Xây dựng mô hình truyền sóng ngắn và ứng dụng tính toán đường truyền trong dải tần sóng ngắn

“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 phương án tác chiến 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

lan truyền đó, khi nghiên cứu về truyền sóng chính là ta đang phải nghiên cứu những vấn đềchính 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 haotrong 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 Công anđia 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 hiệntruyền sóng tại các vùng này ta phải dùng sóng trời, phụ thuộc rất nhiều vào môi trườngtruyền sóng (tầng điện ly) và tần số phát

Vì vậy “Xây dựng mô hình truyền sóng ngắn và ứng dụng tính toán đường truyềntrong dải tần từ 6MHz – 16MHz” là một đề tài có tính cấp thiết, thực tế trong lĩnh vực anninh Một đề tài như vậy sẽ tạo điều kiện cho chúng ta tổng hợp và đưa ra được các phương

án tác chiến thích hợp, bên cạnh đó nắm rõ được khoa học kỹ thuật cũng có thể giúp ta địnhhướng được các hoạt động tác chiến trong tương lai đúng hướng

2 Mục đích nghiên cứu:

Nghiên cứu, xây dựng mô hình đường truyền sóng ngắn phù hợp với điều kiện hoạtđộng thực tế của Việt Nam, từ đó xác định được các giải pháp và mô hình kỹ thuật để chế

áp các đài phát thanh phản động phát vào Việt Nam trên dải sóng ngắn

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đường truyền sóng vô tuyến, quá trình truyền sóng qua tầng điện ly trong dải tần từ 6đến 16 MHz

4 Phương pháp nghiên cứu:

Dựa trên các công cụ toán học, lý thuyết truyền sóng, phần mềm khảo sát REC533,phần mềm MATLAB để làm rõ mô hình

Sử dụng các kết quả đo kiểm thực tế để xác định và hiệu chỉnh các tham số của môhình phù hợp với điều kiện hoạt động thực tế

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

Hệ thống hóa cơ sở lý luận về vấn đề cần xây dựng mô hình, kiểm chứng bằng thựcnghiệm mô hình thực tế với mô hình truyền sóng ở dải tần sóng ngắn

6 Kết cấu của luận văn:

Ngoài phần mở đầu, tài liệu tham khảo, luận văn gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin sóng ngắn

Chương 2: Truyền sóng vô tuyến dải tần sóng ngắn

Chương 3: Xây dựng mô hình truyền sóng và ứng dụng tính toán đường truyền Xâydựng mô hình truyền sóng ngắn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SÓNG NGẮN 1.1 Hệ thống thông tin vô tuyến

1.1.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin vô tuyến

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

1.2.1 Khái niệm

Thông tin vô tuyến điện là phương thức thông tin sử dụng năng lượng sóng điện từtruyền lan trong không gian để truyền tin tức Các tín hiệu cần truyền như âm thanh, hìnhảnh… không thể bức xạ trực tiếp từ anten máy phát nên cần “đặt” các tín hiệu cần truyềnvào sóng cao tần (sóng mang) thì mới truyền tin tức đi xa được bằng phương thức vô tuyến

Một cách tổng quát, phương pháp điều chế là dùng tín hiệu cần truyền làm thay đổi mộtthông 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)

1.2.2 Điều chế biên độ (Amplitude Modulation, AM )

1.2.3 Điều chế góc (Angle modulation)

1.3 Giới thiệu về anten sóng ngắn

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

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

- Anten Lồng

- Anten Lô Ga rít

- Anten Trám

Tất cả các loại Anten đang sử dụng tại trung tâm phát Hà Nội đều có trở kháng vào là

300, phối hợp tốt với máy phát của Liên Xô cũ có trở kháng ra là 300

1.4 Tổng quan chung về truyền sóng vô tuyến

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

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 cực kỳ thấp ULF 30→ 300Hz Vật lý

Tần số cực thấp ELF 300Hz →3KHz Thông tin dưới nước và trong lòng

đấtTần số rất thấp VLF 3KHz →30KHz Vô tuyến đạo hàng thông tin di động

trên biểnTần số thấp LF 30 →300KHz Vô tuyến đạo hàng thông tin di động

trên khôngTần số trung bình MF 300→ 3000KHz Phát thanh, thông tin hàng hải, vô

→3000MHz

Truyền hình các loại thông tin diđộng, các loại thông tin cố địnhTần số siêu cao SHF 3→ 30GHz Thông tin vệ tinh ra đa, viễn thông

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

Vô tuyến thiên văn, ra đa sóngmilimet, thông tin vệ tinh nghiên cứu

và thí nghiệm

milimet 300 →3000GHz

Nghiên cứu và thí nghiệm

Cơ sở đặt vấn đề nghiên cứu lý thuyết

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

1.4.2 Công thức truyền sóng lý tưởng

+ Khi sóng lan truyền trong không gian tự do :

Eh = 173 ( ) ( )

( )

P Kw D l

P : công suất máy phát (Kw)

D : hệ số định hướng của anten (lần)

r : khoảng cách từ anten phát đến điểm xác định E (Km)

Emax = Eh 2

+ Khi kể đến ảnh hưởng của mặt đất :

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.

CHƯƠNG 2: TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN DẢI TẦN SÓNG NGẮN

2.1 Những đặc điểm cơ bản của truyền lan sóng ngắn

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 chỉcần dùng máy phát cỡ trung bình cũng có thể thông tin được với những cự ly rất xa, tới hàngnghìn km

2.1.1 Giới hạn của dải tần số công tác

Để có thể thu được sóng ở một cự ly nhất định xa đài phát, cần phải thực hiện cácđiều 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 bởitầng điện ly.

2.1.2 Miền im lặng

Khi thông tin sóng ngắn, trong quá trình khảo sát người ta thấy hiện tượng sau : Khidịch chuyển điểm thu xa dần đài phát, đến một cự ly nào đó thì không thu được (với nhữngsóng có bước sóng ngắn hơn 50m, cự ly này vào khoảng 100km) Nếu cứ dịch chuyển xanữa 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

2.1.4 Hiện tượng hồi âm

2.1.5 Sự khuếch tán sóng ngắn tại mặt đất

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

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

Hình 2.1: Đồ thị mật độ điện tử trong

Hình 2.2: Các lớp trong tầng điện ly

b Các tham số cơ bản của tầng điện ly

Tầng điện ly được đặc trưng bởi hai tham số cơ bản:

Độ điện thẩm tương đối của tầng điện ly được tính bằng biểu thức:

N là mật độ điện tử (e/Cm3) tại độ cao h; là tần số va chạm (lần/giây)

Độ điện dẫn của tầng điện ly được tính bằng biểu thức:

2 2 e

8 N (h)

10.82,

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

Hình 2.3: Sự thay đổi hệ số hấp thụ theo tần số

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

Điều kiện đảm bảo để có thể thực hiện thông tin sóng ngắn phản xạ từ tầng điện ly là:1/ Tần số liên lạc f phải nhỏ hơn tần số cực đại fMUF, được xác định bởi các tham sốcủa tầng điện ly và khoảng cách liên lạc để đảm bảo sóng có thể phản xạ từ lớp F Nếu f >

fMUF thì sóng không có khả năng phản xạ mà xuyên suốt qua các lớp của tầng điện ly

2/ Tần số liên lạc phải đảm bảo đủ lớn là f > fLUF cùng với công suất phát cần thiết để bùtrừ cho sự tổn hao của sóng trong lớp D và E sao cho sóng có đủ năng lượng cần thiết phản xạ từlớp F và quay về điểm thu

Hình 2.4: Phân bổ các thời gian trong ngày

2.2.4 Các thông số đường truyền

+ Tìm tần số sử dụng cực đại (MUF):

Qua nghiên cứu, người ta đưa ra phương thức sử dụng dải tần số cao nhất dựa trênnguyên tắc : Tần số sử dụng cao nhất được chọn sao nhỏ hơn tần số cực đại một ít để đảmbảo điểm phản xạ thực tế nằm ở dưới chiều cao ứng với lớp điện tử cực đại Nmax một chút.Kazansep đã đưa ra biểu thức để xác định tần số cao nhất sau :

Hình 2.5: Sơ đồ tuyến cự ly thông tin sóng ngắn qua tầng điện ly

Trong sơ đồ hình 2.5 : r – Cự ly thông tin φ – Nửa góc tâm trái đất

θ – Góc tới a – Bán kinh trái đất

h’ – Độ cao ảo của tầng điện ly với mặt đất

fCĐ = fthsecθ (2.3) f th 9 Nmax (2.4) MUF = fSDCN = 0,9fCĐ (2.5) fSD = 80%.fSDCN (2.6)

fCĐ tần số cực đại; fSD tần số sử dụng; fSDCN tần số sử dụng cao nhất; fth giá trị tần sốtới hạn

+ Độ cao ảo (Virtual height ): độ cao của điểm giao ngoại suy của tia tới và tia quay

về của 1 lớp trong tầng điện ly [7]: Lớp F2: từ 250-300 km; lớp F1: từ 200-250 km; lớp Fban đêm ≈ 300km; lớp E 110 km

+ Xác định góc nửa tâm trai đất φ: ( )

2

r rad a

+ Xác định được góc tới cực đại θ: '

2

r tg

2.2.5 Xác định cường độ trường tại điểm thu

Khảo sát phương pháp của Kazansep ta thấy :

Sóng truyền lan trong tầng điện ly sẽ bị các lớp hấp thụ Sự hấp thụ ấy được đánh giábởi hệ số γ

Công thức tính trường sẽ là : Thu 0 e 

Trong đó : E0 biên độ cường độ trường khi không tính đến tổn hao

γ: hệ số hấp thụ tổng thể của tầng điện ly

γ = γD + γE + γF1 + γF2

Biết rằng khi truyền lan từ đài phát đến đài thu, sóng có thể đi theo nhiều đường khácnhau Vì vậy, sóng truyền tới điểm thu sẽ không phải chỉ có một tia đơn độc mà nó gồmnhiều tia, những tia này được truyền từ đài phát đến với những bước nhảy khác nhau Ta có

cường độ trường tổng cộng ở điểm thu là : 2

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

2.3.1 Đặc điểm của mặt đất và phương pháp khảo sát

Các thông số điện của đất

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

Loại mặt đất Giới hạn biến đổi Trị số trung bình

(Budden, 1988) Kỹ thuật này hoạt động đúng nếu chỉ số khúc xạ được giả định là biết tạimỗi điểm của khu vực xem xét Trong giới hạn của lý thuyết về tia nó có thể gần đúng cácbước sóng tới không, đơn giản hoá do vậy các phương trình vi phân mô tả sự lan truyền củasóng một cách phù hợp, là các đường tia

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

Kỹ thuật rò tia (RT) dựa trên đặc tính của tầng điện ly về mật độ electron, tần số vachạm các hạt electron, và từ trường Hình 3.1 cũng cho thấy một đường tia có thể từ mộtđiểm phát (TX) đến một điểm nhận (RX) đi qua các ô của ma trận mật độ điện tử 3-D vớitần số và hướng của sóng, và vị trí của điểm TX được xác định trước như là đầu vào Cácthuật toán RT thực hiện tích phân các phương trình vi phân từng phần sau

Hình 3.1: Mô phỏng đường tia TX đến tia RX

3.1.3 Mô tả chương trình IONORT

Chương trình IONORT cấu trúc gồm 3 khối:

a)Đầu vào đồ họa giao diện người dùng

b)Thuật toán tích phân

c)Đầu ra đồ họa giao diện người dùng

IONORT có thể chạy với cả hai tần số, một tần số hoạt động cố định và với một tần số thay đổi theo một bước nhảy xác định, Tương tự cũng thực hiện tính toán cho tham số độ cao và góc phương vị Hình 3.3 và hình 3.4 hiển thị hai ví dụ về thiết lập bằng cách đưa vào một điểm TX ở vĩ độ 43,06 ° N và kinh độ 10,03 ° E cho một tần số

cố định bằng 6 MHz và cho một góc ngẩng 5 ° với bước nhảy từ 0 ° đến 30 °, sau đó cho một góc ngẩng cố định bằng 15° và cho một thủ tục quét tần số 2 MHz đến 24 MHz với bước nhảy 2 MHz.

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

Hình 3.3: Mô tả khảo sát về góc ngẩng với bước nhảy 5 độ

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

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

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

Phương pháp dự đoán kênh truyền sóng ngắn của ITU-T P.533 đưa ra dự báo phântích đường truyền cho độ dài lên đến 7000km, đưa ra công thức thực nghiệm phù hợp với

dữ liệu đo được vượt quá 9000km [10]

Các tính toán dự đoán gồm dự đoán hiệu suất của hệ thống phát sóng ngắn (HF),tham số tần số sử dụng cực đại (MUF), cường độ điện trường và góc ngẩng của ăng ten …Như vậy là hữu ích trong việc lập kế hoạch và hoạt động của việc truyền sóng HF cho bốnmùa, các hoạt động vệt đen mặt trời khác nhau, các giờ trong ngày, vị trí địa lý và dự đoán

sự bất ốn về cấu trúc của tầng điện ly [10]

+ Dự đoán tần số sử dụng cực đại (MUF)

- MUF của lớp E

n E (D) MUF  foE  seci110 (3.3)Trong đó: i110 - góc tới hạn của lớp E ở độ cao 110km; n - số bước nhảy

H d

d

d f

foF B

C

C MUF

D

F

22)

1(1

)(

0

2 cot arctan

R

d h

R

R – R

d

d : Độ dài bước nhảy d = D/n

h r : Chiều cao lớp E là h r = 110 km và lớp F2 h r phụ thuộc vào bước nhảy và cự lyliên lạc

với L b = 32.45 + 20 log f + 20 log p + L i + L m + L g + L h + L z (3.10)

3.2.2 Chương trình dự đoán kênh REC533

Dựa trên phương pháp tính toán dự đoán trong khuyến nghị P.533, một chương trình

có tên gọi REC533 chạy trên một máy tính Windows đã được phát triển và được duy trì bởi

Bộ thương mại Mỹ, Viễn thông Quốc gia và Cơ quan Thông tin, Viện Khoa học Viễn thông(NTIA/ITS) ở Boulder, Colorado Nó kết hợp một giao diện người dùng thân thiện với

Hình 3.5: Màn hình chính REC533

+ Chọn đúng vệt đen mặt trời

Hình 3.6: Vệt đen mặt trời các năm

3.2.3 Khảo sát dự đoán một số tần số

Khảo sát dự đoán tần số với mục đích để dự đoán được với khoảng cách cự ly thôngtin liên lạc ta sử dụng được tần số nào để truyển sóng phù hợp nhất phụ thuộc vào thời giantrong ngày từ đó cần xác định góc ngẩng anten, cường độ trường để đảm bảo tuyến thôngtin liên lạc được tốt nhất

Khảo sát một số tần số sau:

- Xét tần số: 9.795MHz, 9.920MHz, 11.695MHz, 11.850MHz, 13.735MHz

- Hà Nội với tọa độ Long/Lat: 105.87E/20.98N

- Gia Lai với tọa độ Long/Lat: 108.01E/ 13.97N

- Cự ly thông tin: 812Km

- Hướng truyền: 163.40độ

- Công suất phát: 5Kw

- Nhập các tham số cơ bản

Bảng 3.1: Nhập tham số cho tần số khảo sát

Tham số Sự giới thiệu

Hệ số Chọn cơ sở dữ liệu CCIR (Oslo)

Nhóm Chon tháng 12 khảo sát và vệt đen (SNN) là 60

Thời gian Chọn UT (Coordinated Universal Time), từ 00h đến 24h

Ăng ten phát Chọn công suất phát lấy 65% công suất phát thực 5Kw xấp

sỉ là 3Kw, tùy ta chọn loại ăng ten

+ Kết quả khảo sát về thời gian trong ngày

Tần số sử dụng cao nhất trong ngày (MUF) phụ thuộc vào khoảng thời gian 24h trong ngày: Tần số dao động từ 4.88MHz đến 16.54MHz

Hình 3.7: Khảo sát MUF của các tần số phụ thuộc thời gian

Hình 3.8: Khảo sát góc ngẩng của các tần số phụ thuộc thời gian

Hình 3.8 cho ta thấy góc ngẩng phụ thuộc vào thời gian: Góc dao động 25 độ đến 44 độ

Hình 3.9: Khảo sát cường độ trường của các tần số phụ thuộc thời gian

Hình 3.9 cho ta thấy cường độ trường tại điểm thu phụ thuộc vào thời gian trongngày: Cường độ trường dao động từ 6.12dBµV đến 57.72dBµV