máy thu, do đó mật độ phổ nhỏ, năng lượng nhiễu lọt vào máy thu không lớn, hiệu quả không cao Mật độ phổ của loại nhiễu này thường không vượt quá vài chục W/MHz

- Nhiễu trượt là một dạng kết hợp giữa hai loại nhiễu trên Trong trường hợp này nhiễu với phổ tương đối hẹp được dịch chuyển hay “trượt” trong một dải tần xác định theo chương trình đã chọn trước Tuy nhiên hiệu quả của nhiễu này không cao do thời gian gây nhiễu ở một tần số là ngắn

* Theo thời gian nhiễu có thể chia thành:

- Nhiễu liên tục là nhiễu có độ rộng tín hiệu lớn hơn chu kỳ lặp của đài radar: n T l, ở đây n là độ rộng tín hiệu nhiễu

- Nhiễu xung là nhiễu dạng chuỗi xung với độ rộng tín hiệu nhỏ hơn chu kỳ lặp của đài rađa n T l Thông thường xung nhiễu giống như các xung vô tuyến của các đài radar, tên lửa… Nhiễu này nhằm mục đích ngụy trang tín hiệu có ích gây khó khăn cho việc phát hiện điểm dấu mục tiêu trên màn hình radar hoặc tạo ta các mục tiêu giả làm cho radar báo động nhầm và các hệ thống bám làm việc sai Qua phân tích nêu trên ta có thể tổng hợp sơ đồ phân loại nhiễu như hình 1.2 dưới đây:

Hình 1.2 Sơ đồ tổng hợp các loại nhiễu trong tác chiến điện tử

d Nhiễu trong đo lường

Nhiễu trong đo lường được phân chia theo quy luật xuất hiện, đó là nhiễu có quy luật và nhiễu không quy luật (nhiễu ngẫu nhiên) Nhiễu cóquy luật thì gây lên sai số hệ thống còn nhiễu không quy luật thì gây lên sai số ngẫu nhiên

Sai số hệ thống là sai số không đổi hoặc thay đổi theo một quy luật nhất định khi tiến hành đo lặp cùng một đại lượng Sai số hệ thống càng nhỏ thì phép đo càng chính xác, tuy nhiên những sai số hệ thống chưa được phát hiện còn nguy hiểm hơn sai số ngẫu nhiên vì nó luôn luôn làm cho kết quả đo không đúng Sai số ngẫu nhiên của phép đo là sai số mà giá trị của nó thay đổi một cách ngẫu nhiên khi tiến hành đo lặp cùng một đại lượng Sự nảy sinh sai số ngẫu nhiên do nhiều nguyên nhân khách quan khác nhau tác động lên đối tượng đo, phương tiện đo và

do mối quan hệ giữa các nguyên nhân đó với nhau

Các loại nhiễu thông thường chúng ta đã biết như tạp âm nhiệt, ảnh hưởng của các thiết bị đo lường sử dụng điện áp cao, dòng điện cao, tần số lớn Tạp âm

Nhiễu tích cực nguỵ trang

Nhiễu giả tín hiệu

Nhiễu ngắm

Nhiễu chặn

Nhiễu trượt

Nhiễu liên tục

Nhiễu xung

nhiệt là do quá trình sử dụng thiết bị đo trong thời gian dài, hiện tượng các linh kiện điện tử (chẳng hạn của các phần tử diode, transistor,…) được sấy nóng dẫn đến đặc tuyến công tác bị thay đổi so với thiết kế ban đầu, gây nên sai số trong quá trình thực hiện các phép đo Trong các máy đo lường thì hiện tượng trôi điểm “0” ban đầu là rất hay xảy ra khi ta đang tiến hành phép đo, đó là việc ta phải tiến hành chỉnh “0” nhiều lần cho máy đo Tính chất của nhiễu kiểu này có cường độ tuy nhỏ ảnh hưởng ít đến sai số của phép đo, song nếu chúng ta không lưu ý thường xuyên thì có trường hợp khi điểm “0” có sự lệch đi rất lớn mà không hiệu chỉnh thì ảnh hưởng của nó là không ít

Hiện tượng nhiễu do điện từ trường gây ra do ảnh hưởng của các thiết bị khác (có thể không phải là thiết bị đo) đến thiết bị đo lường cũng là một điểm đáng lưu ý trong đo lường Nguồn gây ra nhiễu này có từ các biến áp, biến dòng dùng để biến đổi điện áp hoặc dòng điện lớn; do các máy công nghiệp nặng, các máy phát điện, các loại động cơ….Tính chất của nhiễu là cường độ lớn và mạnh có thể gây ra những ảnh hưởng nghiêm trọng đến sai số của phép đo, thậm chí có thể gây ra hỏng thiết bị đo (điều này có thể lấy ví dụ cụ thể như các đồng hồ đo điện có cơ cấu đo chỉ thị kim kiểu điện từ hoặc điện động, dưới tác động của điện từ trường lớn làm cho kim chỉ thị quật mạnh dẫn đến hỏng cơ cấu đo) Tuy nhiên việc hạn chế ảnh hưởng của loại nhiễu này không phải là vấn đề khó khăn

Nhiễu do ảnh hưởng của chính trong bản thân các máy đo, do chính các thành phần của thiết bị đo gây nên Trong quá trình hoạt động của các thành phần,

bộ phận của thiết bị đo gây nên những ảnh hưởng lẫn nhau, đặc biệt lưu ý trong những thiết bị đo đòi hỏi độ chính xác cao, trong các voltmeter điện tử có độ phân giải đến hàng V và có thể thực hiện phép đo đến cỡ V Lúc này những ảnh hưởng dù là rất nhỏ cỡ hàng 0,01 mV cũng là một tác động nhiễu rất lớn khi phép

đo chỉ là V Ngoài ra nhiễu do môi trường bên ngoài (nhiệt độ, hơi nước…) tác động cũng là một nhân tố quan trọng đòi hỏi những nhà nghiên cứu và sản xuất thiết bị đo phải tính toán thiết kế một cách phù hợp nhất, theo tác động của môi

trường Sau khi phân tích các dạng nhiễu trong đo lường ta có thể đưa ra sơ đồ phân loại nhiễu theo hình 1.3

Hình 1.3 Sơ đồ phân loại nhiễu trong đo lường

Trên đây đã trình bày một cách khái quát về các loại nhiễu, nguồn gốc phát sinh ra nhiễu và các tính chất đặc trưng nhất của các loại nhiễu trong truyền tin vô tuyến, thông tin thủy âm và trong đo lường Để tìm hiểu một cách sâu hơn về bản chất của nhiễu, chúng ta nghiên cứu tiếp phần sau

1.2 Cơ sở toán học của nhiễu

1.2.1 Cơ sở toán học

Việc chống nhiễu có quy luật sẽ thực hiện dễ dàng hơn, tuy nhiên chúng ta

sẽ chỉ nghiên cứu các loại nhiễu ngẫu nhiên không theo quy luật Rõ ràng là chống nhiễu ngẫu nhiên là công việc khó khăn hơn

Trong trường hợp chung ảnh hưởng của nhiễu lên tín hiệu truyền có thể mô

tả bằng toán tử :

),(s 

V

x  (1.1) Trong trường hợp riêng, khi toán tử này biểu diễn dưới dạng tổng:





 s

x (1.2) nhiễu được gọi là nhiễu tính cộng Người ta thường gọi nhiễu này là tạp âm Nếu như toán tử V có thể biểu diễn dưới dạng

Nhiễu

do điều kiện môi trường

s v

x   (1.3)

trong đó quá trình v(t) không âm thì nhiễu v được gọi là nhiễu tính nhân Nếu như v

là quá trình chậm (khi so sánh với s) thì hiện tượng gây ra bởi nhiễu tính nhân

được mang tên “dừng” (fading)

Trong trường hợp tổng quát hơn, toán tử V không thể chuyển về dạng các

công thức cơ bản (1.2) và (1.3) Khi cùng lúc có cả tạp âm và nhiễu tính nhân thì

có thể đưa ra hai quá trình ngẫu nhiên, biểu diễn cả hai loại nhiễu, tức là mô tả:

giáng khác nhau Trong vật lý, thăng giáng là sự sai lệch ngẫu nhiên các đại lượng

vật lý so với giá trị trung bình của chúng Như thế, thăng giáng dòng xung quanh

giá trị trung bình gây ra bởi bản chất không liên tục của các hạt mang điện tích (ion

và điện tử) là nguồn tạp âm trong các mạch điện một chiều Nguyên nhân tổng quát

hơn của tạp âm là thăng giáng gây ra bởi chuyển động nhiệt Chuyển động nhiệt

ngẫu nhiên của các hạt tích điện trong bất kỳ dây dẫn nào đều gây ra chênh áp

ngẫu nhiên ở các đầu dây Chênh áp này thăng giáng xung quanh giá trị trung bình

bằng không; sai lệch quân phương của nó tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối Nhiễu xuất

hiện này được gọi là tạp âm nhiệt

Thăng giáng là hệ quả của bản chất không liên tục trong cấu trúc vật chất và

bản chất thống kê của hàng loạt đại lượng vật lý Thật vậy, nhiều đại lượng vật lý

là kết quả lấy trung bình số lượng lớn các giá trị riêng biệt mà hoạt động và bản

chất của chúng tuân theo các quy luật ngẫu nhiên Vì vậy mà thăng giáng các đại

lượng vật lý này trên nguyên tắc không thể khử được, và chỉ có thể đặt câu hỏi xác

định đại lượng tương đối của thănggiáng và làm cách nào chúng ta có thể tác động

lên nó bằng các phương tiện và giải pháp của mình

Thêm một nguồn tạp âm mà về nguyên tắc không thể khử được, đó là bản

chất không liên tục của bức xạ điện từ Như đã biết, bức xạ được thực hiện bởi các

phần không liên tục - lượng tử, năng lượng các lượng tử này bằng hf, trong đó h -

hằng số Plank, f - tần số Lượng tử bức xạ điện từ gọi là photon Trong kỹ thuật

hiện nay có hai xu hướng rõ ràng là: tiến đến tăng khoảng cách và tiến đến tăng tần

số Tăng khoảng cách nghĩa là giảm dòng năng lượng còn năng cao tần số là làm photon lớn lên Như vậy ở những điều kiện xác định không những cấu trúc lượng

tử photon của bức xạ điện từ bắt đầu thể hiện mà tạp âm do nó gây ra có thể vượt trội tất cả các nhiễu khác Kênh làm việc trong các điều kiện này được gọi là kênh photon

Ở trên chúng ta đã nói về tạp âm (nhiễu tính cộng) và các nguồn tạp âm cơ bản, bây giờ ta nói thêm về nhiễu tính nhân

Bản chất của nhiễu này nằm ở sự thay đổi ngẫu nhiên các thông số kênh truyền Ta nhận thấy rằng, khi truyền tín hiệu bị làm méo đi do hệ số truyền của kênh không phải là hằng số; Bản chất của kênh truyền được mô tả bằng các đặc tính tần số hay thời gian, được xác định bởi nhiễu tuyến tính Ngoài ra kênh truyền còn có thể có nhiễu phi tuyến gây ra bởi tính phi tuyến của khâu phi tuyến nào đó trong kênh truyền Méo phi tuyến và tuyến tính gây ra bởi các đặc tính của kênh vì

ít nhất là trên nguyên tắc có thể khử chúng bằng các hiệu chỉnh thích hợp Vì vậy cần phân biệt rõ ràng với tác động của các nhiễu ngẫu nhiên không thể xác định rõ ràng trước đó.Nếu như hệ số truyền của kênh có thay đổi ngẫu nhiên thì ảnh hưởng của những thay đổi này cần phải được xem xét trước khi xem ảnh hưởng của nhiễu ngẫu nhiên như thế nào

Thay đổi cường độ tín hiệu thu được gây ra bởi sự giao thoa khi nhiều lan truyền (hay dừng), nhiều bức xạ là ví dụ của nhiễu tính nhân chậm

Chuyển sang vấn đề mô tả toán học các nhiễu Nhiễu là hàm ngẫu nhiên theo

biến thời gian Hàm ngẫu nhiên của thời gian gián đoạn được gọi là dãy ngẫu

nhiên còn hàm ngẫu nhiên thời gian liên tục được gọi là quá trình ngẫu nhiên Các

hàm ngẫu nhiên được đặc trưng bằng các phân bố của mình Các đặc tính số cũng được sử dụng dưới dạng các momen của phân bố Thông thường các quá tình tĩnh được xem xét

Trong các quá trình ngẫu nhiên thì quá trình ngẫu nhiên có phân bố chuẩn (quá trình Gauss) chiếm vị trí đặc biệt vì rất nhiều quá trình ngẫu nhiên thực tế là

quá trình Gauss Thực tế này được giải thích trong định lý nổi tiếng của Liapunov

mà theo đó phân bố tổng các đại lượng ngẫu nhiên độc lập (trong các điều kiện khá rộng) sẽ tiến tới dạng phân bố chuẩn mà không phụ thuộc và tính chất các phân bố thành phần Còn nhiều quá trình ngẫu nhiên mà chúng ta quan sát được thường là

tổ hợp các tập hợp của các hành động ngẫu nhiên độc lập Như vậy là có thể áp dụng trong mọi hiện tượng khi chúng ta nghiên cứu tập hợp các phần tử và lượng

tử Quá trình Gauss còn có những tính chất rất hay xét về mặt toán học Các tính chất này thường được trình bày rất rõ ràng trong các sách hướng dẫn hay giáo trình

lý thuyết xác suất và lý thuyết các quá trình ngẫu nhiên Ở đây chỉ nhắc lại những trường hợp tính toán quan trọng mà quá trình Gauss hoàn toàn được xác định bằng mômen hỗn hợp bậc hai của mình Mô men bậc nhất được cho trong công thức dưới đây:

B  2 

) 0

Nhiều quá trình ngẫu nhiên gặp trong thực tế có tính chất ecgôdic Tính chất này thể hiện ở chỗ là trung bình theo tập hợp (tức là kỳ vọng toán học tính theo các

phân bố) có xác suất bằng 1 trùng với trung bình theo thời gian tìm được mỗi khi

hiện thực hóa quá trình Đối với quá trình egôdic ta có: 

Mật độ phổ của công suất G() (sau đây chúng ta gọi ngắn gọn là phổ) liên

hệ với hàm tự tương quan qua hai biến đổi Furie:

B

d B

G

cos ) ( ) (

cos ) (

2 ) (

0

Thay giá trị  = 0 vào công thức thứ 2 trong (1.9) ta nhận được tương quan

giữa B(  )và G(  )để giải thích ý nghĩa của hàm G():

P d G

0

) ( ) 0 (

Cùng với hàm G() thì hàm A(f)=2G() cũng thường được sử dụng Hàm

G và A biểu diễn mật độ phổ của công suất, nhưng hàm A là công suất truyền qua

dải 1 Hz Đôi khi dễ dàng hơn nếu viết các biến đổi chuỗi (1.9) dưới dạng:

A B

d f B

f A

2 cos ) ( 4 ) (

0

Trị số B() (hay G()) xác định đầy đủ tính chất của quá trình Gauss; trong nhiều trường hợp thì là đủ để mô tả bản chất các quá trình có phân bố khác với phân bố chuẩn

Nhiễu là một quá trình ngẫu nhiên với phổ đều, tức làA(f)  A0 const được

gọi là tạp âm trắng Công suất của tạp âm trắng ở dải F bằng:

) (

tức là nó tỷ lệ với độ rộng của dải: ví dụ như tạp âm nhiệt là loại tạp âm trắng Trong công thức nổi tiếng của Nai-quist:

F kT R

trong đó k - hằng số Bolzman, T A - nhiệt độ tuyệt đối, đại lượng 4kT A trực tiếp biểu

diễn mật độ phổ không đổi A0 của tạp âm nhiệt nảy sinh trong điện trở R.Với tập

âm trắng thì dải luôn phải là hữu hạn, nếu không sẽ dẫn đến công suất vô hạn hoặc mật độ phổ bằng không Nhận thấy rằng, kênh truyền với nhiễu tính cộng thường được đặc trưng không phải bằng công suất tuyệt đối mà là tương quan giữa các công suất trung bình của tín hiệu với nhiễu

) 0 (

) 0 ( 2

1 ) ( ) 0 (

1

B

A d

B B

 Từ quan hệ này, liên hệ để giải thích định lý Kotensnhikov: khoảng t

không gì khác, chính là khoảng cách tương tác, bởi vì với các tính toán hàm, theo Kotensnhikov chính là các giá trị không tương tác gần của hàm

Sự đa dạng của các quá trình ngẫu nhiên mà chúng ta cần tìm hiểu không thể chỉ là các quá trình Gauss Một biến đổi phi tuyến bất kỳ cũng làm thay đổi phân

bố Như vậy quá trình Gauss ở đầu vào thiết bị phi tuyến sẽ trở thành một quá trình không Gauss ở đầu ra thiết bị đó Trong số các phân bố thường gặp, chúng ta nhắc đến phân bố Reley:

n





1, 2,

Thì mô tả đầy đủ của nhiễu sẽ là phân bố n chiều: (x1,x2, x n)

Nếu như các giá trị x i độc lập về mặt thống kê thì:





i i

x x x

1 2

2 1 2

1

)2(

1)

,

,

x n

x x

ij x x D D n

D x

x x

2

2 1 2

1

)2(

1)

2 2

2 1

2 1 2 2 2 1 2 2

1 2

1 )

(

x kx x x k

e k

x x

ở đây k- hệ số tương tác

Dễ nhận thấy, đối với quá trình chuẩn điều kiện độc lập thống kê quy về điều kiện không tương tác dễ dàng hơn Lý do là quá trình chuẩn được xác định đầy đủ bằng hai mômen đầu tiên của phân bố

1.2.2 Nhiễu tính nhân

Trước hết nhận thấy rằng luôn có thể biến đổi nhiễu tính nhân thành các nhiễu tính cộng tương đương Thực tế này đã làm cho việc nghiên cứu nhiễu tính nhân đơn giản hơn nhiều

Trên thực tế nếu như viết:

Tiếp theo cần phải nhớ rằng v là quá trình ngẫu nhiên có giá trị trung bình

bằng không:M 0 0

và theo ý nghĩa của nhiễu tính nhân v>0 Như thế v có phân bố bị hạn chế Quá

trình  = v – v0 đã có giá trị trung bình 0 và tương ứng có phân bố thay đổi Tất cả các thông tin khác về quá trình này có thể khẳng định được nhờ cách xử lý số liệu

thống kê Thêm vào đó v,  là các đại lượng không thứ nguyên, trong khi nhiễu tính cộng  có thứ nguyên là s

Ta đi tìm quan hệ tương đương tín hiệu - nhiễu cho trường hợp nhiễu tính

nhân Quan hệ này được biểu diễn:



ở đâyD  Ds s2D ; D s2D ( s2D )

nên dẫn tới:

) (

2 0 2

Khi xem xét tác dụng của phương pháp “góp” trong trường hợp nhiễu tính cộng ta có:

1 2

n

i i

s s

s

Giả sử rằng tín hiệu như nhau s truyền trong các kênh mà trong đó các nhiễu

tính nhân độc lập với nhau Cường độ trung bình của tín hiệu truyền theo kênh thứ

i được xác định nhờ đại lượng voi Giá trị trung bình theo tất cả các kênh:

và tương quan tín hiệu - nhiễu bằng:

1.3 Các phương pháp chống nhiễu

1.3.1 Chống nhiễu trong thông tin vô tuyến

Trên thực tế thì nhiễu tính nhân xuất hiện trong tất cả các trường hợp, khi

mà các tham số hệ thống chịu sự thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian Về bản chất thì chúng xuất hiện trong tất các các hệ thực, nhưng đôi khi sự thăng giáng các tham số hệ thống mặc dù tồn tại nhưng hầu như không nhận thấy Hiện tượng fading cần được lưu ý riêng Cơ chế giao thoa hiện tượng này rất nhạy cảm với những thay đổi không đáng kể của điều kiện lan truyền ở những trường hợp trầm trọng nhất có thể thấy sóng được phát đi bằng máy phát đến anten của máy thu cùng lúc theo nhiều đường khác nhau (gọi là lan truyền nhiều tia hay nhiều đường)

Do sự khác nhau về độ dài đường truyền mà xuất hiện các lệch pha tương ứng và sóng truyền đến bằng các đường khác nhau sẽ giao thoa với nhau Vậy là chính các đường truyền đã là các biến đổi ngẫu nhiên, luôn thay đổi theo sự biến đổi của trạng thái khí quyển, kết quả là cường độ tín hiệu nhận được thay đổi rất mạnh, có thể dẫn đến mất hẳn trong một vài thời gian

Một trong các phương pháp chống nhiễu là thu bằng an ten phân tập Nếu như xem cường độ trường tại điểm thu là hàm của thời gian và không gian hai chiều (trong mặt phẳng ngang), thì sẽ thấy rằng, các quá trình truyền trong hai điểm xác định mà càng giống nhau thì hai điểm này càng gần nhau Chuyển dịch điểm quan sát có thể tìm thấy khoảng cách nhỏ nhất mà tại đó cường độ trường có thể coi là không tương tác Khoảng cách này được gọi là khoảng tương tác Độ lệch các anten được xác định bằng khoảng tương tác Thực tế cho thấy rằng đối với các sóng ngắn (tần số hàng chục MHz) thì tỷ lệ độ lệch và chiều dài bước sóng cần phải là hàng chục lần

Một phương pháp khác là phân ly tần số, tức là truyền cùng một tín hiệu bằng hai sóng mang khác nhau Bản chất phương pháp là fađing gây ra bởi sự giao thoa, giao thoa phụ thuộc vào tương quan pha, mà ở tần số khác với cùng sự lệch hành trình như vậy thì tương quan pha hoàn toàn khác Có thể tìm được khoảng cách tương tác tần số, tức là khoảng cách nhỏ nhất trên thang tần số giữa hai sóng mang để đảm bảo rằng không xảy fađing tương tác hai tần số mang Khoảng này không lớn lắm, sai lệch giữa hai tần số ở khoảng tính bằng 10-3

là đủ (tức là khoảng tính bằng KHz) Sau đây giới thiệu hai phương pháp được sử dụng để chống nhiễu trong thông tin

a Dùng bộ lọc chủ động và thụ động trong thu tín hiệu

Dạng chung của toán tử tuyến tính thực hiện bởi bộ biến đổi trong sơ đồ máy thu (hình 1.3) là một hàm:







 x T x t t dt y

0

) ( ) ( ) (  (1.22) trong đó: x(t) s(t)   (t)

x(t)- là tín hiệu được nhận, s(t) - tín hiệu truyền, (t) - nhiễu Bộ biến đổi thực hiện toán tử (1.22) cấu tạo từ bộ nhân - tiến hành nhân x(t)(t) và bộ tích phân

- tích phân tích này Ngoài ra còn có máy phát, sinh ra hàm trọng lượng (t) và

thiết bị đồng bộ điều khiển nhịp độ làm việc toàn bộ thiết bị thu Sơ đồ máy thu tín hiệu trình bày ở hình 1.3 Như thế bộ biến đổi  (được đóng khung ở hình 1.3) cấu tạo từ bộ nhân  , bộ tích phân C và máy phát 

Hình 1.3 Sơ đồ máy thu có sử dụng bộ lọc

Trên quan điểm toán lý thì bộ biến đổi  là một hệ thống tham số, được mô

tả bằng các phương trình vi phân với các hệ số biến đổi Trên thực tế, nhân với hàm cho trước là một toán tử tuyến tính và như vậy nó thỏa mãn điều kiện tính cộng:

 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) )

và điều kiện đồng nhất:

 ( ) ( ) ( ) )

hệ thống được mô tả bằng hệ phương trình vi phân với các hệ số không đổi

Giả sử x(t) là tác động đầu vào còn y(t) kết quả đầu ra của mạch nói trên y(t)

có thể được biểu diễn bằng tích phân sau:

y( ) (  ) (  )  (1.23)

trong đó g(t) - phản hồi xung của mạch bốn đầu Hoạt động của mạch này trong sơ

đồ thiết bị thu được xác định là tại thời điểm t = 0 thì nó đóng và tại thời điểm t =

0





Z = I

T sẽ xuất hiện số đọc điện áp ở đầu ra mạch Số đo đó bằng:

y

y ( ) ( ) ( ) (1.24)

trong đó tích phân thay đổi đƣợc ký hiệu bằng chữ t thay cho chữ  Bây giờ (1.22) trùng với (1.24), nếu nhƣ quy bằng hàm trọng lƣợng trong cả hai công thức, tức là đặt:

) ( ) (t  g T t



hay: g(t)   (T t)

hay: g(t) s(T t) (1.25)

Nhƣ vậy ta xác định đƣợc phản ứng cần có của mạch bốn cực thụ động, thực hiện sự biến đổi tuyến tính với độ chính xác cũng giống nhƣ bộ biến đổi  mô tả ở trên Về bản chất của mạch lọc thì các bộ biến đổi nói trên có thể gọi là các bộ lọc Tuy nhiên, vẫn tồn tại sự khác biệt về nguyên tắc giữa bộ biến đổi tham số có bộ nhân và mạch bốn cực thụ động

Khi sử dụng thuật ngữ “bộ lọc” là thuật ngữ chung và để nhấn mạnh sự khác

nhau ta gọi bộ biến đổi tham số là bộ lọc chủ động và mạch bốn cực thụ động là bộ

Hình 1.4 Dạng tín hiệu của s(t) và g(t)

(đường chấm - gạch trên hình 1.4) Ta nhận thấy theo bản chất vật lý g(t) = 0 khi t<0 (vì y(t) không thể xuất hiện trước khi có tác động đầu vào) Mặt khác nhận thấy rằng điều kiện (1.25) cần phải được thực hiện trong khoảng thời gian (0, T) ở

ngoài khoảng thời gian trên thì phản ứng xung như thế nào cũng được, giống như

đường đứt quãng ở hình 1.4 Vấn đề là ở chỗ, tại thời điểm t=T thì hiển thị kết quả,

thiết bị khi đó đóng lại và xóa hết các giá trị tích lũy về mặc định, hệ thống lúc này trở về trạng thái ban đầu, bắt đầu vòng làm việc mới

Như vậy có thể xây dựng đặc tính sau đây một cách cụ thể hơn cho bộ lọc tối ưu theo công thức (1.25):

T t t

T s

t t

g

), (

0 ), (

0 ,

0 )

các ký tự rời rạc Sau đó chúng chuyển đến máy phát, được máy phát điều chế thành các tín hiệu với các đặc trưng vật lý nào đó Bộ tín hiệu đầu ra máy phát có

sự tương thích nhất định với bộ ký tự mã Trong một số trường hợp máy phát có thể bao gồm cả bộ phận điều chế và phát Tín hiệu được truyền trong đường dẫn, trong đó chúng bị tác động bởi nhiễu ở phía thu, sau sự biến đổi nào đó (trong sơ

đồ không biểu diễn; nó có thể lọc, góp tín hiệu hay các toán tử tương tự) tín hiệu chuyển vào thiết bị giải, chức năng của thiết bị này là xác định xem tín hiệu đến nào là tín hiệu thực Sau đó tín hiệu lại truyền qua bộ giải mã, bộ giải mã này khôi phục lại thông tin về như ban đầu

Kênh phản hồi có thể nối các điểm khác nhau của sơ đồ, tức là phản hồi có thể bao gồm một phần nào đó của hệ thống trên hình 1.5 Ba trường hợp chính được đánh số trên hình bằng các chữ số Lamã

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống có phản hồi

I Phản hồi chỉ bao gồm đường truyền, trong đó thông tin truyền theo kênh phản hồi là các thông tin về tín hiệu chuyển đến điểm mà trước khi một giải pháp nào đó được áp dụng lên chúng

II Phản hồi bao gồm cả điểm sau của thiết bị giải và thông tin về các giải pháp đối với tín hiệu được truyền theo kênh phản hồi

III Phản hồi bao gồm toàn bộ hệ thống, trong đó có cả thiết bị mã hóa và giải mã

Đường truyền

Máy phát tín hiệu

Bộ mã hoá

Bộ giải

mã

Bộ ra quyết định

Như vậy trường hợp 2 và 3 có điểm chung là kênh phản hồi được kết nối sau thiết bị giải mã

Trong trường hợp I phản hồi kiểm soát đường truyền, hay nói chính xác hơn

là kiểm soát một phần hệ thống bao gồm đường truyền và các phần tử đầu cuối của dụng cụ mà trong đó thực hiện những sự biến đổi liên tục nào đó Vai trò của phản hồi trong trường hợp này được thể hiện ở chỗ: nếu các thông số của phần này bị thay đổi thì sẽ có các thay đổi tương ứng trong tín hiệu truyền đi Ví dụ như nếu mức độ nhiễu tính cộng thay đổi có thể sẽ đòi hỏi thay đổi công suất tương ứng; nếu thay đổi các đặc tính tần số thì cần phải có những thay đổi tương ứng về thành phần phổ tín hiệu; có thể thay đổi nhịp độ truyền hoặc ngừng hẳn trong một khoảng thời gian nào đó nếu như trên đường truyền xuất hiện những điều kiện bất lợi Khi đó ở phía truyền tín hiệu phải sẵn có các cơ cấu để tác động lên nguồn tín hiệu (bộ điều chỉnh, các bộ dịch chỉnh tần số…) được điều khiển tín hiệu truyền về qua kênh phản hồi Ví dụ ứng dụng đặc biệt này có thể thấy ở hệ thống thông tin thời tiết, trong đó phiên làm việc của hệ thống bắt đầu và kết thúc theo tín hiệu từ phía nhận, ở đó diễn ra quá trình bám liên tục theo sự thay đổi của điều kiện truyền

Như thế trường hợp I có thể gọi là phản hồi kiểm soát điều kiện truyền, hay ngắn hơn là kiểm soát đường truyền Và các trường hợp II, III có thể gọi là phản hồi kiểm soát tín hiệu

Trong các hệ thống phản hồi kiểu này, trên cơ sở các thông tin truyền theo kênh phản hồi các tín hiệu nghi ngờ có thể được truyền trở lại hoặc cần phải có những hiệu chỉnh cần thiết Phụ thuộc vào kiểu tác dụng của hệ thống đối có phản hồi mà chia làm hai loại: hệ thống so sánh và hệ thống hỏi lại

Trong hệ thống so sánh thiết bị truyền truyền theo kênh phản hồi thông tin: tín hiệu nhận được như thế nào Máy phát sẽ so sánh các thông tin này với thông tin về tín hiệu thực tế truyền đi Nếu tồn tại khác biệt thì bên phát sẽ lại truyền đi tín hiệu không chuẩn này và thông báo những hiệu chỉnh cần thiết bằng tín hiệu đặc biệt

Trong hệ thống hỏi thì máy thu tự chọn những tín hiệu nghi ngờ hoặc những tín hiệu nhận không đúng, gửi những tín hiệu hỏi lại theo kênh phản hồi Theo tín hiệu hỏi lại này mà máy phát phát lại những tín hiệu liên quan Như vậy là khác biệt cơ bản giữa hai hệ thống xem xét trên đây là ở chỗ: kiểu thứ nhất vai trò tích cực thuộc về máy phát, còn ở kiểu thứ hai là máy thu ở các hệ thống so sánh thì giải pháp về sự cần thiết truyền lặp trở lại hay những hiệu chỉnh được đưa ra từ phía phát, còn ở các hệ thống hỏi lại, giải pháp này được đưa ra ở phía nhận còn máy phát chỉ thụ động thực hiện những yêu cầu truyền đến từ máy thu

1.3.2 Các phương pháp chống nhiễu trong đo lường

a Chống nhiễu dùng bộ lọc

Chúng ta đã biết có hai loại bộ lọc đang dùng hiện nay là bộ lọc tương tự và

bộ lọc số Một cách đơn giản ta có thể hiểu bộ lọc là một mạng 4 cực mà nó chỉ cho qua các tín hiệu có phổ tần nằm trong một dải tần số nào đó, và chặn (không cho đi qua) các tín hiệu có phổ tần nằm ngoài dải tần đã cho

Việc cho qua tín hiệu đi qua được hiểu là cho tín hiệu đi qua với độ suy giảm nhỏ, còn chặn tín hiệu được hiểu là truyền tín hiệu qua với độ suy giảm lớn Dải tần số mà bộ lọc cho qua tín hiệu có phổ tần nằm trong dải đó gọi là dải thông của mạch; còn dải tần số mà bộ lọc chặn các tín hiệu có phổ tần nằm trong dải đó được gọi là dải chặn (hay dải chắn) của bộ lọc Tần số phân cách giữa hai dải thông và dải chắn được gọi là tần số cắt của bộ lọc Các bộ lọc được nói đến ở đây là các bộ lọc thực hiện chọn lọc tín hiệu theo tham số tần số của tín hiệu Trong thực tế có thể thực hiện chọn lọc tín hiệu theo các tham số khác nhau của tín hiệu, tuy nhiên việc thực hiện chọn lọc tín hiệu theo tham số tần số được sử dụng nhiều hơn cả Dựa theo dải thông, các bộ lọc tương tự được phân chia thành bộ lọc tần số thấp, bộ lọc tần số cao, bộ lọc dải thông, bộ lọc dải chắn Theo các phần tử cấu tạo nên bộ lọc thì có bộ lọc RC, bộ lọc LC, bộ lọc thạch anh

Nhiệm vụ của các bộ lọc thực hiện chọn lọc tần số loại bỏ phần lớn nhiễu và tạp âm nhờ đó có thể nâng cao độ chính xác của thiết bị đo Các thiết bị đo lường

số có thể sử dụng các bộ lọc thích nghi và bộ lọc không thích nghi

Bộ lọc thích nghi là bộ lọc số có thể thay đổi hệ số của bộ lọc, thích nghi với

tín hiệu đầu vào Bộ lọc không thích nghi có các hệ số lọc không thay đổi Đối với nhiều ứng dụng, một vài tham số của hoạt động xử lý là không được biết trước Trong những trường hợp như vậy thường thực hiện lọc thích nghi theo nguyên tắc phản hồi để xác định các giá trị của hệ số bộ lọc, và vì vậy có thể thay đổi đáp ứng tần số bộ lọc theo tần số tín hiệu vào Nói chung, xử lý thích nghi thường sử dụng hàm tổn thất để thực hiện thuật toán, hàm tổn thất là tiêu chí cho chất lượng tối ưu của bộ lọc (ví dụ cực tiểu hoá tạp âm của thành phần vào), thuật toán sẽ xác định làm thế nào để điều chỉnh các hệ số lọc sao cho cực tiểu hoá tổn thất trên lần lặp kế tiếp

Khả năng của các bộ xử lý số là ngày càng tăng, các bộ lọc thích nghi ngày càng phổ biến hơn trong thực tế

b Sử dụng phương pháp bù nhớ trôi “0”

Đây là một phương pháp được sử dụng rất rộng rãi trong các thiết bị đo lường, đặc biệt là trong các voltmeter số bởi vì hiện tượng trôi điểm không trong quá trình thực hiện phép đo là thường xuyên cho nên phải tiến hành khử ảnh hưởng của hiện tượng này Thông thường trong các voltmeter điện tử thì có rất nhiều phương pháp

để khắc phục hiện tượng này, sau đây giới thiệu một phương pháp bù nhớ trôi không hay sử dụng trong các thiết bị đo lường

Để giảm ảnh hưởng của hiện tượng trôi “0” khi khuếch đại điện áp một chiều người ta có thể sử dụng bộ khuếch đại vi sai với các tầng đầu vào dùng transistor trường Điện áp trôi không của hai đầu vào bộ khuếch đại có trị số gần bằng nhau

và ngược dấu nên được bù trừ trong quá trình khuếch đại Voltmetr số với bù nhớ trôi 0 được xét kỹ trong chương II, III của luận văn

c Giải pháp phân cách nhiễu

Trong đo lường số quá trình biến đổi liên quan tới 3 khu vực: đối tượng đo, biến đổi tương tự và biến đổi số Sự tác động qua lại giữa các khối này sẽ gây nên sai số của phép đo Ví dụ sự khác biệt đấu đất giữa các khối, nhiễu ngẫu nhiên truyền từ khối nọ sang khối kia Để giảm ảnh hưởng qua lại giữa các khối khác

nhau trong phương tiện đo, người ta tiến hành phân cách các khối, chẳng hạn như việc dùng biến áp phân cách giữa phần biến đổi tương tự và biến đổi số; dạng chuyển mạch quang điện để cách ly biến đổi sơ cấp và thứ cấp

Hình 1.6 Dùng biến áp phân cách tương tự và số

Cụ thể là sử dụng biến áp cách ly trong các thiết bị đo lường là tương đối nhiều, trong đó các thiết bị đo cần có độ chính xác cao Nguồn gốc của nhiễu này xuất phát từ ảnh hưởng của các phần tương tự với phần số của máy đo Thông thường thì các phần tương tự của máy đo bao gồm: mạch nguồn, các biến áp, biến dòng…và các phần số là : mạch xử lý tín hiệu, các bộ biến đổi, hiển thị, …Nguyên nhân là do các phần tương tự làm việc trong chế độ tiêu thụ công suất lớn trong khi

đó thì các phần xử lý số lại cần công suất khá bé, ảnh hưởng là phần tương tự gây nhiễu cho phần số Với các thiết bị đo yêu cầu có độ chính xác cao thì ảnh hưởng này là nghiêm trọng, vì vậy phải cách ly phần tương tự và số và giải pháp đưa ra là dùng biến áp cách ly hai phần này để tránh hiện tượng làm hỏng phần số

d Sử dụng cáp bọc kim trong các dây đo của thiết bị

Hầu hết trong các thiết bị đo lường, khi cần đo lường với độ chính xác cao và chống hiện tượng ảnh hưởng của nhiễu điện từ trường thì thông thường tiến hành bọc kim dây đo Đối với thiết bị đo, ảnh hưởng của các yếu tố điện từ trường là rất lớn, dẫn đến phép đo có sai số lớn, do tần số bị ảnh hưởng, sử dụng cáp bọc kim có thể khắc phục được trường hợp này Nhất là trong các thiết bị máy phát và máy đo cao tần, siêu cao tần thì việc sử dụng bọc kim dây đo là điều tất yếu, nếu không sẽ

bị suy giảm hết tín hiệu ra môi trường xung quanh Một số ví dụ dưới đây sẽ minh hoạ cho điều đã nói ở trên (xem các hình 1.7, 1.8, 1.9)

+ Bọc kim dây đo dưới tác động của từ trường (hình 1.7):

Hình 1.7 Bọc kim dây đo

+ Bọc kim bộ chỉ thị của cầu đo một chiều và xoay chiều

Thiết bị chỉ thị của cầu đo một chiều hoặc xoay chiều thường là các cơ cấu đo kiểu từ điện, điện từ, điện động Hoạt động của các cơ cấu đo này dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, vì vậy khi chúng hoạt động trong một môi trường có ảnh hưởng của từ trường thì sẽ gây nên một sai số nhất định dẫn đến việc phải bọc kim cho các cơ cấu chỉ thị, giảm sai số đo Trên hình 1.8 trình bày phương pháp này

Hình 1.8 Bọc kim trong cầu đo

+ Bọc kim ngăn cách điện dung ký sinh tiếp đất

Hình 1.9 Bọc kim ngăn cách điện dung ký sinh

1.4.Kết luận chương I

Thông qua việc giới thiệu khái niệm, phân loại về nhiễu, cơ sở toán học của nhiễu, trọng tâm đi vào giới thiệu các loại nhiễu ảnh hưởng đến các thiết bị đo lường và các biện pháp chống nhiễu, ta nhận thấy chống nhiễu trong hệ thống truyền tin nói chung và trong đo lường nói riêng là một lĩnh vực rất rộng và rất quan trọng Trong khuôn khổ của một luận văn, chỉ có thể giới hạn xét các phương pháp chống nhiễu cho phương tiện đo điện áp (voltmeter), một phương tiện đo được dùng rất rộng rãi trong thực tế, nhất là kiểm tra hiệu chỉnh thiết bị sonar Như vậy nhiệm vụ nghiên cứu đặt ra trong chương II và chương III của luận văn sẽ là:

1 Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của phương tiện đo điện áp (voltmeter), tập trung vào Voltmetrsố tích phân hai lần, phân tích ưu điểm nổi bật và các biện pháp chống nhiễu được dùng trong voltmeter

2 Tiến hành mô phỏng bằng phần mềm Matlab về các khối chức năng của voltmeter số tích phân hai lần, các phương pháp chống nhiễu, khảo sát kết quả mô phỏng thông qua chương trình mô phỏng, rút ra những kết luận cụ thể cho luận văn

R