Tổng quan về thông tin Vi ba số doc

Giải tần số của các hệ thống vi ba: Tổng quan về phân chia các băng tần Băng tần Ký hiệu Đặc tính lan truyền Phạm vi ứng dụng ứng dụng nhiều cho thông tin dưới nước solar - Sóng mặt đất

Tổng quan về thông tin Vi

ba số

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VI BA SỐ.

1.1 Giới thiệu chung.

Hệ thống truyền dẫn là 1 hệ thống bao gồm các thiết bị, phương tịên dùng để truyền tín hiệu

từ nơi này đến nơi khác

Ngày nay, theo phương tiện truyền dẫn, các HTTT bao gồm các loại hệ thống chủ yếu sau:+ HTTT dùng cáp đồng trục, trong đó môi trường truyền dẫn là cáp đồng trục (coaxial cable)Các hệ thống sử dụng cáp đồng trục có dung lượng không cao, cự ly khoảng lặp ngắn và khả năng cơ động kém Các hệ thống loại này đang dần được thay thế và được sử dụng chỉ trong những tình huống cụ thể nhất định

+ HTTT sóng cực ngắn (microwave) với môi trường truyền dẫn vô tuyến trên giải sóng cực ngắn, bao gồm các loại hệ thống thông tin vệ tinh, thông tin vô tuyến tiếp sức (radio-relay) và

thông tin di động;

Các hệ thống thông tin vệ tinh có dung lượng trung bình song bù lại có cự ly liên lạc từ lớn đến rất lớn Các hệ thống này được sử dụng làm trục xuyên lục địa hoặc phục vụ cho các tuyến khó triển khai các loại hình liên lạc khác (như tuyến liên lạc đất liền-hải đảo, đất liền-các giàn khoan dầu, đất liền-các tàu viễn dương ) Ngoài ra, các hệ thống vệ tinh địa tĩnh còn được sử dụng cho các hệ thống phát quảng bá truyền hình Trong tương lai gần, khi hệ thống các vệ tinh quỹ đạo thấp và trung bình được triển khai, các hệ thống vệ tinh có thể được sử dụng cho

cả thông tin di động phủ sóng toàn cầu

Các hệ thống thông tin di động phục vụ các đầu cuối di động, nói chung có dung lượng thấp Khả năng di động là ưu thế lớn nhất của các hệ thống này

Các hệ thống vô tuyến tiếp sức mặt đất (terrestrial radio-relay) có dung lượng từ thấp tới

cao, có khả năng thay thế tốt các tuyến cáp đồng trục trong các mạng nội hạt lẫn đường trục Với thời gian triển khai tương đối thấp, tính cơ động của các hệ thống vô tuyến tiếp sức mặt đất hơn hẳn một số loại hệ thống khác Một ưu điểm nữa của các hệ thống này là rất dễ triển khai, ngay cả trong các điều kiện địa hình gây nhiều trở ngại cho việc triển khai các loại hệ thống dung lượng cao khác như trong các đô thị, hoặc qua các vùng có địa hình rừng núi với

cự ly chặng liên lạc lên đến 70 km, trung bình là từ 40 dến 45 km

+ HTTT quang sợi (fiber-optic) với môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang học (gọi tắt là

cáp quang)

Hệ thống cáp quang có dung lượng lớn nhất, giá rẻ (theo chi phí tính trên kênh thoại) do đó thường được sử dụng làm đường trục quốc gia, xuyên quốc gia, xuyên lục địa Nhược điểm cơ bản của HTTT cáp quang là khả năng cơ động hệ thống kém, chi phí lắp đặt ban đầu khá cao,

vì vậy trong một số trường hợp cụ thể thì việc triển khai được xem là rất khó khăn

+ HTTT vô tuyến làm việc trong giải tần số từ 60MHz trở xuống

1.2 Hệ thống thông tin vi ba

Từ tiếng Anh microwave có nghĩa là sóng cực ngắn hay vi ba theo cách dịch qua tiếng Trung Quốc Từ vi ba được sử dụng chung cho các hệ thống vệ tinh, di động hay vô tuyến tiếp sức mặt đất, song ở nước ta từ vi ba đã được sử dụng từ trước chỉ để chỉ các hệ thống vô tuyến tiếp sức Do đó, hiện nay trong các tài liệu kỹ thuật của ta, nói vi ba là nói tới hệ thống vô tuyến tiếp sức mặt đất

Thông tin sóng cực ngắn giữa hai điểm bắt đầu xuất hiện vào những năm 30 của thế kỷ trước tuy nhiên lúc bấy giờ do khó khăn về mặt kỹ thuật nên chỉ làm việc ở dải sóng mét do vậy ưu điểm của thông tin siêu cao tần chưa được phát huy Năm 1935 đương thông tin VTTS đầu tiên được thành lập ở Newyooc và Philadenphi chuyển tiếp qua 6 địa điểm và chuyền được

5 kênh thoại Và TTVTTS bùng nổ sau chiến tranh thế giới lần thứ hai Hệ thống vi ba số bắt đầu hình thành từ đầu những năm 50 và phát triển mạnh mẽ cùng với sự phát triển của kỹ thuật viễn thông

Mô hình của một hệ thống thông tin vi ba

1.2.1 Giải tần số của các hệ thống vi ba:

Tổng quan về phân chia các băng tần

Băng tần Ký hiệu Đặc tính lan truyền Phạm vi ứng dụng

ứng dụng nhiều cho thông tin dưới nước (solar)

- Sóng mặt đất và sóng trời ban đêm

- Suy hao thấp ban đêm cao vào ban ngày

- Tạp khí quyển

Vô tuyến và định vị hàng hải, các tần số cho cứu hộ và vô tuyến quảng bá AM

0,3-3GHz

(dm)

Tần số cực cao (ultrahigh frequency-UHF)

Lan truyền theo tầm nhìn thẳng

Truyền hình UHF, radar, thông tin vi ba

và hơi nước, hấp thụ hơi nước cao ở 22GHz

Thông tin vệ tinh, thông tin vi ba

30-300GHz

(mm)

Tần số siêu siêu cao (Extremely High Frequency EHF)

LoS, hấp thụ hơi nước tại 183GHz và hấp thụ ô xi tại 60 và 119GHz

Rada, vệ tinh thử nghiệm

103-107GHz Hồng ngoại, ánh sáng

nhìn thấy và tia cực tím

Hệ thống thông tin siêu cao tần làm việc ở dải tấn số:

60 MHz ÷ 80 GHz do có dải tần làm việc rất rộng và cao so với thông tin cao tần vì vậy được

sử dụng làm phương tiện truyền dẫn chính trong viễn thông công cộng siêu ngắn

siªu cao

C f

Gọi là Viba

Trong hệ thống thông tin siêu cao tần bao gồm:

+ Hệ thống thông tin vi ba là hệ thống thông tin siêu cao tần các trạm chuyển tiếp được đặt trên mặt đất

+ Hệ thống thông tin vệ tinh là hệ thống thông tin siêu cao tần các trạm chuyển tiếp được đặt trên vệ tinh nằm ngoài quả đất

+ Thông tin di động là giao tiếp viễn thông giữa máy di động MS với trạm thu phát gốc BTS cũng làm việc ở dải sóng siêu cao tần

+ Triển khai nhanh và giá thành rẻ hơn so với các hệ thống thông tin dùng cáp (cáp quang hoặc cáp đồng trục) vì việc triển khai hệ thống cáp là rất tốn kém và trong khu vực đông dân cư có nhiều công trình xây dựng thì việc triển khai một hệ thống cáp là rất khó khăn

+ Dễ dàng quản lý vì hệ thống vi ba chỉ giới hạn quản lý trong phạm vi của trạm vô tuyến dọc theo trục (trong khi đó hệ thống cáp phải quản lý toàn bộ tuyến cáp và đặcbiệt phải đối đầu với nguy cơ đứt cáp)

+ Dải sóng SCT có nhược điểm là chỉ truyền được chắc chắn trong tầm nhìn thẳng cự

ly không quá 50 km Vì vậy khi muốn thông tin đi xa cần thực hiện chuyển tiếp nhiều lần

+ Có tốc độ nhỏ hơn nhiều so với hệ thống cáp quang và hiện nay ở đường trục chỉ còn

sử dụng ở những khu vực chưa kéo được cáp quang do địa hình phức tạp

+ Chịu tác động của đường truyền: hấp thụ do hơi nước và ôxi, suy hao do mưa và hiện tượng pha đinh đặc biệt đối với các hệ thống băng rộng phải chịu tác động của pha đinh đa đường chọn lọc theo tần số

1.3 Phân loại

- Có nhiều phương pháp, căn cứ để phân loại:

+ Theo dung lượng (tốc độ bít tổng cộng B ở đầu vào) các hệ thống vi ba số được phân thành:

+ Các hệ thống dung lượng thấp: B<10 Mb/s;

+ Các hệ thống dung lượng trung bình: B ∈(10÷100 Mb/s);

+ Các hệ thống dung lượng cao: B>100 Mb/s

+ Theo cự ly liên lạc (haul)

+ Tuyến dài (cự ly liên lạc lớn hon 400km): thường là những đường trục có dung lượng lớn so sánh được với cáp quang Dải tần được sử dụng rộng rãi từ 4 đến 6 GHz

+ Tuyến ngắn (cự ly liên lạc dưới 400km): dung lượng thấp, thông thường 1DS1, 4DS1, 1E1, 4E1 dùng để nối các trung tâm chuyển mạch di động Dải tần thường sử dụng khoảng 15 GHz vì ở dải tần này cho phép thu gọn kích thước của an ten và thiết bị Do chặng ngắn nên không cần phân tập để chống lại hiện tượng pha đing Nguyên nhân gây gián đoạn liên lạc chủ yếu gây do mưa nên cần có hệ số khuyếch đại lớn và chặng ngắn Với chặng lớn hơn thường

sử dụng dải tần L6GHz, U6GHz hoặc 11GHz dung lượng thấp Dải tần này không chịu ảnh hưởng pha đing do mưa nên có thể bảo đảm cự ly liên lạc xa hơn

- Căn cứ phân loại theo mục đích sử dụng:

+ Hệ thống viễn thông riêng ( nội bộ ) là mạng thông tin phục vụ cho thông tin riêng, nội bộ của các cơ quan, đơn vị không dùng để kinh doanh

+ Hệ thống viễn thông công cộng: là hệ thống giành cho mọi đối tượng sử dụng và sử dụng để kinh doanh, yêu cầu chất lượng cao, thuận tiện, đơn giản, dễ sử dụng

- Căn cứ phân loại theo quy mô của mạng:

+ Mạng nội hạt: phục vụ cho 1 khu vực địa lý, khu vực dân cư ( tỉnh, thành phố)

+ Mạng quốc gia ( mạng liên tỉnh) phục vụ thông tin giữa các vùng, các khu vực, các tỉnh thành

+ Mạng quốc tế: dùng để phục vụ thông tin giữa các nước

- Căn cứ phân loại theo địa lý:

+ Mạng viễn thông nông thôn: mật độ thưa, không tập trung

+ Mạng viễn thông thành phố: mật độ dày đặc, tập trung nhiều

- Căn cứ phân loại theo phương pháp xử lý truyền dẫn tín hiệu:

+ Hệ thống viễn thông tương tự

+ Hệ thống viễn thông số

Chủ yếu đi vào viễn thông công cộng, viễn thông số

1.4 Các chỉ tiêu chất lượng cơ bản của hệ thống vi ba:

Đối với các hệ thống thông tin số hiện tại, các tín hiệu số là các tín hiệu nhận giá trị trong tập hữu hạn các giá trị có thể có và có thời gian tồn tại hữu hạn Khi tập các giá trị có thể có của tín hiệu gồm hai phần tử 0 và 1 thì hệ thống được gọi là nhị phân và tín hiệu khi đó được

gọi là bít Gọi giá trị của bít thứ k là D k và thời gian tồn tại của nó là T k (T k =T và là hằng số với mọi k) Ở đầu thu tín hiệu khôi phục lại là D∧kvà có độ rộng là T∧ k, nếu D∧ k≠ D k thì tín hiệu thứ

k được gọi là bị lỗi, nếu T∧ k≠ T tín hiệu thứ k được gọi là có jitter Cũng như các hệ thống truyền dẫn

số khác, chỉ tiêu chất lượng cơ bản của hệ thống vi ba số là xác suất bít lỗi và jitter (rung pha hay còn

được gọi là trượt trong một số tài liệu) Xác suất lỗi bít BER (Bit-Error Ratio) được định nghĩa là:

jitter khá cao Đối với tín hiệu truyền hình, nếu sử dụng điều chế xung mã (PCM) thường thì

BER đòi hỏi cũng như đối với thoại song cần lưu ý là tốc độ truyền với truyền hình là khá cao

Khi sử dụng ADPCM (Adaptive Differential Pulse Coded Modulation: Điều chế xung mã vi

sai tự thích nghi) để truyền hình thì yêu cầu BER<10-9, thậm chí còn yêu cầu tới BER<10-12

Nói chung các tín hiệu truyền hình rất nhạy cảm với jitter Nhìn chung khi BER≥10-3 thì hệ

thống được xem như gián đoạn liên lạc Jitter được xem là lớn nếu lớn hơn 0.05T (giá trị

đỉnh-đỉnh)

Thực tế người ta còn sử dụng một số thông số chất lượng dẫn xuất khác như các giây không

lỗi, các giây bị lỗi, các giây bị lỗi trầm trọng, các phút suy giảm chất lượng để đánh giá hệ

thống vi ba số

Giây bị lỗi (Errored Second) là những khoảng 1s mà trong đó có ít nhất một bít lỗi

Tỷ số giây bị lỗi (Errored Second Ratio) =

∑

∑)(

'

s T

s ER

Giây bị lỗi trầm trọng (Severely Errored Second) là những khoảng 1s mà BER>10-3

Tỷ số giây bị lỗi trầm trọng (Severely Errored Second Ratio) =

∑

∑

)(

'

s T

s SER

Các phút suy giảm chất lượng là những khoảng thời gian 1 phút trong đó BER > 10-6

Tính không khả dụng của hệ thống là khoảng thời gian không thể làm việc được, bắt đầu khi

BER >10-3 trong mỗi giây và kéo dài 10 s liên tiếp (10 s này là khoảng thời gian không làm việc được) Thời gian không làm việc được kết thúc khi BER <10-3 trong mỗi giây và kéo dài liên tiếp trong 10s

Tiêu chuẩn với hệ thống thực

• Đối với tuyến có cự ly L<280 km

- Phút suy giảm chất lượng < 0,045% thời gian 1 tháng bất kỳ

- Giây lỗi trầm trọng < 0,006% thời gian của tháng bất kỳ

• Đối với tuyến có cự ly 280km<L<2500 km

- Phút suy giảm chất lượng < (L/2500)x 0,4% thời gian 1 tháng bất kỳ

- Giây bị lỗi trầm trọng < (L/2500)x 0,054 % thời gian của 1 tháng bất kỳ

• Chỉ tiêu về độ khả dụng của hệ thống L < 600 km là 0,06 (L/600) %

Ch¬ng 2 CÊu tróc HÖ thèng viba sè

I Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống vi ba số:

1 Sơ đồ khối của một trạm đầu cuối thực tế:

Sơ đồ khối cơ bản tuyến phát:

Nhiệm vụ:

- Biến đổi tín hiệu băng gốc thành tín hiệu dạng sóng

- Chuyển đổi tín hiệu lên băng tần công tác

- Khuếch đại tín hiệu, hạn chế phổ tín hiệu và bức xạ qua an ten

Hình 1 Sơ đồ khối cơ bản tuyến phát.

Chức năng:

Đối với hệ thống viba số tín hiệu vào tuyến phát bao gồm dữ liệu dưới dạng số được đưa đến từ tổng đài hoặc từ trạm viba số khác

- Mã hoá: Mã hoá kênh nhằm sửa lỗi bằng cách đưa vào một lượngthông tin dư.

- Khối điều chế ánh xạ từ tín hiệu số băng gốc thành tín hiệu dạng sóng: Các dạng điều chế

cơ bản FSK, PSK, QAM Z

FSK : + Không nhạy cảm với méo biên độ

+ Thiết bị đơn giản

+ Hiệu quả phổ thấpPSK và QAM hiệu quả phổ phụ thuộc vào mức điều chế M

Hiệu quả phổ tăng k=log2(M) lần

Khi M=4 thì 4-PSK và 4-QAM như nhau

Khi M=8 thường sử dụng 8-PSK

Khi M>8 thường sử dụng M-QAM

Các bộ lọc phát được lắp ngay sau bộ điều chế quyết định phổ tần của kênh Thông thường

là bộ lọc cosine nâng với hệ số uốn lọc α từ 0.2 đến 0.7

- Bộ trộn tần nhằm đưa tín hiệu lên băng tần công tác Tuỳ thuộc tần số công tác mà hệ

thống có thể thực hiện trộn nhiều lần hoặc thực hiện điều chế ngay ở cao tần Tuy sơ đồ điều chế trực tiếp từ cao tần nhưng chỉ được sử dụng ở những thiết bị có tần số công tác thấp

khoảng 1 GHz vàđiều chế FSK do nhược điểm của sơ đồ này là khó đạt được một đặc tuyến

điều chế tuyến tính và hơn nữa tần số trung tâm của máy phát không ổn định Khi điều chế ở trung tần yêu cầu đối với tần số trung tần là ftt > 3Rb (Rb là tốc độ của luồng số liệu)

- Hệ thống an ten phidơ được sử dụng để dẫn súng và bức xạ súng điện từ vào mụi trường Dõy phi đơ thường gõy ra một lượng tổn hao nhất định tỷ lệ với độ dài của phiđơ An ten thường cú dạng parabol cú tớnh định hướng cao và độ tăng ớch lớn khoảng vài chục dBi.

Hình 2 Sơ đồ khối cơ bản tuyến thu

Tuyến thu

Nhiệm vụ:

- Thu nhận và chuyển đổi tín hiệu thu đợc về trung tần

- Chuyển đổi thành tín hiệu băng gốc

- Khôi phục xung clock

Chức năng:

ở tuyến thu, tín hiệu thu đợc đa đến máy thu để chuyển đổi tín hiệu thu đợc về tần số trung tần Máy thu thực chất là một thiết bị xử lý tín hiệu cao tần bao gồm một khối khuếch đại cao tần và các bộ trộn tần

Bộ khuếch đại tín hiệu cao tần có tác dụng tăng độ nhạy máy thu (Giải thích)

Các bộ trộn tần kết hợp với các bộ lọc thông giải biến đổi tín hiệu siêu cao tần thu đợc về tần số trung tần Tuỳ theo yêu cầu chất lợng và dải tần công tác máy thu có thể thực hiện đổi tần 1 lần hoặc nhiều lần nhằm loại bỏ các tần số nhiễu ảnh, nhiễu trung gian và nhiễu lân cận (Giải thích)

Tín hiệu trung tần sẽ đợc đa vào bộ giải điều chế để chuyển từ tín hiệu dạng sóng về tín hiệu số Trên cơ sở của chuỗi tín hiệu số băng gốc sau khối giải điều chế, tín hiệu xung clock

đợc khôi phục và cung cấp cho các khối tái tạo xung và khối giải mã để thu đợc dữ liệu nh đã phát đi ở đầu phát

Sơ đồ khối của một trạm đầu cuối thực tế:

Hình 3 Sơ đô khối tuyến thu phát của trạm đầu cuối.

Một trạm đầu cuối bao gồm các thành phần: phần xử lý tín hiệu băng gốc, phần vô tuyến, phần nghiệp vụ và phần hệ thống phi-đơ/ăng-ten nh trên (hình 2.15) Tín hiệu nghiệp vụ đợc truyền đi

bằng việc thêm vào chức năng điều chế tần số vào bộ tạo dao động chủ sóng phần phát Phía thu sẽ thực hiện giải điều chế tần số để thu đợc tín hiệu điều khiển xa Nhờ hệ thống điểu khiển ra lệnh từ

xa cho phép các trạm đầu cuối có thể điều khiển đợc các trạm trung gian mà ở đó không có ngời phục vụ Khối chuyển mạch dự phòng nhận tín hiệu điều khiển chuyển mạch từ khối điều khiển chất lợng Khi chất lợng hệ thống giảm xuống quá một ngỡng cho phép hoặc gián đoạn liên lạc thì

hệ thống đợc điều khiển để chuyển sang kênh dự phòng nhằm tăng độ khả dụng của hệ thống

2 Sơ đồ khối trạm trung gian:

Nhiệm vụ của trạm trung gian

- Khuếch đại tớn hiệu nhằm bự lại những tiờu hao trờn đường truyền

- Dịch tần số nhằm trỏnh hiện tượng tự kớch (tớn hiệu phỏt lọt vào đầu thu)

- Tỏi tạo tớn hiệu số băng gốc, loại bỏ tạp õm tớch luỹ Chức năng này khụng nhất thiết phải cú ở tất cả cỏc trạm trung gian

Cú những sơ đồ của trạm trung gian như sau:

 Mỏy thu và mỏy phỏt thực hiện chuyển đổi tần số, tớn hiệu cao tần được chuyển đổi về tần số trung tần ở mỏy thu Tớn hiệu được giải điều chế để chuyển tớn hiệu thu được thành tớn hiệu số băng gốc sau đú được đưa đờn khối tỏi tạo xung nhằm gạt bỏ tạp õm tớch luỹ Tớn hiệu đầu ra của khối tỏi tạo xung được đưa được đưa vào khối điều chế để chuyển tớn hiệu băng gốc thành tớn hiệu dạng súng Tại mỏy phỏt sẽ thực hiện việc chuyển đổi tớn hiệu trung tần thành tớn hiệu cao tần và bức xạ ra anten Đõy là sơ đồ trạm trung gian phổ biến sử dụng cho những hệ thống cú dung lượng trung bỡnh và cao

Hình 4 Máy thu phát đổi tần với bộ tái tạo tín hiệu trung tần

 Máy thu thực hiện chuyển đổi tần số cao tần thành tín hiệu trung tần và giải điều chế nhằm thu đợc tín hiệu tín hiệu số băng gốc Tại máy phát thực hiện điều chế trực tiếp tại cao tần và phát ra an ten Sơ đồ trạm trung gian đợc thể hiện trên hình vẽ 3.1 thờng đợc

áp dụng cho những hệ thống dung lợng nhỏ và làm việc ở tần số cao hơn

Hình 5 Máy thu đổi tần với bộ tái tạo tín hiệu trung tần/băng gốc và máy phát điều chế

trực tiếp

 Tại trạm trung gian không thực hiện việc tái tạo xung, giải điều chế và điều chế Máy thu thực hiện việc chuyển đổi tín hiệu về trung tần và chuyển sang máy phát Tại máy phát

Hình 6 Trạm trung gian dịch chuyển tần số, không có bộ tái tạo tín hiệu

 Trạm trung gian không thực hiện tái tạo tín hiệu và dịch chuyển tần số Về bản chất trạm trung gian nh hình vẽ 3 là một bộ khuếch đại tín hiệu cao tần có băng tần giới hạn cho mỗi hớng truyền dẫn

Hình 7 Trạm trung gian không có bộ tái tạo tín hiệu và không dịch chuyển tần số

II Cỏc phương ỏn tần số:

1 Kế hoạch bố trớ tần số cho cỏc trạm đa luồng vụ tuyến

a Phương ỏn luõn phiờn:

Mỗi 1 kờnh cao tần sử dụng phương ỏn 2 tần số Toàn bộ hệ thống bao gồm cỏc tần số thu và phỏt xen kẽ nhau

Vớ dụ: Hệ thống 3 kờnh cao tần phải sử dụng 6 tần số

Hình 8 Kế hoạch tần số luân phiên.

+ Kế hoạch tái dụng tần số (Co-channel Plan)

Hình 9 Kế hoạch có tái dụng tần số.

Trong kế hoạch tái sử dụng tần số mỗi kênh được sử dụng hai lần nhờ sự phân biệt phân cực chéo giữa hai phân cực Trong kế hoạch luân phiên tần số các kênh được thêm vào giữa các kênh cùng phân cực Kế hoạch luân phiên tần số thuận lợi hơn khi thiết kế các bộ lọc phân biệt

độ phân cực chéo

Khoảng cách giữa các kênh XS là khoảng cách giữa các kênh lân cận cùng phân cực S là tốc độ symbol và X là khoảng cách kênh được chuẩn hoá theo tốc độ symbol Tương ứng như vậy Y và Z là băng tần bảo vệ trung tâm và ở hai đầu băng tần được chuẩn hoá Việc lựa chọn

kế hoạch tần số nào hoàn toàn phụ thuộc vào độ nhạy của hệ thống với nhiễu Nhìn chung kế hoạch tái sử dụng tần số có hiệu quả sử dụng phổ cao hơn nhưng việc việc sử dụng kế hoạch tái sử dụng tần số thường được sử dụng rộng rãi trong những hệ thống các chặng ngắn (20-30km) với những dạng điều chế đơn giản như QPSK (đây là dạng điều chế có tính chống nhiễu cao) Tuy nhiên việc sử dụng kế hoạch tái sử dụng tần số ở những chặng dài hơn và những dạng điều chế phức tạp là không khả thi

Nhận xét: Các tần số phát và các tần số thu xen kẽ nhau

Các tần số phát có công suất lớn, các tần số thu có công suất nhỏ cho nên không thể sử dụng 1 ănten để thu và phát tín hiệu theo 1 hướng vì như vậy tín hiệu phát sẽ ảnh hưởng đến tín hiệu thu Mà mỗi 1 hướng tải sử dụng 2 anten để phát và thu riêng biệt

Tại trạm trung gian lúc này phải sử dụng 4 anten 4 anten này thì phải dùng bộ lọc để ghép các máy thu vào 1 anten và các máy phát vào 1 anten

Vì vậy tại trạm trung gian theo 1 hướng cho phép sử dụng 1 anten để thu và phát ( cho

2 hướng) → số anten giảm đi 1 nửa

Ưu điểm: Số anten sử dụng ít, hiệu quả kinh tế cao

Nhược điểm: Yêu cầu với bộ lọc phát phức tạp vì khoảng cách giữa các tần số thu và

Hình 10 Phương án bố trí 2 tần số.

+ Kế hoạch 4 tần số: Tại một trạm lặp (A), theo một hướng thu trên tần số f1 phát trên tần số

f2, theo hướng ngược lại thu trên tần số f3 phát trên tần số f4 (xem h1.8)

Hình 11 Phương án bố trí 4 tần số.

Đối với phương án bố trí 4 tần số thì thiết bị trạm phức tạp hơn do phải làm việc trên 4 tần

số song bù lại xuyên nhiễu giữa các hướng thu-phát rất nhỏ

III Hiệu quả phổ của hệ thống viba số:

Khái niệm hiệu quả phổ của hệ thống vi ba số được phân biệt với độ rộng băng tần mà trên

đó là sóng mang đã được điều chế không tính đến ảnh hưởng của các can nhiễu nội bộ hệ thống và nhiễu giữa các hệ thống Thông thường được xác định qua tỷ số giữa tốc độ truyền dẫn và độ rộng băng tần

E=R/B [bit/s/Hz]

Trong đó R là dung lượng truyền dẫn tính theo bit/s

B là độ rộng băng tần

1 Hiệu quả phổ với các trạm đa luồng

Tuy nhiên trong trường hợp đối với các trạm đa luồng có kế hoạch tần số gồm có N kênh

“go” và N kênh “return”, khoảng cách kênh là XS, và đô rộng băng tần tổng cộng là B thì hiệu quả sử dụng phổ phải tính đến tổn hao do các băng tần bảo vệ:

A- tốc độ số liệu truyền trong mỗi kênh

b - độ rộng băng tần của kênh đó

k1 cho ta thấy độ lấp đầy trên băng tần và k2 thể hiện sự tổn hao hiệu quả phổ do băng tần bảo vệ Ta có thể viết lại như sau

2 Hiệu quả phổ của kênh vô tuyến số:

Tốc dộ của hệ thống viba số được chuẩn hóa theo những khuyến nghị G.702, G.703 và G.704 cho hệ thống phân cấp số cận đồng bộ và khuyến nghị G.707, G.708 và G.709 cho hệ

thống phân cấp số đồng bộ (SDH hoặc SONET) Tốc dộ bít f b bao gồm DS1 (1,544 Mbps) DS3 (44.736 Mbps), E1 (2,048 Mbps) và E3 (34,368 Mbps), STS1 hoặc Sub-STM1 (51,84 Mbps)

và STM-1 (155,52Mbps) Tốc độ bít được truyền thực tế f br qua hệ thống viba số thường cao

hơn khoảng 6% (f br = 1.06 f b) so với tốc độ chuẩn hóa do sự thêm vào các bít thông tin phục vụ cho mã sửa sai và những thông tin phụ trợ khác phục vụ cho công tác quản trị nội bộ hoặc để thực hiện ghép kênh vô tuyến theo chuẩn riêng

Để tăng hiệu quả sử dụng băng tần thường dùng những dạng điều chế nhiều mức Dạng điều chế thông dụng nhất là điều chế M-QAM trong đó M là số mức điều chế hay số trạng thái của dạng điều chế trên mặt phẳng Constellation của tín hiệu Giả thiết bộ lọc cosin nâng có hệ

số uốn lọc là ỏ (0<ỏ<1) chúng ta có thể tính toán độ rộng băng tần cần thiết như sau:

M f

B RF = br(1+α)/log2Khi đó hiệu quả sử dụng phổ của kênh được biểu diển theo công thức sau:

)1/(

log

η = f br B rf = M +Thông thường yêu cầu hiệu suất của kênh là 2b/s/Hz

IV Can nhiễu:

Xác suất lỗi của một hệ thống số bị ảnh hưởng của tạp âm và can nhiễu Tín hiệu thu được có thể viết dưới dạng tổng quát như sau:

∑

=

++

i

k k

i n s y

Trong đó s là tín hiệu; n là tạp âm; ik là can nhiễu thứ k;

Khi tồn tại song song các hệ thống vô tuyến tương tự và vô tuyến số sẽ gây ra vấn đề can nhiễu giữa các hệ thống:

+ Can nhiễu số đến số

+ Can nhiễu tương tự đến số

+ Can nhiễu số đến tương tự

Một hệ thống số có tính chất chống nhiễu từ các nguồn khác cao hơn hệ thống tương tự cùng tính năng Yêu cầu tỷ số sóng mang trên nhiễu C/I (carrier to interference ratio) từ 15 đến 20

dB tuỳ thuộc vào dạng điều chế Những loại điều chế chống nhiễu cao nhất 2-PSK, 4-PSK Còn O-QPSK nhạy cảm với nhiễu hơn hệ thống FM, 8-PSK, 16-QAM, … và nó yêu cầu C/I lớn hơn

 Phân loại nhiễu:

+Nhiễu đồng kênh

+Nhiễu kênh lân cận

 Nhiễu đồng kênh:

 Nhiễu đồng kênh gây ra bởi kênh phân cực chéo, mà sự phân biệt phân cực chéo (XPD)

bị suy hao do pha dinh nhiều đường hoặc do mưa Kênh phân cực chéo có cùng tần số được sử dụng để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần và kênh phân cực chéo có thể hiểu như là việc sử dụng lại tần số Trong điều kiện truyền sóng bình thường, sự phân biệt phân cực chéo thoả mãn tiêu chuẩn nhưng khi bị suy yếu thì mức nhiễu đồng kênh sẽ tăng lên

Định nghĩa độ phân biệt phân cực chéo (XPD) là tỷ số giữa công suất thu được trên một phân cực khi phát trên cùng phân cực đó và công suất thu được trên phân cực đối diện

+Bức xạ vòng vượt chặng

 Nhiễu kênh lân cận

Nhiễu kênh lân cận là nhiễu từ các kênh cao tần có cùng phân cực nhưng ở tần số lân cận Nhiễu này có quan hệ chặt chẽ đến việc chọn khoảng cách giữa các kênh Nhiễu kênh lân cận cũng có thể gây ra bởi các hệ thống số và tương tự khác như hệ thống vi ba tương tự, thông tin

vệ tinh:

CHƯƠNG 3:

LAN TRUYỀN SÓNG VÀ HIỆN TƯỢNG PHA ĐINH

I Ảnh hưởng của khí quyển tới việc truyền sóng cực ngắn.

1 Truyền sóng trong không gian tự do.

Đường truyền vô tuyến tầm nhìn thẳng ở dải sóng SCT bị ảnh hưởng bởi khí quyển và khoảng cách giữa hai trạm Không gian tự do là môi trường truyền sóng lý tưởng Trong thực

tế không tồn tại môi trường truyền sóng là không gian tự do Chỉ có các kênh thông tin giữa các vệ tinh có thể coi như là gần với không gian tự do Tuy vậy các kết quả nghiên cứu truyền sóng trong không gian tự do là cơ sở để phát triển nghiên cứu truyền sóng trong tầng khí quyển gần mặt đất Tổn hao truyền dẫn cơ bản trong không gian tự do là tổn hao truyền dẫn nếu an ten được thay bằng anten đẳng hướng, đặt trong một môi trường điện môi hoàn hảo đòng nhất đẳng hướng và vô hạn với các khoảng cách giữa các anten giữ nguyên Khi đó tổn hao truyền dẫn sóng vô tuyến từ điểm phát đến điểm thu trong không gian tự do được tính theo công thức sau:

Đới fresnel thứ nhất chứa tất cả các điểm định nghĩa bởi hai đoạn có độ dài hợp lại lớn hơn

độ dài của tia thẳng một khoảng nhỏ hơn λ/2, giới hạn của đới fresnel thứ nhất là elipsoid Các đới còn lại được định nghĩa theo kiểu tương tự Đới fresnel thứ 2 chứa tất cả các điểm định nghĩa bởi hai đoạn có độ dài hợp lại lớn hơn đường thẳng một khoảng lớn hơn λ/2 nhưng nhỏ hơn 2λ/2 Kể từ đây các fresnel có dạng tổ chim gọi là vỏ elipsoid, việc xác định đới fresnel giúp cho việc tính toán khoảng hở khi thiết kế tuyến vi ba

2 Sự truyền dẫn sóng cực ngắn qua khí quyển trộn đều (well-mixed)

Sự thay đổi chỉ số khúc xạ n của không khí rất gần 1 và chỉ cần thay đổi vài phần triệu cũng có

thể gây ảnh hưởng tới sự lan truyền sóng vô tuyến Để đặc trưng cho sự thay đổi chiết suất

theo độ cao người ta đưa ra tính khúc xạ (refractivity) N để thay thế cho chỉ số khúc xạ n

Ở đây h là độ cao (tính bằng km) so với mức nước biển

Biểu thức trên diễn tả tính khúc xạ giảm theo hàm mũ trong mặt cắt nghiêng Đây là giá trị

mà chúng ta mong muốn tính được trong ngày và trong điều kiện nhiệt độ khí hậu khi mà khí quyển là gần mặt đất Tính khúc xạ của khí quyển cũng bị thay đổi theo thời gian trong ngày

và thay đổi từ vị trí này sang vị trí khác và cũng có thể thay đổi theo mùa trong năm [7]

Mặt phân cách n2

n1 (n1 > n2)

n1

Hình 2: Sự khúc xạ sóng

Việc tính toán sự thay đổi của tính khúc xạ là một bước quan trọng của quá trình thiết kế tuyến Sự ảnh hưởng của Gradient tính khúc xạ trong mặt cắt nghiêng là cơ sở để bàn về hiện tượng pha đinh đa đường.

Tia sóng truyền ngang qua khí quyển không đồng nhất có độ cong cho bởi:

1/ ρ = - dn/dh=-dN/dh.106

Ở đây ρ là bán kính của tia đã bị uốn cong Giá trị tham chiếu của dN/dh là - 40 đơn vị N/km tương ứng với bán kính của đường cong bằng 4a; (a = 6,37 106m là bán kính trái đất) Hình 3 a) biểu diễn một tia như vậy (với một cung 1/ρ) ở trên mặt đất có độ cong là 1/a Ở đây trong

điều kiện khí quyển tiêu chuẩn tia trực tiếp từ ăng-ten phát đến ăng-ten thu đã bị uốn cong.Nếu ta chuyển trục toạ độ sao cho loại bỏ độ cong của tia sóng thì độ cong biểu kiến của trái đất sẽ là (1a+ dhdn ) Hình 3 b) biểu thị độ cong biểu kiến của mặt đất khi tia truyền là thẳng,

Như vậy giả thiết tia sóng thẳng thì trái đất như được nhô lên với bán kính ka:

dh

dn a

ka

+

=

1 1

1 1

=

dh

dN a dh

dn a k

trong đó k là hệ số bán kính của trái đất tương đương thường gọi là hệ số k

Thay a = 6,37.103km ta có:

Đối với khí quyển tiêu chuẩn thì dn/dh=-1/(4a) và giá trị tiêu chuẩn của k = 4/3 Điều này

có nghĩa là việc lan truyền trên mặt đất qua khí quyển tiêu chuẩn tương đương với việc lan truyền trên một mặt đất nhô lên qua môi trường không có khí quyển

Chỗ lồi của quả đất tại một điểm trên đường vô tuyến được cho bởi:

k x d x x

h dN/dh= - 40/km

300 N

h dN/dh= - 40/km

Hình 3: Truyền dẫn qua khí quyển tiêu chuẩn.

a Biểu đồ trái đất tiêu chuẩn

b Biểu đồ tia truyền thẳng

c Biểu đồ trái đất phẳng

Trong đó x là khoảng cách từ điềm đang xét đến đầu cuối

Sự thay đổi của điều kiện khúc xạ trong khí quyển gây ra sự thay đổi bán kính hiệu dụng

của quả đất hay hệ số k quanh giá trị trung bình của nó Do giá trị của k thay đổi tức thời theo các điểm dọc theo tia sóng nên để thuận tiện cho việc tính toán đưa ra một hệ số k e hiệu dụng

Hệ số hiệu dụng ke được xác định từ những phép đo đường truyền và nó biểu diễn cho giá trị

trung bình của không gian truyền dẫn Giá trị k e sẽ có phương sai nhỏ hơn so với giá trị k đo tại

mỗi điểm dọc theo đường truyền của tia sóng và giá trị phương sai càng nhỏ theo sự tăng của

độ dài chặng Đối với một đường vô tuyến tiếp sức cần xác định được giá trị nhỏ nhất của k e Giá trị này được định nghĩa là giá trị vượt trội trong 99,9% thời gian và có thể xác định được theo những bước sau:

Bước 1: xác định phân bố của gradient tính khúc xạ Ge theo vị trí quan trọng và đánh giá kỳ vọng và phương sai μ, ú

Giá trị ú được xác định từ phân bố của G quanh giá trị trung bình Trong trường hợp tổng quát thì G có phân bố không chuẩn, để thuận tiện cho việc xác đinh ú ta giả thiết G có phân bố chuẩn

Bước 2: Phân bố của G được giả thiết là như nhau dọc theo đường truyền của sóng vô tuyến Một giá trị gradient hiệu dụng được đưa ra để giảm sự biến đổi của G trên đường truyền của tia sóng vô tuyến

Từ Ge có thể xác định k e như sau:

e e

G

k

+

=157157

Bước 3: giá trị gradient hiệu dụng Ge có thể được xem như là giá trị trung bình của G dọc theo chặng Phân bố của Ge gần đúng có thể xem như một phân bố chuẩn và tăng dần theo độ dài của chặng Giá trị kỳ vọng và phương sai μ, ú có thể được tính toán như sau: ,

)/(1

;

0

d d

e e

+

=

µTrong đó d0=13,5 km

Mô hình trên đúng với d>20 km còn với d<20 km thì phân bố của dNe/dh gần trùng với phân bố của dN/dh tại điểm bất kỳ dọc tuyến

Bước 4: Giá trị dNe/dh chấp nhận được trong 99,9% thời gian được xác định theo công thức sau:

dNe/dh= μe + 3,1 úe

Quá trình trên cho phép ta xác định được giá trị k e cực tiểu với độ đà chặng đã cho

Hình 4 cho phép ta xác định được giá trị k e chấp nhận được trong 99,9% thời gian phụ thuộc vào độ dài chặng

Hình 4 Giá trị k e là một hàm của độ dài chặng.

Chúng ta có thể chuyển biểu đồ hình 3.a thành dạng biểu đồ tương đương với mặt đất phẳng hình 3c) Với biểu đồ mặt đất phẳng thì coi như lúc này tia sóng là một đường lòng chảo Điều kiện lan truyền cho mặt đất phẳng có thể được mô tả ngắn gọn bằng việc đưa ra một chỉ số khúc xạ sửa đổi Đối với một độ cao cho trước, chỉ số khúc xạ sửa đổi được tính bằng tổng của chỉ số khúc xạ không khí với tỷ số giữa độ cao và bán kính trái đất Chỉ số khúc xạ sửa đổi M còn được là modul khúc xạ (refractive modulus)

M = N + (h/a) 106

Độ cong của tia truyền là:

dM/dh = dN/dh + (106/a)Khí quyển tiêu chuẩn có dN/dh = - 40 đơn vị N/km Giá trị của dM/dh là khoảng 117 đơn vị M/km bởi vì độ cong của trái đất được lấy là 157 đơn vị N hoặc M/km

Hệ số k với khúc xạ chuẩn là:

6

10)/(

1

−

=

dh dM a

Bất kỳ biểu đồ nào trong hình 3 đều có thể được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của sự thay đổi tính khúc xạ lên khoảng hở của tia sóng vô tuyến (Khi phân tích thường giả thiết rằng gradient của tính khúc xạlà không đổi) Biểu đồ hình 3.a không thuận tiện nhất cho việc tính toán do hệ toạ độ là không trực tuyến Biểu đồ 3.b có nhược điểm là khi gradient của tính khúc

xạ thay đổi thì thuộc tính của tía sóng cũng thay đổi theo độ dài của đường truyền Tuy nhiên biểu đồ này cũng thường được sử dụng để mô tả hiện tượng lan truyền sóng Biểu đồ mặt đất phẳng hình 3.c được sử dụng rộng rãi nhất cho việc nghiên cứu tia sóng trên cơ sở của tham số khúc xạ sửa đổi M

Trong một chừng mực nào đó sự khúc xạ cũng là một kế quả có lợi, ví dụ sự uốn cong tia sóng có thể làm tăng cự ly liên lạc

Hiện tượng thiểu khúc xạ và siêu khúc xạ:

Giá trị tiêu chuẩn của K = 4/3, nhưng tuỳ thuộc vào từng vùng khác nhau gía trị của K cũng khác nhau Theo số liệu thống kê cho thấy: K < 4/3 ở những khu vực lạnh khô, khi này xuất hiện hiện tượng thiểu khúc xạ, hiện tượng pha-đing có thể xẩy ra và khi K < 4/3 trái đất coi như được nhô cao gây cản trở tín hiệu đến điểm thu K > 4/3 ở những vùng khí hậu nóng ẩm, trường hợp này gọi là siêu khúc xạ, đặc biệt khi dM/dh tiến gần đến 0, dN/dh gần đến - 157

đơn vị N/km thì các tia hầu như song song bề mặt trái đất, năng lượng có thể truyền đi xa Hiện tượng này có thể dẫn đến pha-đing do nhiễu xạ.

Trong thiết kế tuyến vô tuyến tiếp sức thường chọn K trong khoảng [1,1 - 1,6] tuỳ thuộc vào điều kiện địa lý

Trong những điều kiện cá biệt giá trị k có thể nhỏ hơn 1 hoặc k →∞, tuy nhiên điều kiện này ít khi xẩy ra, nếu có thì thời gian xuất hiện không đáng kể Dạng hình học của tia sóng với các giá trị khác nhau của k cho trong hình vẽ 5

Hiện tượng ống sóng

Đây là một trường hợp đặc biệt của khúc xạ sóng Trong một điều kiện nào đó, giữa hai lớp khí có mật độ không khí như nhau, hình thành ở giữa hai lớp đó một lớp khí có mật độ không khí khác hẳn Điều này tương tự như hình thành một ống dẫn sóng mà tia sóng khi phát ra với một góc tới nào đó chỉ truyền dẫn trong "ống sóng", làm cho tia sóng bị đi lạc theo hướng khác

mà không đến được điểm thu

Ống sóng thường xẩy ra tại các vùng có vĩ độ thấp, mật độ không khí cao, các vị trí gần mặt nước và có nhiệt độ thay đổi thường xuyên với tốc độ thay đổi khá nhanh Hiện tượng này chỉ

ra trên hình 6

b Hiện tượng nhiễu xạ (difraction)

Hiện tượng nhiễu xạ là hiện tượng sóng vô tuyến bị uốn cong quanh các vật cản như là các vật cản có đỉnh nhọn hay các bề mặt có dạng hình cầu Tính chất nhiễu xạ sẽ phụ thuộc vào kích thước của chướng ngại vật và bước sóng vô tuyến và chúng gây ra một tiêu hao gọi là tiêu hao nhiễu xạ

Như đã biết miền Fresnel thứ nhất chứa hầu hết công suất tín hiệu đến máy thu Nếu tồn tại một vật thể ở rìa miền Fresnel thứ nhất thì tia phản xạ sẽ ngược pha với tia trực tiếp tại điểm thu và gây ra một sự suy giảm tín hiệu tại điểm thu Trong thực tế nếu không có vật cản nào trong miền Fresnel thứ nhất thì sẽ không có bất cứ một tiêu hao tạp âm xạ nào Các miền Fresnel thứ 2, 3, … ít ảnh hưởng đến việc tạo ra tiêu hao nhiễu xạ vì công suất chứa trong miền

F n =17,3 1 2 [m] n = 1,2,3

Trong đó:

f: Là tần số công tác, tính bằng (GHz)

d1: Là khoảng cách từ điểm phản xạ tới điểm đầu (cuối), tính bằng (km)

d2: Là khoảng cách từ điểm phản xạ tới điểm cuối (đầu) tính bằng (km)

d: Là khoảng cách từ ăng-ten phát tới ăng-ten thu tính bằng (km)

Đối với mỗi loại địa hình khác nhau có thể chắn miền Fresnel thứ nhất sẽ có các tổn hao nhiễu xạ khác nhau Các loại địa hình này có thể là mặt đất phẳng, hình nêm, hình tròn…

Hình 7: Điểm đặc biệt của địa hình nằm trong không gian truyền sóng

Đới Fresnel 2 Đới Fresnel1

d F1 tia LOS

d1 H0 d2

n0

nv Tia LOS

n0

Hình 6 Hiện tượng ống dẫn sóng

Hình 8 Sự phụ thuộc của tổn hao nhiễu xạ theo khoảng hở của đường truyền.

Hình vẽ chỉ ra sự phụ thuộc của tổn hao nhiễu xạ theo khoảng hở ta thây rằng nêu khoảng

hở thoả mãn điều kiện tối thiểu 0,6F1 thì có thể coi đường truyền là không gian tự do Có nghĩa

là tổn hao nhiễu xạ bằng không

Tổn hao nhiễu xạ do lướt trên mặt đất phẳng:

Các tham số đặc tính điện của một môi trường bất kỳ bao gồm:

− Độ từ thẩm ỡ (Henry/mét - H/m)

− Hằng số điện môi ồ (Farad/mét - F/m)

− Điện dẫn ú (Siemen/ mét - S/m)

Độ từ thẩm của đất và biển thông thường có thể coi bằng độ từ thẩm của không gian tự do

vì vậy các bài toán thực tế chỉ xét đến hằng số điện môi và độ dẫn điện Thông thường sử dụng hằng số điện môi tương đối ồr so với không gian tự do

Sự phụ thuộc của hằng số điện môi tương đối và độ dẫn điện được chỉ ra trên hình 9 Trong thực tế đôi khi có thể sử dụng các biểu thức kinh nghiệm để tính toán hằng số điện môi tương đối ồr dựa trên điện dẫn ú

5 / 1

50σ

ε =r

( )

/

18 f K

Trong đó k là hệ số bán kính hiệu dụng thường được xác định theo hệ số k cực tiểu; f là tần

số tính theo đơn vị GHz

Nếu K < 10-3 thì hoàn toàn có thể bỏ qua các đặc tính điện của mặt đất

Nếu K> 10-3 khi đó tiêu hao nhiễu xạ do mặt đất phẳng có thể được tính gần đúng như sau:

)()()

4 2

35,15

,

4

1

75,06

,

1

1

K K

K K

++

++

=

β

d là độ dài tia sóng tính theo km, f tính theo GHz

Với phân cực ngang tại tất cả các tần số và đối với phân cực đứng f > 20MHz trên đất liền hoặc f> 300 MHz trên biển có thể lấy õ =1

Độ cao của các anten chuẩn hoá có thể được xác định theo công thức sau:

/ 05178

,

h là độ cao anten tính theo mét

G là một hàm của Y được xác định theo công thức sau:

1010

/

210

2

lg202

1)/lg(

)

/lg(

9lg202

).1,0lg(

20

8)1,1lg(

51,1.6,17)

(

3

2 / 1

K Y

K Y K

Y K Y

K

K Y K Y K

Y Y

Y Y

Xác định các tham số độ lồi của trái đất qua đó xác định được khoảng hở chuẩn hoá F/F1

Tổn hao nhiễu xạ có thể được tính gần đúng theo công thức sau:

15/

Tổn hao nhiễu xạ do vật chắn hình nêm

Với một vật chắn được lý tưởng hoá giống như một chiếc nêm có đầu nhọn (hình 4.6) ta có thể tính toán tổn hao nhiễu xạ gần đúng như sau:

1 1//1.

λθγ

[ ]1 / 2

/

2 α α λ

γ = d

Trong đó h là độ cao của đỉnh vật chắn so với đường nằm ngang của tia sóng nối hai điểm

đầu cuối Nếu vật chắn ở dưới hình này thì h âm

d 1 , d 2 là các khoảng cách đến hai đầu cuối đường truyền tính từ vật chắn

d là độ dài đường truyền d=d 1 +d 2

θ là góc nhiễu xạ tính bằng radian dấu cũng như dấu của h

α1 , α2 là góc được xác định như hình 10 và có dấu theo dấu của h

Tất cả các tham số h d ở được biểu thị cùng ở một đơn vị.

Với tham số γ >-1 thì tổn hao nhiễu xạ gây ra bởi vật chắn hình nêm có thể được tính gần đúng theo một trong hai công thức sau:

,

6

)

(

Tổn hao nhiễu xạ gây ra bởi vật chắn tròn duy nhất

Hình 11 Vật chắn hình tròn duy nhất trên đường truyền.

)()()(

)2/.).(

2/.(

2)2/sin(

Các tham số được xác định như hình vẽ 11

T(ủ) là tổn hao trên mặt cong của vật chắn

4 3

2 3,6 0,82

)/

ρ

R

R d

d

d d

b a

b a

Q(X) là tổn hao được tính theo công thức

29617

40

5,12

0/

)

()

(

X X

X

X X

X X

T X

Q

ρρ

ρ

[π /λ]1/3.θ ≅[ (π/2)1/2.γ.ρ]

= R

Tổn hao nhiễu xạ với địa hình trung bình

Tổn hao nhiễu xạ gây ra bởi địa hình trung bình có thể được xác định theo công thức sau:

10/

Đây là công thức được thiết lập dựa trên kinh nghiệm khi thiết kế trong đó F1 là bán kính

của miền Fresnel thứ nhất Đại lượng F/F1 là khoảng hở được chuẩn hoá

3 Hấp thụ của các phân tử khí

Khí quyển gần mặt đất được cấu thành từ các phân tử khí như ôxi, nitơ, hơi nước , dải tần

vi ba do có bước sóng nhỏ nên các phần tử khí trong khí quyển hấp thụ một phần đáng kể năng lượng sóng điện từ

Khí ôxi hấp thụ một phần năng lượng sóng vi ba, sự hấp thụ này tương đối nhỏ và phụ thuộc vào tần số Hơi nước và mù cũng hấp thụ một phần đáng kể năng lượng sóng điện từ, nhất là sóng có tần số cỡ 20GHz trở lên

Hình 12 Sự hấp thụ của ôxy và mưa với sóng vô tuyến

Việc xác định các tiêu hao đặc trưng có thể xác định được dựa trên biểu đồ hình 12 Tiêu hao gây ra bởi õy và hơi nước được xác định theo công thức sau:

d d

A a =γa =(γo +γw)

d là độ dài đường truyền (km).

óo , ów là tiêu hao đặc trưng của ôxy và hơi nước (dB/km)

Bài tập: Tính tiêu hao gây ra bởi các chất khí và hơi nước của một tuyến vi ba có độ dài 50

km, thì tại điểm thu năng lượng chùm tia sóng điện từ cũng trải ra khá rộng (cỡ từ 0,7 - 1,4 km)

và độ cao của tháp là rất nhỏ so với phạm vi trải rộng của năng lượng điện từ

Vì vậy trong quá trình truyền dẫn sóng từ điểm phát tới điểm thu, một phần năng lượng sóng vô tuyến sẽ gặp mặt trái đất và do mặt đất có tính chất phản xạ sóng, nên trong các tia phản xạ sẽ có tia đến được điểm thu Trong trường hợp tia phản xạ này có cùng pha với tia trực tiếp, thì tín hiệu thu được tăng cường Tuy nhiên khi tia phản xạ có pha sai khác pha tín hiệu của

hợp này Sự phản xạ sóng từ mặt đất xẩy ra ở khoảng giữa tuyến hoặc ở những chỗ địa hình có cấu trúc đặc biệt chỉ ra trên hình 13.

Tín hiệu đến điểm thu là tổng tín hiệu tia trực tiếp và tia phản xạ

φ∆ =2 ∆r/

trong đó r∆ là sự chênh lệch quãng đường giữa tia trực tiếp và tia phản xạ

tín hiệu phản xạ tại điểm thu có thể được tính theo công thức sau:

)exp(

Thông thường người ta biểu diễn độ lệch pha giữa tia trực tiếp và tia phản xạ φ∆giống như

sự giữ chậm về thời gian ụ Nếu như tần số góc của sóng mang là ω thì có thể biễu diễn góc lệch pha như sau:

ωτ

φ∆ =−Hàm truyền đạt của kênh vô tuyến có thể biểu diễn sơ bộ như sau:

)(

exp1

/)(ω = E Ed = + R j φR −ωτ

Đối với một mặt đất gồ ghề thì tín hiệu tại điểm thu sẽ là tổng của tất cả các thành phần phản chiếu Hiện tượng phản xạ cũng là một trong các nguyên nhân gây ra hiện tượng thăng giáng tín hiệu tại điểm thu hay còn gọi là hiện tượng pha đing

II Hiện tượng Pha đinh

Pha đing là hiện tượng thay đổi tín hiệu vô tuyến một cách bất thường tại điểm thu do sự tác động của môi trường truyền dẫn Các yếu tố gây ra hiện tượng pha đing bao gồm:

- Sự hấp thụ của các chất khí hơi nước, mưa … đây là những yếu tố chủ yếu đối với những tần số lớn hơn 10 GHz

- Pha đing do hiện tượng lan truyền đa đường:

 Sự thay đổi gradient chỉ số khúc xạ theo thời gian cũng gây ra hiện tượng thăng giáng tín hiệu tại điểm thu Trường hợp cực đoan có thể gây ra hiện tượng ống sóng làm tia sóng không đến được điểm thu Hiện tượng này thường xảy ra tại những nơi

có vĩ độ thấp và gần bề mặt nước và có nhiệt độ thay đổi nhanh Trong trường hợp gradient thay đổi lớn thì đây là nguyên nhân chủ yếu gây ra hiện tượng truyền lan

đa đường Hiện tượng này thường xảy ra ở những giờ giữa trưa khi đó không khí bị

Hình 13 Hiện tượng phản xạ sóng từ mặt đất

xáo trộn hoàn toàn do các dòng đối lưu và gió Khi gần tối và đặc biệt trong những tháng mùa hè, lượng gió giảm, nhiệt độ và độ ẩm phân bố không đều, tạo nên các gradient chỉ số khúc xạ biến đổi

 Sự phản xạ sóng từ bề mặt trái đất, đặc biệt là từ bề mặt nước và sự phản xạ từ những bất đồng trong khí quyển sự nhiễu xạ bởi những vật cản trên đường truyền cũng là những nguyên nhân gây ra hiện tượng lan truyền đa đường

Suy hao đường truyền trong hệ thống vi ba mặt đất bao gồm hai thành phần: Thành phần L đặc trưng cho suy hao truyền sóng trong không gian tự do và thành phần A(t.f) đặc trưng cho yếu tố ảnh hưởng của môi trường Như vậy suy hao của hệ thống vi ba mặt đất trong trường hợp này có thể viết:

a(t,f) = L S(t,f)

L là tổn hao gây ra khi lan truyền trong không gian tự do và S(t,f) được gọi là hệ số suy hao do đing Nói chung S(t, f) là không thể lấy giá trị trung bình được, mà nó được xem như một quá trình ngẫu nhiên với hai biến độc lập Xét một cách chặt chẽ quá trình này không dừng Nhưng để thuận tiện cho việc khảo sát trong thực tế ta giả thiết S(t,f) là quá trình dừng

pha-Hệ số suy hao do pha-đing S(t,f) là hàm của biến thời gian t và tần số f Trong một số trường hợp sự phụ thuộc của pha-đing vào tần số là không đáng kể Trong trường hợp này suy hao do pha-đing hầu như không đổi trong cả băng tần Đối với các hệ thống có băng tần hẹp (hệ thống dung lượng nhỏ), khi đó pha-đing được gọi là pha-đing phẳng Đối với các hệ thống băng rộng (dung lượng cao), giá trị S(t,f) thay đổi rất khác nhau ở các tần số khác nhau trong băng tần, trường hợp này pha-đing được gọi là chọn lọc theo tần số

1 Pha đinh phẳng:

a Pha đinh phẳng do truyền dẫn đa đường:

Trong thông tin vô tuyến vấn đề truyền dẫn nhiều tia được đề cập nghiên cứu từ nhiều thập

kỷ trước và những mô hình toán học về kênh nhiều tia đã được đề xuất Mô hình truyền dẫn nhiều tia với số lượng tia lớn thì áp dụng định lý giới hạn trung tâm để khảo sát, theo định lý này với số lượng tia đủ lớn thì cường độ trường thu có phân bố Gauss, biên độ trường thu sẽ có phân bố Rayleigh Trong mô hình khảo sát nếu một tia lớn hơn các tia còn lại thì phân bố này chuyển về phân bố Rice hoặc Nakagami Trong hệ thống vi ba tần số làm việc cao, truyền sóng thẳng nên số lượng tia trong kênh là không nhiều, do đó tính động của kênh thông tin nhỏ hơn

so với các kênh ứngvới phân bố Rayleigh, Rice và Nakagami

Để xác định độ dự trữ pha đing có hai phương pháp:

Phương pháp Majoli

Hệ số xuất hiện pha đinh phẳng nhiều tia cho tháng xấu nhất P0 phụ thuộc vào các tham số của tuyến như tần số công tác, độ dài của chặng, khí hậu, độ gồ ghề của địa hình Theo phương pháp Majoli P0 được xác định theo công thức sau:

c là hằng số địa hình c = 1; 4; 0,25 tương ứng với điều kiện địa hình trung bình khí hậu ôn

đới khí hậu ẩm ướt hoặc mặt nước, khí hậu miền núi khô

Để thích ứng với sự gồ ghề của địa hình, Majoli đưa vào công thức một hệ số đặc trưng cho

sự gồ ghề của địa hình

3

)50/)(

4/.(

3,

sử dụng một lượng dự trữ công suất thích hợp gọi là dự trữ pha đinh phẳng (flat fading

margin) Có thể hiểu dự trữ pha đinh phẳng là sự chênh lệch giữa mức tín hiệu thu được khi

không có pha đinh P R và ngưỡng làm việc của máy thu RX tương ứng với BER cho trước

Thông thường độ sâu pha đing phẳng nhiều tia phân bố theo hàm logarit do vậy xác suất để pha đing nhiều tia đạt ngưỡng dự trữ pha đing phẳng FM được xác định như sau:

10 /

0.10)

FAD

Một số tiêu chuẩn áp dụng hệ thống thông tin như sau:

 Với L<280km yêu cầu BER>10-6 trong tối đa 0,045% của tháng bất kỳ (thời gian hợp thành là 1 phút) và BER>10-3 trong tối đa 0,006% của tháng bất kỳ (thời gian hợp thành là1 giây)

 Với 280<L<2500 km BER >10-6 trong tối đa 0,4.(L/2500)% của tháng bất kỳ (thời gian hợp thành 1 phút) và BER>10-3 trong tối đa 0,054.(L/2500)% của tháng bất kỳ (khoảng thời gian hợp thành là 1 giây)

Tỷ lệ thời gian gián đoạn thông tin (%) trong tháng xấu nhất do pha đing nhiều tia là:

10 /

010

100P −FM

=

để thoả mãn các tiêu chuẩn cho một hệ thống thông tin như đã nêu trên cần xác định được

độ dự trữ pha đing tối thiểu:

Với L<280 km

010.67,16lg

63,4lg

KQ

Các tham số KQ, B, C được xác định qua thống kê theo bảng 8.3 (viba số T2)

Bài tập 1: một tuyến có độ dài 50 km trong khí hậu ôn đới qua địa hình đồi núi gồ ghề 50m

và hoạt động ở tần số 7GHz Xác định độ dự trữ pha đinh tối thiểu chỉ với ảnh hưởng của pha đinh nhiều tia

Bai tập 2: sử dụng số liệu như trên nhưng cho tuyến giả thiết ỏ Anh và dụng phương pháp CCIR

b Pha đinh phẳng do mưa

Suy hao do mưa: Các hạt mưa là nguyên nhân hấp thụ năng lượng sóng vô tuyến Lượng mưa càng lớn thì sự hấp thụ này càng cao, tổn hao do mưa cũng là đại lượng thay đổi theo tần

số Tổn hao do mưa đặc biệt nguy hiểm với các sóng có tần số lớn hơn 10GHz vì khi đó kích thước của hạt mưa có thể so sánh với bước sóng điện từ Kích thước của hạt mưa còn bị phụ thuộc vào cường độ mưa (thường được tính theo đơn vị mm/h) Thực tế hạt mưa không có dạng hình cầu Trong quá trình rơi xuống hạt mưa có dạng bẹt hơn do vậy tổn hao do mưa còn phụ thuộc cả vào phân cực sóng Kích thước giọt mưa theo chiều dọc nhỏ hơn kích thước theo chiều ngang nên các sóng phân cực ngang bị tổn hao mạnh hơn Đối với mưa không những làm suy hao mà còn làm xoay pha sóng điện từ và gây ra hiện tượng tán xạ, đây cũng là nguyên nhân làm giảm độ tin cậy của hệ thống Thông thường tiêu hao do mưa ở tần số dưới 7 GHz có thể bỏ qua ngay cả khi cự ly chặng tiếp phát lớn hơn 50km Trên 15GHz khi có tiêu hao do mưa để bảo đảm chất lượng hệ thống cần giảm cự ly xuống dưới 20 km và khi đó pha đinh phẳng gây bởi pha đing nhiểu tia giảm và không đóng vai trò quan trọng Ở tần số từ 7 đến 15 GHz cần xác định được đặc tính tiêu hao của cả pha đinh do mưa và pha đinh phẳng nhiều tia

RX P

Tóm lại với tần số thấp cự ly chặng lặp dài thì pha đinh nhiều tia là chủ yếu và trong trường hợp ngược lại khi tần số cao, cự ly chặng lặp ngắn thì tiêu hao do mưa là ảnh hưởng chủ yếu.Phương pháp xác định trực tiếp tổn hao do mưa như sau:

Mục tiêu xác định lượng tiêu hao gây ra do mưa vượt 0.01% thời gian

Bước 1: Cần biết được cường độ mưa vượt 0.01 % theo thời gian (thời gian hợp thành 1 phút) –R (mm/h) Tham số này có thể nhận được từ những số liệu thống kê tại địa phương hoặc có thể tra gần đúng theo những báo cáo của CCIR

Bước 2: trên cơ sở đó xác định tiêu hao đặc trưng

Bài tập: Xác định tiêu hao do mưa chỉ vượt trong khoảng 0,0001 % thời gian đối với chặng tiếp phát dài 53 km hoạt động ở tần số 12GHz với phân cực ngang Giả sử rằng lượng mưa vượt trong 0,01 % thời gian là 30 mm/h

2 Pha-đing nhiễu tia chọn lọc tần số trong hệ thống vi ba số băng rộng

a Các mô hình pha-đing nhiều tia chọn lọc tần số đã được đề xuất

Để nghiên cứu vấn đề này trước hết chúng ta giả thiết rằng hệ thống được thiết kế theo đúng tiêu chuẩn thiết kế tuyến, tức là khoảng hở đường truyền lớn hơn cho phép Hệ thống được giả thiết như vậy sẽ không bị ảnh hưởng pha-đing do nhiễu xạ Pha-đing xảy ra có nguyên nhân là truyền dẫn nhiều tia, gồm tia tới trực tiếp, tia khúc xạ từ khí quyển và các tia phản xạ từ mặt đất truyền đến ăng-ten thu Kết quả sóng vô tuyến tới ăng-ten thu theo nhiều đường khác nhau, hiện tượng này được gọi là truyền dẫn nhiều tia, chỉ ra trên hình vẽ 14

Khi nghiên cứu hiện tượng kênh nhiều tia và vấn đề pha-đing chọn lọc theo tần số có khá nhiều mô hình kênh nhiều tia được đưa ra như: Mô hình ba tia, mô hình ba tia đơn giản hoá,

mô hình hai tia, mô hình đa thức Trong đó mô hình ba tia đơn giản hoá của Rummler được coi

là hay nhất và nó đã trở thành mô hình lý thuyết cho việc nghiên cứu hiện tượng này Mô hình này đã được kiểm nghiệm bằng đo lường thực tế và đã được thông báo rộng rãi là chính xác Khi kênh đã được xác định là truyền dẫn nhiều tia thì việc mô tả các mô hình hàm truyền dẫn pha-đing của kênh là công việc hết sức quan trọng từ đó ta mới có thể đề xuất các biện pháp khắc phục

Xuất phát điểm để khảo sát là các phản ứng xung và phản ứng tần số của kênh, các phản ứng này không kể đến độ suy lạc do pha-đing Với việc giả thiết đây là quá trình dừng và không kể đến độ suy lạc do pha-đing thì phản ứng xung của kênh được mô tả như là tổng trọng

1 n

n

) t ( c

Tương ứng phản ứng tần số có dạng:

=

τ Π

α

= N

1 n

f 2 j

ne n)

(C

Trong đó αn và τn tương ứng là hệ số suy hao và độ trễ của tia thứ n; N là số tia trong kênh nhiều tia Bằng các kết quả nghiên cứu qua đo lường thực tế người ta đã đưa ra một số mô hình kênh nhiều tia như sau:

 Mô hình ba tia tổng quát:

Mô hình này mặc nhận rằng, trong một chặng vi ba số luôn tồn tại ba tia truyền lan từ đầu

phát đến đầu thu

- Tia trực tiếp (tia LOS)

- Tia có biên độ nhỏ đi gần và ở bên dưới tia LOS (tức chính là tia phản xạ bề mặt) có biên độ nhỏ vì bị mặt đất, các hạt khí và hơi nước hấp thụ một phần năng lượng

- Một tia có biên độ lớn hơn cách xa tia LOS hơn là tia khúc xạ

Hàm truyền của kênh trong trường hợp này có dạng:

Hình 14 Dạng truyền dẫn nhiều tia

2

2 1

1)(f α e j fτ α e j fτ

Trong đó số hạng thứ nhất mô tả tia trực tiếp và lấy làm tham chiếu, số hạng thứ hai và thứ

ba mô tả hai tia còn lại của kênh nhiều tia α1 , α2 là các giá trị biên độ tham chiếu đặc trưng

do suy hao biên độ, τ1 và τ2 là các độ giữ chậm của hai tia tương ứng

Thực tế τ1 có giá trị rất nhỏ và vec tơ [α1 e -j2Πfτ] có độ lệch pha so với vec tơ tín hiệu tia trực tiếp là rất nhỏ Mặt khác thực tế cho thấy giá trị biên độ của vec tơ này cũng không lớn nên ảnh hưởng của thành phần này đến trường thu là có thể bỏ qua được

Mô hình 3 tia tổng quát này đặc biệt ý nghĩa khi truyền sóng qua vùng có bề mặt nước Tuy vậy mô hình ba tia tổng quát lại không đưa ra được dạng toán học đầy đủ của mô hình kênh

Mô hình 3 tia tổng quát chứa quá nhiều tham số nên việc khảo sát theo mô hình này là rất khó khăn Mô hình được xem là đại diện cho kênh nhiều tia lại là mô hình ba tia đơn giản hoá của Rummler đưa ra, mô hình này phù hợp hơn với các số hiệu quan trắc và đo lường

 Mô hình hai tia

Ảnh hưởng của tia phản xạ do đi gần tia trực tiếp, năng lượng thấp, nên có độ lệch pha nhỏ

và trong trường hợp đặc biệt thì có thể bỏ qua được Mô hình hai tia đưa ra giả thiết kênh thông tin chỉ truyền dưới dạng hai tia, không kể đến tia phản xạ bề mặt Nó gần giống mô hình 3 tia đơn giản hoá nhưng lại không kể đến bất kỳ ảnh hưởng nào của tia gần tia LOS và hàm truyền của kênh có dạng:

τ

f

C ( ) = 1 + − 2Π

Với mô hình này chứa 3 tham số f, τ, α Người ta đã tiến hành áp dụng mô hình này

để khảo sát kênh thông tin thực tế, các phép đo lường trong băng tần 55MHz cho thấy 3 tham số của mô hình là độc lập thống kê và α có phân bố đều Khi đơn giản hoá, mô hình này chỉ còn chứa 2 tham số (f,α) nên việc tính toán khảo sát đơn giản hơn nhiều Đây được xem là mô hình đơn giản nhất để khảo sát hệ thống pha-đing nhiều tia chọn lọc tần

số Tuy nhiên mô hình này lại không khái quát đầy đủ dạng truyền lan nhiều tia thực tế của kênh

C f C f C C

3

2 2 1 0

ρĐiều này tương đương với việc mô tả hàm truyền của kênh dưới dạng một đa thức phức như sau:

n n

n N n

f j JB A A

 Mô hình ba tia đơn giản hoá của Rummler

Mô hình được xây dựng từ rất nhiều số liệu quan trắc trên một chặng vi ba LOS tiêu chuẩn,

Các số liệu này được thu được từ các đo lường với các thiết bị đo lường đặc biệt có độ chính xác rất cao Hình 15 mô tả đặc tính biên độ và pha đo lường được của kênh nhiều tia, công tác tại giản tần 6GHz tốc độ 140Mb/s, điều chế 64 QAM do Rummler thực hiện

Cơ sở để khảo sát phát triển dạng mô hình ba tia đơn giản hoá là phương trình hàm truyền với mô hình ba tia tổng quát, với giả thiết là B.τ1<< 1, trong đó B là độ rộng của băng tần hiệu dụng của kênh Như vậy ta có thể bỏ qua sự sai pha của véc tơ {α1}và như vậy phương trình

1)(

Từ phương trình trên nếu đặt a = 1+α1, b = - α2 /(1 + α1) ta sẽ có phương trình:

[ be j fτ]

a f

Thực tế ta chỉ quan tâm đến hàm truyền C(f) tại các giá trị tần số quanh tần số khe pha-đing

f o , nên trong phương trình trên tần số f được thay bằng f c - f o khi đó ta có:

[1 2 ( 0) τ]

)(f a be j f f

Nếu giả thiết f c là tần số sóng mang cố định thì fc chỉ lệch so với fo chút ít và khoảng biến thiên của tần số là fc- f0 Trong phương trình trên, a là hệ số suy hao toàn tuyến, b là tham số định dạng đặc trưng cho độ sâu khe pha-đing, fo là tần số khe pha-đing, τ là trễ truyền dẫn nhóm

Trong mô hình này ta thấy tồn tại bốn tham số a, b, f o ,τ Mô hình này gần giống mô hình hai

tia đơn giản và thực chất véc tơ{ 2 1

miễn là chu kỳ của C(f) đủ lớn sao cho mô hình cuối cùng là tốt, tức là phù hợp với các số liệu

đo lường Rummler đã đề xuất chọn τ = 6,3 ns bằng nghịch đảo của 6 độ rộng băng tần quan trắc (1/6B) Giá trị τ = 6,3 ns được nhiều nhà khoa học coi như một tiêu chuẩn trong khi một

số nhà khoa học khác thì áp dụng quy tắc chọn τ = 1/6B Thực tế cho thấy rằng theo quy tắc này thì 3 tham số còn lại có thể làm khớp rất tốt (theo lối kinh nghiệm) với phản ứng xung đo được của kênh

Triển khai dưới dạng hàm biên độ và pha có phản ứng của kênh có thể được biểu diễn dưới dạng sau

)

)()(f C f e j t

=Trong đó giá trị bình phương biên độ và hàm trễ nhóm cho bởi:

Hình 15 - Đặc tính biên độ và trễ nhóm trên kênh RF = 6GHz từ thí nghiệm của Rummler [7].

(mô hình đơn tia)