Luận án tốt nghiệp " THIẾT KẾ TUYẾN VIBA SỐ " - Phần 1 pps

Nói chung công việc thiết kế trong một hệ thống vi ba điểm nối điểm trực xạ sẽ bao gồm các bước sau đây: Bước 1: Nghiên cứu dung lượng đòi hỏi.. BƯỚC 1 NGHIÊN CỨU DUNG LƯỢNG ĐÒI HỎI Tro

PHẦN I

LÝ THUYẾT THIẾT KẾ

TUYẾN

DẪN NHẬP

Sau khi trình bày các kỹ thuật cơ bản sử dụng trong Viba số Để tạo tiền đề cho

việc thiết kế tuyến ta bắt tay vào phần lý thuyết thiết kế tuyến Viba số điểm nối điểm tổng quát Nói chung công việc thiết kế trong một hệ thống vi ba điểm nối điểm trực xạ sẽ bao gồm các bước sau đây:

Bước 1: Nghiên cứu dung lượng đòi hỏi

Bước 2: Chọn băng tầng vô tuyế để sử dụng

Bước 3: Sắp xếp các kênh RF

Bước 4: Quyết định các tiêu chuẩn thực hiện

Bước 5: Chọn vị trí và tính toán đường truyền

Bước 6: Cấu hình hệ thống

Bước 7: Sắp xếp bảo trì

Bước 8: Các tiêu chuẩn kỹ thuật

Bước 9: Lắp đặt và đo thử

Trên đây là 9 bước cơ bản để thiết kế một hệ thống Viba điểm nối điểm 9 bước này

mô tả đầy đủ các công việc cần thiết cho việc thiết kế một tuyến Viba Ở các bước sau ta

sẽ đi vào phần lý thuyết của việc thiết kế tuyến để tạo cơ sở cho việc thiết kế một tuyến

cụ thể trong phần II

BƯỚC 1 NGHIÊN CỨU DUNG LƯỢNG ĐÒI HỎI

Trong việc thiết kế một hệ thống liên lạc điểm nối điểm việc tìm hiểu kĩ về dung lượng cần thiết là rất quan trọng Nó là nền tảng cho các quyết định quan trọng ở phần sau:

 Phải chú ý đến dung lượng phát sẽ triển trong vòng 10 hoặc 15 năm tới cũng như dung lượng cần thiết ở hiện tại Việc dự đoán này dựa vào các điểm sau:

 Dựavào đặc điểm phát triển dân số

 Đặc điểm vùng (thành phố nông thôn, vùng nông nghiệp…)

 Tỷ lệ phát triển của các hoạt động kinh tế

 Tốc độ cải thiện điều kiện sống trong tương lai

Tuy nhiên, ở các nước đang phát triển (như ở thực trạng nước ta) thường khó dự đoán chính xác dung lượng cần thiết trong khoảng thời gian dài Do đó không nên lắp đặc các

hệ thống có dung lượng quá lớn cho các yêu cầu cho tương lai Sẽ kinh tế hơn khi chọn các thiết bị có dung lượng nhỏ ở giai đoạn đầu tiên và nếu dung lượng này không đáp ứng được sau khi sử dụng vài năm, hệ thống có thể thay thế bởi một hệ thống khác có dung lượng lớn hơn còn hệ thống cũ được dùng ở tuyến cần dung lượng nhỏ hơn Nên đôi khi xây dựng một hệ thống vừa phải và dể dàng thay thế khi có kỹ thuật mới trong tương lai thì kinh tế hơn

BƯỚC 2 CHỌN BĂNG TẦN SỐ VÔ TUYẾN SỬ DỤNG

Đối với các ứng dụng của kỹ thuật Viba, băng tầng hoạt động của nó nằm trong khoảng từ 1GHz đến 15GHz Trong đó các tần số vô tuyến được cấp phát cho các dịch vụ xác định được qui định bởi các luật vô tuyến Chúng ta quan tâm đến dải tần từ 800MHz - 6425MHz và 7900MHz - 8100MHz Luật vô tuyến mô tả luật cấm đoán của hệ thống trạm mặt đất sử dụng các băng tần số này, vì chúng chia băng tần với dịch vụ liên lạc vệ tinh Trong trường hợp này công suất bức xạ hiệu dụng của máy phát và anten trong hệ thống L/S không vượt quá 55 dBw hoặc công suất đưa đến anten không được vượt quá 13dBw

Các yếu tố quan trọng khác trong việc gán định tần số bao gồm dung sai tần số và băng thông phát xạ Luật vô tuyến không có tiêu chuẩn bắt buộc về băng thông Tuy nhiên

Hiện nay tầng số vô tuyến sử dụng trong hệ thống liên lạc Viba thay đổi từ 1GHz -

15 GHz Các giá trị tương đối của tần số RF phụ thuộc vào nhiều yếu tố

- Ở các tần số thấp thì kích thước thiết bị lớn công suất máy dễ dàng thực hiện, độ lợi anten lớn, tổn hao phải nhỏ, tổn thất không gian và dây dẫn tần khác chủ yếu sử dụng cho các đường trung kế ngắn hoặc đường trung kế phụ Dung lượng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc chọn băng tần hoạt động cho hệ thống, bảng sau cho ta các tham khảo về băng tần chọn và dung lượng

Băng tần

( MHz)

Băng thông cho phép ( MHZ)

Dung lượng cực tiểu của các kênh thoại

đã được mã hóa

1495 - 1535

2110 - 2130

2160 - 2180

3700 - 4200

5925 - 6425

10700 - 11700

2 3,5 3,5

20

30

40

30

96

96

1152

1152

1152 BẢNG 2-2-1 : Các băng tần số cấp phát của FCC cho các hệ thống Viba số

BƯỚC 3

SỰ SẮP XẾP CÁC KÊNH RF

Sự sắp xếp các kênh RF là một phần rất quan trọng trong việc thiết kế hệ thống Nó đặc biệt quan trọng cho các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp Vì mức khác biệt về tín hiệu

vô tuyến giữa ngõ vào và ngõ ra của một trạm lặp thay đổi từ 60 - 80 dB thì việc sử dụng cùng một tần số vô tuyến giữa ngõ ra và ngõ vào sẽ gây ra hiện tượng giao thoa động do phản hồi Trong Viba chuyển tiếp ta thường sử dụng kế hoạch hai tần số hoặc kế hoạch bốn tần số

Kế hoạch bốn tần số được sử dụng rộng rãi vì lí do kinh tế Nó cần hai tần số cho một mạch RF Thường thì bốn anten sử dụng cho một trạm lắp đặt ngay cả với kế hoạch hai tần số cũng với các anten này có thể sử dụng cho hai hoặc nhiều hơn các kênh RF song công cùng trên một đường trên hình vẽ:

Hình2 -3-1 trạm lặp kế hoạch hai tần số cho vài kênh RF song công

Kế hoạch bốn tần số đòi hỏi tỷ lệ trước sau (front to back) của mẫu bức xạ anten bởi mỗi anten hoạt động ở mỗi tần số khác nhau

 Sự sắp xếp các kênh RF

Bảng sau liệt kê sự giới thiệu của CCIR sự sắp xếp các kênh RF cho hệ vô tuyến chuyển tiếp cho mạch quốc tế:

một kênh RF

Tần số trung tâm (MHz)

Độ rộng băng RF (MHz)

238 - 1

385

60/120 60/120/300

1808,2000,2203

7575

200

300

f-2a

f-1c f-1b

f1a

f-1b

f-1c

f-2a f-2b

f-2c

f-2b

f-2c

f-1c f-2a

f-1a f-1c

f-1c

f-2a

f-2c

f-2c

f-1b

f-1c f-2b

f-2c

279 - 1, 382 - 1

383 - 1

384 - 1

386 - 1

387

300/1800

1800 960/2700 300/960

960

1903,2101,4003

6475

6770

8350

1120

400

500

680

300

1000

Bảng 2 - 3 - 1 Các đề nghị của CCIR về sự sắp xếp các kênh của RF Hình 2 - 3 - 1 làm rõ ví dụ sắp xếp các kênh của RF dựa vào CCIR Rec 338 - 1 Các

hệ thống phụ đòi hỏi cho các kênh phục vụ có thể kết hợp trong cùng một băng tần RF như là một hệ thống chính, có được điều kiện thuận lợi này các anten có thể sử dụng chung cho cả hai hệ thống Một ví dụ sắp xếp các kênh RF cho một hệ thống phụ như thế cũng được cho ở hình 2-3-2 dựa vào CCIR Rec Trong hình vẽ này cả hai mạch RF bình thường hoặc một mạch RF bình thường và một RF dự phòng được cung cấp cho các kênh phục vụ theo mỗi hướng cho phép phân tập tần số trung tần

Sự sắp xếp các kênh RF của hình 2-3-2 được làm rõ lại ở hình 2-3-4 bằng một nhận xét để cho ta mối quan hệ giữa 8 kênh đi và 8 kênh trở về ở một trạm lặp sử dụng kế hoặc hai tần số Một trong 8 kênh có thể sử dụng như là một kênh dự phòng Sự phân cực khác nhau được sử dụng cho các kênh kế cận nhau để giảm giao thoa RF

1 3 5 7 2’ 4’ 6’ 8’

2 4 6 8 1’ 3’ 5’ 7’

 hoặc  chỉ những kênh RF của hệ thống phụ

A: Biên độ giải điều chế

B: tần sồ điều chế

29.65 MHz

252.05MHz

250MHz

6175 MHz

250 MHz

5925 MHz

+248.9 (F) +249.5 (A) 44.5 MHz

6425MHz

-248.9 (F)

-249.5 (A)

Hình 2-3-2 Sự sắp xếp kênh RF

V H Hệ thống phụ V H

Đối với các hệ thống Viba điểm nối điểm Do không có cấu hình trạm lặp nên sự sắp xếp kênh RF trở nên đơn giản hơn rất nhiều khi đó ta cần quan tâm đến một số điểm sau

- Các tần số Viba khác có thể sử dụng trong các vùng liên quan

- Các trạm Viba có thể gây giao thoa đến hệ thống

- Việc thiết kế một hệ thống Viba mới không gây nhiễu cho một một số hệ thống Viba đang có và không bị các hệ thống này gây nhiễu

8’

7’

6’

5’

4’

3’

2’

8’

6’

4’

2’

7’

5’

3’

8

6

4

2

8

6

4

2

7

5

3

1

7

5

3

1

250MHZ

250 MHz

BƯỚC 4 QUYẾT ĐỊNH TIÊU CHUẨN THỰC HIỆN

Các tiêu chuẩn kỹ thuật có thể phân loại như sau:

a/ Tiêu chuẩn hành chính

b/ Mục tiêu thiết kế (cho các nhà thiết kế các thiết bị)

c/ Mục tiêu thiết kế (cho các nhà thiết kế hệ thống)

d/ Sự vận hành hay các mục tiêu bảo dưỡng

Các mục tiêu này có thể giống nhau hoặc khác nhau nhưng chúng có ít nhiều liên hệ với nhau

Đầu tiên có những tiêu chuẩn cho tần số RF trong luật vô tuyến (Radio Regulations) Thiết lập bởi hiệp hội liên hệ quốc tế Trong việc chọn băng tần số RF cũng như trong việc thiết kế các trạm vô tuyến mặt đất sử dụng cùng băng tần với hệ thống liên lạc vệ tinh, Ta xét đến những tiêu chuẩn này

Có khá nhiều các giới thiệu hoặc ghi chép của CCIR trong việc thiết kế một

hệ thống Viba chuyển tiếp Khi thiết kế tuyến Viba điểm nối điểm ta cần tham khảo những tiêu chuẩn này để làm nền tảng cho các tính toán của tuyến

Mỗi quốc gia có thể sử dụng các tần số băng tần vô tuyến riêng biệt trong vùng lãnh thổ của mình Tuy nhiên tiêu chuẩn CCIR vẫn còn là hướng dẫn bổ ích trong việc thiết lập các tiêu chuẩn kỹ thuật cho các hệ thống trong nước có chất lượng cao

Những yếu tố quyết định sự tốn kém của một hệ thống Vi ba có dung lượng và

độ dài cho sẵn là chất lượng truyền dẫn và độ tin cậy của hệ thống Hệ thống sẽ không thích hợp nếu tiêu chuẩn hoạt động của đường trung kế thấp hơn tiêu chuẩn của CCIR

Đối với những đường thoại địa phương tiêu chuẩn của CCIR có thể chấp nhận được vì lí do kinh tế, chúng ta có thể cho phép khoản cách bước nhảy dài hơn, hoặc giảm công suất phát hoặc độ lợi Anten Ngoài ra các đơn giản hoá về độ tin cậy Hệ thống quan sát hệ thống dự phòng … cũng làm giảm chi phí

BƯỚC 5 CHỌN VỊ TRÍ VÀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN

I CHỌN VỊ TRÍ

1 Khái niệm tổng quát

Trong việc chọn vị trí phải quan tâm đến phẩm chất truyền dẫn, độ tin cậy và tính kinh tế (trong việc lắp đặt và bảo trì) của một hệ thống liên lạc Viba điểm nối điểm Phẩm chất và độ tin cậy thường trái ngược với tính kinh tế Vì vậy, phải có sự giàn xếp giữa chúng

Ngay lúc bắt đầu việc chọn vị trí, các yêu cầu hệ thống Viba thiết kế cần được phải làm rõ, các mục chính như sau:

tương lai có liên quan đến hệ thống sẽ thiết kế

Một cách vấn tắt, các thủ tục chọn vị trí được phân loại thành các bước sau

2 Lựa chọn tuyến liên lạc điểm nối điểm

Bảng 2-5-1 cho ta các khoảng cách đường truyền Viba cho các mạch trung kế các hệ thống Viba điểm nối điểm Các giá trị trong bản là các giá trị chung cho nhiều nơi

2000

4000

6000

11000

7020%

5020%

5020%

3020%

Bảng 2-5-1: Khoản cách các đường truyền Viba tiêu chuẩn Khi vẽ một đường thiết kế trên bản đồ, các vị trí được chọn sao cho có các khoảng cách đường truyền tiêu chuẩn (càng gần bằng càng tốt) Nên tránh các đường truyền qua khoản cách quá daì so với giới hạn trên của mức tiêu chuẩn Bởi vì trong các đường truyền Viba dài như thế này thì xác suất các chuỗi tạp âm gây ra Fading có thể tăng lên rất lớn, thậm chí khi mà tạp âm nhiệt có thể giữ ở một giá trị cho phép trong trường hợp truyền dẫn bình thường Khi một đường truyền Viba dài thì không tránh khỏi các khó khăn gây ra bởi địa hình Trong trường hợp này nên thực hiện phân tập không gian hoặc phân tập tần số

3.Sự bảo vệ cho các quĩ đạo vệ tinh

Các hệ thống, liên lạc vệ tinh và các hệ thống Viba đất sử dụng băng sóng Viba (ví dụ: các băng tần từ 4-6 GHz) Do đó, cần phải thiết lập vài giới hạn kỹ thuật để tránh các giao thoa vô tuyến giữa hai hệ thống này Trong công việc chọn vị trí cho liên lạc Viba mặt đất, cần phải chú ý rằng các búp sóng của anten không được chỉ thẳng đến quĩ đạo vệ tinh tĩnh khi nó sử dụng cùng với tần số hệ thống liên lạc vệ tinh

Theo sự đề nghị của CCIR , các hệ thống Viba mặt đất được thiết kế sao cho trung tâm của búp sóng chính của bất kỳ anten nào trong hệ thống không được chỉ thẳng đến ít

Trong trường hợp mà điều này không thực hiện được, thì gía trị cực đại của EIRP (Equivalent Isitropically Radiated Power) nên được giới hạn dưới 47 dBw cho bất kỳ

II SỰ KIỂM TRA TUYẾN VIBA

Trong khi chọn vị trí của các hệ thống Viba điểm nối điểm ta cần phải kiểm tra xem có vấn đề gì xảy ra hay không trong việc truyền dẫn dọc theo các tuyến Viba thiết kế

Do đó, chúng ta cần phải nghiên cứu địa hình của các đường truyền

1.Mặt cắt nghiêng của đường truyền

Bước đầu tiên để xác nhận trạng thái trực xạ của đường truyền là mặt cắt nghiêng của mỗi đường truyền được vẽ trên tờ mặt cắt nghiêng Độ cong của các đường chia độ ở trên

tờ mặt cho phép vẽ đường cong chính xác của đường truyền như là một đường thẳng dựa vào khái niệm của hệ số K (hệ hiệu dụng bán kính trái đất)

a Sự thay đổi của K

Gía trị của k thay đổi theo thời gian và địa điểm Nói chung K thay đổi theo vĩ độ nhưng không thay đổi theo kinh độ, ở các vùng phía nam thì K có giá trị kớn hơn so với các vùng phía Bắc, K lớn hơn trong mùa hè so với mùa đông Trong điều kiện bình thường các giá trị K cho sau đây có thể xem là hợp lí:

Trong các vùng nóng ẩm K= 6/5-4/3

Trong các vùng ôn hòa K=4/3

Trong vùng nhiệt đới K=4/3-3/2

Trong việc chọn vị trí phải tính toán đến mức dao động của K so với giá trị bình thường, bởi vì tính trực xạ đôi khi bị ngăn trở bởi các vật cảntrung bình khi K bị giảm nhỏ Ngược lại khi K có giá trị lớn hơn thì các vật chắn trở nên không còn tác dụng che chắn sóng phản xạ đất mà các sóng này được che chắn tốt trong tình trạng K có giá trị bình thường

Nếu mức dao động của K càng lớn thì sự ổn định của hrệ thống càng nhỏ và càng tốn kém Ở Nhật khoảng dao động của K thường được lấy trong khoảng 2/3-2 Tuy nhiên, ở các vùng có khí hậu khác với Nhật giá trị này cần phải tính toán lại

b Xác nhận trạng thái trực xạ

Để thỏa mãn chỉ tiêu của việc truyền dẫn sóng Viba với các giá trị có thể có của K ta phải bảo đảm một số điều sau đây:

i/ Tất cả đới cầu Fresnel thứ nhất phải không có bất kỳ một vật cản nào nếu K lấy giá trị

d1d2

x =

2Ka

Trong đó :s

x,d1,d2 tính bằng mét

Hình 2-5-1: độ cong của biểu đồ thang đo

Theo công thức trên ta thấy x tỷ lệ thuận với bình phương của khoảng cách

Trong việc vẽ biểu đồ mặt cắt ngiêng chúng ta nên vẽ một bảngcác giá trị của x

Bảng 2-5-2: Một ví dụ tính toán giá trị của x

x

d d2

A

4000

3600

3200

2800

2400

2000

1600

1200

800

-

Tỉ lệ A=240km, B=120km,C=60km Hình 2-5-2 :Profile Sheet của đường truyền

1.Đới cầu Fresnel thứ nhất

Đới cầu Fresnel thứ nhất đóng một vai trò quan trọng trong việc chuyển năng lượng sóng Viba giữa hai vị trí khác nhau trong thông tin tự do Vùng đới cầu Frenel thứ nhất là một khối Elip xoay, mặt của nó là một qũy tích, nó là tập hợp của những điểm mà

sự khác nhau giữa tổng các khoảng cách của một tiêu điểm - điểm đó - tiêu điểm còn lại

và khoảng cách thẳng giữa hai tiêu điểm là một hằng số /2.Vì vậy một tiêu điểm là vị trí phát và tiêu điểm còn lại là vị trí nhận

lượng sóng Viba trong đới cầu sẽ góp phần vào sóng chính giữa hai vị trí, do đó trong vùng này phải không có bất kỳ vật cản nào (K lấy giá trị bình thường) để đảm bảo trạng thái trực xạ

Bán kính của đới cầu Fresnel thứ nhất ở bất kỳ điểm nào giữa hai vị trí có thể tính bởi công thức:

 d1 d2

h0 = d Trong đó:

 :bước sóng(m)

Bán kính của đới cầu ngay chính giữa được tính bởi:

 d

H0 =

2

và P:

với sự điều chỉnh của hệ số p rút ra từ hình 2-5-5