Điện tử viễn thông chuong 6 khotailieu

Truyền sóng: Tổn hao trên đường truyền kích thước lớn 6.1 Phân loại sóng theo phương thức lan truyền và theo dải tần Môi trường truyền sóng là một bộ phận của kênh thông tin vô tuyến

Chương 6 Truyền sóng: Tổn hao trên đường truyền kích thước lớn

6.1 Phân loại sóng theo phương thức lan truyền và theo dải tần

Môi trường truyền sóng là một bộ phận của kênh thông tin vô tuyến, vì vậy bên cạnh việc quan tâm đến tính năng và chất lượng của thiết bị đầu cuối (phát và thu sóng) ta còn phải lưu ý đến đặc điểm của đường truyền sóng, điều này liên quan đến tần số lựa chọn và phương thức truyền sóng.[15]

Trong môi trường đồng nhất, sóng lan truyền theo đường thẳng với vận tốc không đổi (mô hình không gian tự do), khi sóng truyền lan gần mặt đất, sự có mặt của đất bán dẫn điện gây phản xạ sóng từ mặt đất làm biến dạng cấu trúc sóng và gây hấp thụ sóng trong đất; ngoài ra do mặt đất có dạng hình cầu sóng truyền lan trên đó có thể sẽ bị nhiễu xạ truyền cong đi (xảy ra với những sóng có bước sóng hàng trăm hàng nghìn mét, sóng nhiễu xạ không truyền lan vượt quá 300-400km), đấy là chưa kể đến sự phức tạp của địa hình mặt đất

Những sóng vô tuyến truyền lan gần mặt đất theo đường thẳng hoặc bị phản xạ từ mặt đất hoặc bị uốn đi theo độ cong mặt đất do hiện tượng nhiễu xạ

gọi là sóng đất (sóng này có thể ở các dải tần số)

Ngoài ảnh hưởng của mặt đất sóng còn chịu ảnh hưởng của tầng khí quyển bao quanh trái đất Hai miền chính có thể ảnh hưởng đến truyền lan của sóng là tầng đối lưu và tầng điện ly

Tầng đối lưu là tầng khí quyển thấp, tính từ mặt đất lên đến độ cao 15km Đó là môi trường không đồng nhất Tính không đồng nhất này có thể uốn cong tia sóng làm cho nó truyền đi xa trên mặt đất cong đồng thời gây nên sự tán

10-xạ sóng, những sóng tán 10-xạ có thể đạt tới 1000km kể từ đài phát

Hiệu ứng khuếch tán chỉ biểu hiện rõ với những bước sóng ngắn hơn 10m,

còn sự làm cong tia sóng thể hiện rõ ở những bước sóng dài hơn Ngoài ra trong một số điều kiện khí tượng thích hợp sẽ phát sinh sự truyền sóng trong tầng đối

lưu theo kiểu “ống dẫn sóng “ cho phép những sóng có bước sóng ngắn hơn 3m

truyền lan tới cự ly 800-1000km

Những sóng vô tuyến truyền đi xa trên mặt đất do khuếch tán trong tầng

đối lưu hoặc do tác dụng của ống dẫn sóng trên tầng đối lưu gọi là sóng tầng đối lưu

Tầng điện ly là miền khí quyển cao nằm ở độ cao 60-600km so với mặt đất Ở độ cao này mật độ không khí rất nhỏ và chất khí bị ion hoá (do bức xạ mặt trời) tạo

nên một số lớn điện tử tự do (khoảng 102-106 điện tử/cm3) Đối với sóng điện từ tầng điện ly có thể xem là môi trường bán dẫn điện vào sóng có thể phản xạ từ đó Tính toán và thực nghiệm cho thấy tầng điện ly có thể phản xạ những sóng có

bước sóng dài hơn 10m Với những sóng ngắn hơn tầng điện ly là môi trường

“trong suốt” Bằng cách phản xạ một lần hoặc nhiều lần tại tầng điện ly sóng có thể truyền lan rất xa.Bên cạnh khả năng phản xạ sóng vô tuyến,tầng điện ly có các miền không đồng nhất có thể tán xạ sóng làm cho nó có thể lan truyền rất xa

Những sóng vô tuyến truyền tới các cự ly xa do sự phản xạ (một lần hoặc

nhiều lần), hoặc do khuếch tán từ tầng điện ly gọi là sóng điện ly (lan truyền

sóng điện ly có thể xảy ra với mọi tần số.)

Những sóng vô tuyến truyền từ trạm mặt đất đến các vệ tinh hoặc các con tàu trong khoảng không vũ trụ là những sóng không bị tầng điện ly cản trở hoặc khuếch tán Những sóng này chỉ bị hấp thụ tại tầng đối lưu nơi nó truyền qua khi

có mưa, sự suy giảm sóng phụ thuộc cường độ mưa và phụ thuộc tần số Tần số sóng càng cao, mưa càng nhiều suy giảm sóng càng nhiều

Những sóng truyền lan trực tiếp giữa mặt đất và các đối tượng trong vũ trụ

được gọi là sóng vũ trụ.(chỉ những sóng có tần số từ 1GHZ trở lên mới thích hợp

với điều kiện truyền lan trong vũ trụ)

Trên cơ sở đặc tính lan truyền sóng kể trên người ta phân ra các dải sóng và các lĩnh vực sử dụng tương ứng

1 Tần số cực kỳ thấp(ULF): 30-300Hz( >10000m) dùng trong nghiên cứu vật lý

2 Tần số cực thấp (ELF):300-3000Hz- thông tin dưới nước và trong lòng đất

3 Tần số rất thấp(VLF):3-30kHz- Vô tuyến đạo hàng,thông tin di động trên biển

4 Tần số thấp(LF):30-300kHz( 1000-10000m)-Vô tuyến đạo hàng , thông tin di động trên không

5 Tần số trung bình(MF):300-3000KHz( 100-1000m)-Phát thanh, thông tin hàng hải, vô tuyến đạo hàng

6 Tần số cao(HF):3-30MHz(10-100m)-Phát thanh sóng ngắn,thông tin di động các loại, thông tin quốc tế

7 Tần số rất cao(VHF):30-300MHz(1-10m): Truyền hình và phát thanh FM

8 Tần số cực cao (UHF):300-3000MHz(10-100cm)-Truyền hình, các loại thông tin di động, các loại thông tin cố định

9 Tần số siêu cao(SHF):3-30GHz(1-10cm)-Thông tin vệ tinh và ra đa> Viễn thông công cộng,vô tuyến thiên văn

10 Tần số vô cùng cao(EHF):30-300GHz(1-10mm)-Vô tuyến thiên văn, ra đa sóng milimet, thông tin vệ tinh,nghiên cứu và thí nghiệm

11 Sóng có bước sóng dưới milimet:300-3000GHz: nghiên cứu và thí nghiệm

Từ sự phân loại loại trên ta giới hạn điều kiện nghiên cứu truyền sóng trong thông tin di động hiện nay:

-Tần số ở dải UHF

-Sóng lan truyền là sóng đất có anten đặt cao (trạm gốc có phần bức xạ đặt ở độ cao lớn hơn nhiều lần bước sóng), qua các địa hình khác nhau

-Kích thước mỗi tế bào <30km nên bỏ qua độ cong của bề mặt trái đất

6.2 Truyền sóng trong thông tin di động

Đường truyền vô tuyến khác đường truyền dây dẫn bởi nhiều yếu tố như đa đường, suy giảm, chuyển động của nguồn thu phát, nhiễu loạn bất thường,… Mô hình hoá kênh vô tuyến là phần khó nhất trong trong thiết kế hệ thống thông tin vô tuyến, nó dựa trên một số phép đo và các phương pháp thống kê chia làm 2 phần:

Mô hình lan truyền cho phép dự đoán được mức tín hiệu thu TB tại một khoảng cách xác định với nguồn phát giúp cho việc thiết kế anten phủ sóng gọi là

mô hình lan truyền kích thước lớn ( khoảng cách phát-thu (T-R) thường là vài trăm đến hàng ngàn mét ở môi trường outdoor hay vài met đến vài chục met ở môi trường indoor và là vùng trường xa )

Mô hình biểu diễn sự thăng giáng của tín hiệu thu được khi xê dịch vị trí thu một khoảng nhỏ (vài bước sóng) hoặc trong một thời gian nhỏ (cỡ giây) gọi là

mô hình suy giảm kích thước nhỏ ( suy giảm - fading, thực chất không phải là mất mát mà là do bù trừ từ các tín hiệu khác pha ) Fading làm thăng giáng tín hiệu đến vài bậc ( 30 đến 40dB khi xê dịch trong phạm vi một phần của bước sóng)

Một máy di động (MS) khi chuyển động ra xa trạm gốc (BS), tín hiệu TB của nó ( tính theo thời gian hay trong lân cận 5-40 lần bước sóng - khoảng 10m ở tần số 1-2 GHz ) có thể dự đoán theo mô hình kích thước lớn Còn mức thăng giáng của nó ( tức là khi xê dịch nhỏ ) dự đoán theo mô hình kích thước nhỏ Trước khi phân tích các môi trường truyền sóng phức tạp, ta xem xét các

mô hình truyền sóng đơn giản để làm cơ sở cho việc đánh giá tổng hợp

6.3 Mô hình lan truyền trong không gian tự do:

Đây là mô hình giữa T-R không có vật cản Ví dụ về mô hình này có thể là liên lạc vệ tinh hoặc đường truyền viba (microwave line-of-sight) Từ tính chất lan truyền của sóng điện từ ta có công thức Friis [1]:

 

G G P d

4 2



A e

G (6.2) Liên quan đến hệ số anten (tập trung định hướng) ta có định nghĩa sau

Bộ phát xạ đẳng hướng là một anten lý tưởng phát công suất đều trên tất cả

mọi hướng (G=1) dùng để tham chiếu hệ số của một anten khác

Khi đó giá trị EIRP=PtGt của một nguồn bức xạ công suất Pt qua một anten

hệ số Gt được gọi là công suất bức xạ đẳng hướng hiệu dụng, vì nó tập trung trường lên hướng cực đại tương đương như trường của nguồn bức xạ đẳng hướng

PtGt – Chú ý rằng công suất phát không hề được khuếch đại, song sự tập trung trường theo một hướng như vậy tương đương như trường có được do khuếch đại công suất phát cho đẳng hướng Điều này cũng hoàn toàn tương tự ở anten thu, sự tập trung trường tạo nên sự tăng công suất ở bộ thu Trên thực tế người ta hay dùng công suất bức xạ hiệu dụng (ERP) là công suất bức xạ cực đại so với anten dipol nửa sóng, vì anten dipol nửa sóng có hệ số 1,64 (2,15dB lớn hơn) so với

anten đẳng hướng nên tính theo ERP sẽ nhỏ hơn tính theo EIRP 2,15dB đối với cùng một hệ bức xạ Hệ số anten hay cho dưới dạng dBi (so với anten đẳng hướng) hay dBd (so với anten dipon) Bên cạnh việc tính toán công suất nhận được tại bộ thu người ta cũng hay tính hệ số mất mát (tổn hao) trên hệ truyền dẫn.Hệ số mất mát trong đường truyền không gian tự do là:

2

4 log 10

2 0

0 ) ( )

P r r với d>d0>df (6.4)

d0 ở 1-2GHz thường là 1m trong môi trường indoor, là 100m hay 1km trong môi trường outdoor df là khoảng cách Fraunhofer df = 2D2/λ , D là kích thước vật lý thẳng lớn nhất của anten

1)(

1(50

2 2

Khi một đoạn dây đặt theo trục z có dòng biến đổi chạy qua, theo phương của vecto r tại trường xa sẽ chỉ có thành phần Eθ và Hφ nổi trội (2 thành phần này vuông góc nhau và vuông góc với phương truyền) Tại trường xa mật độ công suất tại một điểm gây nên bởi công suất nguồn phát là:

Pd = EIRP/(4πd2) = PtGt/(4πd2) = E2/Rfs W/m2 với Rfe=120π (Ω) (6.5)

Hình 6.2 Mô hình thu phát điện từ

Với độ mở anten Ae , công suất tại bộ thu sẽ là:

A G





  (6.6) Nếu phối hợp trở kháng tốt, thế lối vào bộ thu sẽ bằng ½ thế mạch hở V của anten

Và công suất được truyền hết sang bộ thu sẽ được tính:

Pr(d) = (V/2)2/Rant = V2/4Rant (6.7)

Rant là trở vào của anten , hai công thức trên sẽ cho sự liên hệ ba đại lượng: công suất, điện trường, điện thế rms mạch hở tại anten thu

Ví dụ :

Cho công suất phát Pt=50W

Tần số sóng mang fc=900MHz

Hệ số anten phát Gt=1

Hệ số anten thu Gr=2

Trở kháng của anten thu Rant=50

Tìm công suất bộ thu, trường E và thế tại lối vào bộ thu ở khoảng cách 10km

) 3 / 1 (

2 1 50 log 10 4

log 10 ) (

120.10.74

120)

(120

r

G

d P A

d P

V mV

6.5 Ba cơ chế lan truyền cơ bản:

Công suất thu được (hoặc đối ngược là công suất mất mát) là thông số quan trọng nhất trong việc dự đoán theo mô hình lan truyền kích thước lớn dựa trên ba

cơ chế vật lý: Phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ Suy giảm kích thước nhỏ và hiệu ứng đa đường cũng có thể được mô tả bởi 3 cơ chế này

Phản xạ xảy ra khi sóng điện từ đập vào đối tượng có kích thước lớn so với bước sóng truyền Chẳng hạn phản xạ xảy ra tại bề mặt trái đất , tại các tòa nhà hay các bức tường

Nhiễu xạ xảy ra khi giữa bộ phát và thu bị cản trở bởi bề mặt có cạnh sắc giới hạn (gờ tường, cạnh toà nhà ) Sóng thứ cấp tạo nên tại nơi cắt của bề mặt này chạy theo mọi hướng thậm chí vòng vào phía sau vật chắn nên sóng có thể nhận được ngay cả khi bộ phát không nhìn bộ thu ( no line - of - sight path ) Tại tần số cao nhiễu xạ và phản xạ phụ thuộc vào hình học của đối tượng cũng như biên độ, pha , cực tính của sóng tới tại điểm nhiễu xạ

Tán xạ xảy ra khi môi trường truyền sóng có những vật cản nhỏ so với bước sóng, và số những vật cản này trên đơn vị thể tích là lớn Chẳng hạn sóng bị

tán xạ trên bề mặt sù xì, lá cây, cột đèn, cột chỉ đường tạo nên tán xạ sóng trong thông tin di động

số phản xạ Fresnel, nó là hàm của vật liệu, cực tính, góc tới và tần số sóng

Tại bề mặt phản xạ sóng tuân theo điều kiện biên (luật Snell)

i t

i t

sin sin

1 2

1 2

t i

t i

sin sin

1 2

1 2

Hình 6.4 Hệ số phản xạ: Thành phần song song, thành phần vuông góc

Khi môi trường 1 là không gian tự do hệ số phản xạ với sóng phân cực đứng và sóng phân cực ngang sẽ đơn giản còn :

i r

i r

i r

i r

cos sin

i

i r

cos sin

- Khi sóng phân cực elip , nó có thể phân tích theo thành phần thẳng đứng và nằm

ngang , xem xét sự phản xạ riêng rẽ rồi tổng hợp lại theo nguyên lý chồng chất

cos 0

sin

0 cos 0

r r

cos 0

sin

0 cos 0

Kết quả này minh hoạ rằng : mặt đất có thể coi là bề mặt phản xạ lý tưởng

với những sóng là là mặt đất không phụ thuộc vào sự phân cực của sóng và tính chất điện môi của đất

- Góc Brewster: Đó là góc không xảy ra phản xạ đối với thành phần thẳng

đứng hay Г bằng zero, khi đó: ׀׀

2 1

1

) sin(





 (6.15) Chú ý là góc Brewster chỉ có đối với thành phần thẳng đứng

Ví dụ:

Tính góc Brewster đối với sóng đập trên mặt đất có εr =4

Giải:

5

1 15

3 1 4

1 4 ) sin(

Mô hình khá phổ biến và dự đoán tương đối chính xác độ mạnh tín hiệu thu tại

khoảng cách vài km với bộ phát đặt cao(>50m đối với môi trường di động), cũng

như kênh microcell nhìn thấy (line-of-sight) trong môi trường thành phố

d E t d

E LOS( ', ) 0 '0 cos c ' (d>d0)

d E t

d

E g( '', ) 0 ''0 cos c '' (6.16) Khi giá trị θi nhỏ Г= -1 và

0 ''0

' 0 0 0 0

d

d E d

d E d

d E

sin2

),(

'' ' ''

' 0

t c

d d d

d E t

sin 2

sin

' ''

d

k d

h h d

d E d

Tổ hợp các phương trình trên công suất tại bộ thu ở khoảng cách d la:

242

d

h h G G P

r t t

r  (6.21)

Từ đây ta thấy rằng công suất thu khi tính đến sự phản xạ từ mặt đất giảm theo khoảng cách 40dB/decade (lớn hơn nhiều trong không gian tự do, với d lớn điều này độc lập với tần số.)

Nếu biểu diễn theo hệ số tổn hao công suất:

PL(dB)=40logd-(10logGt+10logGr+20loght+20loghr) (6.22) Khi θΔ= π hay d = (4hthr)/λ Mặt đất biểu hiện như đới Fresnel thứ nhất Khoảng cách này là một thông số khi xem xét mô hình mất mát đường truyền trên microcell

Ví dụ:

Một máy di động cách trạm gốc 5km dùng anten đơn cực đứng λ/4 với hệ

số 2,55dB để thu tín hiệu Điện trường E cách bộ phát 1km đo được là 10-3V/m Tần số sóng mang là 900MHz

a,Tìm độ dài và hệ số của anten thu

b,Tính công suất máy di động thu được (theo mô hình phản xạ đất) biết chiều cao anten phát là 50m,chiều cao anten thu là 1,5m

10 3

Hệ số anten 2,55(dB)=10log(G) hay G=100,25=1,8

b, Vì d  h t h r điện trường thu được tại khoảng cách 5km là

3 3

3 3 0

10 5 333 , 0

5 , 1 50 2 10

5

10 1 10 2 2

d E d

6

10.4,54

333,0.8,1120

10.1,113)

6.5.2 Nhiễu xạ:

Là hiện tượng sóng có thể truyền cong theo bề mặt trái đất hay vòng sau vật

cản Mặc dầu khi đó sóng suy giảm mạnh song vẫn đủ tạo nên tín hiệu có ích Hiện tượng này được giải thích bằng nguyên lý Huyghen:

Tất cả các điểm trên mặt sóng có thể được coi như các nguồn điểm tạo nên các sóng thứ cấp, những sóng này tổ hợp lại tạo nên mặt sóng mới cho hướng lan truyền mới

Theo nguyên lý này nhiễu xạ là do các sóng thứ cấp đi vào vùng che khuất,

Độ lớn của trường nhiễu xạ trong vùng che khuất bằng tổng véc tơ sóng sơ cấp ở phần không gian xung quanh vật cản

-Hình học Fresnel: Xét một mặt phẳng tưởng tượng đặt vuông góc với

đường nối bộ phát (điểm T) và bộ thu (điểm R) và có khoảng cách đến bộ phát, bộ thu là d1,d2

Hình 6.7 Các đới Fresnel

Xét 2 đường truyền : một là đi thẳng từ phát đến thu cắt mặt phẳng ở điểm

O, hai là đi đến mặt phẳng ở điểm C rồi mới đi tiếp đến điểm thu (C coi nhu nguồn điểm phát sóng thứ cấp) Khi λ<<OC=h<<d1,d2, hiệu độ dài 2 đường đi có thể ước lượng:

 

2 1

2 1 2

2 d d

d d

2 1 2

2

22

d d

d d

Sử dụng xấp xỉ tangx= x và đặtα = β + γ với β , γ là các góc nhìn của điểm

C đến phát và thu, ta có liên hệ giữa biến số h và tổng góc nhìn α:

2 1

d d

d d h

 (6.25) Trên thực tế người ta hay chuyển sang dùng biến số υ vói cách đổi biến số:

 

 11 22

2 1

2

2

d d

d d d

d

d d h

2

2



  (6.27) Hình học Fresnel hoạch định như sau: Nếu hiệu 2 đường đi này bằng λ/2, pha sai khác sẽ là π, tín hiệu tổng cộng (nếu chỉ tính 2 đường truyền này cực tiểu), nếu hiệu 2 đường truyền là λ, sai khác pha là 2π, tín hiệu tổng cộng (nếu chỉ tính 2 đường truyền sẽ là cực đại)…Xung quang điểm O trên mặt phẳng tưởng tượng có thể vẽ nhiều vòng tròn biểu thị các điểm mà qua đó đường truyền thứ 2 sai khác với đường truyền thẳng cùng một lượng, bán kinh các đường tròn này có thể tính:

2 1

2 1

d d

d d n r

xạ xảy ra theo các mức độ khác nhau nếu một số đới bị che khuất Chú ý là bán kính của các đới Fresnel phụ thuộc vị trí mặt phẳng tưởng tượng (sẽ lớn nhất khi

d1=d2), khi dịch chuyển mặt phẳng tưởng tượng này từ bộ phát đến thu các đường tròn sẽ tạo nên các mặt elipsoit

Nói chung nếu 55% đới thứ nhất tính từ tâm ra không bị che khuất thì cho

dù các đới còn lại có bị che khuất hay không đường truyền có thể coi là không bị nhiễu xạ, ngược lại có thể bộ thu phát “nhìn” thấy nhau song diện tích các đới không đảm bảo vẫn gây nên sự che khuất đường truyền

-Mô hình nhiễu xạ lưỡi dao:

Coi vật chắn như một nửa mặt phẳng vuông góc với đường nối thu phát và đường biên đường biên của nửa mặt phẳng cách đường nối thu phát một khoảng h ( Giống như hình lưỡi dao: h>0 nếu đường biên nhô cao hơn đường chuyền thẳng, h<0 nếu đường biên thấp hơn đường truyền thẳng) Địa hình đồi núi trong một số trường hợp thực tế có thể coi như mô hình này

Tại bộ thu sẽ là trường tổng hợp của các nguồn thứ cấp tại nửa mặt phẳng ở phía trên lưỡi dao:

E d

2

exp 2

1 ) (

2 0

(6.29) Trong đó E0 là độ mạnh của trường tự do khi không có mặt đất và “lưỡi dao” d=d1+d2. F(ν) là tích phân Fresnel phức và là hàm của biến v đã nói ở trên

Hình 6.8 Mô hình nhiễu xạ lưỡi dao

Hệ số nhiễu xạ (cũng là hệ số mất mát, vì là so với E0 là trường tham chiếu khi

không có nhiễu xạ) được tính ra dB theo công thức:

Gd(dB)=20log|F(v)| (6.30)

Và ta có đồ thị như sau:

Hình 6.9 Hệ số nhiễu xạ lưỡi dao

Trên từng đoạn của v có thể tính gần đúng theo các hàm đơn giản:

Cho đường truyền có λ=1/3m, d1=1km, d2=1km Tính mất mát nhiễu xạ với 3 trường hợp: a, h=25m b, h=0m c, h= -25m và xác định vật cản theo đới Fresnel

2 25 2

2 1

2



d d

d d h

10001000

2

252

2 2

1

2 1

d d

d d

25m

75m T

a, Bước sóng truyền là:

1 / 3

10 900

10 3







Tra đồ thị của υ hoặc tính theo hàm số đơn giản ta có mất mát nhiễu xạ là 25,5dB

b, Để mất mát nhiễu xạ là 6dB υ phải bằng zero hay β = -γ hay

12000

25

2000h  từ đây tính ra h=4,16m

- Nhiễu xạ nhiều lưỡi dao:

Nếu giữa bộ thu phát có nhiều vật cản dạng lưỡi dao, có thể thay thế bằng một lưỡi dao tương đương Có nhiều mô hình tương đương khác nhau trong đó mô hình Bullington cho ở dạng như sau