Nghiên cứu bộ cân bằng thích nghi mù dùng trong truyền sóng đa sóng mang

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HỒ CHÍ MINH
PHỊNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

------------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ

“NGHIÊN CỨU BỘ CÂN BẰNG THÍCH NGHI MÙ
DÙNG TRONG TRUYỀN SĨNG ĐA SĨNG MANG”

THD: TS. HỒNG ĐÌNH CHIẾN
Họ và tên : Trần Viết Tấn MSHV:01405323
Học viên khoá 2005
Chuyên ngành Kỹ thuật Vơ tuyến Điện tử
Mã ngành 2.07.01

Tp Hồ Chí Minh 10/2007


Lời cảm ơn
Tôi xin by tỏ lòng kính trọng v biết ơn sâu sắc tới:
TS. Hong ỡnh Chin

Ngời thầy đà tận tình hớng dẫn, hết lòng giúp đỡ tôi trong quá
trình thực hiện luận văn ny.
Tôi cũng xin cám ơn thầy cô giáo trong bộ môn in t- Vin
thông, Ban giám hiệu nh trờng, phòng Đo tạo sau đại học, các
phòng ban liên quan, gia đình v bạn bè đà động viên, hỗ trợ tôi trong
suốt quá trình học tập v thực hiện luận văn.
Tp H Chớ Minh, tháng 11 năm 2007

Học viên: Trn Vit Tn


TÓM TẮT
Trong những năm gần đây, bộ cân bằng mù rất được sự quan tâm của các nhà
nghiên cứu. Bộ cân bằng mù được ứng dụng nhiều trong thông tin số như trong các hệ
thống đa điểm. Ưu điểm của bộ cân bằng mù là không yêu cầu việc truyền tín hiệu
huấn luyện như các bộ cân bằng thích nghi. Với các thuật toán “mù ”, các máy thu
riêng lẻ có thể tự điều chỉnh mà khơng cần sự giúp đỡ của máy phát.
Cùng với thực tế hiện nay, sự phát triển của kỹ thuật đa sóng mang đã được ứng
dụng rất nhiều tại Việt Nam cũng như trên thế giới, ví dụ như ADSL, Wimax, Truyền
hình số… Chính vì vậy việc nghiên cứu thuật tốn cân bằng thích nghi mù cho hệ
thống đa sóng mang là vấn đề cần thiết. Trong xu thế phát triển chung đó, chúng tơi
tập trung nghiên cứu về các cơ sở toán học, phương pháp mô phỏng. Các kết quả thu
được sẽ được so sánh và kiểm chứng với kết quả mô phỏng trên môi trường Matlab.


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 - Các thành phần cơ bản của hệ thống thơng tin số................................... 4
T

T

T

T

Hình 1.2 - Hàm tự tương quan và mật độ phổ công suất nhiễu trắng ...................... 8
T

T

T

T

Hình 1.3 - Can nhiễu kênh cận kề .......................................................................... 15
T

T

Hình 1.4 - Nguyên lý hệ thống FDM ..................................................................... 24
T

T

T

T

Hình 1.5 - Ví dụ về hệ thống FDM với 3 tín hiệu ngõ vào .................................... 24
T

T

T

T

Hình 1.6 - Sơ đồ khối của máy thu với 3 khối giải điều chế.................................. 25
T

T

T

T

T

Hình 1.7 - Hệ thống FDM với n ngõ vào ............................................................... 26
T

Hình 1.8 - Phổ của tín hiệu điều chế baseband ...................................................... 26
Hình 1.9 - Phổ của hệ thống OFDM và FDM........................................................ 29
Hình 1.10 - Sơ đồ phát tín hiệu OFDM.................................................................. 30
Hình 1.11 - Chọn tần số sóng mang ....................................................................... 32
Hình 1.12 - Thu tín hiệu OFDM ............................................................................ 33
Hình 1.13 - Trễ khi truyền ký tự ............................................................................ 34
Hình 1.14 - Chèn CP .............................................................................................. 35
Hình 1.15 - Thu tín hiệu khi khối đã chèn CP........................................................ 37
Hình 1.16 - Sơ đồ khố phát OFDM........................................................................ 38
Hình 2.1 - Sơ đồ hệ thống SISO............................................................................. 47
Hình 2.2 - Hệ thống MIMO.................................................................................... 48
Hình 2.3 - Cấu trúc cơ bản của bộ cân bằng MSSE-DFE ...................................... 56
Hình 2.4 - Các bộ cân bằng đa sóng mang............................................................. 59
Hình 2.5 - Làm ngắn kênh truyền sử dụng MSSNR .............................................. 62
Hình 2.6 - Bộ cân bằng dùng phương pháp MSSE ................................................ 64
Hình 3.1 - Ví dụ về tác động của ICI và ISI........................................................... 68

Hình 3.2 - Mơ hình hệ thống cho thuật tốn SAM................................................. 73
Hình 4.1 - Sơ đồ hệ thống thông tin số dùng cho mô phỏng ................................. 83


Hình 4.2 - Sơ đồ lấy ảnh và biến đổi ngược FFT................................................... 84
Hình 4.3 - Sơ đồ tạo CP.......................................................................................... 84
Hình 4.4 - Kênh truyền sau bộ TEQ (MERRY)..................................................... 86
Hình 4.5 - Thuật tốn MERRY .............................................................................. 86
Hình 4.6 - Tốc độ truyền của thuật tốn MERRY ................................................. 87
Hình 4.7 - Đáp ứng xung của bộ TEQ (MERRY) ................................................. 87
Hình 4.8 - Đáp ứng kênh truyền của thuật tốn SAM ........................................... 88
Hình 4.9 - Hàm chi phí của thuật tốn SAM.......................................................... 88
Hình 4.10 - Tốc đơ của thuật tốn SAM ................................................................ 89
Hình 4.11 - Tốc độ truyền của thuật toán SAM trên SNR ..................................... 89
Hình 4.12 - Đáp ứng xung của bộ TEQ (SAM) ..................................................... 90


DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 2.1 - Các ký hiệu của tín hiệu ....................................................................... 47
Bảng 2.2 - Các ký hiệu bộ lọc ................................................................................ 49
Bảng 2.3 - Các ký hiệu về tham số chỉ thị.............................................................. 50
Bảng 2.4 - Bảng ký hiệu ma trận............................................................................ 51
Bảng 2.5 - Bảng thông số về các hệ thống đa sóng mang...................................... 55


MỤC LỤC
Chương 0 ĐẶT VẤN ĐỀ............................................................................. 1
0.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI.........................................................................1
0.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI .........................................2

0.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ..........................................3
Chương 1 ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG......................................................4
1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ ................ 4
1.1.1 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG TT SỐ ........... 4
1.1.2 NHIỄU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ ..........................6
1.1.2.1 Nhiễu trong ................................................................................7
1.1.2.2 Nhiễu thành phần.......................................................................7
1.1.2.2.1 Nhiễu nhiệt.........................................................................10
1.1.2.2.2 Nhiễu nhiệt trên điện trở ...................................................11
1.1.2.2.3 Nhiễu phản xạ ................................................................... 11
1.1.2.2.4 Nhiễu chia cắt ................................................................... 11
1.1.2.2.5 Nhiễu nhấp nháy ...............................................................12
1.1.2.2.6 Cảm ứng điện từ và tĩnh điện ............................................12
1.1.2.2.7 Nhiễu tiếp xúc ................................................................... 12
1.1.2.3 Nhiễu hệ thống và nhiễu thiết bị............................................. 13
1.1.3 NHIỄU NGOÀI ..............................................................................13
1.1.3.1 Nhiễu nhân tạo.........................................................................13
1.1.3.2 Nhiễu khí quyển.......................................................................13
1.1.3.3 Nhiễu vũ trụ .............................................................................14


1.1.4 FADING .........................................................................................14
1.1.5 CAN NHIỄU ..................................................................................15
1.1.6 MÉO DẠNG TÍN HIỆU VÀ NHIỄU LIÊN KÝ TỰ.....................15
1.1.6.1 Méo dạng tín hiệu ....................................................................15
1.1.6.2 Ảnh hưởng của mơi trường truyền và nhiễu lên tín hiệu số....17
1.1.6.3 Nhiễu giao thoa ký tự ..............................................................17
1.1.7 TÍNH TỐN NHIỄU TRONG HỆ THỐNG THƠNG TIN ..........18
1.1.7.1 Tỉ số cơng suất tín hiệu trên nhiễu ..........................................18
1.1.7.2 Tỉ số nhiễu ...............................................................................18

1.1.7.3 Ảnh hưởng của trở kháng đối với nhiễu..................................19
1.1.7.4 Nhiễu của các tầng khuếch đại ghép liên tiếp .........................20
1.1.7.5 Nhiệt độ nhiễu tương đương....................................................20
1.1.8 NHIỄU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ...........................21
1.1.8.1 Đánh giá nhiễu đối với tín hiệu BPSK ....................................22
1.1.8.2 Đánh giá nhiễu đối với tín hiệu QBSK ...................................22
1.1.8.3 Đánh giá nhiễu đối với tín hiệu PAM .....................................23
1.1.8.4 Đánh giá nhiễu đối với tín hiệu QAM.....................................23
1.2 ĐIỀU CHẾ ĐA SĨNG MANG...........................................................23
1.2.1 FDM...............................................................................................23
1.2.2 OFDM............................................................................................27
1.2.2.1 Giới thiệu .................................................................................27
1.2.2.2 Hoạt động của hệ thống OFDM ..............................................30
1.2.2.3 Tín hiệu truyền.........................................................................30
1.2.2.4 Thu tín hiệu OFDM .................................................................32
1.2.2.5 Kênh fading đa đường .............................................................33


1.2.2.6 Tiền tố quay vịng ................................................................... 35
1.2.2.7 Tính chất của các hàm cơ bản .................................................36
1.2.2.8 Thiết kế bộ thu.........................................................................36
1.2.2.9 Nhận xét và kết luận ............................................................... 40
1.2.3 KẾT LUẬN ...................................................................................42
1.3 TỔNG KẾT .........................................................................................43
Chương 2 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ BỘ TEQ MÙ...........................44
2.1 RÚT NGẮN KÊNH TRUYỀN ...........................................................44
2.2 SỰ CẦN THIẾT CỦA THUẬT TỐN THÍCH NGHI .....................53
2.3 CÁC VÍ DỤ VỀ HỆ THỐNG ĐA SÓNG MANG .............................55
2.4 CÂN BẰNG KÊNH TRUYỀN ...........................................................55
2.4.1 Cân bằng đơn sóng mang .............................................................56

2.4.2 Bộ cân bằng đa sóng mang ......................................................... 57
2.5 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ CÂN BẰNG ...............................58
2.5.1 Phương thức thiết kế bộ TEQ phổ biến........................................59
2.5.2 Trường hợp thương số Rayleigh đơn ...........................................61
2.6 TỔNG KẾT ........................................................................................65
Chương 3 CƠ SỞ THUẬT TỐN THÍCH NGHI MÙ ................................66
3.1 CÁC BỘ CÂN BẰNG THÍCH ỨNG DỰA TRÊN CP ......................66
3.1.1 MERRY .........................................................................................67
3.1.2 FRODO..........................................................................................70
3.1.3 PHÂN TÍCH HÀM CHI PHÍ ........................................................70
3.2 CÁC BỘ TEQ THÍCH ỨNG DỰA TRÊN TƯƠNG QUAN .............72
3.2.1 SAM...............................................................................................72
3.2.2 TOLKIEN ......................................................................................80


3.3 TỔNG KẾT .........................................................................................82
Chương 4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG............................................................83
4.1 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG ...........................................................................83
4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT .........................................85
4.2.1 SỰ HỘI TỤ CỦA THUẬT TOÁN MERRY................................86
4.2.2 SỰ HỘI TỤ CỦA THUẬT TOÁN SAM .....................................88
4.2.3 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .............90
4.2.3.1 So sánh SAM, MERRY và các thuật toán khác ......................90
4.2.3.2 Kết luận....................................................................................91
4.2.3.3 Hướng phát triển của đề tài .....................................................91


-1“Nghiên cứu bộ cân bằng thích nghi mù”

THD: TS Hồng Đình Chiến

Chương 0 . ĐẶT VẤN ĐỀ
0.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Ngày nay, hệ thống thông tin số đang được phát triển mạnh trên tồn thế
giới thay thế cho thơng tin tương tự do nhiều ưu điểm của hệ thống thơng tin số
tạo ra. Đó là sự nâng cao về chất lượng, dung lượng, tốc độ … của kênh truyền.
Tuy nhiên, bên cạnh đó lại có vấn đề về nhiễu liên ký tự trong thông tin số ISI đã
làm hạn chế phần nào ưu điểm trên. Có nhiều phương pháp để khắc phục vấn đề
trên, một trong những phương pháp đó là sử dụng bộ cân bằng.
Bộ cân bằng là một bộ lọc có thể cung cấp một nghịch đảo xấp xỉ của đáp
ứng kênh truyền. Khi các đặc tính kênh truyền thường là không được biết và thay
đổi theo thời gian, cấu trúc của bộ cân bằng được sử dụng là cấu trúc cân bằng
thích nghi.
Các kỹ thuật cân bằng truyền thống sử dụng một khe thời gian để cung cấp
tín hiệu huấn luyện. Tín hiệu này đã được biết tại máy thu, dựa vào mối quan hệ
giữa tín hiệu huấn luyện thu được và tín hiệu huấn luyện có ở máy thu. Máy thu sẽ
hiệu chỉnh bộ cân bằng để có được chất lượng kênh truyền tối ưu. Các thuật toán
LMS, RTS được sử dụng cho bộ cân bằng thích nghi có huấn luyện. Tuy nhiên,
việc sử dụng một khe thời gian để huấn luyện sẽ làm lãng phí băng thơng. Hơn
nữa, trong một số hệ thống việc truyền chuỗi huấn luyện là rất khó khăn nhiều khi
khơng thực hiện được. Để khắc phục điều đó, người ta sẽ sử dụng bộ cân bằng tự
thích nghi (cân bằng mù, không cần sử dụng chuỗi huấn luyện). Trong cân bằng
mù, máy thu không biết chuỗi dữ liệu thực tế ngoại trừ các đặc tính xác suất và
thống kê của bảng mã điều chế. Cân bằng mù là vấn đề rất lý thú và đầy thách
thức, trên thế giới người ta đã bắt đầu nghiên cứu từ những năm 70. Trong giai
đoạn này, các hệ thống thông tin chủ yếu là đơn sóng mang nên các thuật tốn

Chương 0: ĐẶT VẤN ĐỀ

TH: Trần Viết Tấn

-2“Nghiên cứu bộ cân bằng thích nghi mù”

THD: TS Hồng Đình Chiến

cũng chỉ tập trung vào hệ thống đơn sóng mang. Cùng với sự phát triển khoa học
kỹ thuật, nhu cầu về thông tin tốc độ cao, dung lượng lớn, hệ thống đơn sóng
mang khơng thể đáp ứng được đã làm tiền đề cho sự ra đời hệ thống ĐA SÓNG
MANG (Multi Carrier). Cùng với sự ra đời hệ thống này, các thuật tốn sử dụng
cho bộ cân bằng thích nghi cũng được hình thành. Các thuật tốn SAM,
TOLKIEN, MMSE… là các ví dụ.
0.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Trên thế giới hiện nay đã có một số cơng trình nghiên cứu về các thuật tốn
cân bằng thích nghi mù (Luận án tiến sĩ của Richard K. Martin tại đại học
Cornel tháng 5 năm 2004). Vẫn đang đang có những nỗ lực nghiên cứu để có thể
cải thiện hiệu suất, tăng tốc độ hội tụ, giảm độ phức tạp của thuật tốn.
Ở nước ta hiện nay, đã có một số cơng trình nghiên cứu về bộ cân bằng
thích nghi mù dùng cho hệ thống đơn sóng mang.
Trên thực tế sự phát triển của kỹ thuật đa sóng mang đã được ứng dụng rất
nhiều tại Việt Nam, ví dụ như ADSL, Wimax, Truyền hình số… Chính vì vậy việc
nghiên cứu thuật tốn cân bằng thích nghi mù cho hệ thống đa sóng mang là vấn
đề cần thiết. Trong xu thế phát triển chung đó, chúng tơi tập trung nghiên cứu về
các cơ sở tốn học, phương pháp mơ phỏng. Từ đó, có thể giúp cho việc ứng dụng
vào thực tế Việt Nam. Đây cũng chính là hướng phát triển của đề tài trong tương
lai.

Chương 0: ĐẶT VẤN ĐỀ

TH: Trần Viết Tấn

-3“Nghiên cứu bộ cân bằng thích nghi mù”

0.3

THD: TS Hồng Đình Chiến

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Luận án sẽ bao gồm 4 chương:
-

Chương 1: Giới thiệu về hệ thống đa sóng mang.

-

Chương 2: Giới thiệu tổng quát về bộ cân bằng mù.

-

Chương 3: Cơ sở toán học thuật toán cân bằng mù và cân bằng có huấn
luyện.

-

Chương 4: Mơ phỏng kênh truyền với nhiều thuật toán khác nhau. So
sánh và kết luận dựa trên kết quả mô phỏng.

Chương 0: ĐẶT VẤN ĐỀ

TH: Trần Viết Tấn


-4“Nghiên cứu bộ cân bằng thích nghi mù”

THD: TS Hồng Đình Chiến

Chương 1. ĐIỀU CHẾ ĐA SĨNG MANG
1.1.

MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ
Trong suốt những năm qua, ngành công nghiệp thông tin điện tử đã trải

qua những thay đổi mang tính kỹ thuật đáng ghi nhận. Những hệ thống thông tin
điện tử truyền thống sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự một cách qui ước, như là
điều chế biên độ (AM), điều tần (FM), và điều pha (PM), đang dần được thay thế
với những hệ thống thông tin số hiện đại. Những hệ thống này mang đến những lợi
điểm vượt trội so với các hệ thống tương tự truyền thống: dễ dàng xử lý, dễ hợp
kênh và chống nhiễu tốt.
1.1.1 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THƠNG TIN SỐ

Hình 1.1 – Các thành phần cơ bản của hệ thống truyền thơng số
Hình (1.1) miêu tả biểu đồ chức năng và các thành phần cơ bản của hệ
thống truyền thông số. Ngõ ra nguồn tín hiệu có thể là tín hiệu tương tự như tín
hiệu audio hay video, hoặc là tín hiệu số như ngõ ra của máy điện báo đánh chữ là
rời rạc theo thời gian và có có số hữu hạn ký tự ngõ ra. Trong hệ thống truyền
thông số, các thông điệp tạo ra bởi nguồn được chuyển thành chuỗi các số nhị

Chương 1: ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG

TH: Trần Viết Tấn


-5“Nghiên cứu bộ cân bằng thích nghi mù”

THD: TS Hồng Đình Chiến

phân. Chúng ta biểu diễn thơng điệp bởi các số nhị phân càng ít càng tốt. Mặt khác
ta cũng đang tìm kiếm cách biểu diễn của ngõ ra nguồn có ít hoặc khơng có sự dư
thừa nào. Tiến trình chuyển đổi hữu hiệu ngõ ra của nguồn tương tự hoặc số sang
chuỗi bit nhị phân được gọi là mã hóa nguồn hay nén dữ liệu.
Chuỗi bit nhị phân từ bộ mã hóa nguồn mà ta thường gọi là chuỗi thơng tin,
được chuyển sang bộ mã hóa kênh truyền. Mục đích của bộ mã hóa kênh truyền là
tạo ra một số bit dư thừa trong chuỗi thông tin nhị phân và nó sẽ được dùng ở
máy thu để giúp khắc phục ảnh hưởng của nhiễu và giao thoa trong quá trình
truyền tín hiệu qua kênh truyền. Vì vậy các bit dư thêm vào này làm tăng độ tin
cậy của dữ liệu thu được. Ngồi ra nó cịn giúp máy thu giải mã chuỗi thơng tin
mong muốn. Ví dụ như một cách thơng thường để mã hóa chuỗi thơng tin nhị
phân là chỉ đơn giản lặp lại mỗi số nhị phân m lần, với m là một số dương. Cách
mã hóa phức tạp hơn là lấy k bit và tạo thành chuỗi n bit duy nhất gọi là từ mã. Số
bit dư bằng cách mã hóa này được đo bằng tỉ số n/k. Nghịch đảo của nó k/n được
gọi là tốc độ mã hóa.
Chuỗi bit ngõ ra của bộ mã hóa kênh truyền được chuyển sang bộ điều chế
số. Trước khi nói về bộ điều chế số ta hãy bàn luận trước về kênh truyền. Kênh
truyền dẫn là đường truyền vật lý được dùng để gởi tín hiệu từ bộ thu đến bộ phát.
Kênh truyền có thể là hữu tuyến như cáp đồng trục, cáp xoắn, cáp quang … hoặc
là không gian tự do. Cho dù hình thức kênh truyền nào được dùng thì tín hiệu
truyền đi cũng bị tác động bởi một số yếu tố như suy hao trên đường truyền, các
loại nhiễu gây ra bởi các thiết bị điện tử khác hoặc nhiễu tạo ra bởi con người,

nhiễu nhiệt có tính chất cộng được, nhiễu khí quyển, sét trong các cơn bão … có
thể làm hỏng dữ liệu.
Bộ điều chế sẽ chuyển đổi chuỗi bit nhị phân sang tín hiệu điện để truyền đi
qua kênh truyền. Tùy theo hình thức truyền dẫn là vô tuyến hay hữu tuyến mà ta
có các hình thức điều chế khác nhau. Nếu phải dùng dây để truyền dẫn thì ta sẽ

Chương 1: ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG

TH: Trần Viết Tấn


-6“Nghiên cứu bộ cân bằng thích nghi mù”

THD: TS Hồng Đình Chiến

truyền các xung điện như dùng điều chế nhị phân hay điều chế M-ary… Cịn trong
truyền số vơ tuyến thì ta truyền đi các sóng mang tương tự được số hóa giữa hai
hoặc nhiều điểm trong một hệ thống thông tin bằng các phương pháp như ASK,
FSK, PSK.
Ở đầu thu của hệ thống truyền thông số, bộ giải điều chế số xử lý sóng phát
đã bị tác động bởi các loại nhiễu khác nhau khi truyền qua kênh truyền và tái tạo
lại dạng sóng thành chuỗi số là ước lượng của các ký tự dữ liệu phát (nhị phân
hoặc M-ary). Chuỗi số này được chuyển sang bộ giải mã kênh truyền để khôi phục
lại chuỗi thông tin nguyên thủy từ các từ mã đã biết được dùng bởi bộ mã hóa
kênh truyền và các bit dư trong dữ liệu nhận được.
Một cách để xem bộ giải điều chế và giải mã có tần số lỗi xuất hiện trong
chuỗi bit được giải mã . Chính xác hơn là xác suất trung bình của lỗi bit ở ngõ ra
của bộ giải mã được đo bằng hoạt động của kết hợp bộ giải điều chế và bộ giải mã.
Tổng quát xác suất lỗi là hàm của đặc tính mã hóa, dạng sóng vật lý để truyền
thông tin qua kênh truyền, công suất máy phát, đặc tính kênh truyền, ví dụ như

nhiễu, bản chất giao thoa, …, và phương pháp giải điều chế, giải mã… Và bước
cuối cùng, bộ giải mã nguồn nhận chuỗi bit ngõ ra từ bộ giải mã kênh truyền và
xây dựng lại tín hiệu nguyên thủy. Do lỗi xảy ra trong giải mã kênh truyền và méo
dạng tạo ra bởi bộ giải mã nguồn, tín hiệu ngõ ra bộ giải mã nguồn là một xấp xỉ
của tín hiệu ngõ ra nguồn nguyên thủy. Sai khác của hai tín hiệu này là thước đo
sự méo dạng gây ra bởi hệ thống truyền thơng.
1.1.2 NHIỄU TRONG HỆ THỐNG THƠNG TIN SỐ
Vấn đề thường thấy trong việc truyền tín hiệu qua bất kỳ một kênh truyền
nào, đó là tác động của nhiễu lên tín hiệu. Dưới tác động của nhiễu, tín hiệu truyền
đi có thể bị suy giảm, méo pha (méo tần số) và méo biên độ. Phổ biến nhất vẫn là
nhiễu cộng, còn gọi là nhiễu trắng Gaussian. Trong kênh truyền vơ tuyến cịn có

Chương 1: ĐIỀU CHẾ ĐA SĨNG MANG

TH: Trần Viết Tấn


-7“Nghiên cứu bộ cân bằng thích nghi mù”

THD: TS Hồng Đình Chiến

thêm nhiễu nhân tạo và nhiễu khí quyển. Trong một số kênh thơng tin vơ tuyến
truyền sóng ngắn tầm xa có thêm nhiễu do truyền đa đường hay fading.
Nhìn chung có thể chia nhiễu ra thành hai loại: nhiễu trong và nhiễu ngoài.
Cả hai nguồn nhiễu này đều tác động đến hệ thống thông tin. Nhiễu trong tác động
đến tín hiệu khi tín hiệu đi qua hệ thống và các mạch điện. Nhiễu này không thể
khử được mà chỉ có thể kiểm sốt bằng cách chọn lựa cẩn thận các thành phần,
thiết kế và bố trí mạch hợp lý. Nhiễu ngồi hay nhiễu đường truyền là nhiễu xen
vào tín hiệu khi tín hiệu được lan truyền trong mơi trường truyền. Khơng có cách
gì để người thiết kế có thể kiểm sốt loại nhiễu này. Thay vào đó, họ phải tính tốn

nhiễu này khi thiết kế máy thu.
1.1.2.1 Nhiễu trong
Nhiễu trong có thể phân chia thành hai loại chính:
• Nhiễu thành phần
• Nhiễu hệ thống
1.1.2.2 Nhiễu thành phần
Nhiễu thành phần là kết quả của:
• Chuyển động nhiệt của các electron.
• Nhiễu phát xạ (nhiễu shot).
• Nhiễu partition.
• Nhiễu 1/f.
• Nhiễu tiếp xúc.
• Ảnh hưởng điện từ và tĩnh điện của một mạch đối với một
mạch khác.

Chương 1: ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG

TH: Trần Viết Tấn


-8“Nghiên cứu bộ cân bằng thích nghi mù”

THD: TS Hồng Đình Chiến

Các loại nhiễu kể trên cịn đuợc gọi là nhiễu trắng. Nhiễu trắng được định
nghĩa là một quá trình nhiễu không tương quan với công suất bằng nhau ở mọi tần
số. Một nhiễu có cùng cơng suất ở mọi tần số trong khoảng ±∞ thì cần có cơng
suất vơ hạn vì vậy nhiễu trắng chỉ là tồn tại trên lý thuyết. Tuy nhiên một q trình
nhiễu có băng thơng giới hạn với phổ bằng phẳng bao trùm tầm tần số của một hệ
thống thơng tin có băng thơng giới hạn khi nhìn từ hệ thống thì hầu như là một quá

trình nhiễu trắng.

Hình 1.2 - Hàm tự tương quan và mật độ phổ công suất nhiễu trắng
Mật độ phổ công suất của nhiễu trắng được cho bởi công thức
Sn ( f ) =

N0
(W / Hz )
2

(1.1)

Trong đó hệ số 2 chỉ rằng S n ( f ) là mật độ công suất hai biên. Hàm tự
tương quan của nhiễu trắng được xác định từ biến đổi Fourier ngược của mật độ
phổ công suất nhiễu như sau:

R n (τ ) = F − 1 {S n ( f )} =

N0
δ (τ )
2

(1.2)

rõ ràng là 2 mẫu khác nhau thì khơng tương quan với nhau như trong biểu thức
(1.2). Chúng ta có thể mơ tả nhiễu trắng như là q trình ngẫu nhiên Gaussian có
trung bình bằng khơng. Một q trình Gaussian, n(t), là một hàm ngẫu nhiên có
giá trị n ở bất kỳ thời điểm nào, và có thể mơ tả một cách thống kê bằng hàm mật
độ xác suất Gaussian, p(n):

Chương 1: ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG

TH: Trần Viết Tấn


-9“Nghiên cứu bộ cân bằng thích nghi mù”

THD: TS Hồng Đình Chiến

⎧⎪ 1 ⎛ n ⎞ 2 ⎫⎪
1
p (n) =
Exp ⎨ − ⎜ ⎟ ⎬
σ 2π
⎪⎩ 2 ⎝ σ ⎠ ⎪⎭

( 1.3)

Trong đó σ 2 là variance của n và được xác định bởi:
σ 2 = N 0 .B

(1.4)

Với:
N 0 : mật độ nhiễu

B: băng thơng tín hiệu.
Tương quan giữa nhiễu với tín hiệu được thể hiện qua tỷ số cơng suất tín
hiệu trên nhiễu:
1 2

A Tb
Eb
2
=
B
N0
σ2

( 1.5)

trong đó :
Eb : năng lượng bit

A : biên độ tín hiệu phát (baseband)
Tb : chu kỳ bit

B : băng thơng tín hiệu (Hz)
Hay cũng có thể mơ hình sự tương quan giữa tín hiệu và nhiễu bởi tỉ số
biên độ tín hiệu trên nhiễu:

S A
=
N σ

Chương 1: ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG

( 1.6)

TH: Trần Viết Tấn

- 10 “Nghiên cứu bộ cân bằng thích nghi mù”

THD: TS Hồng Đình Chiến

Chúng ta thường biểu diễn tín hiệu nhiễu là tổng của biến ngẫu nhiên nhiễu
Gausian và tín hiệu điều chế: z = a + n. Trong đó z là tín hiệu ngẫu nhiên, a là
thành phần dc, và n là biến ngẫu nhiên nhiễu Gausian.
p(z) =

⎧ 1 ⎛ z − a ⎞2 ⎫
Exp ⎨ − ⎜
⎟ ⎬
2π
⎩ 2⎝ σ ⎠ ⎭

1

σ

( 1.7)

trong đó σ 2 là variance của n.
Phân bố Gausian thường được sử dụng để mô hình cho nhiễu hệ thống bởi
vì theo định lý giới hạn trung tâm: “trong các điều kiện tổng quát, phân bố xác
suất của tổng j biến ngẫu nhiên độc lập nhau về mặt thống kê tiến tới phân bố
Gausian khi t → ∞, bất kể các hàm phân bố thành phần”. Do đó, cho dù các cơ chế
nhiễu có phân bố khơng phải là Gausian, nhưng các cơ chế đó đều có xu hướng
tiến về phân bố Gausian.
1.1.2.2.1 Nhiễu nhiệt ( nhiễu Johnson )

Nhiễu nhiệt còn được gọi là nhiễu Johnson. Sự chuyển động nhiệt khơng
thể khử hồn tồn, nhưng có thể làm giảm bằng cách giảm nhiệt độ. Ở nhiệt độ lớn
hơn 0°K (-273°C) chuyển động nhiệt gây nên sự chuyển động của các electron
trong vật chất. Sự chuyển động này gây ra nhiễu nhiệt.
Các chất dẫn điện hoặc bán dẫn đều có một lượng electron tự do khơng
ngừng chuyển động, chúng va chạm và trao đổi năng lượng. Ngay cả trong một
mạch khơng có dịng chạy qua, sự chuyển động hỗn loạn của các electron tự do
này sản sinh ra 1 điện áp dao động xuyên qua các điểm nút. Sự dao động ngẫu
2
nhiên này đưa đến một khái niệm gọi là bình phương điện áp nhiễu Vo . Nyquist

đã chứng minh giá trị của công suất nhiễu nhiệt ( Pn ) được cho bởi công thức:
Pn = kTB Pn (J/Hz)

Chương 1: ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG

(1.8)

TH: Trần Viết Tấn


- 11 “Nghiên cứu bộ cân bằng thích nghi mù”

với:

THD: TS Hồng Đình Chiến

k =1.38x10-23J/oK là hằng số Boltzmann.
T: Nhiệt độ tuyệt đối đo bằng độ Kelvin.
B: Băng thơng tín hiệu.

1.1.2.2.2 Nhiễu nhiệt trên điện trở
Một điện trở thật có thể đặc trưng bởi mạch tương đương Thevenin gồm 1
nguồn nhiễu và 1 điện trở không nhiễu R nối tiếp với một cái khác RL. Điều kiện
phối hợp trở kháng là giá trị của RL phải bằng R. Nguồn nhiễu, R và RL tạo thành
mạch kín. Từ đó, dịng hiệu dụng được xác định bởi:
I RMS =

Vo 2
2R

(1.9)

Nhưng:
2

⎛ V2 ⎞
Pmax =I 2 R= ⎜ o ⎟ .R
⎜ 2R ⎟
⎝
⎠
2
V
= o
4R

(1.10)

Từ biểu thức Nyquist:

Pmax = Pn = kTB
kTB = Vo 2 / 4 R.

(1.11)

1.1.2.2.3 Nhiễu phát xạ (nhiễu shot )

Nhiễu này có ngun nhân do bản chất dịch chuyển của dịng điện trong
chất bán dẫn. Dòng điện chạy qua diode bán dẫn chính là dịng electron đi từ
cathode qua lớp tiếp xúc pn đến anode. Số lượng các electron đến anode mỗi lúc là
khác nhau, kết quả là tạo ra 1 dòng xoay chiều rất nhỏ xếp chồng lên dòng điện đi

Chương 1: ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG

TH: Trần Viết Tấn


- 12 “Nghiên cứu bộ cân bằng thích nghi mù”

THD: TS Hồng Đình Chiến

qua linh kiện. Trong các transitor, nhiễu shot là do sự thay đổi lượng electron đến
collector.
1.1.2.2.4 Nhiễu chia cắt

Dòng điện đưa vào một transitor chảy từ emitter đến base. Sau khi vượt qua
rào thế thì nó bị phân chia, một phần đến base và một phần đến collector. Dòng
base cũng chịu thêm các dao động ngẫu nhiên và góp phần vào tạo ra nhiễu tồn
bộ của transitor. Do nhiễu được sinh ra tại mối nối base nên còn gọi là nhiễu chia
cắt.

1.1.2.2.5 Nhiễu nhấp nháy ( hay nhiễu 1/f )

Sự dao động trong vật liệu dẫn điện và bán dẫn cung cấp một nguồn nhiễu
tỷ lệ nghịch với tần số. Loại nhiễu này được biết đến như một dịng nhiễu. Nó
thường khơng đáng kể khi tần số trên 10Khz (đối với một số transitor là 1Khz ).
1.1.2.2.6 Cảm ứng điện từ và tĩnh điện

Ảnh hưởng tĩnh điện và điện từ có thể được giảm đáng kể bằng việc cách ly
mạch công suất và mạch cao tần cũng như bố trí các bảng mạch hợp lý. Ảnh
hưởng tĩnh điện xảy ra thông qua hiệu ứng điện dung giữa các dây dẫn song song
và các rãnh mạch in, trong khi cảm ứng điện từ xảy ra thông qua hoạt động biến
áp giữa các dây dẫn song song và các rãnh mạch in.
1.1.2.2.7 Nhiễu tiếp xúc

Nhiều gián đoạn ngắn trong khi dẫn truyền trong 1 hệ thống là do các relay
kém tương thích và các tiếp xúc ở các cơng tắc gây ra xung nhiễu. Nhiễu này ảnh
hưởng nghiêm trọng lên các dữ liệu của mạch. Nếu các tiếp xúc bẩn sẽ làm tăng hệ
số suy giảm tín hiệu của hệ thống. Các tiếp xúc bẩn cũng gây ra nhiễu nhiệt.

Chương 1: ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG

TH: Trần Viết Tấn


- 13 “Nghiên cứu bộ cân bằng thích nghi mù”

THD: TS Hồng Đình Chiến

1.1.2.3 Nhiễu hệ thống và nhiễu thiết bị

Một nguồn nhiễu khác là nhiễu điều hợp, có nguyên nhân do đặc tính
khơng tuyến tính của các thành phần như diode hoặc transitor, cũng như các mạch
điện - chẳng hạn như các bộ điều chế hay các bộ lọc. Dạng nhiễu này tạo ra các
tần số ở tín hiệu ngõ ra nhưng chúng lại khơng có mặt ở ngõ vào. Tính chất khơng
tuyến tính làm cho tín hiệu đầu ra bị méo so với tín hiệu đầu vào.
Nhiễu điều hợp phụ thuộc vào biên độ tín hiệu vào và sự khơng tuyến tính
của linh kiện. Các thành phần tần số chính xác sẽ lệ thuộc vào sự phi tuyến của
linh kiện là như thế nào. Chẳng hạn các linh kiện như diode, transitor và các mạch
như mạch điều chế là các minh chứng cho sự khơng tuyến tính và nhiễu điều hợp.

1.1.3 NHIỄU NGOÀI
Với việc thiết kế cẩn thận, bố trí đúng các bản mạch, chọn lựa đúng và ngăn
cách các tầng RF/HF, tảng nhiệt hợp lý. . . ảnh hưởng của nhiễu trong trong việc
thu phát là có thể kiểm sốt được. Tuy nhiên, một khi tín hiệu được truyền đi trong
mơi trường thì tín hiệu sẽ chịu ảnh hưởng từ các nguồn nhiễu ngồi, nhiễu này
khơng thể kiểm soát được.
1.1.3.1 Nhiễu nhân tạo

Gây ra bởi các hoạt động của con người chủ yếu là do các cơ chế đánh tia
lửa điện như: động cơ điện, đèn huỳnh quang, công tắc điện… Nhiễu này xuất
hiện ở vùng tần số dưới 500 MHz.
1.1.3.2 Nhiễu khí quyển

Là một dạng nhiễu ngẫu nhiên gây bởi sự xáo trộn bầu khí quyển Trái Đất
chủ yếu do sấm chớp. Phổ của nó được xem như vơ hạn nhưng có mật độ tỷ lệ
nghịch với tần số do đó thường chỉ gây ảnh hưởng trong vùng tần số nhỏ hơn
20MHz.
Chương 1: ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG

TH: Trần Viết Tấn

- 14 “Nghiên cứu bộ cân bằng thích nghi mù”

THD: TS Hồng Đình Chiến

1.1.3.3 Nhiễu vũ trụ:

Gây ra bởi bức xạ của các thiên thể. Chúng có phổ từ 8 MHz đến 1.5 GHz.
Thật ra chúng có chứa thành phần tần số thấp hơn 8MHz nhưng các thành phần đó
bị hấp thu bởi tầng điện ly trước khi đến mặt đất.
1.1.4 FADING

Fading là sự thay đổi độ lớn của tín hiệu thu được khi tín hiệu được truyền
qua một kênh truyền đa đường. Khi một tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy
thu qua kênh truyền, do sự thay đổi đặc tính của kênh truyền (ví dụ khúc xạ) cùng
với việc phản xạ sóng khi gặp các chướng ngại vật (các cao ốc, cây cối, núi đồi ...)
trên đường truyền sẽ làm cho tín hiệu đến máy thu theo nhiều đường khác nhau,
với độ suy hao và độ trễ khác nhau. Kết quả là một tín hiệu gốc được phát đi từ
máy phát khi đến máy thu sẽ trở thành một tín hiệu tổng hợp với các thành phần
có thời gian trễ, độ lệch pha và suy hao khác nhau. Do có sự lệch pha mà tín hiệu
nhận được tại máy thu có thể được tăng cường (khi các thành phần đến cùng pha)
hoặc suy giảm (khi có các thành phần ngược pha triệt tiêu nhau). Có hai loại
fading chính:
-

Fading phẳng tín hiệu bị suy hao như nhau trên tồn dải tần số.

-

Fading chọn lọc: tín hiệu suy hao khơng đồng đều trên tồn dải tần số.

Hiện tượng fading làm cho tín hiệu thu được tại ngõ vào máy thu bị méo
dạng. Nhiều nhà nghiên cứu đã nỗ lực mơ tả đặc tính các tín hiệu đa đường thu
được với những thí nghiệm đo lường và mơ hình vật lý của kênh truyền. Tổng
quát chúng ta mô phỏng biên độ tín hiệu thu được theo phân bố Rayleigh khi
khơng có tín hiệu trực tiếp hoặc theo phân bố Ricean khi có tín hiệu truyền trực
tiếp, và pha phân bố thống nhất giữa 0 và 2π. Khi có nhiều cao ốc chắn đường tín
hiệu, biên độ tín hiệu có phân bố logarit chuẩn. Từ đó ta có ba loại phân bố fading

Chương 1: ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG

TH: Trần Viết Tấn


- 15 “Nghiên cứu bộ cân bằng thích nghi mù”

THD: TS Hồng Đình Chiến

là phân bố fading Rayleigh, phân bố fading Ricean và phân bố fading logarit
chuẩn.
1.1.5 CAN NHIỄU

Có 2 loại can nhiễu là can nhiễu kênh kề và can nhiễu đồng kênh.
o

Nhiễu kênh kề: Là hiện tượng phổ tần của các kênh có tần số trung

tâm khác nhau nhưng gần nhau bị chồng lấn lên nhau. Nguyên nhân của
hiện tượng này là do sự không lý tưởng của các bộ lọc. Khi băng tần bảo

vệ của các kênh không đủ lớn, nhiễu kênh kề sẽ xuất hiện.

Hình 1.3 - Can nhiễu kênh kề cận
o

Nhiễu đồng kênh: Do sự tái sử dụng tần số trong các hệ thống thông

tin như thơng tin vệ tinh, thơng tin di động. . .Đó là hiện tượng hai máy
phát cùng sử dụng chung một tần số trung tâm. Kết quả là sẽ nảy sinh
xung đột, thông tin của máy này làm nhiễu loạn thông tin của máy kia.
1.1.6 MÉO DẠNG TÍN HIỆU VÀ NHIẾU LIÊN KÝ TỰ (ISI)
1.1.6.1 Méo dạng tín hiệu

Bất kỳ một tín hiệu nào khi đi qua một mơi trường có băng thông giới hạn
cũng phải chịu 2 hiện tượng.
- Méo biên độ.

Chương 1: ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG

TH: Trần Viết Tấn