(Tiểu luận) bài tập lớn môn học truyền dẫn vô tuyến số thiết kế đường truyền dẫn vô tuyến số

Để có thể phát triển đất nước thì việc mở rộng giao lưu với thế giới bên ngoài đóng vai trò rất quan trọng và việc giao lưu đó được thực hiện bằng các phương thức như sử dụng các đường t

TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG

VẬN KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

201403868

Hà Nội - 2023

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI NÓI ĐẦU 3

A PHẦN CỞ SỞ LÝ THUYẾT 5

I Mục tiêu và yêu cầu 5

1 Mục tiêu kỹ thuật 5

2 Tính toán các thông số 6

3 Chọn tần số làm việc: 7

4 Tính chọn chiều cao của tháp anten 8

5 Tính toán các nhân tố ảnh hưởng và các tham số của đường truyền 9

6 Tính toán các tham số chất lượng của tuyến 12

B: PHẦN THIẾT KẾ TUYẾN VI BA 14

I Các thông số của tuyến và đặc tính của thiết bị 14

1 Các thông số của tuyến 14

2 Các thông số của thiết bị 15

II Tính toán các giá trị đường truyền 16

1 Độ lồi trái đất 16

2 Bán kính thứ nhất của miền Fresnel thứ nhất F1 16

3 Tính chiều cao cột anten tại trạm A 16

4 Tính suy hao của hệ thống 17

5 Các giá trị của thiết bị 18

2 Các mức ngưỡng máy thu 19

3 Xác suất đạt tới ngưỡng 19

4 Thời gian pha đinh 19

5 Xác suất pha đinh phẳng dài hơn 60s 19

6 Khả năng sử dụng tuyến truyền 20TỔNG KẾT 21

2

LỜI NÓI ĐẦUTrong thời đại hiện nay sự phát triển của khoa học - công nghệ trên thế giới đã được nước ta áp dụng nhiều các thành tựu khoa học - công nghệ đó vào trong kinh tế, khoa học xã hội, trong đời sống nói chung và trong ngành viễn thông nói riêng Để có thể phát triển đất nước thì việc mở rộng giao lưu với thế giới bên ngoài đóng vai trò rất quan trọng và việc giao lưu đó được thực hiện bằng các phương thức như sử dụng các đường truyền dẫn bằng hữu tuyến như cáp quang, vệ tinh hay vô tuyến Trong đó thì truyền dẫn bằng vô tuyến được sử dụng rộng dãi hơn so với hữu tuyến vì nó đêm lại những ưu điểm: như tính linh hoạt, tính di động…ngoài ra nó còn được sử dụng cho nhiều lĩnh vực khác như truyền hình, trong thông tin di động, trong quốc phòng…

Truyền dẫn bằng vô tuyến ngoài những ưu điểm trên thì nó phải chịu những ảnh hưởng của thời tiết, địa hình, làm cho chất lượng truyền dẫn bị ảnh hưởng, dễ bị thu trộm, dung lượng truyền dẫn bị hạn chế và đặc biệt còn bị ảnh hưởng của hiện tượng phadinh, trong truyền dẫn số có 2 loại phadinh là phadinh phẳng và phadinh nhiều đường làm cho chất lượng truyền dẫn không tốt do đó cần có biện pháp khắc phục các hạn chế các nhược điểm trên xuống mức thấp nhất để có thể bảo vệ thông tin truyền dẫn được bảo toàn.

Là một sinh viên được đào tạo trong ngành điện tử viễn thông thì việc được thiết kế đường truyền dẫn vô tuyến đã đem lại cho em được những kỹ năng cần thiết cũng như củng cố kiến thức đã được học và bổ sung thêm những kiến thức chuyên ngành góp phần đem lại cơ hội việc làm sau khi rời ghế nhà trường.

A PHẦN CỞ SỞ LÝ THUYẾT

I Mục tiêu và yêu cầu

Khi thiết kế tuyến truyền dẫn vi ba số thì chúng ta cần đẩm bảo các tiêu chí kỹ thuật đặt ra để có thể đáp ứng phục vụ và đảm bảo về kinh tế.

1 Mục tiêu kỹ thuật

Đảm bảo theo các tiêu chuẩn kỹ thuật theo CCITR, tức là thời gian gián đoạn cho phép Theo đó, xác suất lỗi bit cho phép của tuyến truyền vi ba số là BER<10 -3 với các tuyến dài nhỏ hơn 280km.

Độ khả dụng AV của hệ thống (tức là khả năng công tác của hệ thống)

được đảm bảo khi thiết kế:

- 99,98% thời gian làm việc tốt Cụ thể như: nếu là liên lạc thoại trong

3 tháng bất kì không có quá 30 cuộc thoại không bị gián đoạn.

- Công thức tính độ khả dụng của hệ thống theo CCITR (99,98%) là:

A = 100 - (2500 ∗

Trong đó:

1: Thời gian gián đoạn của một hướng (s)

2: Thời gian gián đoạn của ngược hướng (s)

: Thời gian mất liên lạc khi phát 2 hướng song công (s): Tổng thời gian nghiên cứu (s)

4

2 Tính toán các thông số:

+ Tính toán chỉ tiêu chất lượng

+ Tính toán thời gian mất thông tin

+ Lắp đặt thiết bị, anten, đưa hệ thống vào hoạt động thử nghiệm để kiểm tra.

+ Xác định tuyến trên bản đồ (trên bản đồ địa hình của khu vực xây dựng trạm).+ Tạo nên các bản vẽ mặt cắt nghiêng của tuyến

Từ các yêu cầu thực tế của một tuyến vi ba gồm: vị trí trạm,khoảng cách trạm, dung lượng truyền dẫn, địa hình tuyến sẽ điqua… Ta tiến hành đánh dấu hai đầu cuối của trạm trên bản đồ

để xác định chính xác kinh độ, vĩ độ của mỗi trạm

Các thông số toạ độ này được sử dụng để điều chỉnh các anten ở mỗi trạm trong giai đoạn lắp đặt thiết bị Ký hiệu trên bản đồ: trạm A là trạm thứ nhất và trạm B là trạm thứ hai Sau đó vẽ một mặt cắt nghiêng của đường truyền.

Mặc dù mặt đất có độ cong nhưng để đơn giản trong tính toán người ta

thường vẽ mặt cắt nghiêng ứng với hệ số bán kính hiệu dụng của trái đất là k = 34.

Phương trình sau cho ta xác định độ lồi của mặt đất:

E =(km) (km)

(m)d1: Khoảng cách từ trạm A đến điểm cao nhất

d2: Khoảng cách từ trạm B đến điểm cao nhất

Như vậy trên mặt nghiêng này thể hiện được bề mặt của địa hình Ngoài

ra nó cũng thể hiện được cả độ cao của cây cối các vật chắn trên đường truyền nối hai trạm A, B chẳng hạn như các gò, đồi, các nhà co tầng… Đối với khoảng truyền dẫn dài, độ cong của mặt đất lớn thì cần phải tính toán đến độ nâng của vị trí trạm Độ nâng được vẽ dọc các đường thẳng đứng nên không

đi dọc theo đường bán kính xuất phát từ tâm trái đất.

3 Chọn tần số làm việc:

Công việc này liên quan đến việc chọn thiết bị cho tuyến và liên quan đến tần số sóng vô tuyến của các hệ thống lân cận Việc lựa tần số phải tránh can nhiễu với các tần số khác đã tồn tại xung quanh khu vực, xem xét có thể bố trí việc phân cực anten như thế nào cho hợp lý Khi sử dụng các thiết bị thì giá trị các tiêu chuẩn được chọn theo khuyến nghị của CCIR Vẽ mặt cắt đường truyền và tính các thông số liên quan Tính khoảng cách tia truyền phía trên vật chắn Sau khi đã chọn được tần số làm việc cho tuyến, ta tính miền Fresnel thứ nhất Đó là miền có dạng hình elip từ anten phát đến anten thu; là một môi trường vây quanh tia truyền thẳng Đường biên của miền Fresnel thứ nhất tạo nên quỹ tích sao cho bất kì tín hiệu nào đi đến anten thu qua đường này sẽ dài hơn so với đường truyền trực tiếp một nửa bước sóng (λ /2) của tần

số sóng mang Miền bên trong của elip thứ nhất này gọi là miền Fresnel thứ nhất Nếu tồn tại một vật cản ở rìa của miền Fresnel thứ nhất thì sóng phản xạ sẽ làm suy giảm sóng trực

tiếp, mức độ suy giảm tuỳ thuộc vào biên độ của sóng phản xạ

Do đó việc tính 6

toán đối với miền Fresnel thứ nhất đòi

hỏi có tính chính xác để việc thông tin giữa hai trạm không bịảnh hưởng đáng kể bởi bước sóng phản xạ này Bán kính củamiền Fresnel thứ nhất (F1) được xác định theo công thức sau:

Để tính chiều cao của tháp anten thì trước tiên phải xác định được

độ cao của tia vô tuyến truyền giữa hai trạm Trên cơ sở của độ cao tia

đã có để tính độ cao tối thiểu của tháp anten để thu được tín hiệu.

Biểu thức xác định độ cao của tia vô tuyến như sau:

B = E + (O+T) + CF1 (m); với hệ số C = 0,6

Thông thường thì độ cao của tia B được tính toán tại điểm có một vật chắn cao nhất nằm giữa tuyến Tính độ cao của anten để làm hở một vật chắn nằm giữa tuyến Ở bước khảo sát, ta đã xác định độ cao của hai vị trí đặt trạm so với mặt nước biển tương ứng là h1 và h2 Ta sẽ tính độ cao của cột anten còn lại khi biết trước độ cao của một cột anten.

= + +[ −( + )] −

= + +[ −( + )] −, : Độ cao của anten phát, thu (m)

8

: Khoảng cách từ trạm A đến vị trí cao nhất (m): Khoảng cách từ trạm B đến vị trí cao nhất (m)

h 1 , h 2 : độ cao so với mực nước biển của trạm A và trạm B.

Để đảm bảo cho hệ thống hoạt động không chịu ảnh hưởng của các yếu tố trong tương lai thì độ cao anten phải sử dụng một khoảng dự phòng: ph1 và ph2.

Lúc đó độ dài thực của anten phải là:

har1 = ha1 + ph1har2 = ha2 + ph2Với độ dự phòng từ 0,6 – 5m

5 Tính toán các nhân tố anh h ởng và các th m số củ đ ờng truyền a Tính toán các nhân tố ảnh hưởng đến đường truyền:

Công suất tín hiệu truyền giữa trạm phát và trạm thu bị suy hao trên đường truyền sự mất mát công suất này do các yếu tố gây nhiễu đường truyền:

+ Độ dự trữ fadinh phẳng:

Tác động của fadinh là làm thay đổi mức ngưỡng thu của máy

10

phẳng Fm (dB) liên quan đến mức tín hiệu thu không fadinh W0(dB) và mức tín hiệu thu được thực tế thấp W(dBm) trước lúc hệthống không còn hoạt động tính theo biểu thức:

b Tính toán các tham số của tuyếnCác tham số sử dụng trong tính toán đường truyền: mức suy hao trong không gian tự do, công suất phát, ngưỡng thu, các suy hao trong thiết bị… có vai trò quan trọng để xem xét tuyến có hoạt động được hay không và hoạt động

+ Tổn hao không gian tự do (A0): là tổn hao lớn nhất cần phảixem xét Đây là tổn hao do sóng vô tuyến lan truyền từ trạm này đến trạm kiatrong môi trường không gian

A0 = 20 lg(4πd / λ) = 20 lg(4πdf/c)d / λ) = 20 lg(4πd / λ) = 20 lg(4πdf/c)df/c) (với λ = c/f)

Lsp = Lsp0.d

Với d: khoảng cách của tuyến tính bằng km

→ Phương trình cân bằng công suất trong tính toán đường truyền: Pt =

Pr + G – At [dB]

Pt: là công suất phát

12

At: tổn hao tổng = tổn hao trong không gian tự do + tổn hao phi đơ + tổn hao rẽ nhánh + tổn hao hấp thụ khí quyển

G: tổng các độ lợi = độ lợi của anten A + độ lợi của anten B Pr: công suất tại đầu vào máy thu

6 Tính toán các th m số chất l ợng củ tuyến

Chất lượng đường truyền được đánh giá dựa trên tỷ sốBER Các tỷ số BER thường được sử dụng trong viba số là:BER = 10 -3 và BER = 10 -6 tương ứng với 2 mức ngưỡng Rxa và Rxb

a Độ dự trữ pha dinh ứng với R xa và R xb là Fma và

Fmb: Fma = Pr – R xa với BER =

với C2 = 10,3d; α2 = 0,5; 2 = −0,5 lấy theo khuyến nghị.

e Xác suất pha dinh phẳng dài hơn 10 giây

P(Ta≥ 10) = P(10) = 0,5[1 – erf(Za) ] = 0,5erf(Za)P(Tb≥ 60) = P(60) = 0,5[1 – erf(Zb) ] = 0,5erf(Zb)Với Za = 0.548ln(10/Ta) ; Zb = 0,548ln(10/Tb)

Với erf(t) = 1 – erf(t)

g Khả năng sử dụng tuyến: được biểu thị bằng phần

trăm và được xác định theo Pu:

Av = (1 – Pu).100%

h Xác suất mạch có BER ≥ 10-6:

−Fmb

Xác suất (BER ≥ 10-6 ) = P0.Pb = P0.10 10

i Xác suất mạch có BER ≥ 10 -6 trong hơn 60s do pha dinh phẳng:

Xác suất (BER ≥ 10-6) trong 60s = P0.Pb.P(60)

14

B: PHẦN THIẾT KẾ TUYẾN VI BA

I Các thông số củ tuyến và đặc tính củ thiết bị

1 Các thông số củ tuyến:

Qua quá trình khảo sát thực địa cho ta các thông số của tuyến như sau:

- Địa hình đồi núi có độ cao trung bình là khoảng 7 => 10m.

- Độ cao trạm A so với mực nước biển là 15m, Trạm B là 15m.

→ Từ đó ta có sơ đồ mặt cắt nghiêng của tuyến tuyền như sau:

Trong đó:

h1, h2: Độ cao trạm A và trạm B so với mực nước biển.

ha1, ha2: Độ cao cột anten trạm A và B

Ei: Độ lồi trái đất

d1, d2: khoảng cách từ trạm A, B đến điểm cao nhất của tuyến truyền

F = CF1: Độ đài khoảng hở

Hình: Sơ đồ mặt cắt ngang của tuyến truyền

- Ngưỡng thu BER = 10-6 là -87dB

- Chọn Anten Parabol có khẩu độ D = 2,4m và Độ lợi G = 43,56 db (Do chọn tần số làm việc là 6 Ghz thì ta suy ra bước sóng λ= c/f; do đó ta tính được độ lợi là G= 20logπd / λ) = 20 lg(4πdf/c)D/λ, nên ta chọn anten như vậy).

- Ống dẫn sóng WC42 là 1 dB/km (để tính sự suy hao)

16

II Tính toán các giá trị đ ờng truyền 1 Độ lồi trái đất

Ei = (km) (km)

(m)Thay số ta có Ei = 4

5110∗50= 29,4 m

4/3

2 Bán kính thư nhất củ miền Fresnel thư nhất F1

Đây chính là bán trục của Parapolloit của miền Fresnel thứ nhất là:

F1 = 17,3 √ ( ) ( ) (m)

( ℎ ) ( )Thay số ta có F1 = 17,3√10∗50= 20,39 m

6∗60

Khoảng hở đường truyền (F1- CF1) là khoảng an toàn cho truyền sóng truyền mà ít bị phading và nhiễu xạ Nên khoảng hở đường truyền càng lớn thì chất lượng tuyến truyền càng cao.

Khoảng hở đường truyền: (F1- CF1) với C = 0,6 nên ta có:

(F1- CF1) = C.F1= 0,6.F1= 0,6.20,39= 12.234 (m)

3 Tính chiều c o cột nten tại trạm A

Ta có công thức tính độ cao cần thiết của tia vô tuyến là:

Bi = E + (O+T) + CF1Không có vật chắn hình nêm, cây cối thấp hơn toà nhà nên:

O+T = 80 (m)

Thay các giá trị vào ta có: B = 29,4 + 80 + 12,234 = 121,634 m

Theo công thức tính độ cao của trạm còn lại thì:

Độ cao của trạm A là: ha1 = (h2 + ha2)+ [B- (h2 + ha2)]d/d2 - h1

- 15 ≈ 117,96 m

Thực tế ta phải cộng thêm vào giá trị tính toán một khoảng dự phòng,

ta chọn khoảng dự phòng là 0,6 m Nên thực tế thì độ cao cột anten là:

Cột trạm A là 117,96m + 0,6m = 118,56 mCột trạm B là 45 + 0,6 = 45,6m

dB b Tổn h o Feerder (Phi đơ) L

Do sử dụng loại phi đơ WC42 có tiêu hao là 1db/km → suyhao là 0,001db/m và xét với độ dự phòng là 0,3db

LTxat = 1,5 har1 0,001 + 0,3

18

LRxat = 1,5 har2 0,001 + 0,3

c Tổn h o rẽ nhánhTheo quy định của CCIR thì tổn hao rẽ nhánh trong quy định là

từ 2-8 db Vì ta dựa vào các thông số kỹ thuật của thiết bị

thu-ph át, Do đó ta chọn suy hao rẽ nhánh là cho mỗi thu-phía là 4db.

d Tổn h o hấp thụ khí quyển

Lsp = Lsp0.dLps0 là hấp thụ khí quyển tại tần số f = 6Ghz, tra bảng có Lps0 = 0,19db/km thay số vào ta có: Lps = 0,19.60 = 11,4db

e Tổn h o bộ phối hợp trở kháng và đầu nối

Tổn hao bộ phối hợp trở kháng và đầu nối là 0.5dB cho 1 trạm

5 Các giá trị củ thiết bị:

- Độ khuếch đại (Độ lợi) G:

Chọn Anten làm việc có hệ số khuếch đại là 43,56 db, mà cả hai phía đều phải dùng Anten, nên tổng độ khuếch đại là cả hai phía là:

G = 2.Go = 2 43,56 = 87,12 db

- Tổng tiêu hao của cả tuyến (At) = Tiêu hao đường truyền + tiêu hao phiđo + tiêu hao rẽ nhánh + tiêu hao hập thụ khí quyển + tiêu hao phối hợp trở kháng

At = 143,626 + 0,47784 + 0,3684 + 4.2 + 11,4 + 1 ≈ 161,072 db

Pr = Pt + G –At = 35 + 87,12 – 161,072 = -38,952 db

Ta có: Theo thông số chất lượng máy thu thì với tỷ số lỗi bít BER=10 -6 có ngưỡng thu tối thiểu là -87 db Mà ta tính toán được -38,952 db >> -87db, nên coi như chất lượng là đảm bảo.

III Kiểm tr chất l ợng đ ờng truyền

1 Độ dự trữ ph đinh Fm

Với tỷ số BER=10-6, nên có ngưỡng thu RX = -87db, nên:

Fm = Pr – RX

Fm = -38,952- (-87) = 48,048 db 2 Các mưc ng ỡng máy thu

5 Xác suất ph đinh phẳng dài hơn 60s:

Với tỷ lệ lỗi BER = 10 -6 thì xét xác xuất lỗi xuất hiện lớn hơn 60s là:

P(t ≥ 60) = P(60) = 0,5[1 – erf(Za)]

Với Za = 0,548 ln(10/Ta) = 0,548 ln(10/1) = 1,261Với erf(t) = 2 2

√ ∫ − ta dùng phương pháp gần đúng tính ra được

20

Pa.P0 = 1,567.10-5 0,1405= 2,201635 10-6Vậy khả năng hiệu dụng của tuyến với tiêu chuẩnBER cho trước BER=10-6 là: Pu = 2,201635 10-6.

0,0991= 2,1818 10-7

Av = (1 - 2,1818 10-7) 100% = 99,99997818%

Do vậy khả năng hiệu dụng của tuyến là lớn và đạt yêu cầu.

21

TỔNG KẾTViệc truyền bằng đường truyền vi ba số, tuy chất lượng không tốt và ổn định bằng đường truyền hữu tuyến như cáp đồng trục, quang… Nhưng việc tính toán thiết kế đơn giản hơn và chi phí xây dựng của một hệ thống là thấp hơn Mặt khác, với những tuyến truyền cự ly ngắn thì việc sử dụng đường truyền vi ba sẽ tận dụng được hiệu quả mà chất lượng vẫn đảm bảo Thiết kế tuyến vi ba số tuân theo các quy định với các bước tính toán rõ ràng, nhưng để mang tính hiện thực thì phải bám sát vào thực tế Qua những phân tích ở trên, chúng ta sẽ có hiểu biết thêm về đường truyền dẫn vô tuyến số như: dung lượng thông tin, chất lượng của đường truyền dẫn, cách xác định thiết bị thu, phát cụ thể qua các thông số của máy phát, anten phát hay thông số của máy thu, anten thu Và chúng ta có thể tính toán được các thành phần tổn hao trong quá trình truyền dẫn, xác định các thông số khuếch đại để đảm bảo tín hiệu nhận được ở máy thu không bị tổn hao quá nhiều trong quá trình truyền dẫn.

Theo bài thiết kế tương đối hoàn chỉnh của hệ thống đường truyền vô tuyến số trên, với việc lựa chọn các thiết bị cũng như tính toán đường truyền

là tương đối chính xác, thoả mãn các tiêu chuẩn của CCITR do vậy nó có thể đưa vào thực tế Mặt khác với việc thiết kế như vậy cũng đảm bảo các chỉ tiêu về kinh tế, phù hợp với điều kiện của đất nước hiện có.

22