Chương 9: Nhiễu trong Truyền thông Analog (Môn Truyền thông). Môn Các nguyên lý truyền thông (UET) | Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội.

lOMoAR cPSD| 59735516
NGUYỄN SIÊU PHONG - 21020733 CHAPTER 9 :
NOISE IN ANALOG COMMUNICATIONS 9.1 SOURCES OF NOISE
Nhiễu là bất kỳ tín hiệu nào gây xáo trộn và làm hỏng tín hiệu mong muốn.
Như ược minh họa trong mô hình hệ thống truyền thông iển hình của Hình 7.1, nhiễu
là một thành phần không thể tránh khỏi của bất kỳ hệ thống truyền thông nào và tác
ộng của nó có thể làm giảm hiệu suất tổng thể của hệ thống truyền thông. Vì vậy, các
kỹ thuật ể giảm thiểu tác ộng của nhiễu thường ược tìm kiếm. Hiệu ứng iển hình của
nhiễu n(t) lên tín hiệu nhận ược r(t) ược hiển thị trong Hình 7.2. Theo ịnh nghĩa,
Nhiễu là bất kỳ tín hiệu iện hoặc từ trường không mong muốn nào làm hỏng tín hiệu mong muốn.
Theo tự nhiên, nhiễu là một quá trình ngẫu nhiên. Mặc dù có các loại nhiễu
khác nhau, chúng có thể ược nhóm lại thành hai loại chính: nhiễu nội và nhiễu ngoại.
Trong khi nhiễu nội ược tạo ra bởi các thành phần liên quan ến tín hiệu chính, nhiễu
ngoại là kết quả của các hiện tượng iện hoặc từ trường tự nhiên hoặc do con người tạo
ra và làm nhiễm bẩn tín hiệu trong quá trình truyền tải. Nhiễu gây ra các hiệu ứng
không mong muốn và làm giảm hiệu suất của hệ thống truyền thông. lOMoAR cPSD| 59735516
Hệ thống bị nhiễu giới hạn khả năng khôi phục úng hoặc nhận dạng thông iệp
ược gửi và do ó hạn chế việc truyền thông tin. Nguồn gây nhiễu có thể là nội hay
ngoại. Nhiễu nội hoặc nội tại là do sự dao ộng nhiệt ộ và hành vi vật lý khác của các
thành phần trong hệ thống tại mức phân tử. Các nguồn ngoại bao gồm máy phát iện,
bộ sạc pin, cung cấp năng lượng từ cục tạo lửa, sét ánh, hệ thống iện óm, công tắc
ường dây iện, èn huỳnh quang, máy hàn, ộng cơ iện, iện thoại di ộng hoặc iện thoại
không dây, các bộ phát sóng radio/radar, và máy tính.
Như ược thể hiện trong Hình 7.3, nhiễu iện cũng có thể ược phân loại thành
nhiễu không ều, nhiễu do con người tạo ra, hoặc nhiễu mạch. Nhiễu không ều do các
rối loạn trong không khí như sét ánh, ánh sáng mặt trời và các nhiễu iện tự nhiên
khác. Nhiễu do con người tạo ra là do các máy móc hoặc hệ thống iều khiển ánh lửa
tạo ra tia iện. Nhiễu mạch ược tạo ra bởi các linh kiện iện trở và các phần tử mạch
hoạt ộng như transistor và op-amp. Nhiễu iện có thể làm phiền khi nó gây ra nhiễu âm
thanh hoặc hình ảnh trên radio và truyền hình.
Các loại nhiễu iện phổ biến nhất là nhiễu nhiệt ộ và nhiễu bắn. Ngoài ra,
chúng ta còn nhớ lại cuộc thảo luận về dạng lý tưởng của nhiễu ược gọi là “white noise”. 9.1.1 THERMAL NOISE
Nhiễu nhiệt ộ có lẽ là loại nhiễu quan trọng nhất trong hầu hết các hệ thống
truyền thông. Nó ược tạo ra bởi chuyển ộng ngẫu nhiên do nhiệt ộ kích thích của các
electron trong một dây dẫn như một iện trở kim loại. Nhiễu nhiệt ộ xuất hiện trong
gần như tất cả các mạch iện chứa các thiết bị iện trở và phụ thuộc vào nhiệt
ộ. Điện áp ngẫu nhiên kết quả vn(t) trên các ầu nối không nối oạn của một iện trở R
tại nhiệt ộ T ược gọi là nhiễu nhiệt ộ.
Nhiễu nhiệt ộ là do sự xáo ộng nhiệt ộ của các electron trong một môi trường dẫn iện như một iện trở.
Giá trị bình phương trung bình của iện áp Vn(t) ã ược xác nhận bởi lý thuyết và thực nghiệm là: lOMoAR cPSD| 59735516
Phổ mật ộ công suất của Vn(t) là :
2 công thức có giá trị cho ω ≥ 2π x 10^13 rad/s. Do dải tần số này rộng (khoảng
10.000 GHz), nhiễu nhiệt hành xử như một tín hiệu trắng, với η/2 = 2kTR cho nguồn
nhiệt trở kháng. Do ó, một trở kháng nhiễu có thể ược mô hình hóa bằng mô hình
tương ương Thévenin gồm một nguồn iện áp V^2n nối tiếp với một trở kháng không
có nhiễu, như ược thể hiện trong Hình 7.4. 9.1.2 SHOT NOISE
Nhiễu bắn (hoặc lượng tử) là sự biến ộng theo thời gian trong dòng iện do tính
rời rạc của iện tích iện tử. Mặc dù chúng ta thường nghĩ về dòng iện là liên tục, thực
tế nó lại là rời rạc. Nhiễu bắn là kết quả của việc dòng iện không phải là luồng liên
tục của iện tử mà là tổng của các xung rời rạc trong thời gian, mỗi xung tương ứng
với việc chuyển giao của một iện tử qua dây dẫn.
Nhiễu bắn là do sự dao ộng ngẫu nhiên trong chuyển ộng của các người mang
iện (hoặc dòng iện) trong một dây dẫn.
Thuật ngữ "nhiễu bắn" ược ặt ra vào những ngày của ống iện tử khi các iện tử sẽ ập
vào cực kim loại và tạo ra âm thanh tương tự như việc ổ một xô ạn lên bề mặt kim
loại. Nhiễu bắn ã ược biết ến trong các thiết bị iện tử như ại diện và transistor. Nó
không xuất hiện trong một tụ iện kim loại vì hiệu ứng phân tán của electron-photon
làm mịn các biến ộng dòng iện kết quả từ tính rời rạc của các iện tử, chỉ còn lại nhiễu nhiệt.
Nhiễu bắn phụ thuộc vào dòng iện thẳng và băng thông của thiết bị. Giá trị bình
phương trung bình của dòng iện In(t) là
Nhiễu bắn có một phổ mật ộ công suất gần như phẳng giống như nhiễu nhiệt. lOMoAR cPSD| 59735516
Đó là lý do tại sao nhiễu bắn có thể ược coi là "nhiễu trắng". Như ược thể hiện trong
Hình 7.5, một ại diện iốt có nhiễu có thể ược mô hình hóa bằng ại diện Norton gồm
một nguồn dòng có giá trị I2n song song với một iện trở.
Trong các phần tiếp theo, chúng ta sẽ tích hợp hai hiệu ứng (nhiễu nhiệt và nhiễu bắn)
trong hệ thống truyền thông thành một nguồn duy nhất ể phân tích. Như ược minh
họa trong Hình 7.6, chúng ta sẽ giả ịnh một mô hình kênh nhiễu trắng Gaussian thêm
vào (AWGN) ể giúp phân tích dễ dàng hơn. Với giả ịnh ó, chúng ta có thể biểu diễn
tín hiệu nhận ược R(t) như là
Theo thông lệ, thiết kế các hệ thống theo cách sao cho chúng sẽ hoạt ộng tốt khi có sự
hiện diện củaAWGN. Đối với phần còn lại của chương này, chúng ta sẽ thảo luận về
cách thức giao tiếp khác nhau các hệ thống hoạt ộng khi có mô hình kênh AWGN. 9.2 BASEBAND SYSTEMS
Các hệ thống băng cơ sở rất quan trọng vì chúng phục vụ như một tiêu chuẩn ể
chống lại các hệ thống khác ược so sánh. Một hệ thống truyền thông băng cơ sở là
một hệ thống trong ó không có iều chế hoặc giải iều chế; tín hiệu ược truyền trực tiếp.
Phương thức truyền dẫn này phù hợp với xoắn ôi, cáp ồng trục hoặc cáp quang. Một
hệ thống băng cơ sở ược thể hiện trong Hình 7.7, trong ó rõ ràng là máy phát và máy
thu là các bộ lọc thông thấp (hoặc băng cơ sở) lý tưởng (LPF) với băng thông B Hz. lOMoAR cPSD| 59735516
LPF tại máy phátgiới hạn phổ tín hiệu ầu vào ở một băng thông cụ thể, trong khi LPF
ở máy thuloại bỏ nhiễu out-of-band (nhiễu ngoài dải) như hình 7.8.
Giả ịnh rằng tín hiệu thông báo m(t) là một quá trình ngẫu nhiên ergodic có giới hạn
băng thông bằng 0 ến W (= 2πB) . Nếu kênh không bị biến dạng trên dải thông báo,
công suất tín hiệu trung bình
Vì vậy, ở ầu ra của máy thu giống như công suất tín hiệu trung bình Si ở ầu vào của người nhận. Như vậy, S0 = Si
Công suất nhiễu trung bình ở ầu ra của máy thu là lOMoAR cPSD| 59735516
Sn(ω) là mật ộ phổ công suất (PSD) của tín hiệu nhiễu n(t). Để ơn giản hóa việc tính
toán, nếu chúng ta giả sử nhiễu trắng, Sn(ω) = η/2 (W/Hz). Đối với trường hợp này
Giá trị SNR này làm cơ sở ể so sánh SNR ầu ra của các giao tiếp khác các hệ thống.
9.3 AMPLITUDE-MODULATION SYSTEMS
Bộ giải iều chế sóng mang triệt tiêu dải kép (DSB-SC) ược minh họa trong
Hình 7.11.Tín hiệu DSB truyền ược giả ịnh là do lOMoAR cPSD| 59735516
Chúng ta giải iều chế tín hiệu bằng cách nhân tín hiệu nhận ược R(t) trước với tín
hiệu ược tạo cục bộ hình sin 2cosωct (giải iều chế ồng bộ) và sau ó truyền tín hiệu
kết quả qua một LPF. phép nhân mang lại
LPF chỉ truyền các thành phần tần số thấp và loại bỏ các thành phần tần số kép ể ầu ra trở thành
chỉ ra rằng tín hiệu tin nhắn và tiếng ồn là phụ gia ở ầu ra máy thu. Đầu ra công
suất tín hiệu thông báo là
Công suất tiếng ồn ược ưa ra bởi lOMoAR cPSD| 59735516
Một lần nữa, nếu chúng ta giả sử nhiễu trắng với mật ộ phổ công suất hai mặt Sn (ω)
= η/2(watts/Hz) với phổ của nó tập trung tại ω và băng thông 2W, như ược minh họa trong Hình 7.12, sau ó Đầu ra SNR ho ặ c là:
Điều này chỉ ra rằng SNR ầu ra của DSB giống với SNR của hệ thống băng cơ sở. Do
ó, hệ thống DSB có hiệu suất tiếng ồn tương tự như hệ thống băng gốc 9.3.2 SSB SYSTEM
Hệ thống ơn biên ược mô tả trong Hình 7.13. Tín hiệu SSB ược ưa ra bởi lOMoAR cPSD| 59735516 trong
ó mh(t) là biến ổi Hilbert của m(t): dấu cộng biểu thị dải biên dưới và dấu trừ ại diện
cho dải bên trên. Công suất tín hiệu ầu vào là Since.
Tín hiệu nhận ược là:
Song song với cuộc thảo luận của chúng ta về DSB, chúng ta nhân tín hiệu này bằng
một hình sin ược tạo cục bộ 2cosωct rồi truyền tín hiệu thu ược qua LPF. Các thành
phần cầu phương của cả hai tín hiệu và nhiễu bị loại bỏ ể ầu ra bộ giải iều chế ược
Một lần nữa, chúng ta giả sử nhiễu trắng với PSD Sn hai mặt (ω) = η/2 (oát/Hz). Sức
mạnh mật ộ phổ của cả n(t) và nc(t) ược thể hiện trong Hình 7.14. Kể từ ây. lOMoAR cPSD| 59735516
Lưu ý rằng SNR trong hệ thống SSB giống hệt với hệ thống DSB. Tuy nhiên, các
băng thông truyền dẫn của hệ thống DSB gấp ôi băng thông của hệ thống SSB. Như
vậy, ối với mộtcông suất truyền và băng thông truyền, băng cơ sở, hệ thống DSBSC
và SSB-SC tất cả ều cho cùng một ầu ra SNR.
9.3.4 AM ENVELOPE DETECTION
Phát hiện ường bao là cách phổ biến ể giải iều chế tín hiệu AM một phần vì máy dò
phong bì là giá rẻ. Đây cũng là lý do nó ược sử dụng rộng rãi trong các máy thu phát
sóng AM. Như thường lệ, tín hiệu iều chế là lOMoAR cPSD| 59735516
ER(t) là ầu ra của máy dò. Chúng ta sẽ xem xét hai trường hợp cực oan của nhiễu nhỏ
và lớn tiếng ồn. Chúng ta cũng sẽ xem xét trường hợp trung gian. Case 1: Small noise
Trong trường hợp này, tín hiệu chiếm ưu thế. Nói cách khác, chúng ta có tỷ lệ
tín hiệu trên tạp âm lớn (SNR 1)
Trong iều kiện này, chúng ta có thể tính gần úng phương trình. (7.46) như
Thuật ngữ A, thành phần dc, bị chặn bởi một tụ iện sao cho ầu ra của ường bao máy dò là
giống như phương trình. (7.36) thu ược ối với bộ tách sóng ồng bộ. Do ó, chúng ta có
ược mộtkết quả giống hệt nhau trong phương trình. (7.39), cụ thể là
Do ó, ối với SNR lớn (khi nhiễu nhỏ so với tín hiệu), ường baomáy dò hoạt ộng giống như máy dò ồng bộ. Case 2: Large noise
Trong trường hợp này, tiếng ồn chiếm ưu thế. Nói cách khác, tiếng ồn lớn so với tín
hiệu nên SNR ó 1. Mặt trái của phương trình. (7.48) và (7.49) xảy ra, cụ thể là lOMoAR cPSD| 59735516
Chúng ta quan sát từ phương trình. (7.57) rằng không có số hạng nào tỷ lệ với tín hiệu
thông báo m(t). Trên thực tế, tín hiệu ược nhân với một số hạng nhiễu ngẫu nhiên, cos
ϕn(t). Dưới iều kiện này, các tín hiệu bị chôn vùi trong tiếng ồn và không thể phục
hồi từ máy dò ường bao. Vì vậy nó là vô nghĩa ể nói về SNR ầu ra cho trường hợp này. Case 3: Threshold
Có một trường hợp trung gian hoặc chuyển tiếp trong ó công suất tín hiệu thông báo
xấp xỉ bằng nhau ến công suất nhiễu ầu vào. Khi SNR giảm từ giá trị cao xuống thấp, ạt ến ngưỡng.
Ngưỡng là một iểm mà trên ó ảnh hưởng của tiếng ồn là không áng kể và dưới ó tác
ộng của tiếng ồn là không áng kể.hiệu suất của hệ thống giảm i nhanh chóng. lOMoAR cPSD| 59735516
Mặc dù hiệu ứng ngưỡng không xảy ra trong giải iều chế kết hợp, nhưng nó không
phải là duy nhất ối với phát hiện phong bì; nó cũng ược tìm thấy trong iều chế tần số.
Vì lý do này, giải iều chế nhất quán thường ược ưu tiên khi SNR thấp.
Một phân tích chi tiết về hiệu ứng ngưỡng là phức tạp. Chúng ta sẽ chỉ phát biểu công thức cho SNR như
Ngưỡng diễn ra khi γ có thứ tự từ 10 trở xuống
9.4 ANGLE-MODULATION SYSTEMS 9.4.1 FM SYSTEM lOMoAR cPSD| 59735516
9.4.2 THRESHOLD EFFECTS
Chúng ta nhớ lại rằng các biểu thức cho SNR ầu ra cho PM và FM ược dựa trên giả
ịnh rằng công suất tín hiệu lớn hơn nhiều so với công suất nhiễu (tức là EnðÞ
tA).Trong trường hợp ngược lại, máy thu không thể phân biệt giữa tín hiệu và tiếng
ồn. Tin nhắn không thể ược phục hồi. Hiệu ứng ngưỡng xảy ra khi nhiễu và tín hiệu
mức ộ có thể so sánh ược. Đây là hiệu ứng mà chúng ta quan sát thấy trong hệ thống
AM có ường bao phát hiện. Nó ược phát âm trong FM.
SNR ở ầu ra của máy dò FM có thể thu ược bằng cách iều tra thống kê ặc iểm của gai
tiếng ồn. Vì tiếng ồn là ngẫu nhiên, chúng ta chỉ có thể xác ịnh các giá trị trung bình
của các ại lượng quan tâm. Có thể chỉ ra rằng tại ngưỡng, giá trị của γ là
trong ó D là tỷ lệ ộ lệch tần số của tín hiệu FM. Sử dụng phương trình. (7.97), ta xác
ịnh ượcmức tối thiểu cho phép D ể ảm bảo rằng hệ thống hoạt ộng trên ngưỡng. Thay
thế phương trình. (7.96) thành phương trình. (7,97) sản lượng
là mối quan hệ giữa SNR ầu ra và tần số thấp nhất có thể hệ số lệch.
9.6 PREEMPHASIS AND DEEMPHASIS FILTERS
Trong phát và thu FM thương mại, người ta nhận thấy rằng tạp âm PSD lớn nhất
trongdải tần mà tín hiệu PSD nhỏ nhất. Nói cách khác, tần số cao hơn óng góp nhiều
hơn cho tiếng ồn hơn so với các tần số thấp hơn. Để cải thiện hiệu suất tiếng ồn,
chúng ta sử dụng lọc trước/không nhấn mạnh. Preemphasis cho phép các tần số cao
hơn ược tăng biên ộ trước khi ược sử dụng ể iều chế sóng mang. Như thể hiện trong
Hình 7.21, lọc ưu tiên ược thực hiện trước khi iều chế (trước khi nhiễu ược ưa vào).
Kể từ khi lọc hoạt ộng làm biến dạng tín hiệu, hoạt ộng ngược lại phải diễn ra tại máy
thu bằng cách sử dụng lọc giảm nhấn mạnh. Bằng cách này, tín hiệu hữu ích ược khôi
phục về dạng ban ầu nhưng tiếng ồn, ã ược thêm vào sau khi nhấn mạnh trước, bây
giờ ã ược giảm bớt. Như vậy,
Preemphasis là một quá trình lọc ược sử dụng trong phát sóng FM ể tăng tần số cao
các thành phần của tín hiệu thông báo m(t) (trước khi iều chế) ể cải thiện SNR tổng thể.
Deemphasis là quá trình lọc thông thấp ược sử dụng trong thu FM ể khôi phục (sau
khi phát hiện) các ặc tính tần số biên ộ của tín hiệu ược nhấn mạnh trước. lOMoAR cPSD| 59735516
Thực hiện mạch RC iển hình của các bộ lọc tiền nhấn mạnh và không nhấn mạnh và
Bode của chúng biểu ồ cường ộ ược thể hiện trong Hình 7.22, trong ó Rp là tổ hợp
song song của R và Ro. Hàm truyền của tiền nhấn mạnh có dạng
trong ó K là một hằng số, trong khi giá trị của sự giảm nhẹ là
Giá trị của các thành phần dựa trên sự lựa chọn úng của ω1 và ω2. Sự lựa chọn của ược tiêu
chuẩn hóa ở Hoa Kỳ là tần số mà tín hiệu PSD giảm 3 dB; ây là 2.1 kHz ể phát sóng.
Điều này ược gọi là tiền nhấn mạnh 75-μs vì hằng số thời gian RC của bộ lọc là 75 μs. Sự lựa chọn của ược
tạo ra ể vượt xa dải âm thanh, giả sử f 2 >= 30 kHz.
Chúng ta có thể xác ịnh sự cải thiện trong SNR ầu ra do nhấn mạnh trước/giảm nhấn
mạnh lọc bằng cách tính toán mức giảm công suất tiếng ồn. Nếu không có bộ lọc
deemphasis, công suất nhiễu ầu ra ược ưa ra bởi phương trình. (7,94), cụ thể lOMoAR cPSD| 59735516
Với sự có mặt của bộ lọc giảm âm, công suất nhiễu ầu ra là:
Sự cải thiện thu ược từ việc sử dụng nhấn mạnh trước/giảm nhấn mạnh có thể là áng
kể trong một môi trường ồn ào. môi trường. Mặc dù sơ ồ có thể ược sử dụng trong
AM, nhưng nó không hiệu quả vì ảnh hưởng nhiễu trên AM là ồng nhất trong toàn bộ
phổ của tín hiệu iều chế.
9.6 COMPARISON OF ANALOG MODULATION SYSTEMS
Tại thời iểm này, bây giờ chúng ta có thể so sánh các hệ thống sóng liên tục tương tự
(CW) khác nhau mà chúng ta có thảo luận trong chương này. Việc so sánh dựa trên
băng thông truyền BT, ầu ra SNR ược chuẩn hóa thành γ, iểm ngưỡng γTh nếu có thể,
áp ứng dc hoặc áp ứng tần số thấp, và ộ phức tạp của hệ thống. Bảng 7.1 cho thấy sự
so sánh. Các iểm sau ây cần ược lưu ý. 1.
Tất cả các sơ ồ iều chế tuyến tính (băng cơ sở, AM, DSB-SC, SSB) có cùng
SNR trên mỗi dạng như hệ thống băng cơ sở, ngoại trừ công suất sóng mang bị lãng
phí trong AM thông thường. 2.
Từ quan iểm hệ thống, AM là iều chế ít phức tạp nhất, trong khi sóng mang
VSB bị triệt tiêu là phức tạp nhất. 3.
Trong các sơ ồ iều chế tuyến tính, các phương pháp sóng mang bị triệt tiêu tốt
hơn so với AM – SNR thông thường tốt hơn và không có hiệu ứng ngưỡng. 4.
Khi băng thông là mối quan tâm chính, thì dải biên ơn và dải biên di tích là sự lựa chọn. 5.
Sơ ồ iều chế góc/phi tuyến (PM và FM) giúp cải thiện áng kể về hiệu suất tiếng
ồn, với iều kiện là tín hiệu ầu vào cao hơn ngưỡng