Đang tải... (xem toàn văn)
Đề tài : KHÁI QUÁT TÍNH CHẤT CỦA MỘT SỐ NGUỒN NHIỄU ĐIỆN, CÁC TÁC ĐỘNG LÀM ẢNH HƯỞNG TỚI CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VÀ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP HẠN CHẾ. Nội dung luận văn gồm có 4 chương: Chương 1 có tiêu đề “Khái quát về một số tính chất của các nguồn nhiễu điện chính” Chương 2 có tiêu đề “Ảnh hưởng của nhiễu điện trong hệ thống thông tin” Chương 3 với tiêu đề “Một số phương pháp giảm thiểu sự ảnh hưởng của nhiễu điện” Chương 4 với tiêu đề “Một số đặc thù địa hình và một vài biện pháp giảm nhiễu điện trên địa bàn tỉnh Hòa Bình”
1 MỞ ĐẦU Chúng ta sống thời đại mà trao đổi thông tin trở thành nhu cầu thiết yếu người Thông tin cho phép người liên lạc với từ khoảng cách xa, tầu đại dương, với vũ trụ, vệ tinh hay với người lái xa đường, nhà khí tượng thủy văn hay địa chất thực phép đo từ xa… Với phát triển vũ bão hệ thống thông tin truyền thông đáp ứng nhu cầu người Sự phát triển hệ thống thông tin từ kỹ thuật analog đến kỹ thuật số, từ tốc độ thấp lên đến tốc độ cao dựa tảng phát triển công nghệ vi điện tử, công nghệ truyền dẫn, chuyển mạch,… Các hệ thống thơng tin dùng tìn hiệu điện, quang với tín hiệu khác Để truyền thơng tin địi hỏi cần phải xử lý thơng tin ví dụ chuyển tín hiệu analog thành tín hiệu digital, điều chế, giải điều chế, phát tin, nhận tin…trong q trình xử lý tín hiệu tồn hệ thống ln ln xuất nguồn nhiễu nhiễu ngồi làm méo tín hiệu thơng tin Nhiễu chất nội trình chất tự nhiên Ta hạn chế loại bỏ kỹ thuật khác Việc xử lý giảm nhiễu vô tốn phức tạp, nhiệm vụ gần quan trọng phát triển hệ thống thơng tin Chính từ xưa việc nghiên cứu, khắc phục nhiễu mạnh đa dạng lĩnh vực nhiễu nội, nhiễu ngoại Nhiêu điện phản ánh đầy đủ tính chất bên vật liệu linh kiện điện tử bán dẫn sensor, trước kích thước linh kiện điện tử bán dẫn, IC cịn lớn cỡ từ µm đến nm, độ lớn tín hiệu thơng tin tương đối lớn cỡ trung bình từ µA đến mA nhiễu có ảnh hưởng nhiều có độ lớn nhỏ hai bậc độ lớn Thế từ năm 1990 trở lại công nghệ nano phát triển mạnh nhằm chế tạo linh kiện có kích thước siêu nhỏ tín hiệu chứa thơng tin giảm xuống nhỏ Đặc biệt công nghệ thông tin quang vấn đề nghiên cứu xử lý nhiễu trở thành vấn đề quan tâm lớn Ở Việt Nam ta việc nghiên cứu đặc tính nhiễu, đo đạc chúng quan tâm xong chưa mạnh mẽ, phần lĩnh vực khó kinh phí việc nghiên cứu lớn Chính tơi chọn luận văn với mục đích bước đầu nhằm hệ thống hóa nguồn nhiễu nội, nhiễu ngoại, phương pháp tham gia vào đo đạc, giảm thiểu nhiễu linh kiện, thiết bị, hệ thống thông tin Nội dung luận văn gồm có chương: Chương có tiêu đề “Khái quát số tính chất nguồn nhiễu điện chính” nhằm đưa số định nghĩa, phân loại nhiễu, thông số dặc trưng số nguồn nhiễu điện nhiễu nhiệt, nhiễu nổ, nhiễu thác lũ số nguồn nhiễu quan trọng Laser Đưa số nguồn nhiễu sinh tác nhân bên như: nhiễu đường dây điện lực, nhiễu sấn sét gây ra… Chương có tiêu đề “Ảnh hưởng nhiễu điện hệ thống thông tin” nhằm đưa ảnh hưởng nhiễu đến hệ thống thông tin Phần nêu lên đặc điểm hệ thống thông tin chịu tác động nhiễu bên bên ảnh hưởng tán sắc hệ thống thơng tin quang, ảnh hưởng méo tín hiệu, ảnh hưởng sấm sét, đường dây điện lực đặc biệt ảnh hưởng mơi trường truyền sóng Trên thực tế ngày số mạng thông tin di động sử dụng dải tần số gần ảnh hưởng lẫn nhau, chương nêu lên nghiên cứu số đặc điểm, nguyên nhân ảnh hưởng Chương với tiêu đề “Một số phương pháp giảm thiểu ảnh hưởng nhiễu điện” nêu lên số phương pháp làm giảm nhiễu hệ thống thơng tin Trong thực tế, nhiễu khơng thể hồn tồn loại bỏ mà làm giảm bớt phần biện pháp khác như: cho hệ thống hoạt động chế độ, thiết kế mạch điện hay thiết bị tối ưu, nối đất cho thiết bị tốt, Đối với nguồn nhiễu nội ta sử dụng kỹ thuật làm giảm chúng hệ thống DSL, khuếch đại quang Đối với nhiễu bên biện pháp trống ảnh hưởng đường dây điện lực số phương pháp khác nhằm giảm ảnh hưởng nhiễu Chương với tiêu đề “Một số đặc thù địa hình vài biện pháp giảm nhiễu điện địa bàn tỉnh Hịa Bình” nêu lên số đặc thù tỉnh Hịa Bình đặc điểm địa hình, đặc điểm hệ thống thơng tin đặc biệt ảnh hưởng nhà máy thủy điện Hịa Bình, đài truyền thanh… Đưa số phương pháp làm giảm nhiễu địa phương số phép đo nhiễu nội, vài kết đo nhiễu cụ thể Những đề tài nhiễu tương đối khó, thời gian nghiên cứu hạn hẹp nên luận văn giải vài nhiệm vụ ban đầu CHƯƠNG KHÁI QUÁT VỀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA CÁC NGUỒN NHIỄU ĐIỆN CHÍNH 1.1.NHIỄU NỘI , CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ MỘT SỐ NGUỒN NHIỄU CHÍNH TRONG LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 1.1.1.Định nghĩa, phân loại nhiễu - Nhiễu nội nhiễu linh kiện điện tử- Bán dẫn – sensor bao hàm dao động ngẫu nhiên xẩy bên vật liệu linh kiện Tất đại lượng vật lý đặc trưng loại vật liệu linh kiện dao động cách ngẫu nhiên xung quanh giá trị trung bình thăng giáng ngẫu nhiên gọi nhiễu Như thăng giáng ngẫu nhiên đại lượng nói xẩy nhiễu có nguyên nhân khác nhau: dao động lòng vật liệu linh kiện tác động – lí – hóa, điện từ trường bên ngồi tác động vào linh kiện thiết bị - Phân loại nhiễu: Để phân loại nhiễu ta chia thành hai nhóm là: nhiễu điện từ ( electroneagnetic noise) nhiễu (internal noise) + Nhiễu điện từ sinh nguồn xạ điện từ bên ngồi hệ thống thơng tin( như: nhiễu trạm phát sóng, thiết bị cơng ngiệp, nhiễu sấp chớp, sét khí xạ từ vũ trụ …) nhiên nhiễu điện từ loại trừ biện pháp kỹ thuật khác + Nhiễu gây nên tượng thăng giáng trình vật lý xẩy bên thân linh kiện điện tử -bán dẫn – sensor Khi xuất loại nhiễu ta khơng thể tránh nhiên ta hạn chế ảnh hưởng ta biết đặc tính nhiễu nguyên nhân gây Thơng thường nhiễu có giá trị nhỏ, nhiên số trường hợp ta khơng thể bỏ qua nó, đo đạc đại lượng vật lý có giá trị bè khuếch đại tín hiệu nhỏ … nhiễu quy định ngưỡng nhạy dụng cụ thu đo xử lý tín hiệu Loại nhiễu nhiều người quan tâm nghiên cứu, đặc biệt lĩnh vực như: chế tạo vật liệu, linh kiện phục vụ cho kỹ thuật thông tin, điều khiển Dựa vào nguồn gốc gây nhiễu, người ta tìm 10 loại nhiễu khác là: nhiễu nhiệt, nhiễu nổ, nhiễu 1/f, nhiễu phát sinh tái hợp, nhiễu bập bùng, nhiễu thác lũ, …Tùy thuộc vào chất vật liệu, cấu trúc nguyên lý hoạt động linh kiện mà loại vật liệu linh kiện thường có số loại nhiễu tiêu biểu định 1.1.2.Các thơng số đặc trưng a) Giá trị trung bình, phương sai giá trị bậc hai bình phương (Root Mean Square – RMS): đại lượng x thăng giáng ngẫu nhiên xung quang giá trị trung bình theo thời gian , mặt tốn học viết: (1.1) ∆x = x − x Theo lý thuyết thống kê thì: ∆x = x − x = (1.2) ∆x = ( x − x) = x − x ≠ Đại lượng ∆x gọi phương sai thăng giáng x x t Hình 1.1: giá trị trung bình theo thời gian Về ý nghĩa vật lý phương sai biểu thị công suất thăng giáng hay công suất nhiễu b) Mật độ phổ công suất Để đặc trưng cho phân bố công suất nhiễu theo tần số người ta đưa vào đại lượng mật độ phổ công suất định nghĩa sau : S (t ) = dp df (1.3) ∞ P = ∫ S ( f )df (1.4) đó: dp cơng suất nhiễu ứng với thành phần có tần số từ f đến f+df với df biến thiên vô nhỏ P công suất nhiễu tồn phần ứng với tần số c) Dải thơng nhiễu Dải thơng nhiễu (kí hiệu ∆f) định nghĩa dải tần số thuộc đường cong hệ số khuếch đại cơng suất tạo thành hình chữ nhật có diện tích diện tích tạo đường cong hệ số khuếch đại công suất thực tế với trục tần số ∞ ∆f = G ( f )df G0 ∫ (1.5) G(f) hệ số khuếch đại công suầt hệ hàm tần số, G hệ số khuếch đại công suất ứng với tần số nằm dải d) Hệ số tương quan Nếu có chế sinh dòng nhiễu tương ứng ∆i1 ∆i2 theo nguyên lý tổ hợp, dòng nhiễu tổng : ∆i = ∆i1 + ∆i (1.6) Nếu hai nguồn nhiễu khơng độc lập với : 2 ∆i = (∆i1 + ∆i2 ) = ∆i1 + ∆i2 + 2c.∆i1∆i2 (1.7) đó: c hệ số tương quan, xác định biểu thức: c= ∆i1 ∆i 2 ∆i1 ∆i (1.8) Khi c = 0, lúc hai nguồn nhiễu tương quan với nhau, cịn c ≠ nguồn nhiễu có tương quan với Hệ số tương quan có giá trị nằm khoảng từ +1 đến -1 hay |c| = Một cách khái qt, có n nguồn nhiễu độc lập : 2 ∆i = ∆i1 + ∆i + + ∆i n (1.9) e) Hàm tự tương quan hàm hỗ tương quan Hàm tự tương quan đặc trưng cho phụ thuộc vào hai giá trị lấy hai thời điểm tương ứng t t + τ thể trình ngẫu nhiên x(t) xác định biểu thức: T R xx (τ ) = x(t ) x(t + τ ) = lim ∫ x (t ) x(t + τ )dt T →∞ T (1.10) f) Tỷ số tín hiệu nhiễu S/N Để so sánh nhiễu với tín hiệu người ta dùng tỷ số S/N Tỷ số tín hiệu nhiễu xác định theo biểu thức đầu vào hay đầu linhkiện viết : S PS = N PN (1.11) đó: PS cơng suất tín hiệu, PN cơng suất nhiễu.Trong biểu thức cơng suất thay trị bình phương dòng điện áp g) Hệ số nhiễu F (noise factor) Hệ số nhiễu đặc trưng cho suy giảm tỷ số tín hiệu nhiễu truyền qua tứ cực, xác định biểu thức : F= Si / Ni So / N o (1.12) đó: Si /Ni tỷ số cơng suất tín hiệu nhiễu đầu vào S o /No cơng suất tín hiệu nhiễu đầu Trường hợp có nhiều tứ cực mắc nối tiếp với hệ số nhiễu hệ xác định theo công thức Friis [21]: F = F1 + F2 − G1 + F3 − G1G + + Fm G1G G m −1 (1.13) đó: F1 G1 hệ số nhiễu hệ số khuếch đại công suất tầng đầu tiên, F G2 tầng thứ 2, , Fm Gm tầng thứ m h) Nhiệt độ nhiễu tương đương Nhiệt độ nhiễu tương đương Tn lưỡng cực có trị bình phương trung bình điện áp nhiễu đo dải tần ∆f u R điện trở tương đương với lưỡng cực đó, định nghiã nhiệt độ cần có điện trở R để tạo nhiễu nhiệt có cơng suất nhiễu cơng suất nhiễu lưỡng cực Nhiệt độ nhiễu tương đương Tn xác định biểu thức sau : u2 Tn = 4kR∆f (1.14) đại lượng u t2 = 4kTn R∆f trị bình phương trung bình điện áp nhiễu nhiệt điện trở R gây F =1+ hay: Tn T0 Tn = (F-1) To (1.15.a) (1.15.b) Tn gọi nhiệt độ nhiễu tứ cực quy đầu vào, T nhiệt độ chuẩn (T0 = 2900 K) 1.1.3.Một số nguồn nhiễu nội 1.1.3.1.Nhiễu nhiệt (Thermal noise) Nhiễu nhiệt chuyển động hỗn loạn hạt tải điện bên vật dẫn Sự chuyển động sinh dòng điện thăng giáng ngẫu nhiên dòng điện thăng giáng gọi dòng nhiễu nhiệt Lúc hai đầu vật dẫn xuất nguồn điện áp nguồn điện áp biến đổi ngẫu nhiên, gọi điện áp nhiễu ( hay gọi suất điện động nhiễu nhiệt) Nhiễu nhiệt nghiên cứu Johnson vào năm 1927, gọi nhiễu Johnson Khi khơng có điện trường ngồi đặt vào vật dẫn điều kiện nhiệt độ định mật độ phổ nguồn điện áp xác định cơng thức:[27] SV(f) = 4kTR (1.16) Trong k = 1,38.10-23J0K-1 số Boltzman, T nhiệt độ tuyệt đối, R điện trở vật dẫn Để chứng minh cơng thức (1.16) lý thuyết Nyquist chứng minh mật độ phổ nhiễu nhiệt không phụ thuộc vào tần số (các nhiễu có tính chất gọi nhiễu trắng) Trị bình phương trung bình điện áp nhiễu nhiệt dải tần ∆f tính cơng thức:[27] u t2 = S v ( f )∆f = 4kTR∆f (1.17) Nếu biểu diễn qua dòng nhiễu tương đương thì: S i ( f ) = 4kTG (1.18) it2 = 4kTG∆f (1.19) G = 1/R độ dẫn vật dẫn Từ công thức Nyquist mở rộng cho lưỡng cực có trở kháng phức Z(ω)=R(ω)+jX(ω) độ dẫn phức Y(ω) = 1/ Z(ω) = G(ω) + jB(ω) mật độ phổ điện áp nhiễu nhiệt mật độ phổ dòng nhiễu nhiệt lưỡng cực xác định biểu thức: S v (ω ) = 4kTR(ω ) (1.20) S t (ω ) = 4kTR (ω ) (1.21) ω = 2πf tần số góc, cịn G(ω) = R(ω)/(R2(ω)+X2(ω)) Trị bình phương trung bình điện áp nhiễu dòng nhiễu dải tần số ∆f = f2 - f1 tính biểu thức tương ứng sau: f2 ω2 f1 ω1 u t2 = ∫ S v ( f )df = 4kT ∫ R (ω ) f2 ω2 f1 ω1 i t2 = ∫ S i ( f )df = 4kT ∫ G (ω ) d (ω ) 2π (1.22) d (ω ) 2π (1.23) công thức Nyquist thiết lập dựa mơ hình lí thuyết cổ điển nên với điều kiện hf