Bài giảng Kỹ thuật chế áp và bảo vệ điện tử bài 2

MỞĐẦUBài giảng trang bịcác kiến thức cơ bản vềtương quannăng lượng khi chếáp thông tin vô tuyến.Phần IPhương trình chế áp thông tin vô tuyếnhái niệm phương trình chếáp vô tuyếnhái niệmPhương trình chếáp các đường thông tin vô tuyến (phương trình cựlythông tin khi chếáp vô tuyến) là biểu thức đại sốxác định mối liên hệgiữa cáctoạđộvà tham sốcủa máy phát, máy thu thông tin và máy phát nhiễu, nó chophép xác định tại mỗi điểm trong không gian tỷsốK= (PnPs)vgiữa công suấtnhiễu và công suất tín hiệu có ích tại đầu vào máy thu. Vịtrítương đối của máythu, máy phát tín hiệu,máy phát nhiễu được minhhọatrên hình 4.16. Tại cácđiểm O, S bốtrí máy phát và máy thu của đường thông tin vô tuyếncầnchếáp, tại điểm Nbốtrí máy phát nhiễu.

3

MỞ ĐẦU

Bài giảng trang bị các kiến thức cơ bản về tương quan năng lượng khi chế

áp thông tin vô tuyến

Phần I Phương trình chế áp thông tin vô tuyến

I Khái niệm phương trình chế áp vô tuyến

A Khái niệm

Phương trình chế áp các đường thông tin vô tuyến (phương trình cự ly thông tin khi chế áp vô tuyến) là biểu thức đại số xác định mối liên hệ giữa các toạ độ và tham số của máy phát, máy thu thông tin và máy phát nhiễu, nó cho

phép xác định tại mỗi điểm trong không gian tỷ số K = (P n /P s)v giữa công suất nhiễu và công suất tín hiệu có ích tại đầu vào máy thu Vị trí tương đối của máy thu, máy phát tín hiệu, máy phát nhiễu được minh họa trên hình 4.16 Tại các điểm O, S bố trí máy phát và máy thu của đường thông tin vô tuyến cần chế

áp, tại điểm N - bố trí máy phát nhiễu

xs

ys

x

y

S

R

Hình 1 Vị trí tương đối của máy thu cần chế áp,

máy phát tín hiệu và nhiễu

Căn cứ vào phương pháp chế áp vô tuyến chúng ta sẽ xem xét phương trình chế áp vô tuyến trong các trường hợp: sử dụng máy phát nhiễu cố ý; sử dụng máy phát nhiễu chuyển tiếp

II Phương trình chế áp khi sử dụng máy phát tạo nhiễu cố ý

Công suất tín hiệu tại đầu vào máy thu xác định bởi biểu thức:

4

2

(4 )

t sv

P G G P

R L L





trong đó:

P - công suất phát thông tin;

G - hệ số khuếch đại anten phát về hướng máy thu;

G t - hệ số khuếch đại anten thu về hướng máy phát;

 - bước sóng, R - khoảng cách máy phát và máy thu thông tin (R = Ds);

L s - hệ số suy hao bổ sung trong kênh thông tin vượt trội so với lan truyền trong không gian tự do;

L t - hệ số suy hao tín hiệu trong máy thu

Công suất nhiễu tại đẩu vào máy thu cần chế áp (trong dải thông phần tuyến tính của máy thu) là:









2 2

(4 )

P

trong đó:

P n - công suất phát nhiễu;

G n - hệ số khuếch đại anten máy phát nhiễu;

G tn - hệ số khuếch đại anten thu về hướng máy phát nhiễu;

D n - khoảng cách giữa máy phát nhiễu và máy thu cần chế áp;

L n - hệ số suy hao nhiễu do ảnh hưởng của môi trường truyền sóng vượt trội so với truyền lan trong không gian tự do;

L tn - hệ số suy hao tín hiệu nhiễu trong máy thu;

n

 - hệ số trùng phân cực của tín hiệu và nhiễu;

 - hệ số chất lượng của nhiễu;

f t - dải thông máy thu thông tin;

f n - độ rộng phổ nhiễu

Phương trình chế áp có dạng:

5



2 2

n

K

Giả sử rằng cấu trúc tín hiệu và nhiễu trùng nhau, suy hao tín hiệu/nhiễu trong máy thu là như nhau (n =1; L t = L nt), biểu thức trên được viết lại như sau:





2 2

K

Để chế áp hiệu quả các mục tiêu bằng nhiễu vô tuyến, tỷ số công suất nhiễu/tín hiệu tại đầu vào máy thu cần lớn hơn giá trị giới hạn, giá trị này là hệ số

chế áp Hệ số chế áp (K CA) phụ thuộc vào dạng tín hiệu và dạng nhiễu, phương pháp thu được sử dụng Do đó tỷ lệ cự ly từ máy phát nhiễu đến máy thu và cự ly thông tin được giới hạn bởi giá trị:



 0

0

Khi các tuyến truyền lan tín hiệu và nhiễu khác nhau, hệ số L s , L n phụ

thuộc vào D s và D n tương ứng Việc tính toán chính xác công suất tín hiệu (nhiễu) tại đầu vào máy thu cần tính đến độ cong của mặt đất, bước sóng công tác, độ cao anten, vật cản, hiện tượng truyền lan nhiều tia và các yếu tố khác Trong phần lớn các trường hợp độ suy hao tín hiệu phụ thuộc hàm mũ vào khoảng cách truyền lan:

trong đó: c - hệ số tỷ lệ không phụ thuộc vào D, nhưng là hàm của các tham số

khác như độ cao anten Giả sử độ rộng phổ nhiễu bằng dải thông máy thu

Khi tính đến các yếu tố trên, tỷ lệ công suất nhiễu và công suất tín hiệu tại đầu vào máy thu có dạng:



n

m

K

trong đó:

c s , c n - hệ số tỷ lệ của độ suy hao tín hiệu và nhiễu không phụ thuộc vào khoảng cách;

n, m - hệ số mũ của hàm phụ thuộc độ suy hao tín hiệu, nhiễu vào

khoảng cách;

6

 - hệ số chất lượng của nhiễu, tính đến sự khác biệt của nhiễu so với tạp trắng Gauss

Khi kích thước vùng bố trí đường thông tin và máy phát nhiễu khá nhỏ có

thể giả sử rằng điều kiện lan truyền tín hiệu, nhiễu thực tế là như nhau, c n = c s và

n = m Mặt khác, với đặc điểm sử dụng các mạng thông tin vô tuyến anten thu thông tin thường là anten vô hướng G t = G tn, ta có:



.

n n n

n s

CA

P G

Đối với các đường thông tin cấp chiến thuật - chiến dịch thường tính đến

ảnh hưởng của mặt đất, trong trường hợp đó chỉ số mũ n = 4 Trong trường hợp

nâng độ cao anten máy phát nhiễu (hay máy phát thông tin) ví dụ khi đặt trên

máy bay có thể bỏ qua ảnh hưởng của mặt đất, chỉ số suy giảm m (n)  2 [4]

Giả sử rằng n 

s

D a

D ta hãy xác định giới hạn vùng chế áp theo các toạ độ

x, y như đã chỉ ra trên hình 1 Trong thực tế thông thường vị trí máy thu cần

chế áp không biết trước Để xác định vùng chế áp giả sử rằng vị trí máy phát thông tin (sở chỉ huy) đã biết trước và được chọn là gốc toạ độ O như trên

hình 1 Khoảng cách R giữa đài nhiễu và sở chỉ huy được chọn nhỏ nhất trong

các giá trị cho phép Khi đó giới hạn vùng chế áp có thể được xác định theo phương trình sau:

Sau khi biến đổi nhận được:

2

Đây là phương trình đường tròn có bán kính R n = |a.R/(a 2 – 1)| với tâm

ở điểm X 0 = a 2 R/(a 2 – 1), Y 0 = 0

III Chế áp vô tuyến các đường thông tin bằng máy phát nhiễu chuyển tiếp

Máy phát nhiễu chuyển tiếp thực hiện thu tín hiệu thông tin, điều chế nhiễu bổ sung vào tín hiệu thu, khuếch đại đến mức cần thiết và bức xạ nó về hướng máy thu cần chế áp Khi lan truyền trong không gian tự do, có thể nhận

7

được biểu thức công suất tín hiệu tại đầu vào máy thu thông tin (Psv) và tại đầu vào máy phát nhiễu chuyển tiếp:

n

trong đó:

PG - công suất bức xạ của máy phát thông tin

G t, G t ’ - hệ số khuếch đại anten máy thu về hướng máy phát thông tin và máy phát nhiễu chuyển tiếp tương ứng;

G tr - hệ số khuếch đại anten thu của bộ chuyển tiếp về phía máy phát

thông tin;

k a - hệ số khuếch đại của bộ chuyển tiếp;

G pr - hệ số khuếch đại anten phát của bộ chuyển tiếp về hướng máy thu cần chế áp;

R - khoảng cách từ máy phát thông tin đến bộ phát đáp;

D s - khoảng cách từ máy phát đến máy thu thông tin;

D n - khoảng cách từ máy phát nhiễu chuyển tiếp đến máy thu thông tin

Do đó tỷ số nhiễu/tín hiệu tại đầu vào máy thu cần chế áp:

(4 )

p





trong đó: k pđ = G tr k a G pr - hệ số khuếch đại tổng cộng của bộ phát đáp

Trong biểu thức (12) đưa vào hệ số cự ly bảo vệ kbv = Dn/Ds và nếu anten

thu của máy thu cần chế áp có dạng vô hướng G t ’ = G t và tính đến sự khác biệt phổ nhiễu và tín hiệu công suất bức xạ nhiễu được xác định như sau:

2

s

f

G P K PG k

f





Xét tương quan năng lượng khi chế áp các đường thông tin mặt đất bằng máy phát nhiễu chuyển tiếp trên mặt đất Khi đó công suất tín hiệu có ích tại đầu vào máy thu cần chế áp xác định bởi:

8

2 2

(4 )

s

c PG G P

D





Mức tín hiệu nhiễu phát đáp tại đầu vào máy thu cần chế áp:

2 2

0

n

D





Công suất bức xạ cần thiết của bộ phát đáp:

n n ( n) n n

Xét tương quan năng lượng trong trường hợp, khi tín hiệu máy phát thông tin lan truyền trong không gian tự do, còn tín hiệu nhiễu chuyển tiếp lan truyền trong điều kiện có ảnh hưởng của mặt đất (ví dụ khi đài nhiễu chuyển tiếp đặt trên mặt đất, máy thu thông tin đặt trên độ cao rất lớn như trên máy bay) Khi đó tương quan năng lượng của máy phát nhiễu chuyển tiếp như sau

Công suất bức xạ của bộ phát đáp:

2

D

R

Bằng cách tương tự có thể xác định được tương quan năng lượng cho các trường hợp khác

Phần II

Cự ly chế áp, vùng chế áp các hệ thống thông tin

vô tuyến

I Cự ly chế áp, vùng chế áp thông tin sóng cực ngắn

Đối với mỗi dạng truyền thông tin vô tuyến với việc tính toán đến sơ đồ

cụ thể của thiết bị thu thông tin có thể xác định được hệ số chế áp KCA Hệ số chế áp là tỷ số công suất nhiễu và tín hiệu nhỏ nhất tại đầu vào phần tuyến tính của máy thu (trong giới hạn giải thông) đảm bảo xảy ra méo tín hiệu có ích với xác suất cho trước Trong bảng 1 trình bày hệ số chế áp với một số dạng truyền

vô tuyến

9

Bảng 1 Giá trị hệ số chế áp, yêu cầu làm trùng tần số tín hiệu và nhiễu đối với các dạng truyền vô tuyến khác nhau

Dạng công tác

Yêu cầu độ chính xác làm trùng (Hz)

Giá trị hệ số chế áp

KCAE KCA

Báo đẳng biên (CW) 1015 0,91 0,81

Báo ma nip tần số (FSK) 1015 1,01,1 1,01,2

Báo ma nip pha (PSK) 1015 1,61,7 2,53

Thoại điều biên 150300 1,51,8 2,23,4

Thoại đơn biên 100150 3,03,3 9,010

Thoại điều tần 20003000 1,41,6 2,02,5

Vô tuyến tiếp sức FDM

(TDM)

Không nhỏ hơn 25% ∆fdt

1,41,6 (1,82,0)

2,02,5 (3,24,0)

Chú ý rằng trong bảng 1, giá trị hệ số chế áp được tính theo tỷ số cường

độ trường K CAE hoặc tỷ số công suất KCA giữa nhiễu và tín hiệu Khi không chú thích gì thêm hệ số chế áp thường được hiểu là tỷ số công suất

Trong bảng 2 chỉ ra hệ số chế áp theo công suất với các dạng điều chế khác nhau và số lượng đường vô tuyến cần chế áp đồng thời

Phân tích dữ liệu trong bảng 2 chỉ ra rằng với các dạng tín hiệu báo, hệ số chế áp không tăng khi tăng số lượng các đường vô tuyến đồng thời cần chế áp Điều đó đảm bảo do đặc điểm xây dựng thiết bị thu các dạng tín hiệu này, tín hiệu nhiễu có thể đồng thời tác động đến bộ giải điều chế (tách sóng) của một vài kênh thông tin khi sử dụng nguyên tắc rời rạc hóa tác động của nhiễu Trong trường hợp sử dụng các dạng tín hiệu thoại khi rời rạc hóa tác động của nhiễu để chế áp đồng thời một vài mục tiêu dẫn đến sự sụt giảm tỷ số công suất nhiễu/tín hiệu tại đầu ra tách sóng, do đó yêu cầu hệ số chế áp đủ lớn khi tăng số lượng mục tiêu cần chế áp đồng thời

10

Bảng 2 Giá trị hệ số chế áp với các dạng điều chế khác nhau

và số lượng các đường vô tuyến cần chế áp đồng thời

Dạng thông tin

Số lượng đường thông tin cần chế áp đồng thời

1 kênh 2 kênh 3 kênh 4 kênh Báo đẳng biên 0,8 ÷ 1 0,8 ÷ 1 0,8 ÷ 1 0,8 ÷ 1 Báo ma nip tần số 1,0 ÷ 1,2 1,0 ÷ 1,2 1,0 ÷ 1,2 1,0 ÷ 1,2 Báo ma nip pha 2,5 ÷ 3 2,5 ÷ 3 2,5 ÷ 3 2,5 ÷ 3 Thoại điều biên AM 2,2 ÷ 3,4 3,3 ÷ 5,1 5,5 ÷ 8,5 8,8 ÷ 13,6 Thoại đơn biên 9,0 ÷ 10 10,3 ÷ 11,5 13,5 ÷ 15 18 ÷ 20 Thoại điều tần 2,0 ÷ 2,5 3,2 ÷ 4,0 5,4 ÷ 6,7 8,0 ÷ 10 Biết giá trị hệ số chế áp cho phép thực hiện chế áp các đường thông tin vô tuyến với tiêu tốn năng lượng nhỏ nhất và xác định được giới hạn và kích thước vùng không gian (vùng chế áp) bị tác động bởi nhiễu Thực hiện tính toán để xác định vùng chế áp cho phép bố trí hợp lý các đài nhiễu khi tiến hành các hoạt động tác chiến Trước hết ta xây dựng công thức tính toán cự ly chế áp cho các đường thông tin sóng cực ngắn Theo biểu thức (8) đối với các đường thông tin

sóng cực ngắn cấp chiến thuật, hệ số mũ suy giảm n = 4 Với giả sử rằng hệ số

chất lượng của nhiễu  = 1, cự ly chế áp và cự ly thông tin liên hệ với nhau qua biểu thức sau:

4

CA

P G

P G K

trong đó: KCA - hệ số chế áp với dạng tín hiệu tương ứng

Tuy nhiên trong dải sóng cực ngắn, cự ly thông tin cũng như cự ly chế áp không vượt quá giới hạn tầm nhìn thẳng có tính đến ảnh hưởng bởi độ cong của Trái đất:

0 4,12.( n s),

trong đó: h n , h s - độ cao anten máy phát nhiễu, máy thu thông tin (m);

11

D 0 - cự ly tầm nhìn thẳng (km)

Khi tính đến ảnh hưởng của địa hình cự ly tầm nhìn thẳng bị suy giảm đi,

do đó cự ly nhìn thẳng thực tế là:

0

(0,8 0,9)

nt

Do đó cự ly chế áp được xác định bởi giá trị nhỏ nhất trong các giá trị tính theo công thức (18) và (20) Trong điều kiện thực tế cự ly chế áp các đường thông tin sóng cực ngắn cấp chiến thuật thường giới hạn bởi biểu thức: D n  3D s

Giả sử vị trí máy phát thông tin và máy phát nhiễu đã xác định (xem hình

2 với R cho trước) ta có thể xây dựng được vùng chế áp, tức là vùng có thể bố trí

các máy thu thông tin mà ở đó chúng cần chế áp bởi đài nhiễu

Khi sử dụng các anten vô hướng, vùng chế áp sẽ có giới hạn xác định bởi một hình tròn, bán kính của nó xác định theo biểu thức (18), (20)

Giả sử cự ly chế áp được tính theo công thức (18), khi đó đường tròn giới hạn vùng chế áp có bán kính:

2

,

n

a R R

a



với 4

CA

P G a

P G K



Khi sử dụng anten có hướng, vùng chế áp sẽ có dạng khác với hình tròn

và phụ thuộc vào giản đồ hướng anten

Ngoài phương pháp sử dụng công thức cự ly chế áp, vùng chế áp được xác định thông qua các lược đồ hoặc bảng biểu đã tính toán trước cho một số dạng tham số chuẩn hóa về các đài nhiễu, đường thông tin, trong trường hợp tham số thực tế chọn các đồ thị và bảng có tham số gần nhất với các tham số của đường thông tin, điện đài và máy phát nhiễu

Ví dụ 1

Tính toán cự ly chế áp, chiều sâu chế áp các đường thông tin sóng cực ngắn trong mạng chỉ huy “sở chỉ huy lữ đoàn phòng không - sở chỉ huy tiểu đoàn pháo phòng không “Hawk” dùng điện đài AN/VRC - 46 khi cự ly liên

lạc D s = 10 km đối với chế độ làm việc 1 kênh và 3 kênh đồng thời

Trước hết cần xác định các tham số của đường thông tin với loại điện đài

đã cho: P s = 40 W, anten phát có hệ số khuếch đại anten G s = 1,3, cự ly bố trí

12

sở chỉ huy tiểu đoàn pháo phòng không cách đường tiền duyên 4  6 km, độ

cao anten h s = 3 m, tín hiệu sử dụng là tín hiệu thoại điều tần

Đài nhiễu sử dụng là đài R – 330 T, công suất P n = 1000 W, hệ số khuếch

đại anten G n = 1,8, độ cao anten máy phát nhiễu h n = 16 m

Cự ly tầm nhìn thẳng: D0  4,12.( 16  3)  23,6 km.

Tính đến suy giảm do địa hình D n = 0,85.D0 = 20 (km)

Khi chế áp một kênh thoại điều tần, hệ số chế áp KCA = 2,0

 4 1000.1,8 

40.1,3.2

n

Như vậy cự ly chế áp tính theo (20) gần bằng cự ly giới hạn tầm nhìn

thẳng D n = 20 (km)

Độ sâu chế áp D CA = D n - D dt = 20 - 4 = 16 (km)

Khi chế áp 3 kênh thoại điều tần, KCA = 5,4, theo biểu thức (18) ta có:

 4 1000.1,8 

40.1,3.5, 4

n

Rõ ràng cự ly chế áp nhỏ hơn tầm nhìn thẳng

Độ sâu chế áp D CA = 11,8 (km)

II Cự ly chế áp, vùng chế áp thông tin sóng ngắn

Đối với các đường thông tin sóng ngắn cấp chiến thuật, cự ly thông tin không quá lớn, sử dụng phương thức truyền sóng đất Phương pháp xác định cự ly chế áp, vùng chế áp tương tự như đối với trường hợp sóng cực ngắn ngoại trừ giới hạn tầm nhìn thẳng Cự ly chế áp các đường thông tin sóng ngắn cấp chiến thuật được xác định theo công thức (18) với hệ số chế áp được xác định theo bảng 1 Ngoài ra có thể sử dụng phương pháp lược đồ hay bảng giá trị

Với các đường thông tin sóng ngắn cấp chiến dịch thường sử dụng phương thức truyền sóng không gian trong tầng điện ly (sóng trời), việc tính toán cự ly thông tin và cự ly chế áp khá phức tạp do cần tính đến khả năng suy giảm tín hiệu khi phản xạ từ tầng điện ly và mặt đất Hơn nữa điều kiện truyền sóng, tham số của tầng điện ly liên tục thay đổi theo thời gian trong ngày (ngày, đêm), thời gian trong năm Các tham số này thường được cung cấp bởi các số liệu thực nghiệm

Công thức thực nghiệm để tính cường độ trường của tín hiệu (hoặc nhiễu) như sau: