Nhiễu trắng (White noise)

Nhiễu trắng là một tín hiệu ngẫu nhiên có mật độ phân bố công suất phẳng nghĩa là tín hiệu nhiễu có công suất bằng nhau trong toàn khoảng băng thông. Tín hiệu này có tên là nhiễu trắng vì nó có tính chất tương tự với ánh sáng trắng. Nhiễu trắng có thể do nhiều nguồn khác nhau gây ra như thời tiết,do bộ khuếch đại ở máy thu,do nhiệt độ,hay do con người.

Chúng ta không thể tạo ra nhiễu trắng theo đúng lý thuyết vì theo định nghĩa của nó, nhiễu trắng có mật độ phổ công suất phân bố trong khoảng tần vô hạn và do vậy nó cũng phải có công suất vô hạn. Tuy nhiên, trong thực tế, chúng ta chỉ cần tạo ra nhiễu trắng trong khoảng băng tần của hệ thống chúng ta đang xem xét.

Lưu ý rằng nhiễu Gaussian (nhiễu có phân bố biên độ theo hàm Gaussian) không phải là nhiễu trắng. Từ "Gaussan" đề cập đến phân bố xác suất đối với giá trị (độ lớn) trong khi từ "While" đề cập đến cái cách phân bố công suất tín hiệu trong miền thời gian hoặc tần số.

Ngoài nhiễu trắng Gaussian chúng ta còn có nhiễu trắng Poisson, Cauchy, ... Khi miên tả hệ thống bằng toán học chúng ta hay sử dụng nhiễu AWGN (additive white Gaussian noise) vì loại nhiễu này dễ tạo ra nhất.

2. Nhiễu liên ký tự ISI (Inter symbol interference)

Trong môi trường truyền dẫn vô tuyến, nhiễu xuyên ký tự (ISI) gây bởi tín hiệu phản xạ có thời gian trễ khác nhau từ các hướng khác nhau từ phát đến thu là điều không thể tránh khỏi. Ảnh hưởng này sẽ làm biến dạng hoàn toàn mẫu tín hiệu khiến bên thu không thể khôi phục lại được tín hiệu gốc ban đầu.

Các kỹ thuật sử dụng trải phổ trực tiếp DS-CDMA như trong chuẩn 802.11b rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa đường vì thời gian trễ có thể vượt quá khoảng thời gian của một ký tự.

OFDM sử dụng kỹ thuật truyền song song nhiều băng tần con nên kéo dài thời gian truyền một ký tự lên nhiều lần. Ngoài ra, OFDM còn chèn thêm một khoảng bảo vệ (guard interval - GI), thường lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền, giữa hai ký tự nên nhiễu ISI có thể bị loại bỏ hoàn toàn.

((Trong môi trường truyền dẫn đa đường, nhiễu xuyên ký tự (ISI) gây

bởi tín hiệu phản xạ có thời gian trễ khác nhau từ các hướng khác nhau từ

phát đến thu là điều không thể tránh khỏi. Ảnh hưởng này sẽ làm biến dạng

hoàn toàn mẫu tín hiệu khiến bên thu không thể khôi phục lại được tín hiệu

gốc ban đầu. Các kỹ thuật sử dụng trải phổ trực tiếp DS-CDMA như trong

chuẩn 802.11b rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa đường vì thời gian trễ có

thể vượt quá khoảng thời gian của một ký tự. OFDM sử dụng kỹ thuật

truyền song song nhiều băng tần con nên kéo dài thời gian truyền một ký tự

lên nhiều lần. Ngoài ra, OFDM còn chèn thêm một khoảng bảo vệ (guard

interval - GI), thường lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền, giữa hai ký tự nên nhiễu ISI có thể bị loại bỏ hoàn toàn. Đặc điểm:Dải thông

tuyệt đối của các xung nhiều mức đỉnh phẳng là vô hạn. Nếu các xung này

được lọc không đúng khi chúng truyền qua một hệ thống thông tin thì

chúng sẽ trải ra trên miền thời gian và xung cho mỗi kí hiệu sẽ chèn vào các

khe thời gian bên cạnh gây ra nhiễu giữa các kí hiệu (ISI).ISI là hiện tượng

nhiễu liên kí hiệu. ISI xảy ra do hiệu ứng đa đường, trong đó một tín hiệu

tới sau sẽ gây ảnh hưởng lên kí hiệu trước đó.

2.2. Các biện pháp khắc phục nhiễu ISI

Trong các hệ thống đơn sóng mang, ISI là một vấn đề khá nan giải.

Lí do là độ rộng băng tần tỉ lệ nghịch với khoảng thời gian kí hiệu, do vậy,

nếu muốn tăng tốc độ truyền dữ liệu trong các hệ thống này, tức là giảm

khoảng kí hiệu, vô hình chung đã làm tăng mức trải trễ tương đối. Lúc này

hệ thống rất nhạy với trải trễ. Và việc thêm khoảng bảo vệ khó triệt tiêu hết

ISI.

Để giảm nhiễu xuyên âm người ta phải làm thế nào hạn chế dải thông

mà vẫn không gây ra ISI. Khi dải thông bị giới hạn, xung sẽ có đỉnh tròn

thay vì đỉnh phẳng.

Một trong những phương pháp để loại bỏ nhiễu ISI là dùng bộ lọc

cos nâng và bộ lọc ngang ép không (phương pháp Nyquist I).

3. Nhiễu liên kênh ICI (Interchannel Interference)

Nhiễu xuyên kênh gây ra do các thiết bị phát trên các kênh liền nhau. Nhiễu liên kênh thường xảy ra do tín hiệu truyền trên kênh vô tuyến bị dịch tần gây can nhiễu sang các kênh kề nó. Để loại bỏ nhiễu xuyên kênh người ta phải có khoảng bảo vệ (guard band) giữa các dải tần.

3.2.Nhiễu xuyên kênh trong OFDM ở kênh thông tin di động

3.2.1. Giới thiệu

Trong phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao

(OFDM), băng thông truyền được chia thành nhiều kênh nhỏ, và được

truyền song song với nhau. Do đó, giới hạn của ký tự tăng lên và nhiễu liên

ký tự (ISI) gây ra môi trường fading theo thời gian bị loại bỏ. Tuy nhiên,

với những giới hạn ký tự dài hơn, nhiễu xuyên kênh (ICI) gây ra bởi

Doppler ở kênh thông tin di động lại tăng lên. Hiệu ứng Doppler có ảnh

hưởng đến hệ thống OFDM. Ở đây, chúng ta nhận được giới hạn của ICI,

tính toán dễ dàng hơn và hữu ích hơn. Giới hạn bao gồm cả giới hạn chung

và riêng. Giới hạn chung chỉ phụ thuộc vào tần số Doppler lớn nhất ( d f ) và thời gian ký tự ( s T ). Giới hạn riêng cũng phụ thuộc vào biến của phổ

Doppler.

4. Nhiễu đồng kênh (Co-Channel Interference)

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

Nhiễu đồng kênh thường gặp trong hệ thống thông tin số cellular, trong đó để tăng hiệu suất sử dụng phổ bằng cách sử dụng lại tần số. Như vậy có thể coi nhiễu đồng kênh trong hệ thống cellular là nhiễu gây nên do các cell sử dụng cùng 1 kênh tần số.

Nhiễu đồng kênh liên quan tới việc sử dụng tần số. Có thể ví dụ trong mạng GSM: Trong mạng GSM, mỗi trạm BTS được cấp phát một nhóm tần số vô tuyến. Các trạm thu phát gốc BTS lân cận được cấp phát các nhóm kênh vô tuyến không trùng với các kênh của BTS liền kề.

Đặc trưng cho loại nhiễu này là tỉ số sóng mang trên nhiễu (C/I). Tỉ số này được định nghĩa là cường độ tín hiệu mong muốn trên cường độ tín hiệu nhiễu sau lọc cao tần và nó thể hiện mối quan hệ giữa cường độ tín hiệu mong muốn so với nhiễu đồng kênh từ các BTS khác.

C/I = 10log (Pc/Pi)

Yêu cầu là C/I <=12dB.

Trong đó :

Pc là công suất tín hiệu thu mong muốn.

Pi là công suất nhiễu thu được.

Một số giải pháp để hạn chế loại nhiễu đồng kênh trong các hệ thống cellular như sau:

Không thể dùng bộ lọc để loại bỏ giao thoa này do các máy phát sử dụng cùng một tần số.

Chỉ có thể tối thiểu hóa nhiễu đồng kênh bằng cách thiết kế mạng cellular phù hợp.

Tức là thiết kế sao cho các cell trong mạng có sử dụng cùng nhóm tần số không ảnh hưởng tới nhau=>khoảng cách các cell cùng tần số phải đủ lớn.

5. Nhiễu đa truy nhập (Multiple Access Interference).

Nhiễu đa truy nhập là nhiễu do các tín hiệu của các user giao thoa với nhau, là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến dung lượng của hệ thống.

Trong các hệ thống đa truy nhập:

• TDMA: Đa truy nhập phân chia theo thời gian

Trong TDMA là sự giao thoa của các tín hiệu ở khe thời gian này với khe thời gian khác do sự không hoàn toàn đồng bộ gây ra. Người ta phải có khoảng bảo vệ (guard time) để giảm xác suất người dùng bị giao thoa nhưng cũng đồng thời làm giảm hiệu suất sử dụng phổ

• FDMA: Đa truy nhập phân chia theo tần số

Các hiệu ứng Doppler làm dịch phổ tần số dẫn đến có sự giao thoa giữa các dải tần con Guard band để giảm xác xuất giao thoa giữa các kênh kề nhau =>giảm hiệu suất sử dụng phổ

• CDMA: Đa truy nhập phân chia theo mã

Trong CDMA người ta sử dụng tính trực giao của mã nên hầu như không có nhiễu giữa các user.

• DS CDMA: Đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp.

Theo những nghiên cứu gần đây, phương thức đa truy nhập phân chia theo

mã chuỗi trực tiếp DS-CDMA (Direct Sequence Code Division Multiplexing Access) dựa vào việc trải phổ dòng dữ liệu bằng cách sử dụng một mã trải phổ được ấn định cho mỗi người sử dụng trong miền thời gian.Khả năng giảm thiểu nhiễu đa truy nhập MAI (Multiple Access Interference) dựa vào tính tương quan chéo của mã trải phổ. Trong trường hợp truyền đa đường đòi hỏi rất khắt khe của viễn thông di động, khả năng phân biệt một tín hiệu thành phần từ nhiều thành phần khác trong tín hiệu thu tổng hợp được cung cấp bởi tính tự tương quan của mã trải phổ. Máy thu RAKE có chứa nhiều bộ tương quan, mỗi bộ tương quan được nối với một dường dẫn có khả năng phân giảỉ khác nhau. Vì vậy hoạt động của hệ thống DS-CDMA sẽ phụ thuộc nhiều vào số lượng người sử dụng thực tế, đặc trưng của kênh và số lượng các nhánh được dùng trong máy thu RAKE. Cũng vì lý do này mà dung lượng của hệ thống sẽ bị hạn chế do nhiễu nội (self-interference) và MAI mà nguyên nhân là sự chưa hoàn chỉnh của tính tự tương quan cũng như tính tương quan chéo của mã trải phổ. Điều này gây ra khó khăn cho hệ thống DS-CDMA trong việc sử dụng đầy đủ năng lượng tín hiệu thu bị phân tán trong miền thời gian.