CHƢƠNG 2 Lí THUYẾT TÍN HIỆU VÀ HỆ THỐNG
2.2. TÍN HIỆU NGẪU NHIấN VÀ NHIỄU
2.2.1. Bản chất ngẫu nhiờn của tớn hiệu và nhiễu
Cỏc tớn hiệu tuần hoàn và tớn hiệu khụng tuần hoàn là cỏc tớn hiệu xỏc định. Cỏc tớn hiệu này cú thể đƣợc dự đoỏn hoàn toàn khi thu tớn hiệu. Tớnh chất khụng dự đoỏn đƣợc hay ngẫu nhiờn là bản chất của cỏc tớn hiệu mang thụng tin. (Định nghĩa và ƣớc lƣợng quỏ trỡnh ngẫu nhiờn là một vấn đề đƣợc quan tõm nhiều).
Nhƣ đó biết tớn hiệu là biểu hiện vật lý của tin (trong vụ tuyến điện dạng vật lý cuối cựng của tin là súng điện từ). Quỏ trỡnh vật lý mang tin diễn ra theo thời gian, do đú về mặt toỏn học cỏch biễu diễn trực tiếp nhất cho tớn hiệu là viết biểu thức của nú theo thời gian hay vẽ đồ thị thời gian của nú.
Trong lý thuyết cổ điển, dự tớn hiệu tuần hoàn hoặc khụng tuần hồn nhƣng ta đều coi là đó biết trƣớc và biễu diễn nú bằng một hàm tiền định của thời gian. Đú là quan niệm xỏc định về tớn hiệu (tớn hiệu tiền định). Tuy vậy, quan niệm này khụng phự hợp với thực tế. Thật vậy,
tớn hiệu tiền định khụng thể dựng vào việc truyền tin tức đƣợc. Với cỏch tớn hiệu là biểu hiện
vật lý của tin, nếu ta hoàn toàn biết trƣớc nú thỡ về mặt thụng tin việc nhận tớn hiệu đú khụng cú ý nghĩa gỡ. Nhƣng nếu ta hoàn toàn khụng biết gỡ về tớn hiệu truyền đi, thỡ ta khụng thể thực hiện nhận tin đƣợc. Bởi vỡ khi đú khụng cú cỏi gỡ làm c n cứ để phõn biệt tớn hiệu với những cỏi khụng phải nú, đặc biệt là với cỏc nhiễu. Nhƣ vậy, quan niệm hợp lý nhất là phải kể đến cỏc đặc tớnh thống kờ của tớn hiệu, tức là coi tớn hiệu là một quỏ trỡnh ngẫu nhiờn. Chỳng ta sẽ gọi cỏc tớn hiệu x t theo quan điểm thống kờ này là cỏc tớn hiệu ngẫu nhiờn.
2.2.2. Định nghĩa và phõn loại nhiễu
Trong quỏ trỡnh truyền tin, tớn hiệu luụn luụn bị nhiều yếu tố ngẫu nhiờn tỏc động vào, làm mất mỏt một phần hoặc thậm chớ cú thể mất hoàn toàn thụng tin chứa trong nú. Những yếu tố ngẫu nhiờn đú rất đa dạng, chỳng cú thể là những thay đổi ngẫu nhiờn của cỏc hằng số vật lý của mụi trƣờng truyền qua, hoặc những loại trƣờng điện từ cảm ứng trong cụng nghiệp, y học… Trong vụ tuyến điện, ngƣời ta gọi tất cả cỏc yếu tố ngẫu nhiờn ấy là cỏc can nhiễu (tất nhiờn là đối với hệ thống truyền tin ta x t) cú ảnh hƣởng xấu đến việc thu tin. Nguồn nhiễu cú thể ở ngoài hoặc trong hệ thống. Nếu nhiễu xỏc định thỡ việc chống nú khụng cú khú kh n gỡ về mặt nguyờn tắc. Vớ dụ ngƣời ta cú cỏc biện phỏp chống ồn do dũng xoay chiều gõy ra trong cỏc bộ khuếch đại õm tần, ngƣời ta biết rừ những cỏch chống nhiễu lẫn nhau giữa cỏc điện đài vụ tuyến điện cựng làm việc mà chỳng cú phổ trựng nhau… Cỏc loại nhiễu này khụng đỏng ngại.
Chỳ ý: Cần phõn biệt nhiễu với sự m o gõy ra bởi đặc tớnh tần số và đặc tớnh thời gian của cỏc thiết bị, kờnh truyền… (m o tuyến tớnh và m o phi tuyến). Về nguyờn tắc ta cú thể khắc phục đƣợc chỳng bằng cỏch hiệu chỉnh.
Nhiễu đỏng lo ngại nhất vẫn là cỏc nhiễu ngẫu nhiờn. Cho đến nay, việc chống nhiễu ngẫu nhiờn vẫn gặp những khú kh n lớn cả về mặt lý thuyết và thực tiễn kỹ thuật. Do đú, trong tài liệu này chỉ đề cập đến một dạng nào đú (thƣờng x t là nhiễu cộng, chuẩn) của nhiễu ngẫu nhiờn.
32
1. Theo bề rộng phổ của nhiễu: cú nhiễu dải rộng (phổ rộng nhƣ phổ ỏnh sỏng trắng gọi là tạp õm trắng), nhiễu dải hẹp (gọi là tạp õm mầu).
2. Theo quy luật biến thiờn thời gian của nhiễu: cú nhiễu rời rạc và nhiễu liờn tục. 3. Theo phƣơng thức mà nhiễu tỏc động lờn tớn hiệu: cú nhiễu cộng và nhiễu nhõn. 4. Theo cỏch bức xạ của nhiễu: cú nhiễu thụ động và nhiễu tớch cực.
Nhiễu thụ động là cỏc tia phản xạ từ cỏc mục tiờu giả hoặc địa vật cản trở về trạm phỏt đang x t khi cỏc tia súng của nú đập vào chỳng. Nhiễu tớch cực (chủ động) do một nguồn bức xạ n ng lƣợng (cỏc trạm phỏt hoặc cỏc hệ thống lõn cận).
5. Theo nguồn gốc phỏt sinh: cú nhiễu cụng nghiệp, nhiễu khớ quyển, nhiễu vũ trụ… Trong tài liệu này chỉ đề cập đến phƣơng thức tỏc động của nhiễu lờn tớn hiệu, tức là chỉ núi đến nhiễu nhõn hoặc nhiễu cộng.
Về mặt toỏn học, tỏc động của nhiễu cộng lờn tớn hiệu đƣợc biểu diễn bởi cỏc phƣơng
trỡnh sau:
u t s t n t (2.23)
s t là tớn hiệu gửi đi.
u t là tớn hiệu thu đƣợc.
n t là nhiễu cộng.
Cũn nhiễu nhõn đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
u t t s t (2.24)
t
: nhiễu nhõn, là một quỏ trỡnh ngẫu nhiờn. Hiện tƣợng gõy nờn nhiễu nhõn gọi là
pha đing (fading).
Tổng quỏt, khi tớn hiệu chịu tỏc động đồng thời của nhiễu cộng và nhiễu nhõn thỡ:
u t t s t n t (2.25)
Ở đõy, ta coi hệ số truyền của kờnh bằng đơn vị và bỏ qua thời gian giữ chậm tớn hiệu của kờnh truyền. Nếu để đến thời gian giữ chậm của kờnh truyền thỡ (2.25) cú dạng:
u t t s t n t (2.26)
Dƣới đõy ta x t một số nhiễu cụ thể
Cỏc loại nhiễu tạp
Mụi trƣờng truyền dẫn cú cỏc tỏc động làm suy giảm, m o tớn hiệu, hơn nữa trong hệ
thống luụn cú cỏc tớn hiệu khụng mong muốn can thiệp vào quỏ trỡnh truyền dẫn và xử lý tớn hiệu. Cỏc tớn hiệu khụng mong muốn này đƣợc gọi là tạp õm và can nhiễu. Can nhiễu dựng để chỉ cỏc tớn hiệu lạ ảnh hƣởng từ bờn ngoài hệ thống cũn tạp õm chỉ cỏc quỏ trỡnh tồn tại cố hữu trong hệ thống.
Tạp õm quan trọng nhất là tạp õm nhiệt, nú tạo ra do sự chuyển động của electron trong vật dẫn. Nú tồn tại trong mọi thiết bị điện tử và mụi trƣờng truyền, là một hàm của nhiệt độ. Tạp õm nhiệt đƣợc quy thành một nguồn tạp õm cộng tớnh tại đầu vào mỏy thu. Tạp õm này
33
luụn đƣợc coi nhƣ là một tạp õm cộng trắng, chuẩn, kỳ vọng bằng khụng (AWGN: Additive White Gaussian Noise) tức là tạp õm cú mật độ phổ cụng suất bằng phẳng trờn toàn bộ trục tần số và cú biờn độ tạp õm tuõn theo phõn bố chuẩn (phõn bố Gauss).
Tạp õm nhiệt trong dải thụng 1Hz đƣợc xỏc định:
0
N KT (2.27)
Với N0: mật độ cụng suất tạp õm, wats/herts K = 1,3803.10-23J/OK, hằng số Boltzman T: nhiệt độ Kelvin
Tạp õm nhiệt khụng phụ thuộc vào tần số, do đú tạp õm nhiệt trong toàn dải thụng W
(Hz) là: NK.T .W
Can nhiễu thƣờng đƣợc mụ tả nhƣ tỏc động của kờnh truyền. Can nhiễu đối với cỏc hệ thống truyền dẫn cú thể phỏt sinh từ nhiều nguồn khỏc nhau nhƣ nhiễu vũ trụ, nhiễu cụng nghiệp, nhiễu từ kờnh sử dụng cựng tần số, nhiễu từ cỏc kờnh lõn cận, từ cỏc hệ thống truyền dẫn khỏc. Ngoài ra, do cỏc thiết bị khụng hoàn hảo nờn cũn một số nhiễu khỏc tỏc động làm giảm chất lƣợng đƣờng truyền dẫn nhƣ cỏc hài của nguồn nuụi, điều chế tƣơng hỗ…. Trong đú, can nhiễu từ cỏc kờnh lõn cận, can nhiễu từ cỏc kờnh cựng tần số và điều chế tƣơng hỗ là cỏc loại can nhiễu quan trọng nhất.
Nhiễu do điều chế tƣơng hỗ sinh ra tại cỏc phần tử phi tuyến trong mỏy phỏt, mỏy thu, trong hệ thống truyền. Khi cỏc tớn hiệu cú tần số khỏc nhau truyền chung trờn một mụi trƣờng truyền sẽ sinh ra nhiễu do điều chế tƣơng hỗ. Chẳng hạn, việc trộn hai tớn hiệu gốc cú tần số
1
f và f2sẽ sinh ra cỏc sản phẩm nhiễu tƣơng hỗ nf1nf2, sẽ gõy nhiễu cho những tớn hiệu cú tần số gần cỏc thành phần này.
Ngoài ra, cũn cú nhiễu sinh ra do sự gh p nối khụng mong muốn giữa cỏc đƣờng tớn hiệu khỏc nhau, nhƣ gh p điện từ giữa cỏc cặp đƣờng dõy song hành kề cạnh, giữa cỏc đụi cỏp cựng trong một ruột cỏp nhiều lừi, giữa cỏc cặp anten viba…. Việc hạn chế tỏc động của cỏc loại can nhiễu núi trờn cú thể thực hiện đƣợc bằng cỏch sử dụng tổng hợp nhiều biện phỏp. Chẳng hạn, can nhiễu vũ trụ, can nhiễu từ cỏc hệ thống khỏc hoặc từ cỏc kờnh lõn cận cú thể hạn chế đƣợc nhờ sử dụng cỏc mạch lọc. Cỏc nhiễu gõy ra do thiết bị cũng cú thể hạn chế đƣợc nhờ lọc hoặc cỏc biện phỏp tuyến tớnh húa cỏc phần tử phi tuyến.