TÀI LIỆU THÔNG TIN VI BA đề tài LAN TRUYỀN SÓNG và HIỆN TượNG PHA ĐINH

LAN TRUYỀN SÓNG VÀ HIỆN TƯỢNG PHA ĐINH5 Phản xạ đất: Sóng này đến an ten thu sau lúc phản xạ một vài lần từ mặt đất hoặc từ các vật thể xung quanh.. LAN TRUYỀN SÓNG VÀ HIỆN TƯỢNG PHA ĐIN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

KHOA ĐIỆN TỬ ViỄN THÔNG

THÔNG TIN VIBA

ĐINH

1

LAN TRUYỀN SÓNG VÀ HIỆN TƯỢNG FADING

2

I Cơ sở truyền sóng vô tuyến

LAN TRUYỀN SÓNG VÀ HIỆN TƯỢNG PHA ĐINH

3

I Cơ sở truyền sóng vô tuyến

LAN TRUYỀN SÓNG VÀ HIỆN TƯỢNG PHA ĐINH

4

1 Sóng bề mặt

Khi sóng vô tuyến lan truyền dọc theo bề mặt trái đất thì năng lượng truyền dẫn bị tiêu hao Khi tần số sóng trên 30MHz đất có tác dụng như một dây dẫn kém gây tiêu hao lớn Do đó, trong thực tế khi truyền sóng trên mặt đất người

LAN TRUYỀN SÓNG VÀ HIỆN TƯỢNG PHA ĐINH

5

Phản xạ đất:

Sóng này đến an ten thu sau lúc phản xạ một vài lần từ mặt đất hoặc từ các vật thể xung quanh Sự phản xạ không những chỉ xuất hiện trên mặt phẳng đứng mà còn có thể xuất hiện trên mặt phẳng ngang Sóng phản xạ tới anten thu có biên độ và pha khác với biên độ và pha của sóng trực tiếp, làm tín hiệu thu không ổn định.

Nếu hiệu khoảng cách đường truyền của tia phản xạ và tia trực tiếp bằng số lẻ lần nửa bước sóng thì ở anten thu sóng phản xạ lệch pha với sóng trực tiếp một góc = 180 độ và kết quả làm suy giảm tín hiệu sóng trực tiếp.

LAN TRUYỀN SÓNG VÀ HIỆN TƯỢNG PHA ĐINH

6

Sóng phản xạ từ tâng đối lưu

Do thay đổi chỉ số khúc xạ của không khí theo độ cao so với mặt đất, nên sóng có thể bị phản xạ, tuỳ theo góc sóng tới có thể xảy ra phản xạ toàn phần từ tầng đối lưu Trong trường hợp này xuất hiện một biên giới có tác dụng giống như một bề mặt phản xạ, gửi sóng trở lại mặt đất Một số tia này sẽ đến an ten thu, có thể làm suy giảm sóng trực tiếp

do sự thay đổi pha và biên độ gây ra Sóng truyền theo tầng đối lưu có thể lan rộng đến khoảng 15km.

3 Sóng trời (phản xạ từ tầng điện ly)

- Sóng vô tuyến được phóng lên tầng điện ly quay trở về trái đất nhờ hiện tượng khúc

xạ, thực hiện liên lạc giữa các địa điểm khác nhau trên mặt đất

- Càng lên cao hằng số điện môi và chỉ số khúc xạ càng giảm làm cho sóng vô tuyến bị uốn cong về trái đất Tần số càng cao thì cần nhiều quá trình ion hoá để tạo ra sự khúc

xạ Nếu không bị khúc xạ đủ mạnh thì nó có thể bị hấp thụ hoặc xuyên qua bầu khí quyển vào không gian.

-Sử dụng sóng vô tuyến có tần số cao hơn 10MHz vào ban ngày và dùng tần số thấp hơn vào ban đêm để thực hiện liên lạc bằng sóng vô tuyến trên mặt đất.

-Hạn chế: sóng vô tuyến trong dải VHF và cao hơn (f>30MHz) không quay vê trái đất khi được phóng lên tầng điện ly.

12/20/14 7

ThS.Vo

õ Trường Sơn

.

Tín hieu thường

Tín hiệu khúc xạ

LAN TRUYỀN SÓNG VÀ HIỆN TƯỢNG PHA ĐINH

8

II Các nhân tố ảnh hưởng đến truyền sóng LOS

1 Suy hao trong không gian tự do

Khoảng không mà trong đó các sóng truyền lan bị suy hao được gọi là không gian tự do Mức suy hao của sóng vô tuyến được phát đi từ anten phát đến anten thu trong không gian tự do tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa hai anten và tỉ lệ nghịch với độ dài bớc sóng Suy hao này gọi là suy hao truyền lan trong không gian tự do,

P L

P L

r

t dB

4 log 20

log 10

( ) 20 log( ) 21 98 dB log

−

( )f 20log( )d 147.56 dB 20log

4 log 20

− +

π

12/20/14 11

2 Ảnh hưởng của khí quyển

-Sự hấp thụ năng lượng của nước

-Sự khúc xạ

-Hiệu ứng ống dẫn:

12/20/14 12

2 Ảnh hưởng của khí quyển

-Sự khúc xạ:

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 độ khúc

xạ (refractivity) N để thay thế cho chỉ số khúc xạ n (index

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

1/ r = - dn/dh=-(dN/dh).10 - 6

Ở đây r 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 10 6 m là bán kính trái đất)

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 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:

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.

- 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:

6

dh

dn a

1 1

=

dh

dN a

dh

dn a

k

Thay a = 6,37.10 3 km 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:

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)

6

M = N + (h/a) 10 6

6

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 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 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 → vô cùng, tuy nhiên điều kiện này ít khi xẩy ra, nếu có thì thời gian xuất hiện không

đáng kể

6

196

.

Không khí loãng Không khí loãng

Không khí loãng

12/20/14 21

3 Ảnh hưởng của địa hình

o Sự phản xạ của mặt đất

o Các miền fresnel

o Hiện tượng nhiễu xạ và suy hao

12/20/14 22

SỰ PHẢN XẠ CỦA MẶT ĐẤT

Tín hiệu thường

Tín hiệu phản xạ

Miền fresnel

• Hiện tượng phản xạ hoặc suy hao sẽ xảy ra trong miền fresnel khoảng cách.

12/20/14 24

ThS.V

õ Trườ

ng Sơn

Tín hiệu thường

Tín hiệu phản xạ

12/20/14 25

Miền fresnel khoảng cách

.

Tín hiệu thường

Tín hiệu phản xạ

12/20/14 26

12/20/14 27

Tín hiệu nhiễu xạ

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…

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 ta có thể tính toán tổn hao nhiễu xạ gần đúng như sau:

Vật chắn hình nêm.

Tham số này có thể hiểu là một tham số đặc trưng cho cho các tham số hình học đã lựa chọn và có thể được xác định theo một trong các phương trình sau

1 /

2

/ 1

λ

θ γ

/

20 4

, 6 )

Bài tập:

Cho một đường truyền dẫn vi ba có độ dài 50 km

Một dãy núi cắt ngang đường truyền (có thể coi gần đúng là một vật cản hình nêm) nhô ra 100m qua tia trực tiếp ở khoảng cách 30km kể từ một trạm đầu

cuối, tần số = 4Ghz Xác định tổn hao nhiễu xạ bởi vật chắn này.

33

Bài tập:

Cho một đường truyền dẫn vi ba có độ dài 50 km

Một dãy núi cắt ngang đường truyền (có thể coi gần đúng là một vật cản hình nêm) nằm cách một trạm 30

km và có độ cao 100m so với mặt nước biển Tính tổn hao nhiễu xạ gây ra bởi dãy núi Độ cao của hai an ten

là 70m so với mực nước biển Hệ số bán kính trái đất hiệu dụng k=4/3, tần số = 3Ghz.

34

( ) ( )

[ ]1 / 2

2

1 1 / /

1 /

a

) ( )

( )

( )

(r L T Q X

) /(

) 2 / ).(

2 / (

2 ) 2 / sin(

2 θ d a Rθ d b Rθ λ d

2 / 1 3 / 1) /

ρ

R

R d

d

d d

b a

b a

+ L(γ) được xác định giống như vật chắn hình nêm với hệ

số

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

29 6

17

4 0

5 , 12

0 /

).

( )

(

X X

X

X X

X X

T X

Q

ρ ρ

ρ

) ( )

( )

( )

a

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:

L= -20.h/F1+10 (dB)

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

a

Tổn hao nhiễu xạ với địa hình phẳng

Tổn hao nhiễu xạ gây ra bởi địa hình trung bình có thể được xác

định theo công thức sau:

L= -25.h/F1+15 (dB)

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

a

Bài tập:

Xác định độ dự trữ fading tối thiểu

cho tuyến vô tuyến 100km hoạt động ở tần số 4GHz, nếu độ cao tại các đầu

cuối của tuyến là 60m và 120m so với

mực nước biển Cho kmin=0.92 (giá trị k tối thiểu đối với khí hậu ôn đới)

a

III Fading

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, hiện tượng ống sóng, 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.

a

Xác định độ dự trữ Fading phẳng nhiều tia

Phương pháp Majoli

Xác suất 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

d là độ dài khoảng tuyến (km)

f là tần số cao tần (GHz)

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.

a là hệ số đặc trưng cho độ ghồ ghề của địa hình a=(u/15)-1,3 (u:

độ gồ ghề)

a

Tiêu chuẩn của CCIR: Thời gian gián đoạn thông tin

cực đại:

Với L<280km: BER>10 -6 trong tối đa 0,045% của tháng

bất kỳ (thời gian tổng cộng là 1 phút) và BER>10 -3

trong tối đa 0,006% của tháng bất kỳ (thời gian tổng

cộng là 1 giây).

Với 280<L<2500 km: BER >10 -6 trong tối đa 0,4.

(L/2500)% của tháng bất kỳ (thời gian tổng cộng 1

phút) và BER>10 -3 trong tối đa 0,054.(L/2500)% của

tháng bất kỳ (khoảng thời gian tổng cộng là 1 giây)

67 , 16 lg

63 , 4 lg

a

Bài tập:

Xác định độ dự trữ fading với ảnh hưởng nhiều tia yêu

cầu hệ thống nếu thiết kế một tuyến 50km trong khí

hậu ôn đới, qua địa hình đồi có độ gồ ghề 30m và

f=6Ghz

a

F min =10log (4,63.10 6 KQ.f B d c ) với 280<d<2500km

F min =10log (16.54.10 3 KQ.f B d c ) với d<280km

a

Mô hình ba tia:

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

a

Mô hình hai tia:

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

Mô hình đa thức:

-Biểu diễn biên độ và thời gian trễ nhóm là một hàm

của tần số dưới dạng một đa thức

-Mô hình ba tia đơn giản hoá của Rummler

a

Phương pháp xác định xác suất gián đoạn liên lạc

do pha đinh nhiều tia chọn lọc theo tần số:

-Xác suất gián đoạn liên lạc do pha đinh nhiều tia chọn

lọc theo tần số sẽ được xác định như sau:

0 / ).

PSK for

QAM for

QAM for

K

4 8 16 64

0 , 1

0 , 7

5 , 5

4 , 15

T: Chu kỳ baud của hệ thống

a

Nếu tốc độ của đường truyền là r b (Mbit/s), M là số

mức điều chế thí xác suất gián đoạn thông tin gây ra

bởi pha đinh nhiều tia chọn lọc theo tần số sẽ là

2

5 ,

1 / log 10 2

) 2

Tỷ lệ (%) thời gian gián đoạn thông tin do pha đinh

nhiều tia chọn lọc tần số được tính như sau:

2

.

0, 182

• Bài tập 1: Tính thời gian gián đoạn thông tin liên lạc

do pha đinh nhiều tia chọn lọc tần số với một chặng

45 km sử dụng thiết bị viba số 8-PSK, tần số 6 GHz tốc độ 34Mb/s ở vùng khí hậu nhiệt đới độ gồ ghề 50m

• Bài tập 2: Tính thời gian gián đoạn liên lạc do pha đinh nhiều tia chọn lọc tần số với chặng dài 50 km địa hình gồ ghề 20 m khí hậu mặt nước biển sử dụng thiết bị 8 PSK dung lượng 34Mb/s

- Với fading lựa chọn tần số:

+ Mỗi phần sử dụng một bộ khuyếch đại có hệ số

khuyếch đại điều chỉnh được

+ Thực hiện một bộ tổ hợp để kết hợp tín hiệu sau khi san bằng

=> Bộ san bằng theo phương pháp này phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của việc khôi phục tín hiệu méo trước

và số lượng các bộ khuyếch đại Phương pháp còn có một nhược điểm cơ bản là không sửa được méo pha

Mạch san bằng thích nghi

•San bằng thích nghi về thời gian

Nguyên lý: bộ cân bằng sử dụng sai số giữa tín hiệu đã thu được và tín hiệu đã phát đi trước đó Trong bộ cần bằng ngang tự thích nghi sử dụng các phương pháp lặpSau bước lặp thứ k, chúng ta thu được giá trị mới của

CK+1=CK-δ sgn (ek)

ek: véc tơ sai số

Thuật toán này lặp lại cho đến khi chênh lệch giữa CK

và CK+1 bé hơn một lượng nào đó

Phân tập

•Phân tập không gian

•Theo phương pháp này sử dụng hai hoặc nhiều ăng-ten cùng với hai hoặc nhiều máy thu để thu nhận cùng một tín hiệu Thông thường người ta

sử dụng hai ăng-ten cùng với các máy thu vô

tuyến và một bộ kết hợp trước hoặc sau tách

sóng Như trên hình 11 chỉ ra cấu trúc của phân tập không gian

60

Phân tập

•Phân tập không gian

•Như vậy trong phương pháp phân tập này, một thông tin được truyền đồng thời trên hai kênh

song song nhau và nếu khoảng cách độ cao giữa

2 ăng-ten đủ lớn thì có thể coi cả hai kênh độc lập thống kê với nhau Lúc này xác suất xuất

hiện pha-đing đồng thời trên cả hai ăng-ten sẽ giảm và độ tin cậy thông tin sẽ cao hơn so với không phân tập.

•

• Hệ số cải thiện phân tập không gian đặc trưng cho chất lượng của hệ thống phân tập không gian được xác định theo công thức:

S [m] khoảng cách từ tâm đến tâm giữa hai anten tính

F [GHz]

d [km]

là hệ số khuếch đại điện áp tương đối của an ten phân tập so với an ten chính

• Ad [dBi] là độ tăng ích của an ten phân tập

• Am [dBi] là độ tăng ích của anten chính

• FM [dB] là lượng dự trữ pha đing phẳng

Khi đó xác suất gián đoạn của hệ thống khi sử dụng

phân tập không gian được tính theo công thức:

P0S space=POS/I0

Với những hệ thống băng rộng thường xuất hiện pha đinh chọn lọc theo tần số Khi đó xác suất gián đoạn

liên lạc do pha-đing chọn lọc tần số khi có sử dụng

phân tạp không gian cấu trúc (1+ 1), xác định theo biểu thức:

POS(spase)=3.25 POS2=13K2{2.d1.5(rb/log2M).10-6}4

Tính thời gian gián đoạn thông tin đối với tuyến viba d=55km, sử dụng hệ thống QPSK hoạt động ở 11GH với dung lượng kênh 140Mb/s Giả thiết địa hình bằng phẳng trong miền khí hậu ôn đới Sử dụng phân tập

theo không gian

Biết rằng POS(spase)=3.25 POS2

b Phân tập theo tần số

Phân tập theo tần số là kỹ thuật thu hoặc phát một tín hiệu trên hai kênh (hoặc nhiều hơn hai kênh) tần số sóng vô tuyến