Xây dựng mô hình truyền sóng ngắn và ứng dụng tính toán đường truyền trong dải tần từ 6MHZ đến 16MHZ

Xây dựng mô hình truyền sóng ngắn và ứng dụng tính toán đường truyền trong dải tần từ 6MHZ đến 16MHZXây dựng mô hình truyền sóng ngắn và ứng dụng tính toán đường truyền trong dải tần từ 6MHZ đến 16MHZXây dựng mô hình truyền sóng ngắn và ứng dụng tính toán đường truyền trong dải tần từ 6MHZ đến 16MHZXây dựng mô hình truyền sóng ngắn và ứng dụng tính toán đường truyền trong dải tần từ 6MHZ đến 16MHZXây dựng mô hình truyền sóng ngắn và ứng dụng tính toán đường truyền trong dải tần từ 6MHZ đến 16MHZ

-

Nguyễn Văn Chung

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRUYỀN SÓNG NGẮN VÀ ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN ĐƯỜNG TRUYỀN TRONG DẢI TẦN 6MHZ – 16MHZ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI - 2016

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

Nguyễn Văn Chung

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRUYỀN SÓNG NGẮN VÀ ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN ĐƯỜNG TRUYỀN TRONG DẢI TẦN 6MHZ – 16MHZ

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

Nguyễn Văn Chung

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRUYỀN SÓNG NGẮN VÀ ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN

ĐƯỜNG TRUYỀN TRONG DẢI TẦN 6MHZ – 16MHZ

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã số: 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2016

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Đức Nhân

Phản biện 1: TS Nguyễn Tài Hưng

Phản biện 2: TS Lê Xuân Công

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: 08 giờ 00 ngày 20 tháng 08 năm 2016

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Học viên: Nguyễn Văn Chung

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã chuyên ngành: 60.52.02.08 Khóa: 2016

TÊN ĐỀ TÀI:

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRUYỀN SÓNG NGẮN

VÀ ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN ĐƯỜNG TRUYỀN TRONG DẢI TẦN 6MHZ – 16MHZ

HÀ NỘI- 2016

BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Học viên: Nguyễn Văn Chung

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã chuyên ngành: 60.52.02.08 Khóa: 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Chung

LỜI CẢM ƠN

Sau hai năm học tập tại Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông, tôi đã được các thầy, cô truyền đạt nhiều kiến thức quý giá Trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp tôi đã xây dựng cho mình một phương pháp làm việc, nghiên cứu khoa học ngày càng hiệu quả hơn Một bài luận văn hoàn chỉnh không chỉ là công sức của mỗi cá nhân thực hiện mà còn có sự giúp sức từ các thầy cô, bạn bè và gia đình

Trong khuôn khổ một luận văn tốt nghiệp, với thời gian nghiên cứu có hạn, lĩnh vực nghiên cứu rất rộng, kết quả nghiên cứu chắc chắn chưa thể thỏa mãn được yêu cầu ở mức độ cao Tuy nhiên, với sự nỗ lực của bản thân và kết quả đã đạt được, hy vọng luận văn sẽ là những gợi mở cần thiết cho các nghiên cứu sâu hơn về sau Tôi xin chân thành cám ơn các Thầy Cô của trường đã truyền đạt kiến thức

cho tôi trong suốt quá trình học Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến TS

Nguyễn Đức Nhân khoa VT1 – Học viện CNBCVT đã tận tình giúp đỡ tôi trong

thời gian làm luận văn

Hà Nội, Ngày tháng năm 2016

Nguyễn Văn Chung

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SÓNG NGẮN 3

1.1 Tổng quan chung về truyền sóng vô tuyến 3

1.1.1 Khái niệm về sóng vô tuyến điện và phân dải sóng vô tuyến điện 3

1.1.2 Công thức truyền sóng lý tưởng 7

1.1.3 Các phương thức truyền sóng 8

1.2 Hệ thống thông tin vô tuyến 10

1.2.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin vô tuyến 10

1.2.2 Giới thiệu máy phát vô tuyến điện 12

1.3 Lý thuyết điều chế cho sóng ngắn 13

1.3.1 Khái niệm 13

1.3.2 Điều chế biên độ ( Amplitude Modulation, AM ) 14

1.3.3 Điều chế góc (Angle modulation) 15

1.4 Giới thiệu về anten sóng ngắn 15

CHƯƠNG 2: TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN DẢI TẦN SÓNG NGẮN 18

2.1 Những đặc điểm cơ bản của truyền lan sóng ngắn 18

2.1.1 Giới hạn của dải tần số công tác 18

2.1.2 Miền im lặng 20

2.1.3 Hiện tượng pha đinh trong dải sóng ngắn 20

2.1.4 Hiện tượng hồi âm 21

2.1.5 Sự khuếch tán sóng ngắn tại mặt đất 22

2.1.6 Sự phá hoại thông tin do nhiễu loạn tầng điện ly 23

2.2 Cơ sở lý thuyết quá trình truyền sóng nhờ tầng điện ly 25

2.2.1 Đặc điểm, cấu trúc và các tham số của tầng điện ly 25

2.2.2 Tổn hao khi truyền sóng phản xạ từ tầng điện ly 28

2.2.3 Điều kiện để đảm bảo liên lạc của thông tin sóng ngắn 30

2.2.4 Các thông số đường truyền 32

2.2.5 Xác định cường độ trường tại điểm thu 34

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng của mặt đất đến quá trình truyền sóng ngắn 35

2.3.1 Đặc điểm của mặt đất và phương pháp khảo sát 35

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRUYỀN SÓNG NGẮN VÀ ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN ĐƯỜNG TRUYỀN 39

3.1 Mô hình dò tia cho truyền sóng ngắn (IONORT) 39

3.1.1 Giới thiệu phần mềm IONORT (IONOspheric Ray Tracing) 39

3.1.2 Tổng quan của thuật toán rò tia từ tầng điện ly 39

3.1.3 Mô tả chương trình IONORT 41

3.2 Mô hình tính toán đường truyền sóng nhờ tầng điện ly (REC533) 44

3.2.1 Phương pháp dự đoán kênh truyền sóng ngắn của ITU-T P.533 44

3.2.2 Chương trình dự đoán kênh REC533 45

3.2.3 Khảo sát dự đoán một số tần số 49

3.3 Xây dựng mô hình thực tế 54

3.3.1 Mô hình truyền sóng của Trung tâm phát Hà Nội 55

3.3.2 Mô hình truyền sóng của Trung tâm phát Thành phố Hồ Chí Minh 57

3.3.3 Tiến hành khảo sát và đo kiểm 57

3.4 Ứng dụng mô hình (REC533) để tính toán thông số đo kiểm được 59

3.4.1 Xét tuyến Hà Nội – Gia Lai với tần số 9.920MHz lúc 14h – 15h 59

3.4.2 Xét tuyến Hà Nội – Đắk Lắk với tần số 13.735MHz lúc 8h – 9h 63

3.5 Kết Luận 68

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 69

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ

ASK Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên độ

FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước

FSK Frequence Shift Key Khóa dịch tần

FM Frequency Modulation Điều tần

HF High Frequency Sóng ngắn

ITU International Telecommunication Union Tổ chức viễn thông quốc tế LUF Lowest Usable Frequency Tần số khả dụng nhỏ nhất MUF Maximum Usable Frequency Tần số khả dụng cực đại

MF Medium Frequency Sóng trung

REC Recommendation Giới thiệu

PCA Polar Cap Absorption Hấp thụ trong vùng chỏm cực PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm SSB Single Side Band Đơn biên

VHF Very High Frequency Sóng cực ngắn

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Bảng phân băng tần số vô tuyến 5

Bảng 2.1: Thông số tương đương của một số loại mặt đất 37

Bảng 3.1: Nhập các thông số cơ bản 46

Bảng 3.2: Nhập tham số tháng và SSN 47

Bảng 3.3: Nhập tham số cho tần số khảo sát 49

Bảng 3.4: Cường độ trường tại Tây Nguyên 58

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Mật độ công suất bức xạ trên một đơn vị diện tích 7

Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin vô tuyến 11

Hình 1.3: Vẽ dạng sóng và phổ tần của tín hiệu AM 14

Hình 1.4: Minh họa tín hiệu ASK 15

Hình 2.2: Hiện tượng pha đinh sóng ngắn 20

Hình 2.3: Hiện tượng hổi âm 22

Hình 2.4: Sự khuếch tán sóng ngắn tại mặt đất 23

Hình 2.5: Đồ thị mật độ điện tử trong 26

Hình 2.6: Các lớp trong tầng điện ly 28

Hình 2.7: Sự thay đổi hệ số hấp thụ theo tần số 30

Hình 2.8: Truyền lan sóng có 31

Hình 2.9: Truyền lan sóng 31

Hình 2.10: Phân bổ các thời gian trong ngày 32

Hình 2.11: Sơ đồ tuyến cự ly thông tin sóng ngắn qua tầng điện ly 32

Hình 3.1: Mô phỏng đường tia TX đến tia RX 40

Hình 3.2: Hệ tọa độ tâm đia cầu (r, θ, υ) 41

Hình 3.3: Mô tả khảo sát về góc ngẩng với bước nhảy 50 43

Hình 3.4: Mô tả khảo sát về tần số với bước nhảy 2MHz 43

Hình 3.5: Màn hình chính REC533 46

Hình 3.6: Màn hình nhập tham số tháng và SSN 47

Hình 3.7: Vệt đen mặt trời các năm 48

Hình 3.9: Khảo sát về góc ngẩng trong 24h 50

Hình 3.10: Khảo sát về cường độ trường trong 24h 50

Hình 3.11: Khảo sát MUF của các tần số phụ thuộc khoảng cách 51

Hình 3.12: Khảo sát góc ngẩng của các tần số phụ thuộc khoảng cách 52

Hình 3.14: Khảo sát MUF của các tần số phụ thuộc thời gian 53

Hình 3.15: Khảo sát góc ngẩng của các tần số phụ thuộc thời gian 53

Hình 3.16: Khảo sát cường độ trường của các tần số phụ thuộc thời gian 54

Hình 3.18: Máy phát thông tin sóng ngắn 5KW 56

Hình 3.17: Mô hình phát sóng Trung tâm phát Hà Nội 55

Hình 3.19: Anten Lồng 57

Hình 3.20: Máy phân tích phổ IFR 2399B 58

Hình 3.21: Sơ đồ tuyến cự ly thông tin Hà Nội – Gia Lai 59

Hình 3.22: Dùng IONORT khảo sát góc ngẩng anten ở tần số 9.920MHz 60

Hình 3.23: Mô tả góc ngẩng anten ở tần số 9.920MHz 61

Hình 3.24: Mô tả tần số sử dụng cao nhất các giờ của tần số 9.920MHz 61

Hình 3.25: Mô tả các thông số của tần số 9.920MHz 62

Hình 3.26: Sơ đồ tuyến cự ly thông tin Hà Nội – Đắk Lắk 64

Hình 3.27: Dùng IONORT khảo sát góc ngẩng anten ở tần số 13.735MHz 65

Hình 3.28 : Mô tả góc ngẩng anten ở tần số 13.735MHz 65

Hình 3.29: Mô tả tần số sử dụng cao nhất các giờ của tần số 13.735MHz 66

Hình 3.30: Mô tả các thông số của tần số 13.735MHz 67

MỞ ĐẦU

Hệ thống phát thông tin sóng ngắn đã được triển khai tại Cục thông tin liên lạc – Bộ công An, có nhiệm vụ phát sóng đảm bảo thông tin liên lạc vô tuyến điện sóng ngắn mạng cấp 1 giữa Bộ công an và Công an địa phương, ngoài ra còn phục

vụ các yêu cầu khác, thực hiện các nhiệm vụ chính trị mà Đảng và Chính phủ giao Nghiên cứu về truyền sóng là tính đến khả năng phủ sóng của thiết bị dựa trên các tiêu chuẩn sản xuất mà tại đó các yếu tố địa lý, các tác động môi trường truyền sóng như lớp khí quyển, mặt đất…sẽ có tác động lên sóng lan truyền đó, khi nghiên cứu

về truyền sóng chính là ta đang phải nghiên cứu những vấn đề chính như sau: Xác định cường độ trường tại điểm thu khi biết các thông số của máy phát, anten và xác định điều kiện để thu được cường độ trường tốt nhất Nghiên cứu fading, suy hao trong quá trình truyền sóng từ đó tìm biện pháp để giảm thiểu nhỏ nhất suy hao và fading

Trong thời gian qua, Bộ Công an đã tổ chức truyền sóng thường xuyên tới các Công an địa phương, hỗ trợ cho các biện pháp đấu tranh khác của lực lượng Công an Tuy nhiên, khi tổ chức truyền sóng chúng ta cũng gặp nhiều khó khăn sau đây:

- Vùng tập trung đồng bào dân tộc là các vùng sâu, vùng xa hẻo lánh, thực hiện phát sóng tại các vùng này ta phải dùng sóng trời, phụ thuộc rất nhiều vào môi trường truyền sóng (tầng điện ly) và tần số phát

Chính vì những lý do đó mà tôi chọn đề tài “Xây dựng mô hình truyền sóng ngắn và ứng dụng tính toán đường truyền trong dải tần từ 6MHz – 16MHz” là một

đề tài có tính cấp thiết, thực tế trong lĩnh vực an ninh Một đề tài như vậy sẽ tạo điều kiện cho chúng ta tổng hợp và đưa ra được các giải pháp kỹ thuật truyền sóng thích hợp, bên cạnh đó nắm rõ được khoa học kỹ thuật cũng có thể giúp ta định hướng được các hoạt động tác chiến trong tương lai đúng hướng: Nội dung luận văn gồm 3 chương; chương 1 trình bày về tổng quan về truyền sóng gồm khái niệm hệ thống, điều chế và anten cho truyền sóng, các vấn đề chung về truyền sóng; chương

2 trình bày về nghiên cứu về truyền sóng và những ảnh hưởng đến quá trình truyền

sóng vô tuyến điện ứng dụng cho dải tần sóng ngắn gồm đặc điểm cơ bản của truyền lan sóng ngắn, truyền sóng trong tầng điện ly, các ảnh hưởng của mặt đất đến truyền sóng vô tuyến điện; chương 3 trình bày về xây dựng mô hình truyền sóng ngắn và ứng dụng tính toán đường truyền trong dải tần từ 6MHz đến 16MHz gồm khảo sát và tiến hành đo kiểm thông số kỹ thuật cơ bản, đưa ra công thức để tính toán và mô hình hóa bằng lý thuyết, kiểm chứng các thông sô đo kiểm được bằng phần mềm khảo sát REC533 từ đó rút ra kết luận đánh giá.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN

SÓNG NGẮN 1.1 Tổng quan chung về truyền sóng vô tuyến

1.1.1 Khái niệm về sóng vô tuyến điện và phân dải sóng vô tuyến điện

a Khái niệm

Các sóng vô tuyến điện (VTĐ) dùng trong kỹ thuật thông tin, tia hồng ngoại

mà chúng ta cảm nhận được hiệu ứng nhiệt trên da hoặc ánh sáng thấy được từ màu tím đến màu đỏ, hay tia tử ngoại, tia X, tia Gama phát từ các chất phóng xạ…đều là những sóng có tần số khác nhau của bức xạ từ Bức xạ điện từ còn gọi là sóng điện

từ, nó có thể chuyển đổi lẫn nhau trong không gian truyền dẫn từ dạng điện trường sang dạng từ trường và ngược lại

Sóng điện từ lan truyền trong không gian với vận tốc 3.108 m/s

Nếu gọi c là vận tốc truyền sóng

f là tần số (Hz) ; λ là bước sóng của bức xạ

Ta có : f = c/λ Trong kỹ thuật thông tin vô tuyến điện có bước sóng λ tính bằng mét (m) hay centimet (cm)

b Phân dải sóng vô tuyến điện

Trong các tài liệu khác nhau thì phân dải sóng vô tuyến điện khác nhau Theo phân loại trước đây, những sóng điện từ nằm trong dải tần số có giới hạn dưới

là f = 103Hz (tương ứng với bước sóng λ = 300Km) và giới hạn trên f = 1012Hz (tương ứng với bước sóng λ = 0,3mm) đều gọi là sóng vô tuyến hay sóng radio Nhưng trong nghiên cứu thông tin vô tuyến thì nên phân theo phương thức truyền lan của sóng Có các dải sóng chính :

- Dải sóng cực dài và dải sóng dài : mặt đất gần với môi trường điện dẫn nên sóng truyền lan chủ yếu là sóng bề mặt – sóng đất λ lớn nên có khả năng nhiễu xạ qua các chướng ngại vật lớn → người ta sử dụng trong thông tin hàng không và hàng hải (ít sử dụng)

- Dải sóng trung : truyền lan được cả sóng bề mặt và cả sóng tầng điện li (sóng trời) Đặc điểm sóng tầng điện li chỉ truyền lan được vào ban đêm, ban ngày tầng điện li hấp thụ Sóng trung hiện nay chỉ khai thác ở phát AM quảng bá

- Dải sóng ngắn : mặt đất là môi trường bán dẫn điện nên hệ số suy hao α =

- Dải sóng cực ngắn : truyền lan trong tầm nhìn thẳng (anten phát và thu nhìn thấy nhau) Ưu điểm : tín hiệu thu được ổn định, độ tin cậy cao, cự li thông tin gần Hầu hết các lĩnh vực thông tin đều nằm ở dải sóng cực ngắn (phát thanh FM, truyền hình, hệ thống ra đa vi ba, di động….)

Việc sử dụng những sóng ngắn nằm ngoài dải tần số phân theo băng sóng người ta gọi trực tiếp tên theo bước sóng hay tần số của nó

Ví dụ : thiết bị làm việc ở dải sóng µm ; nm (10-6 →10-9

) Dải cực ngắn còn được gọi là dải siêu cao (viba)

Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh của khoa học công nghệ, đặc biệt là một số lĩnh vự công nghệ mới đã sử dụng những sóng điện từ có tần số vượt quá giới hạn của dải tần đã nêu ở trên Do đó khái niệm về giới hạn của dải tần

vô tuyến điện cũng cần được mở rộng hơn

Ngày nay, sóng vô tuyến điện được coi là những sóng điện từ có giới hạn dưới của dải tần số xuống tới 3.10-3 Hz (sóng miliHec), tương ứng với bước sóng

1011 m và gới hạn trên lên tới 1016 Hz, ứng với bước sóng 3.10-8

(sóng ánh sáng)

Mỗi băng sóng có đặc điểm truyền lan riêng Tuy nhiên giữa hai băng sóng gần nhau thì sự biến đổi đặc tính truyền lan của chúng thường là không rõ rệt Trong môi trường đồng nhất, sóng truyền lan với vận tốc không đổi

Sự phân loại như trên là thích hợp cho việc nghiên cứu về sóng Tuy nhiên

để thuận tiện cho việc phân định tần số sử dụng cho các lĩnh vực hoạt động khác nhau, người ta chia nhỏ hơn 5 băng sóng trên thành 11 tần số, lấy khoảng từ 30

300 GHz, tên các băng tần, phạm vi tần số và lĩnh vực cụ thể theo bảng 1.1 sau [2]:

Bảng 1.1: Bảng phân băng tần số vô tuyến

Tên băng tần Tên viết tắt Phạm vi tần số Lĩnh vực sử dụng

Tần số cao HF 3MHz→ 30MHz Phát thanh sóng ngắn, thông tin di

động các loại, thông tin quốc tế

Tần số rất cao VHF 30 →300MHz Truyền hình và phát thanh sóng

FM

Tần số cực cao UHF 300 →3000MHz Truyền hình các loại thông tin di

động, các loại thông tin cố định

Tần số siêu cao SHF 3→ 30GHz Thông tin vệ tinh ra đa, viễn thông

công cộng, vô tuyến thiên văn Tần số vô cùng cao EHF 30 →300GHz

Vô tuyến thiên văn, ra đa sóng milimet, thông tin vệ tinh nghiên cứu và thí nghiệm

Dưới milimet Sub milimet 300 →3000GHz Nghiên cứu và thí nghiệm

c Cơ sở đặt vấn đề nghiên cứu lý thuyết

Tìm hiểu việc truyền sóng chính là chúng ta phải khảo sát về sự lan truyền tự

do của sóng điện từ ở dải tần số vô tuyến điện Nhờ các sóng này mà ta có thể thiết lập các kênh thông tin vô tuyến với các cự ly thông tin rất lớn, không kể là trên mặt đất hay trong khoảng không vũ trụ Mỗi kênh thông tin gồm có các thiết bị thu phát đặt ở các trạm đầu cuối, tin tức mang đi nhờ sóng điện từ lan truyền trong môi trường truyền sóng hay nói cách khác là việc thực hiện khép kín một kênh thông tin phải có môi trường truyền sóng Chính vì vậy, môi trường truyền sóng chính là một

bộ phận của kênh thông tin

Để đảm bảo chất lượng một kênh thông tin vô tuyến chúng ta phải đặc biệt quan tâm đến môi trường truyền sóng và khả năng đáp ứng của thiết bị đầu cuối một cách hợp lý nhất cho yêu cầu đặt ra, hay nói cách khác là ta phải lựa chọn thiết bị sao cho phù hợp về công suất phát, tần số làm việc sao cho phù hợp phương thức truyền sóng đúng đắn nhất mới có hiệu quả

Môi trường truyền sóng vô tuyến như lớp khí quyển, mặt đất sẽ có hai tác động lên sóng lan truyền trên đó Tác động thứ nhất là làm giảm biên độ của sóng; tác động thứ hai là làm méo dạng tín hiệu (nếu là tín hiệu tương tự) và gây lỗi đối với tín hiệu dạng số do nhiễu Vì vậy, khi nghiên cứu truyền sóng vô tuyến ta sẽ tập trung vào hai nhiệm vụ cụ thể như sau:

Xác định cường độ trường tại đểm thu khi biết các thông số của máy phát và xác định điều kiện để thu được cường độ trường lớn nhất

Nghiên cứu sự phát sinh dạng méo tín hiệu hoặc gây lỗi trong quá trình truyền sóng và tìm biện pháp để làm giảm thiểu các lỗi đó

Ở đây vấn đề giảm yếu của sóng trong quá trình truyền lan bao gồm sự giảm yếu cường độ trường do bị sự phân tán tất yếu của năng lượng khi bức xạ và truyền lan, sự giảm yếu do sự hấp thụ của môi trường, giảm yếu khi sóng nhiễu xạ quanh các vật thể gặp phải trên đường truyền lan, hoặc bởi vật cản, sự khuếch tán các vật thể trong môi trường …

1.1.2 Công thức truyền sóng lý tưởng

Giả sử chúng ta có một không gian đồng nhất rộng vô hạn, trong khoảng không gian đó, chúng ta đặt một nguồn bức xạ đẳng hướng (là một anten chuẩn bức

xạ năng lượng sóng điện từ về mọi phía là như nhau)

P là công suất phát của nguồn (w)

Nhiệm vụ của bài toán đặt ra là phải tính được giá trị trường ở một điểm thu

Hình 1.1: Mật độ công suất bức xạ trên một đơn vị diện tích

Nếu biểu thị cường độ bằng vol/met (V/m) còn từ trường bằng ampe/met (A/m) thì ta sẽ có :

S = Eh Hh (W/m) (1.2)

Eh và Hh là giá trị hiệu dụng của cường độ điện trường và từ trường

Các đại lượng này quan hệ nhau bằng hệ thức :

( )

h

P Kw D l E

r Km

 [mV/m] (1.5)

P : công suất máy phát (Kw)

( )

h

P Kw D l E

xạ sóng từ mặt đất, làm biến dạng cấu trúc của sóng và gây ra hấp thụ sóng trong đất, mặt khác, do mặt đất có dạng hình cầu, sóng truyền lan trên đó sẽ có hiện tượng nhiễu xạ

Nhưng ta biết hiện tượng nhiễu xạ chỉ xảy ra rõ rệt đối với những trường hợp khi kích thước của vật chướng ngại có thể so sánh được với bước sóng Vì vậy, chỉ những sóng dài hoặc cực dài có bước sóng hàng trăm hoặc hàng nghìn mét thì mới thỏa mãn điều kiện nhiễu xạ quanh mặt đất và dễ dàng phát sinh hiện tượng này

Tuy nhiên, cần chú ý rằng sự nhiễu xạ của sóng chỉ có thể xảy ra trên một phần mặt cong của trái đất và cả trong những điều kiện thuận lợi nhất (bước sóng dài nhất) sóng nhiễu xạ cũng không thể truyền lan vượt quá cự ly 300 - 400 km

Có các phương thức truyền sóng như sau :

a Sóng đất

Khi sóng truyền lan gần mặt đất, sóng thường bị nhiễu xạ do cấu trúc vật lý của bề mặt trái đất Sự có mặt của mặt đất bán dẫn điện, một mặt gây phản xạ sóng, mặt khác nó lại hấp thụ sóng, làm biến dạng cấu trúc của sóng,mặt khác bề mặt trái đất là một mặt cầu có cấu trúc địa lý gồ ghề, nhiều chướng ngại cho sự truyền lan của sóng

Những sóng vô tuyến điện truyền lan ở gần mặt đất theo đường thẳng hoặc

bị phản xạ từ mặt đất, hoặc bị uốn cong đi theo độ cong mặt đất do hiện tượng nhiễu xạ gọi là sóng đất

b Sóng tầng đối lưu

Tầng đối lưu là tầng khí quyển thấp, có độ cao khoảng 10 đến 15km tính từ

bề mặt trái đất Đây là môi trường không đồng nhất, tính không đồng nhất của tầng đối lưu có nhiều dạng Một dạng gây ra sự uốn cong quĩ đạo của tia sóng khi truyền trong đó và tạo khả năng để sóng có thể truyền đi xa trên mặt đất cong Một dạng không đồng nhất khác gây ra sự khuếch tán sóng và những sóng khuếch tán đó có thể đạt tới khoảng cách 1000km kể từ mặt đất

Ảnh hưởng của hiện tượng khuếch tán chỉ biểu hiện rõ ở những sóng ngắn hơn 10m

Ảnh hưởng của sự uốn cong quĩ đạo sóng do tầng đối lưu biểu hiện ở những sóng có bước sóng dài hơn

Ngoài ra, trong một số trường hợp, với điều kiện khí tượng thích hợp thì tầng đối lưu lại truyền sóng theo kiểu “ ống sóng” và tại đó nó cho phép những sóng có bước sóng ngắn hơn (khoảng λ = 3m) truyền lan xa tới những cự ly 800 đến 1000km

Những sóng vô tuyến điện truyền đi tới các cự ly xa trên bề mặt đất do khuếch tán trong tầng đối lưu hoăc do tác dụng của “ống dẫn sóng” của tầng đối lưu được gọi là sóng tầng đối lưu

c Sóng tầng điện ly

Tầng điện ly là miền khí quyển có độ cao từ 60 đến 600km bao quanh trái đất Do tầng khí quyển ngoài cùng nên tầng điện ly chịu ảnh hưởng trực tiếp của bức xạ năng lượng mặt trời, của các hạt vũ trụ và các tác động khác làm cho khí quyển bị ion hóa, tạo nên một số lớn điện tử tự do ( khoảng 102 →106 điện tử trong một cm3) Đối với sóng vô tuyến điện thì tầng điện ly có thể xem là môi trường bán dẫn điện và sóng có thể phản xạ từ đó

Qua tính toán và thực nghiệm cho thấy rằng tầng điện ly chỉ có thể phản xạ được những sóng có bước sóng dài hơn 10m, với những sóng có bước sóng ngắn hơn thì tầng điện ly được coi là môi trường “trong suốt” Do được phản xạ một hay nhiều lần mà sóng có thể truyền đi được tới những cự ly rất xa Bên cạnh khả năng phản xạ sóng vô tuyến điện, do tầng điện ly có các miền không đồng nhất, nó có khả năng khuếch tán các sóng khi truyền tới Vì vậy, những sóng có tần số rất cao

có thể không phản xạ được ở tầng điện ly, nhưng do khuếch tán ở các lớp ion hóa

nó vẫn có thể truyền tới những cự ly rất xa

Những sóng vô tuyến điện truyền tới những cự ly xa do phản xạ( một hoặc nhiều lần) hoặc do khuếch tán từ tầng điện ly được gọi là sóng tầng điện ly

d Sóng vũ trụ

Những sóng vô tuyến điện truyền lan giữa các trạm mặt đất và các vệ tinh bay quanh trái đất, hoặc với các con tàu trong khoảng không vũ trụ là những sóng không bị tầng điện ly cản trở bởi các hiệu ứng phản xạ, hoặc khuếch tán Trong quá trình truyền lan, nó chỉ bị hấp thụ qua các vật cản như các đám mây mưa Tần số càng cao sự suy giảm càng lớn, hay các đám mưa càng lớn thì sự suy hao càng nhiều

Những sóng truyền lan trực tiếp ( sóng thẳng) giữa mặt đất và các đối tượng khác ngoài vũ trụ được gọi là sóng vũ trụ

Chỉ những sóng có tần số cao từ 1GHz trở kên mới thích hợp với điều kiện truyền lan của sóng vũ trụ [2]

1.2 Hệ thống thông tin vô tuyến

1.2.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin vô tuyến

Để thực tổ chức thực hiện thông tin bằng đường vô tuyến, tại đầu phát cần có thiết bị phát, tại đầu thu cần có thiết bị thu Thông thường đối với việc tổ chức thông tin theo 2 chiều, mỗi đầu cần phải có cả thiết bị phát và thiết bị thu Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin vô tuyến được chỉ ra trên hình 1.2

Thiết bị phát là tập hợp các phương tiện kỹ thuật, nằm giữa nguồn các tín

hiệu điện sơ cấp và môi trường truyền sóng

Thiết bị thu là tập hợp các phương tiện kỹ thuật, nằm giữa môi trường truyền

sóng và nguồn tiêu thụ các tín hiệu điện sơ cấp

Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin vô tuyến

Thiết bị phát bao gồm máy phát và hệ thống anten - phi đơ Máy phát thực

hiện ba chức năng cơ bản:

1 Biến đổi tín hiệu điện sơ cấp thành dạng tín hiệu cao tần phù hợp với dải tần số công tác của hệ thống

2 Tạo dải tần công tác với số lượng tần số công tác, độ ổn định tần số và độ chính xác tần số cho trước

3 Tạo ra công suất cao tần yêu cầu từ nguồn năng lượng tại chỗ

Khi tính toán công suất phải tính đến cự ly liên lạc yêu cầu, hiệu quả anten phát và thu được dùng, phương pháp tiến hành liên lạc

Máy phát thường gồm bộ kích thích, bộ khuếch đại công suất và thiết bị phối

hợp anten Bộ kích thích thực hiện biến đổi tín hiệu sơ cấp thành tín hiệu cao tần sơ

cấp (tín hiệu vô tuyến), tổng hợp mạng tần số công tác trong dải tần đã cho, sau đó chuyển tín hiệu vô tuyến sơ cấp đã chọn lên tần số công tác Bộ khuếch đại công suất bảo đảm khuếch đại tín hiệu cao tần lên đủ mức cần thiết, thường gồm nhiều tầng mắc nối tiếp Thiết bị phối hợp bảo đảm phối hợp máy phát với thiết bị anten

về mặt trở kháng để anten bức xạ công suất cực đại, biến năng lượng điện thành năng lượng của sóng điện từ

Thiết bị thu bao gồm hệ thống anten phi đơ và máy thu Máy thu gồm có

tuyến thu chung và tuyến thu riêng Anten thu nhận năng lượng các sóng điện từ rồi nhờ phi đơ đưa tới lối vào máy thu Trong máy thu các dạng tín hiệu được xử lý

theo nguyên tắc Rộng - Hạn chế - Hẹp - Hạn chế cho phép nâng cao độ chọn lọc, độ

nhạy đối với các dạng tín hiệu Tuyến thu chung đóng vai trò Rộng - Hạn chế, tại đây tín hiệu có ích được khuếch đại, lọc dải rộng và biến đổi về thành tín hiệu điện tần số trung gian Tuyến thu riêng đóng vai trò Hẹp - Hạn chế, tại đây các dạng tín hiệu được phân chia thành các tuyến riêng biệt tiếp tục được khuếch đại, lọc dải hẹp

và biến đổi thành tín hiệu sơ cấp và đưa về dạng cần thiết cho sự hoạt động của thiết

bị đầu cuối Nguồn tin có thể là tín hiệu dạng tương tự hoặc số [5]

1.2.2 Giới thiệu máy phát vô tuyến điện

Máy phát vô tuyến điện là tạo ra tín hiệu dao động điện từ cung cấp cho anten bức xạ năng lượng ra không trung dưới dạng sóng điện từ tự do Sóng điện từ bức xạ chứa tin tức mà sau khi tiếp nhận sóng máy thu sẽ xử lý để nhận lại dạng tin tức mà phía phát gửi đi

Từ việc nghiên cứu mô hình đường truyền sóng ngắn và ứng dụng tính toán đường truyền sóng ngắn và phục vụ cho công tác đo kiểm các thông số em xin giới thiệu máy phát sóng ngắn 5KW ở Trung tâm phát sóng Hà Nội tại cơ quan em công tác

Máy phát sóng ngắn 5KW

Các chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu:

1 Máy phát 5KW (B3Я – M2) được sử dụng trong các trạm viễn thông cố định hoặc di động (đặt trên ô tô)

2 Máy phát 5KW có khả năng làm việc liên tục không cần nghỉ với các chế

độ làm việc sau:

- Chế độ báo điều biên hoặc điều tần, bằng ma níp hay bằng máy truyền chữ

bô đô CT35 Các chế độ điều biên hoặc điều tần có thể làm ở dạng 1 kênh hoặc 2 kênh

- Chế độ thoại: Điều biên tự động nhờ dòng A nốt

- Chế độ truyền ảnh: Chỉ truyền ảnh tĩnh nhờ phương pháp điều tần

3 Dải tần công tác: Máy làm việc với dải tần từ 3 - 24 Mhz

4 Công xuất đưa ra phi đơ anten:

Chế độ báo không nhỏ hơn 5KW

Chế độ thoại không nhỏ hơn 2,5KW

5 Máy có thể làm việc với phi đơ Anten đối xứng có trở kháng sóng 120

ôm, 300 ôm, 600 ôm với hệ số sóng chạy lớn hơn 0,4

6 Đô sai lệch tần số trong dải tần 300 - 3400Hz không quá ± 3 dB so với mức của tần số 100Hz

7 Độ nhạy đầu vào:

10 Công xuất tiêu thụ 20KW

1.3 Lý thuyết điều chế cho sóng ngắn

Một cách tổng quát, phương pháp điều chế là dùng tín hiệu cần truyền làm thay đổi một thông số nào đó của sóng mang (biên độ, tần số, pha ) Tùy theo

thông số được lựa chọn mà ta có các phương pháp điều chế khác nhau: điều chế biên độ (AM), điều chế tần số (FM), điều chế pha ΦM, điều chế xung PM [4]

1.3.2 Điều chế biên độ ( Amplitude Modulation, AM )

Xét tín hiệu cao tần

e(t) = A

c cos(ω

ct + θ) (1.7) Tín hiệu AM có được bằng cách dùng tín hiệu g(t) làm biến đổi biên độ của e(t) Biểu thức của tín hiệu AM là:

e

AM(t) = [(A

c +g(t)]cosω

ct (1.8)

Để đơn giản, ta bỏ qua θ là lượng không đổi trong AM

Những tính chất cơ bản của AM dễ dàng được xác định nếu ta biết tín hiệu g(t)

Từ (H 1.3b) ta thấy băng thông của tín hiệu đã điều chế bằng hai lần tần số của tín hiệu hạ tần và được chia ra làm hai băng cạnh Điều chế biên độ là một quá trình tuyến tính nên mỗi tần số của tín hiệu hạ tần tạo ra một băng thông và trong trường hợp tín hiệu hạ tần gồm nhiều tần số khác nhau thì băng thông của tín hiệu biến điệu là:

đi bởi sóng mang có biên độ E

1 và bit 0 bởi sóng mang biên độ E

2

Hình 1.4: Minh họa tín hiệu ASK

1.3.3 Điều chế góc (Angle modulation)

Ta cũng bắt đầu với sóng mang chưa điều chế:

e(t) = A

c cos(ω

ct + θ) = A

c cosΦ(t) (1.12) Nếu ω

c thay đổi tương ứng với nguồn thông tin, ta có tín hiệu điều chế tần số (FM) và nếu Φ(t) thay đổi ta có tín hiệu điều chế pha (PM)

Hai kỹ thuật điều chế này cơ bản giống nhau và được gọi chung là điều chế góc

1.4 Giới thiệu về anten sóng ngắn

Anten sóng ngắn là anten dùng trong dải sóng 10 – 100m Những anten sóng ngắn thường dùng trong quân sự, hàng không, thông tin cự ly xa và phát thanh

+ Những yêu cầu của anten sóng ngắn: Anten sóng ngắn do đặc điểm

truyền sóng nên có những yêu cầu cơ bản sau đây :

1 Sóng ngắn suy giảm nhanh trên mặt đất thường suy giảm hết khi đi khỏi đài phát Do đó phải truyền lan bằng sóng trời nơi anten sóng ngắn phải có một góc nghiêng nhất định tùy thuộc cự ly thông tin

2 Anten sóng ngắn phải là anten có dải tần số tương đối rộng do các thông

số của tầng điện ly thay đổi

3 Tầng điện ly không đồng đều, mặt khác khi truyền lan qua tầng điện ly tia sóng lệch đi trong mặt phẳng ngang, do đó tính phương hướng của anten trong mặt phẳng ngang và đứng không thể quá hẹp phải là 20 – 300 và trong mặt phẳng đứng với mặt phẳng ngang là 10 – 150

4 Khi phản xạ ở tầng điện ly, sóng phân cực thẳng sẽ bị chuyển thành phân cực ellip Do đó điều kiện truyền lan của sóng trời không khác đối với sóng phân cực đứng hay ngang Anten phát thì thường phân cực ngang vì phân cực đứng có nhiều thành phần sóng đất do đó hiệu suất thấp

5 Để tránh hồi âm và tạp âm Tính phương hướng anten phải có múi phụ bè

và đơn hướng Sóng ngắn gồm những loại anten đơn giản như: chấn tử đối xứng nằm ngang, dải tần, anten góc, anten phức tạp như: hệ thống chấn tử đồng pha, anten sóng chạy, anten trám

+ Các thông số cơ bản của Anten:

- Hiệu suất bức xạ của Anten: Hiệu suất bức xạ của Anten được tính bởi tỷ

số giữa công suất mà anten bức xạ ra không gian trên công suất mà máy phát đưa tới

- Hệ số định hướng: Mỗi loại anten đều có tính định hướng riêng biệt, ngoài búp hướng chính ra thì còn có búp phụ, năng lượng bức xạ ra không gian chủ yếu là

ở búp hướng chính

- Dải tần công tác của Anten: Là dải tần số mà trong đó Anten làm việc có các thông số không thay đổi hoặc thay đổi trong phạm vi cho phép

- Trở kháng vào của Anten: Là trở kháng khi nhìn vào một cặp tiếp điện của anten trong phạm vi dải thông tần của anten đó

+ Các loại Anten hiện đang sử dụng tại Trung tâm phát Hà Nội:

CHƯƠNG 2: TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN DẢI TẦN

SÓNG NGẮN 2.1 Những đặc điểm cơ bản của truyền lan sóng ngắn

Những sóng vô tuyến điện có bước sóng từ 100m đến 10m (ứng với tần số từ

3 đến 30MHz) được gọi là sóng ngắn Sóng ngắn cũng có thể truyền lan bằng cả hai phương thức sóng đất và sóng phản xạ qua tầng điện ly

Đối với sóng ngắn, khi tần số tăng thì sự hấp thụ của mặt đất đối với sóng đất tăng Với máy phát trung bình chỉ có thể thiết lập được một kênh thông tin cự ly khoảng vài chục km với sóng đất Để tính cường độ trường của sóng đất có thể áp dụng công thức Sulâykin – Vander Pol Với cự ly xa hơn ta phải thực hiện truyền sóng bằng sóng điện ly Khi ấy chỉ cần dùng máy phát cỡ trung bình cũng có thể thông tin được với những cự ly rất xa, tới hàng nghìn km

Sóng ngắn được áp dụng trong thông tin phát thanh cự ly lớn một cách rất rộng rãi và hiệu quả So với việc sử dụng sóng dài và sóng trung, sử dụng sóng ngắn

có những ưu điểm sau :

Có thể dùng anten có hướng tính cao, do vậy tiết kiệm được công suất phát

Sự hấp thụ tầng điện ly (lớp D ) nhỏ hơn sóng trung

Những đặc điểm cơ bản của truyền lan sóng ngắn cần nghiên cứu gồm :

2.1.1 Giới hạn của dải tần số công tác

Khi thiết kế đường truyền cho một kênh thông tin cự ly lớn, người ta thường dùng sóng ngắn phản xạ lớp F Như vậy, trên đường đi sóng phải xuyên qua các lớp

D, E và chịu sự hấp thụ của các lớp này

Để có thể thu được sóng ở một cự ly nhất định xa đài phát, cần phải thực hiện các điều kiện :

- Sóng phải phản xạ được trên tầng điện ly, tức là phải thực hiện được điều kiện phản xạ

- Cường độ trường điểm thu phải đủ lớn, nghĩa là sóng không bị hấp thụ nhiều bởi tầng điện ly

Hình 2.1: Các lớp phản xạ của tầng điện ly

Hai điều kiện trên cho thấy dải tần số công tác được quy định một cách giới hạn Để sóng có thể phản xạ được tần số làm việc của đài phát không được cao quá

Điều kiện thứ nhất qui định giới hạn trên của dải tần công tác Ứng với mật

độ điện tử lớn nhất nào đó của tầng điện ly và một góc tới nhất định, tần số này gọi

là là tần số cực đại, điều kiện thứ hai qui định giới hạn dưới của tần số công tác

Ứng với điều kiện cho trước của một kênh thông tin như công suất máy phát, góc tới của sóng, tần số thấp nhất để khi sóng phản xạ trên tầng điện ly khi trở về

anten máy thu vẫn còn đủ lớn để làm việc gọi là tần số sử dụng thấp nhất

Vì mật độ điện tử của tầng điện ly biến đổi theo thời gian ngày, đêm nên giới hạn của dải tần số công tác cũng biến đổi theo thời gian ngày, đêm

Ban ngày, mật độ điện tử của các lớp được tăng cường Sự tăng cường mật

độ điện tử ở các lớp thấp sẽ làm tăng hấp thụ đối với sóng ngắn Vì vậy, giới hạn dưới của dải tần phải được nâng cao lên Mặt khác, do mật độ điện tử của lớp F được tăng cường nên tần số cực đại cũng được tăng cao Ngược lại, ban đêm do mật

độ điện tử ở các lớp giảm nhỏ nên tần số cực đại giảm nhỏ và vì mật độ điện tử giảm, hấp thụ giảm nên tần số thấp nhất cũng có thể giảm theo

Trong thực tế sử dụng người ta thường chọn bước sóng công tác cho máy phát có bước sóng như sau :

- Ban ngày : λ = 10 35m tương ứng tần số f = 8,6MHz đến 30MHz

- Ban đêm : λ = 35 100m tương ứng tần số f = 3MHz đến 8,6MHz

2.1.2 Miền im lặng

Khi thông tin sóng ngắn, trong quá trình khảo sát người ta thấy hiện tượng sau : Khi dịch chuyển điểm thu xa dần đài phát, đến một cự ly nào đó thì không thu được (với những sóng có bước sóng ngắn hơn 50m, cự ly này vào khoảng 100km) Nếu cứ dịch chuyển xa nữa thì lại thu được cho đến một cự ly rất xa, vài ngàn km Vùng bán kính trong đó tín hiệu bị mất, không thu được chính là “miền im lặng”

2.1.3 Hiện tượng pha đinh trong dải sóng ngắn

Trong quá trình thu sóng ngắn, ta thường thấy có hiện tượng lúc thu to, lúc nghe rất yếu và có lúc lặng hẳn tín hiệu một cách thất thường Hiện tượng này được gọi là hiện tượng “pha đinh”

Nguyên nhân của hiện tượng này là do sự giao thoa giữa các sóng trời chuyển tới điểm thu bằng những điểm khác nhau Tín hiệu sóng tới điểm thu, sóng

có thể phản xạ một hoặc nhiều lần (hình 2.2 a), chính sự phản xạ khác nhau này sẽ làm quãng đường đi của sóng thay đổi dài ngắn khác nhau Sự biến đổi liên tục mật

độ điện tử của tầng điện ly sẽ dẫn đến sự biến đổi độ dài đường đi của các tia sáng,

do đó làm biến đổi hiệu số pha giữa chúng

Người ta đã chứng minh được rằng, độ dài của hai tia khác nhau một đoạn λ/2 tương ứng bằng 5 50m với sóng ngắn, thì pha của chúng khác nhau 1800

(a)

(b)

Hình 2.2: Hiện tượng pha đinh sóng ngắn

Ngoài ra, hiện tượng pha đinh còn xảy ra do sự giao thoa của những tia nằm trong chùm khuếch tán khác nhau (hình 2.2 b)

Do cấu tạo của tầng điện ly không đồng nhất, một tia đơn có thể sẽ bị khuếch tán thành một chùm tia Vì vậy, ở điểm thu có thể nhận được những tia trong chùm tia khuếch tán của những tia đơn khác nhau và sự giao thoa giữa chúng với góc pha biến đổi cũng là hiện tượng pha đinh

Để khắc phục hiện tượng pha đinh, người ta có nhiều biện pháp khác nhau :

- Có thể dùng anten thu với đồ thị phương hướng thật hẹp và sẽ định hướng như thế nào đó để nó chỉ thu được một tia sóng tới Nhưng vì góc tới của sóng biến đổi luôn theo thời gian ngày, đêm nên cần phải xem xét đến khả năng biến đổi hướng cực đại của đồ thị phương hướng của anten Anten như vậy sẽ rất phức tạp

và cồng kềnh

- Phương pháp dùng anten phân tập, hình thức đặt nhiều anten thu phát cách

xa nhau một khoảng nào đó để cùng thu một tần số Hay dùng nhiều anten phát đặt cách xa nhau để cùng phát một tín hiệu cùng tần số Ta có thể hiểu là dùng nhiều anten thu (hoặc phát) phân tán tín hiệu rồi xử lý tập trung tại một chỗ Đó chính là nguyên tắc phân tập tần số (nghĩa là thu phân tán và xử lý tập trung)

2.1.4 Hiện tượng hồi âm

Với những điều kiện thuận lợi, sóng ngắn có thể truyền lan đi rất xa bằng cách phản xạ nhiều lần giữa tầng điện ly và mặt đất Đôi khi sóng có thể truyền lan vòng quanh trái đất một hoặc nhiều lần Vì vậy, ở điểm thu ngoài việc thu được một tín hiệu chính ta còn nhận được tín hiệu đến chậm Đó chính là tín hiệu gây hiện tượng hồi âm

Tín hiệu hồi âm có hai dạng : hồi âm thuận và hồi âm nghịch

- Hồi âm thuận (hình 2.3 a) là sóng đi theo đường truyền lan thuận có nghĩa

là sau khi đi qua điểm thu, sóng tiếp tục phản xạ đủ một vòng nữa và lại gặp điểm thu (khoảng 0,1s)

- Hồi âm nghịch (hình 2.3 b) là tín hiệu sóng đi vòng theo chiều ngược lại với chiều truyền lan chính Tín hiệu có thể đến điểm thu bằng hai đường, một

đường đi theo cung nhỏ còn một đường đi theo cung lớn của vòng tròn trái đất

(a) (b)

Hình 2.3: Hiện tượng hổi âm

Độ dài của hai đường đi có thể khác nhau nhiều và sẽ xảy ra hiện tượng sóng đến không đồng thời (với độ dài khác nhau 1000km, sẽ đến chậm 0,003s)

Vì cường độ hồi âm có thể lớn, nên tín hiệu hồi âm có thể không khác tín hiệu chính nhiều lắm Đối với vô tuyến điện thoại analog, tín hiệu hồi âm sẽ gây ra những tiếng lặp lại, còn đối với tín hiệu số hồi âm sẽ gây ra lỗi

có tia quay lại đài phát

Hình 2.4: Sự huếch tán sóng ngắn tại mặt đất

Hiện tượng khuếch tán khi phản xạ từ mặt đất được ứng dụng trong việc thăm dò tầng điện ly theo góc xiên và cho phép xác định được nhanh chóng các thông số cần thiết của một đường thông tin Trước khi thông tin một thời gian ngắn, người ta có thể phát đi những tín hiệu thăm dò Dựa vào những tín hiệu phản xạ khuếch tán, có thể xác định tần số sử dụng cao nhất của đường thông tin một cách khá chính xác Đồng thời, căn cứ vào cường độ của tín hiệu phản xạ có thể xác định được cường độ trường tại điểm thu

Phương pháp thăm dò xiên dựa vào hiệu ứng khuếch tán của sóng phản xạ được gọi là phương phăp thăm dò xiên khứ hồi

Ưu điểm của phương pháp này là ngoài việc xác định được nhanh chóng tần

số công tác, còn có thể kiểm tra tần số công tác trong suốt thời gian thông tin để có biện pháp thay đổi tần số kịp thời, đảm bảo thông tin nhất là trong thời gian có nhiễu loạn điện ly

2.1.6 Sự phá hoại thông tin do nhiễu loạn tầng điện ly

Qua nghiên cứu, người ta thấy rằng, nguyên nhân của gây nhiễu loạn tầng điện ly làm ảnh hưởng thông số sóng ngắn là do quá trình xảy ra của mặt trời gây nên

Nhiễu loạn điện ly có thể chia làm 2 loại: bão từ - điện ly và sự hấp thụ bùng

nổ đột ngột

1 Bão từ - điện ly : Hoạt động của mặt trời luôn luôn kèm theo với bức xạ

quang và bức xạ hạt Trong trường hợp khi mặt trời tăng cường hoạt động mạnh (xảy ra các vụ nổ lớn trong hệ mặt trời ), bức xạ hạt, bức xạ quang của nó cũng tăng cường Những bức xạ này làm ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình ion hóa khí quyển tầng điện ly, làm thay đổi cấu tạo của lớp điện tử bị rạn nứt Bão từ - điện ly là do tác dụng của các dòng hạt có cường độ mạnh gây ra Những dòng hạt này khi rơi đến gần trái đất sẽ chuyển động theo hình xoắn ốc dọc theo các đường sức từ của từ trường trái đất và hướng tới miền cực Các hạt khi thâm nhập vào tầng khí quyển không những chỉ gây tác dụng ion hóa chất khí mà còn đốt nóng bầu khí quyển, làm giảm mật độ khí quyển và do đó làm giảm mật độ điện tử của tầng điện ly

Với những dòng hạt mạnh, tác dụng đốt nóng tầng khí quyển sẽ lớn hơn tác dụng ion hóa, đặc biệt là đối với lớp vỏ ngoài của khí quyển (lớp F) Khi ấy chiều cao của lớp F sẽ tăng lên, cấu tạo của lớp không khí còn là một màn kín, đồng nhất

mà nó bị nứt rạn,có cấu tạo như những đám mây điện tử và mật độ giảm đi Do vậy, việc phản xạ của sóng ngắn trở nên rất khó khăn, nhiều khi không thực hiện được nên thông tin bị gián đoạn

Ban đầu, bão từ - điện ly xảy ra ở các miền cực, với cường độ mạnh vì ở đây

là nơi trực tiếp nhận được các dòng hạt rơi vào khí quyển trái đất Sau đó, bão lan dần xuống các vĩ độ thấp hơn và với cường độ nhỏ hơn Mỗi trận bão từ - điện ly có thể xảy ra một vài ngày hoặc đến cả tuần và khi bão chấm dứt, tình trạng tầng điện

ly phải sau một thời gian dài mới trở lại bình thường

Ngày nay, vấn đề dự báo tình trạng bão từ - điện ly đã có thể thực hiện được trước một thời gian khá dài từ vài ngày đến cả tuần lễ và cũng có thể thực hiện được trước vài giờ khi có bão xảy ra

Phương pháp đảm bảo thông tin khi có bão từ xảy ra là :

- Giảm nhỏ tần số công tác

- Định hướng sóng không đi qua vùng có bão từ

2 Sự hấp thụ bùng nổ đột ngột : Giống như bão từ, trong thời gian hoạt

động tăng cường của hệ mặt trời, bức xạ tia tử ngoại cũng tăng cường mạnh Những

bức xạ này có bước sóng rất ngắn (dưới 1000 A0) nên có khả năng thâm nhập rất lớn, chúng có thể xuyên xuống những lớp thấp nhất của khí quyển, gây nên sự ion hóa mạnh trong lớp D

Sự tăng mật độ điện tử ở lớp D làm tăng cường sự hấp thụ sóng và phá hoại thông tin sóng ngắn Đối với sóng dài và sóng trung thì kết quả sẽ ngược lại Do mật độ điện tử lớp D tăng cường, sự phản xạ của sóng dài và sóng trung sẽ tốt hơn

Sự tăng cường ion hóa của lớp D thường do những vụ nổ sắc cầu gây ra, nó

có thể xảy ra kèm theo hoặc không kèm theo với bão từ - điện ly

Thời gian xảy ra hấp thụ bùng nổ thường là ngắn trong khoảng vài phút đến vài giờ và chỉ có thể phát sinh trong miền sáng của trái đất

Khi các vụ nổ trên sắc cầu chấm dứt, hiện tượng tăng cường ion hóa cũng lập tức chấm dứt, tình trạng của tầng điện ly có thể nhanh chóng trở lại bình thường

và việc thông tin bằng sóng ngắn lại được khôi phuc trở lại

Trong quá trình xảy ra hiện tượng trên, để thông tin không bị gián đoạn ta chỉ cần khắc phục bằng cách chuyển đổi tần số làm việc (tức là chuyển sang dùng những sóng ngắn hơn trong băng sóng ngắn) hay chuyển phương thức truyền sóng ngắn sang sóng dài [2]

2.2 Cơ sở lý thuyết quá trình truyền sóng nhờ tầng điện ly

2.2.1 Đặc điểm, cấu trúc và các tham số của tầng điện ly

a Đặc điểm và cấu trúc của tầng điện ly

Tầng điện ly là tầng nằm trên cùng của khí quyển với độ cao từ (60  500)

Km có vài quan trọng trong các hệ thống thông tin vô tuyến điện

Như chúng ta đã biết, trong thành phần cấu tạo của các tầng khí quyển có các nguyên tử khí gồm các hạt nhân ở giữa và các điện tử (electron) mang điện tích âm bao quanh Ở trạng thái cân bằng, chúng được trung hòa về điện

Dưới tác dụng bức xạ quang, bức xạ hạt của mặt trời, sự tác động của các vì sao, sự chuyển động của các thiên thạch, các tia vũ trụ nên các phân tử khí trong tầng điện ly sẽ bị ion hóa Hiện tượng ion hóa trong tầng điện ly đã tạo ra các lớp

dẫn điện và do nhiệt độ, áp suất thay đổi theo độ cao nên khả năng bức xạ và ion hóa đó ở các lớp là khác nhau và thay đổi theo thời gian

Bằng nhiều phương pháp thực nghiệm, như dùng tín hiệu vô tuyến phát thẳng đứng lên tầng điện ly rồi thu tín hiệu phản xạ về để phân tích, người ta đã phân chia tầng điện ly thành bốn lớp cơ bản là: D, E, F1 và F2

Hình 2.5: Đồ thị mật độ điện t trong

Việc phân chia thành các lớp trong tầng điện ly chủ yếu là theo đặc tính điện của chúng và hình 2.5 là đồ thị mô tả sự phụ thuộc của mật độ điện tử Ne(h) phụ thuộc vào chiều cao h trên tầng điện ly Từ hình vẽ ta nhận thấy rằng mật độ điện tử không chỉ thay đổi với chiều cao mà còn thay đổi theo ngày, đêm, tháng, mùa, năm

và chu kỳ hoạt động của hệ mặt trời

Lớp D: Là lớp ion hóa thấp nhất của tầng điện ly, nằm ở độ cao từ

(50100)km Lớp này hình thành do hiệu ứng Lyman của mặt trời có bước sóng 121.5 nm là ion hóa các phân tử khí o xit Ni-tơ NO Ngoài ra do tác động của các vết đen mặt trời nên xuất hiện tia X với bước sóng nhỏ hơn 1 nm mạnh là ion hóa các phần tử O2 và N2 Mật độ điện tử của lớp D là Ne(h)(102 103) e/Cm3, mật

độ khí lớn, số lần va chạm của điện tử với các hạt lớn nên lớp D ít có tác động đối với phản xạ sóng vô tuyến mà chỉ có tác động hấp thụ là chủ yếu Mức độ hấp thụ của lớp D cũng phụ thuộc vào tần số tín hiệu truyền qua Tần số càng thấp thì mức

độ hấp thụ của lớp D càng cao, đặc biệt là đối với các tín hiệu có tần số nhỏ hơn 10 MHz Lớp D chỉ xuất hiện vào ban ngày và suy giảm mạnh sau hoàng hôn Ban đêm, mặt trời bị che khuất nên chỉ có các tia vũ trụ tác động yếu vì vậy lớp D không xuất hiện

Lớp E: Lớp E là lớp ở giữa của tầng điện ly, nằm ở độ cao từ (100140) km, hình thành chủ yếu do sự ion hóa các phân tử Oxy (O2) bởi các tia X (bước sóng (1-10) nm) và tia cực tím UltraViolet (UV) Mật độ điện tử của lớp E vào khoảng

Ne(h)=(103105) e/Cm3 Lớp này có thể phản xạ các sóng vô tuyến điện có tần số dưới 10 MHz Các sóng có tần số cao hơn, lớp này sẽ hấp thụ năng lượng Chiều cao của lớp E phụ thuộc vào ngày và đêm Ban đêm lớp E bắt đầu suy yếu do hiện tượng ion hóa giảm và độ cao của lớp E tăng lên cực đại làm cho sóng vô tuyến có thể truyền đi được xa

Lớp E có một loại đặc biệt là lớp E bất thường ký hiệu là Es Đây là khối mây điện tử nhỏ bị ion hóa mạnh, có thể phản xạ các sóng vô tuyến trong dải tần từ (25-255) MHz Lớp E bất thường này có thể xuất hiện chỉ trong vài phút hoặc trong vài giờ đồng hồ, có chu kỳ trong mùa hè thỉnh thoảng trong mùa đông Đây là hiện tượng thiên nhiên kỳ thú đối với các nhà nghiên cứu vô tuyến nghiệp dư, khi đó các tín hiệu quảng bá như truyền hình VHF và truyền thanh FM có thể truyền đi rất xa cho tới hàng nghìn kilômét

so với mặt đất Đây là lớp cao nhất của tầng điện ly được hình thành nhờ các tia cực tím của mặt trời có bước sóng nằm trong dải (10-100) nm là kích hoạt và ion hóa các nguyên tử Oxygen (O) Lớp F có vai trò đặc biệt quan trọng trong thông tin vô tuyến điện sóng ngắn Đối với những ngày bình thường ban ngày lớp này tách thành hai lớp, lớp F1 có độ cao khoảng (200250) km và lớp F2 có độ cao (250300) km Đối với những ngày không bình thường độ cao của lớp F có thể lên tới 500 km Vào ban đêm lớp F1 và F2 nhập lại thành lớp F, mật độ điện tử Ne(h)=(105107) e/Cm3, lớp F có tác dụng phản xạ tín hiệu vô tuyến điện sóng ngắn [2]