Tính toán thiết kế hướng tuyến truyền dẫn hệ thống Viba số mặt đất

Tính toán thiết kế hướng tuyến truyền dẫn hệ thống Viba số mặt đất Tính toán thiết kế hướng tuyến truyền dẫn hệ thống Viba số mặt đất Tính toán thiết kế hướng tuyến truyền dẫn hệ thống Viba số mặt đất luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

Bộ giáo dục và đào tạo

Tr-ờng Đại học bách khoa hà nội

-Phi trọng hợp

tính toán thiết kế tuyến truyền dẫn hệ thống viba số mặt đất

Chuyên ngành: Điện tử - Viễn thông

Luận văn thạc sỹ Điện tử-viễn thông

Ng-ời h-ớng dẫn khoa học:

GS.TS Trần Đức Hân

Hà nội - 2004

1.2.4 Quy ho¹ch kªnh tÇn sè VT§ cña ViÖt nam cho c¸c nghiÖp vô cè

4.6 PhÇn mÒm øng dông tÝnh to¸n can nhiÔu vµ tû sè b¶o vÖ

- M· nguån ch-¬ng tr×nh tÝnh to¸n can nhiÔu

- Gi¸ trÞ hÖ sè khÝ hËu PL cña 4 th¸ng ®iÓn h×nh trong n¨m

Danh mục hình vẽ

2.3 Giản đồ phát xạ anten viba(Nguồn Andrew corporation) 18 2.4 Mối quan hệ giữa đ-ờng kính anten và độ rộng búp sóng 20

2.7 Mối quan hệ giữa chỉ số tạp âm và nhiệt độ tạp âm(Nguồn:

Panter, 1972, “Communication Systems Design”, Hình 6-6,

Mcraw Hill)

24

3.1 Suy hao không gian tự do giữa các bộ phát xạ đẳng h-ớng 27 3.2

Suy hao không gian tự do theo tần số và khoảng cách 28

3.8 Mặt cắt trái đất t-ơng đ-ơng ứng với các giá trị k 35 3.9 Giá trị ke v-ợt quá 99.9% đối với tháng xấu nhất(Nguồn:

ITU, khuyến nghị ITU-R P.530-7, hình 2)

37

3.11

sóng viba

47

4.1 Đ-ờng truyền số tham chiếu giả thiết theo khuyến nghị

ITU-T G.826

62

4.2 Đ-ờng truyền tham chiếu giả thiết đối với hệ thống vô

tuyến số theo ITU-R

63

4.7 So sánh suy hao truyền dẫn đối với các bộ phản xạ thụ

động

77

4.8 Họ đ-ờng cong hiệu suất mặt phản xạ(Nguồn: Panter,

1972, “Communication Systems Design”, Mcraw Hill)

78

4.9 Các bộ phản xạ thụ động đôi, đặt gần nhau(Nguồn: Panter,

1972, “Communication Systems Design”, Mcraw Hill)

Danh mục bảng biểu

4.1 Mối quan hệ giữa độ tin cậy hệ thống với thời gian gián đoạn 60 4.2 Thời gian gián đoạn đối với nhiều loại hình truyền dẫn 61 4.3 Giá trị hệ số C0 theo từng loại địa hình và độ cao anten 67

ViÕt t¾t tiÕng anh

BBER Background Block Error Ratio

B-ISDN Broadband Integrated Services Digital Network

BPSK Binary Phase Shift Keying

C/I Carrier to Interference ratio

C/N Carrier to Noise ratio

CCIR International Radio Consultative Committee

CCITT International Telegraph and telephone Consultative Committee CDMA Code-division Multiplexer

DECT Digital European Cordless Telecommunication

EIRP Equivalent Isotropic Radiated Power

ETSI Europen Telecommunications Standards Institude

GSM Global System for Mobile communication

IFRB International Frequency Registration Board

IMT International Mobile Telecommunications

ISDN Integrated Services Digital Network

ITU-R International Telecommunications Union - Radio

PDh Plesiochronous Digital Hierarchy

QAM Quadrature Amplitude Modulation

S/I Signal to Interference ratio

S/N Signal to Noise ratio

SESR Severely Errored Second Ratio

SONET Sychronous Optical Network

TDMA Time-division Multiple Access

TETRA Terrestrial Trunked Radio Standard

WARC World Administrative Radio Conference XPD Cross Polarisation Discrimination

Lời nói đầu

Những năm gần đây, viễn thông quốc tế và quốc gia đã có sự phát triển nhanh chóng về công nghệ, ứng dụng và các chính sách Một trong những tác

động đầu tiên đó là sự tự do hoá thị tr-ờng viễn thông từ độc quyền thành tự

do hoá cạnh tranh d-ới sự quản lý của nhà n-ớc tạo điều kiện cho các doanh nghiệp viễn thông mới tấn công mạnh mẽ vào thị tr-ờng viễn thông Một yếu

tố góp phần tác động lên sự thay đổi này đó là sự phát triển nhanh chóng của công nghệ kỹ thuật số – làm hoàn hảo hơn vấn đề truyền dẫn và quản lý thông tin, nâng lên bậc cao hơn về hiệu quả và độ tin cậy Một ví dụ điển hình

đó là hiện t-ợng phát triển lớn mạnh, hiệu quả của hệ thống thông tin di động

và các hệ thống vô tuyến mới khác cũng nh- sự tăng số l-ợng mạng thông tin liên kết

Hệ thống vô tuyến số nói chung và viba số mặt đất nói riêng đã trở thành bộ phận trung tâm trong cuộc cách mạng viễn thông đó Các tuyến viba

số dùng để kết nối mạng nội hạt với trung kế x-ơng sống, hoặc trở thành một

bộ phận của mạng riêng quốc gia và quốc tế hoặc cung cấp truy cập tới các mạng chuyển mạch công cộng Với nhiều -u điểm nổi trội, viba số mặt đất đã trở thành một phần không thể thiếu đ-ợc trong mạng viễn thông, tuy ch-a thể

so sánh đ-ợc với thông tin hữu tuyến nh- cáp quang về dung l-ợng, ổn định

và tin cậy nh-ng với chất l-ợng chấp nhận đ-ợc, giá thành rẻ, khả năng triển khai nhanh chóng, khắc phục đ-ợc các yếu tố địa hình, viba số vẫn d-ợc sử dụng rộng rãi

Trong phạm vi luận văn này, tôi chỉ xin đ-ợc đề cập một phần nhỏ của thông tin viba số, giới hạn từ anten phát qua môi tr-ờng truyền sóng đến anten thu, bao gồm các ch-ơng sau:

Ch-ơng 1: Tổng quan về viba số và các ứng dụng

Ch-ơng 2: Anten

Ch-ơng 3: Truyền sóng trong thông tin viba số mặt đất

Ch-ơng 4: Thiết kế tuyến và tính toán can nhiễu

Trong quá trình làm luận văn này, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Điện tử-Viễn thông, Đại học Bách khoa Hà nội, các đồng nghiệp ở Bộ B-u chính, Viễn thông; Cục Tần số Vô tuyến điện đã giúp đỡ, tạo

điều kiện để cho tôi có thể hoàn thành đ-ợc yêu cầu đề ra

Xin đặc biệt cảm ơn chân thành đến GS-TS Trần Đức Hân, ng-ời thầy

đã h-ớng dẫn, chỉ bảo, định h-ớng về nội dung, đ-ờng lối, ph-ơng pháp giúp tôi hoàn thành luận văn này

Hà nội 9/2004

Học viên

Phi Trọng Hợp

Viba ở đây đề cập đến là các tuyến điểm-điểm mà hoạt động ở chế độ song công Có nghĩa là mỗi kênh vô tuyến(RF) gồm một cặp tần số cho h-ớng phát và thu t-ơng ứng Tín hiệu băng gốc(BS), chứa thông tin ng-ời sử dụng, chiếm giữ một băng thông giới hạn phụ thuộc vào ph-ơng thức điều chế sử dụng Tín hiệu này đ-ợc điều chế vào sóng mang RF, sau đó đ-ợc truyền đi trong không gian Phổ của sóng điện từ đ-ợc minh họa trong bảng 1.1 Tần số dùng cho viba là từ 300MHz đến 60GHz

Hình 1.1 – Sơ đồ một đ-ờng truyền viba đơn giản nhất

Bảng 1.1 – Tần số và các ứng dụng

1.2.1 Liên minh viễn thông quốc tế ITU

Phổ tần số vô tuyến điện là một nguồn tài nguyên quý và hữu hạn do đó phải đ-ợc sử dụng một cách có hiệu quả và tiết kiệm Nhiều nghiệp vụ nh- di

động, vệ tinh, phát thanh truyền hình, viba mặt đất… phải chia sẻ chung phổ tần này

Mỗi nghiệp vụ phải đ-ợc phép mở rộng và phát triển mà không gây can nhiễu cho các nghiệp vụ khác Nhiệm vụ phân bổ và kiểm soát các phần phổ vô tuyến đó là trách nhiệm của Tổ chức liên minh viễn thông quốc tế ITU ITU là một tổ chức quốc tế do Liên Hợp Quốc thành lập Hai nhánh chính của ITU là ITU-T: tổ chức về viễn thông và ITU-R: tổ chức về thông tin vô tuyến

Có hai tổ chức thuộc ITU-R thực hiện nhiệm vụ về phối hợp tần số là:

+ Hội nghị quản trị vô tuyến thế giới(WARC): có nhiệm vụ phân bổ các băng tần nhất định cho các nghiệp vụ hiện thời và t-ơng lai

+ ủy ban điều lệ vô tuyến (RRB)(tr-ớc đây gọi là ủy ban đăng ký tần số quốc tế- IFRB): có nhiệm vụ đ-a ra các quy tắc quốc tế cho việc ấn định tần số vô tuyến trong các băng tần do WARC đ-a ra Thành viên của RRB đ-ợc bầu và họp bốn lần trong một năm, thông th-ờng tại Geneva ITU chia thế giới thành

3 vùng chính, nh- đ-ợc mô tả trong hình 1.2 Vùng 1 bao gồm Châu Âu, châu

Phi và hiệp hội các quốc gia độc lập(CIS), vùng 2 gồm Bắc và Nam Mỹ, vùng

3 gồm châu á, châu úc và Thái Bình D-ơng

Sự phát triển của các nghiệp vụ qua vệ tinh đã làm cho băng tần viba mặt đất thu hẹp lại Một ví dụ điển hình là băng 23GHz đ-ợc dành cho dịch vụ truyền hình số trực tiếp tới hộ gia đình(DTH), sự phát triển của thông tin di

động chẳng hạn nh- IMT2000…

Bảng 1.2 - Một số băng tần dành cho viba

2 GHz 1.7-2.7 GHz Dành cho các dịch vụ di động nh- IMT2000…

4 GHz 3.8-4.2GHz Dành cho khai thác công cộng, dung l-ợng cao

6 GHz 5.9-7.1 GHz Dành cho khai thác công cộng, dung l-ợng cao 7/8 GHz 7.1-8.5 GHz Dành cho tuyến dài, dung l-ợng cao hoặc trung

Dành cho dung l-ợng thấp hoặc trung bình

15GHz 14.4-15.4GHz Dành cho tất cả các dung l-ợng

18GHz 17.7-19.7GHz Dành cho khai thác công cộng truyền thống,

dung l-ợng thấp hoăch trung bình 23GHz 21.1-23.6GHz Dành cho tất cả các dung l-ợng

26GHz 24.5-26.5GHz Dành cho tất cả các dung l-ợng

38GHz 37-39.5GHz Dành cho tất cả các dung l-ợng

Hình 1.2 – Phân vùng thế giới của ITU

1.3.1 Tại sao lại sử dụng vô tuyến

Yêu cầu về các hệ thống truyền dẫn với chất l-ợng cao, giá thành hợp lý

đang tăng nhanh theo sự phát triển của viễn thông trên thế giới Ngoài ra sự ra

đời và phát triển nhanh chóng của l-u l-ợng số liệu từ mạng IT đã dẫn đến sự

ra đời của các mạng số mới dựa trên các tiêu chuẩn nh-: SDH, GSM, DECT

và tiêu chuẩn vô tuyến trung kế mặt đất(TETRA)

Mối quan tâm đầu tiên của các nhà quy hoạch mạng phải đối mặt là sử dụng môi tr-ờng truyền dẫn nào Các nhà khai thác viễn thông công cộng(PTO) trên thế giới đ-a ra dịch vụ thuê kênh riêng tốc độ cao dựa trên thông tin vệ tinh Mạng cáp quang cũng thu hút đ-ợc nhiều mối quan tâm do khả năng chống tạp âm và băng thông không giới hạn M-ời năm tr-ớc đây nhiễu ng-ời cho rằng cáp quang hoàn toàn thay thế hệ thống vô tuyến Đối với mạng x-ơng sống dung l-ợng cao, điều này là sự thật, nh-ng đối với phần truy cập của mạng, hệ thống vô tuyến có sự phát triển ch-a từng có

Các hệ thống vô tuyến th-ờng rẻ hơn vệ tinh và dịch vụ thuê kênh riêng

và có nhiều -u điểm so với cáp Hệ thống vô tuyến có giá thành thấp tại các dung l-ợng thấp Các hệ thống cáp có giá thành tăng tuyến tính – khoảng cách truyền càng xa thì giá thành càng tăng - bởi vì hầu hết giá thành ở trong bản thân cáp Đối với các hệ thống vô tuyến thì giá thành tăng theo b-ớc tỷ lệ thuận với số bộ lặp yêu cầu, do đó rẻ hơn cho các tuyến dài Hệ thống viba thiết lập dễ dàng và nhanh chóng mà không ảnh h-ởng tới địa hình xung quanh, đối với địa hình phức tạp thì vô tuyến là sự lựa chọn tối -u

Sự thành công của mạng mới th-ờng phụ thuộc vào các nhà khai thác mạng đ-a ra dịch vụ mới nhanh nh- thế nào Và hệ thống vô tuyến là phù hợp cho việc triển khai nhanh chóng dịch vụ đó Một -u điểm nữa của viba là các thiết bị có thể đ-ợc tái sử dụng, khi cáp quang đ-ợc lắp đặt và triển khai nó sẽ

đ-ợc điều chuyển đến nơi khác phù hợp hơn Do đó giá thành đầu t- sẽ giảm

Hệ thống viba rất thích hợp nếu có tai họa nh- động đất, lũ lụt… xảy ra vì nó đ-ợc triển khai nhanh chóng

Một số giới hạn chính của hệ thống viba là yêu cầu về tầm nhìn thẳng giữa hai điểm đặt, phổ tần hữu hạn và đắt, chất l-ợng ch-a đạt yêu cầu nếu có biến động về thời tiết…

1.4.1 Một số ứng dụng của viba

Theo truyền thống, viba đ-ợc sử dụng cho các tuyến trung kế tốc độ cao, chúng dần dần đ-ợc thay thế bởi cáp quang để có băng thông rộng hơn Tuy nhiên viba vẫn còn đ-ợc sử dụng ở phần dung l-ợng thấp hơn của mạng

Có nhiều ứng dụng mạng trong đó vô tuyến là môi tr-ờng lý t-ởng nh- đã đề cập ở trên Một số ứng dụng tiêu biểu của nó là:

1.4.1.1 Tuyến cố định

1.4.1.2 Mạng chuyên dùng

Hình 1.3 – Sơ đồ mạng vô tuyến điển hình

Hình 1.4– Sơ đồ mạng chuyên dùng điển hình

1.4.1.3 Mạng phát thanh, truyền hình

Mạng này yêu cầu kết nối nhiều bộ lặp với trạm truyền dẫn khu vực, quốc gia Sóng vô tuyến là sự lựa chọn hấp dẫn bởi vì các trạm phát truyền hình th-ờng đ-ợc đặt trên các đỉnh núi Một mạng truyền hình điển hình đ-ợc minh họa trong hình 1.5

1.4.1.4 Mạng di động

Hình 1.5– Sơ đồ mạng truyền hình điển hình

Hình 1.6 – Sơ đồ mạng di động tế bào điển hình

1.2 Quy hoạch phổ tần số vô tuyến điện

Phổ tần số VTĐ là nguồn tài nguyên thiên nhiên quý của nhân loại nói chung và của mỗi quốc gia nói riêng Việc sử dụng phổ tần số không hiệu quả

và quản lý phổ tần không tốt sẽ gây ra những hậu quả thiệt hại cho kinh tế, xã hội Do đó cần phải có sự phối hợp quốc tế, quốc gia đồng khai thác, quản lý theo những nguyên tắc và điều lệ chung

Quản lý phổ tần là việc kết hợp có chọn lọc một cách kỹ l-ỡng giữa quản lý hành chính và quản lý bằng các biện pháp kỹ thuật để đảm bảo, duy trì hiệu quả hoạt động của các hệ thống sử dụng phổ tần và phòng ngừa can nhiễu

1.2.1 Khái niệm công tác quy hoạch phổ tần số VTĐ

1.2.1.1 Khái niệm

+ Quy hoạch phổ tần số VTĐ cho các nghiệp vụ

Quy hoạch phổ tần số VTĐ cho các nghiệp vụ là phân chia dải tần số từ 9KHz đến 400GHz thành các băng tần nhỏ hơn và quy định mục đích, điều kiện sử dụng các băng tần đó nhằm sử dụng hiệu quả, tiết kiệm phổ tần số VTĐ

1.2.1.2 Mục tiêu và đối t-ợng áp dụng

+ Mục tiêu:

- Tạo hành lang pháp lý cho ng-ời sử dụng máy phát và tần số VTĐ

- Đáp ứng yêu cầu của ng-ời sử dụng phổ tần

- Khai thác và quản lý phổ tần số VTĐ hợp lý, tiết kiệm, hiệu quả, hạn chế can nhiễu và bảo vệ chủ quyền phổ tần số VTĐ của quốc gia + Đối t-ợng áp dụng: Các tổ chức, cá nhân trên lãnh thổ quốc gia sử dụng, sản xuất, nhập khẩu thiết bị sử dụng hoặc có phát xạ tần số VTĐ đề phải thực hiện đúng theo quy hoạch này

1.2.2 Các nguyên tắc quy hoạch

Công tác quy hoạch dựa trên các nguyên tắc sau:

- Trên cơ sở bảng phân chia tần số theo nghiệp vụ của ITU

- Bổ sung kết quả của các hội nghị thông tin vô tuyến thế giới và khu vực, tham khảo kinh nghiệm của các n-ớc khác

- Hiện trạng sử dụng phổ tần số VTĐ, bản quy hoạch phải đảm bảo việc chuyển đổi từ hiện trạng sang quy hoạch với chi phí thấp nhất

và không làm ảnh h-ởng đến hoạt động của các mạng thông tin quan trọng

- Ưu tiên dành băng tần cho các công nghệ mới, đáp ứng nhu cầu về phổ tần số cho các nghiệp vụ trong thời gian dài(10-15 năm)

- Dành riêng một số băng tần cho an ninh, quốc phòng và công ích xã hội

1.2.3 Nội dung quy hoạch

Nội dung chính của công tác quy hoạch tần số là xây dựng bảng phân

bổ tần số VTĐ cho các nghiệp vụ trên cơ sở điều chỉnh bảng phân bổ tần số VTĐ của ITU cho phù hợp với điều kiện sử dụng phổ tần của quốc gia

1.2.3.1 Cấu trúc bảng phân bố tần số của ITU

Bảng phân bố tần số của ITU chia thế giới thành 3 khu vực Việt nam thuộc vùng 3 ITU chia phổ tần số VTĐ từ 3KHz đến 3000GHz thành 9 băng tần: VLF, LF, MF, VHF, UHF, SHF và EHF Việc chia các băng tần này dựa vào đặc tính điện từ của mỗi băng

Trong bảng phân bổ tần số của ITU(bảng 1.3) có 3 cột, mỗi cột t-ơng ứng với một khu vực Nếu một nghiệp vụ chiếm toàn bộ bề rộng của 3 cột thì nghiệp vụ đó đ-ợc sử dụng trên phạm vi toàn thế giới

Băng tần đ-ợc ghi ở phía trên, góc trái của bảng

Các nghiệp vụ đ-ợc ghi bằng chữ hoa là nghiệp vụ chính

Các nghiệp vụ đ-ợc ghi bằng chữ th-ờng là nghiệp vụ phụ

Bảng 1.3 – Cấu trúc bảng phân bố phổ tần của ITU băng (450-470)MHz

455-456

Cố định L-u động

459-460

Cố định L-u động

L-u động Khí t-ợng qua vệ tinh(chiều từ không gian đến trái đất)

1.2.3.2 Cấu trúc bảng phân bố tần số của Việt nam

Bảng phân bố tần số của Việt nam(bảng 1.4) chia thành 3 cột

Cột 1: Băng tần phân cho các nghiệp vụ

Cột 2: Các nghiệp vụ đ-ợc phép khai thác trong băng tần ở cột 1 với các điều kiện do ITU quy định cho vùng 3

Cột 3: Các nghiệp vụ đ-ợc phép khai thác trong băng tần ở cột 1 với các điều kiện do Việt nam quy định

Nghiệp vụ chính đ-ợc ghi bằng chữ hoa

Nghiệp vụ phụ đ-ợc ghi bằng chữ th-ờng

Các đài thuộc nghiệp vụ phụ: không đ-ợc gây can nhiễu có hại cho các đài thuộc nghiệp vụ chính, ngay cả khi các đài thuộc nghiệp vụ chính đ-ợc ấn

định tần số sau Không thể kháng nghị nhiễu có hại do các đài thuộc nghiệp

vụ chính gây ra ngay cả khi các đài thuộc nghiệp vụ chính đ-ợc ấn định tần số sau Tuy nhiên có thể kháng nghị nhiễu có hại từ các đài cùng nghiệp vụ thuộc nghiệp vụ phụ khác mà tần số của các đài gây nhiễu đ-ợc ấn định sau

Các ký hiệu chữ “V” kèm theo số thứ tự ở hàng dưới cùng trong một ô của cột thứ 3 để chỉ dẫn các chú thích riêng của Việt nam và chỉ áp dụng cho các nghiệp vụ đó

Các số ghi ở hàng d-ới cùng trong một ô để chỉ dẫn các chú thích của ITU áp dụng cho tất cả các nghiệp vụ trong ô

Bảng 1.3 – Cấu trúc bảng phân bố phổ tần của Việt nam băng (450-470)MHz

Băng tần(Mhz) Phân chia của ITU cho khu

L-u động

Cố định L-u động mặt đất Pk31

L-u động

Cố định L-u động mặt đất Pk31

L-u động

Cố định L-u động mặt đất Pk31

L-u động Khí t-ợng qua vệ tinh(chiều từ không gian đến trái đất)

Cố định L-u động mặt đất Khí t-ợng qua vệ tinh(chiều

từ không gian đến trái đất) PK31

PK31: Băng tần 450-470Mhz đ-ợc dùng chung giữa các thiết bị viba ít kênh(loại viba băng hẹp, tốc độ thấp) và các thiết bị vô tuyến có khoảng cách kênh 25Khz

1.2.4 Quy hoạch kênh tần số VTĐ của Việt nam cho các nghiệp vụ cố định và l-u động mặt đất(30-30GHz)

Quy hoạch kênh tần số VTĐ là một trong những nội dung quan trọng của quy hoạch phổ tần số VTĐ Quy hoạch kênh tần số VTĐ nhằm thiết lập trật tự sử dụng kênh, thống nhất tiêu chuẩn cho các hệ thống thông tin VTĐ và tránh can nhiễu giữa các thiết bị, hệ thống và giữa các mạng, đồng thời theo kịp sự phát triển nhanh chóng của công nghệ VTĐ hiện đại trên thế giới Quy hoạch kênh giúp cho ng-ời sản xuất, nhập khẩu và sử dụng định h-ớng trong việc sản xuất, nhập khẩu và đầu t- thiết bị, giúp cho nhà quản lý dễ dàng sắp xếp trật tự các băng tần, trật tự sử dụng phổ tần và quản lý phổ tần hiệu quả, hợp lý Nội dung cụ thể của quy hoạch kênh thể hiện trong bảng phân kênh cho các nghiệp vụ cố định và l-u động mặt đất và sơ đồ phân kênh cho viba

Kênh: là một băng tần nhỏ trong một đoạn băng tần với một tần số trung tâm xác định

Phân kênh xen kẽ: là phân thêm các kênh chèn giữa các kênh chính, các tần số trung tâm của các kênh đ-ợc tính lệch đi độ rộng nửa kênh so với các tần số trung tâm của kênh chính

ở đây ta chỉ đề cập đến phân kênh cho viba thuộc dải tần từ 1GHz đến 30GHz 1.2.4.1 Các tham số tần số trong sơ đồ phân kênh

Các hệ thống cố định trong dải tần này hoạt động với quy mô liên lạc

điểm-điểm hoặc điểm-đa điểm(gọi là viba điểm-điểm và điểm-đa điểm), truyền dẫn một hoặc hai tần số

Đối với truyền dẫn một tần số, sơ đồ phân kênh đ-ợc minh họa trong hình 1.7

Trong đó:

fn là tần số trung tâm của kênh thứ n(MHz)

X là khoảng cách giữa hai kênh lân cận(MHz)

Tần số trung tâm của kênh thứ n có thể đ-ợc tính theo công thức:

fn là tần số trung tâm của kênh thứ n trong nửa d-ới của băng tần (MHz)

fn’là tần số trung tâm của kênh thứ n trong nửa trên của băng tần (MHz) Tần số trung tâm của kênh thứ n có thể đ-ợc tính theo công thức:

P

Hình 1.8 – Sơ đồ phân kênh đối với truyền dẫn hai tần số

Trong mỗi sơ đồ phân kênh:

+ Các số ghi trên sơ đồ chỉ giá trị các tham số đã đ-ợc minh họa và ghi rõ trong phần 1.2.4.1 ở trên

+ Chú thích cung cấp các thông tin sau:

➢ Khuyến nghị phân kênh của ITU làm sở cứ cho sơ đồ phân kênh

➢ Dung l-ợng truyền dẫn quy định loại dung l-ợng đ-ợc -u tiên sử dụng, trong đó dung l-ợng truyền dẫn với đơn vị tính là Mb/s áp dụng cho viba số và dung l-ợng truyền dẫn với đơn vị tính là kênh FDM áp dụng cho viba t-ơng tự

➢ Cự ly truyền dẫn tối thiểu áp dụng cho các nơi sử dụng tần số với mật

độ cao nh- các thành phố lớn, nơi đông dân c- ở các nơi khác, cự ly truyền dẫn tối thiểu do cơ quan quản lý tần số quyết định Các tuyến viba có cự ly truyền dẫn không ngắn hơn cự ly truyền dẫn tối thiểu thì mới đ-ợc phép sử dụng băng tần đó

➢ Công thức tính tần số trung tâm của các kênh tần số áp dụng cho các kênh chính Tần số trung tâm của các kênh xen kẽ(nếu có) đ-ợc tính từ các kênh chính này bằng cách lệch đi X/2(MHz) so với các kênh tần số chính lân cận t-ơng ứng Chỉ sử dụng kênh xen kẽ khi không thể ấn

định đ-ợc kênh chính

➢ Các hạn chế ấn định: Quy định các điều kiện ấn định và sử dụng các kênh tần số trong sơ đồ phân kênh

+ Bảng tần số trung tâm của các kênh chính(nếu có) liệt kê toàn bộ giá trị tần

số trung tâm của các kênh chính t-ơng ứng đ-ợc minh họa trên sơ đồ phân kênh và đ-ợc tính theo công thức trong phần chú thích

Ví dụ về phân kênh trong băng tần 1427-1535Mhz(hình 1.9)

Chú thích:

• Dựa theo khuyến nghị 1242 năm 1997

• Mục đích sử dụng: các hệ thống viba số điểm-điểm

Hình 1.9 – Sơ đồ phân kênh cho băng tần (1427-1535)MHz

2

Anten đóng một vai trò quan trọng trong thông tin viba do đó nó sẽ

đ-ợc quan tâm đầu tiên Anten cơ bản là một phần tử phát xạ có nhiệm vụ chuyển đổi năng l-ợng điện tử ở dạng điện thành sóng điện từ Bất kỳ dòng

điện nào chạy trong dây dẫn sẽ tạo ra từ tr-ờng Bất kỳ sự thay đổi nào của dòng điện cũng dẫn tới sự thay đổi từ tr-ờng Theo đó, sự tác động qua lại giữa điện tr-ờng và từ tr-ờng dẫn đến sự lan truyền điện từ tr-ờng Điện từ tr-ờng thay đổi càng nhanh thì sự phát xạ từ phần tử dẫn(anten) càng lớn

Có nhiều dạng anten phù hợp trong viba Chủ yếu th-ờng dùng là anten Parabol Đây là loại anten có tính định h-ớng cao Năng l-ợng th-ờng tập trung vào búp sóng hẹp ở anten phát và h-ớng vào anten thu – là bộ phận tập trung năng l-ợng thu theo cơ chế t-ơng tự nh- kính thiên văn

Anten mà có năng l-ợng phát xạ bằng nhau ở tất cả các h-ớng thì gọi là anten đẳng h-ớng hay là anten vô h-ớng(hình 2.1)

Coi anten phát xạ đẳng h-ớng tham chiếu có tăng ích bằng 0 Giá trị mà anten h-ớng tín hiệu theo một h-ớng nhất định đ-ợc miêu tả là tăng ích anten Khi nói đến tăng ích của anten tức là nói đến tăng ích tại búp sóng chính của anten, có nghĩa là phát xạ trực tiếp tại phía tr-ớc của anten Tăng ích đ-ợc biểu diễn nh- là tỷ số giữa mật độ công suất tham chiếu(P) của anten đẳng h-ớng và mật độ công suất theo một h-ớng nhất định mà ta quan tâm Đơn vị của tăng ích là dB Anten viba th-ờng dùng đơn vị là dBi và đ-ợc biểu diễn nh- sau:

trong đó P là mật độ công suất theo h-ớng quan tâm và Pdi là mật độ công suất của anten đẳng h-ớng Một cách khác để biểu diễn tăng ích là so sánh nó với một dipole – là bộ phận có cấu trúc vật lý t-ơng tự với bộ phát xạ

đẳng h-ớng, điều này đ-ợc thực hiện trong anten VHF, UHF, th-ờng đ-ợc biểu diễn bằng dBd

dBd = 10 log10 P/Pddtrong đó: P là mật độ công suất theo h-ớng quan tâm và Pdd là độ công suất của dipole vô h-ớng Tăng ích của anten theo dBd nhỏ hơn anten đẳng h-ớng(dBi) 2.16dB

Đối với hệ thống điểm-điểm nh- là thông tin viba, đòi hỏi anten phải có h-ớng tính cao, nói một cách khác, anten đẳng h-ớng không hiệu quả bởi vì

Hình 2.1 – Giản đồ phát xạ của anten đẳng h-ớng

năng l-ợng sẽ bị lãng phí Với anten viba, tăng ích phụ thuộc vào độ mở anten Búp sóng càng hẹp thì độ h-ớng tính càng cao và do đó tăng ích càng cao

Tăng ích của anten viba đ-ợc biễu diễn bằng công thức sau:

)

4(log10)

G = 20 log(8.1 x d x f) dBi Trong đó: d : đ-ờng kính anten(m), f : tần số(Ghz)

Hình 2.2 d-ới đây minh họa mối quan hệ giữa đ-ờng kính anten, tần số

và tăng ích với hiệu suất anten là 50% Theo hàm trên thì tăng ích sẽ tăng nếu tần số và đ-ờng kính anten tăng

Hình 2.2 – Sự thay đổi tăng ích anten theo tần số

Sơ đồ hình 2.3 minh họa giản đồ phát xạ của anten parabol Mức công suất phát xạ đo đ-ợc biểu diễn trên toàn bộ 360 độ Công suất phát xạ cực đại theo một h-ớng gọi là búp sóng chính(boresight) C-ờng độ tr-ờng búp sóng chính đ-ợc thiết kế là 0dB, do đó c-ờng độ tr-ờng tại các h-ớng khác đ-ợc tham chiếu tới giá trị cực đại đó Búp sóng chính là khá hẹp và các búp phụ, búp sóng phát xạ ra đằng sau nhỏ hơn so với búp chính Theo lý t-ởng, năng l-ợng phát sẽ chỉ ở trong búp chính, nh-ng so sự phát xạ ch-a hoàn hảo của anten parabol cũng nh- mặt phản xạ của anten gồ ghề, ch-a phẳng đã gây ra các búp sóng phụ

Một đặc điểm quan trọng nữa của anten là tỷ số F/B Tỷ số này đ-ợc

định nghĩa nh- là tỷ số của tăng ích cực đại theo h-ớng chính với tăng ích cực

đại theo h-ớng ng-ợc lại(phía sau) Trong hình trên tỷ số này có giá trị là 68dB, đây là 1 giá trị cao thể hiện chất l-ợng của anten tốt Sự phát xạ ra phía sau(backward) có ý nghĩa lớn ở khía cạnh tạp âm và nhiễu Tín hiệu tới máy thu sau khi đã phản xạ từ mặt đất phía sau anten, nó sẽ tạo ra tạp âm không

Hình 2.3 – Giản đồ phát xạ anten viba

mong muốn Thứ nữa là, tại các bộ lặp nơi mà các tần số trùng nhau đ-ợc sử dụng cho tín hiệu tới và ra khỏi anten, suy hao sẽ xảy ra giữa anten phát và thu Có thể thấy đ-ợc là, trùng tần số có thể tránh đ-ợc khi có thể, bởi vì mức công suất phát th-ờng cao hơn mức công suất thu đ-ợc ít nhất là 60dB, hiển nhiên là trong tr-ờng hợp trùng tần số phải có mức cách biệt cao giữa hai anten để tránh nhiễu xảy ra

2.2 Độ rộng búp sóng(beamwidth)

Độ rộng búp sóng là một thông số quan trọng nữa của anten, nó xác

định búp sóng chính hẹp nh- thế nào Độ rộng búp sóng nửa công suất là độ rộng của búp chính tại một nửa mật độ công suất(chẳng hạn nh- 3dB d-ới tăng ích búp chính) Tăng ích anten càng cao thì độ rộng búp sóng chính càng hẹp Tăng ích anten tăng theo một h-ớng và búp phụ giảm theo các h-ớng khác Độ rộng búp sóng của anten th-ờng giảm do tăng kích th-ớc mặt phản xạ Anten có tăng ích cao không những cải thiện dự trữ fading của tuyến mà còn giảm nhiễu từ các búp phụ Đối với anten Parabol thì độ rộng búp sóng chính đ-ợc tính theo công thức:

fD

3.21

Chú ý rằng, độ rộng búp sóng của anten 3m thì rất hẹp: nhỏ hơn 20 ở băng tần 4-6GHz Nếu anten lớn hơn đ-ợc sử dụng thì độ rộng búp sóng còn nhỏ hơn Nhiễu từ nguồn bên ngoài hoặc từ các anten bên cạnh có thể đ-ợc cực tiểu bằng việc sử dụng anten có độ rộng búp sóng nhỏ Mặc dù anten có kích th-ớc lớn có tăng ích anten cao nh-ng việc giảm độ rộng búp sóng cũng nảy sinh một số vấn đề Hai anten của một tuyến phải đ-ợc cân chỉnh(align) -

động tác làm cho 2 anten nhìn thẳng vào nhau - một cách chính xác; búp sóng càng hẹp thì độ chính xác của cân chỉnh phải càng cao Vấn đề này không đơn giản khi anten có kích th-ớc lớn lại đ-ợc đặt trên cột anten cao, ở vùng nhiều gió

Hình 2.4 – Mối quan hệ giữa đ-ờng kính anten và độ rộng búp sóng

Đ-ờng kính anten Parabol D(m)

2.3 Phân cực

Phân cực của anten đ-ợc xác định bởi bộ phận phát của anten(hornfeed), nó th-ờng đ-ợc thiết lập theo 1 trong 2 h-ớng Thông th-ờng horn có hình dạng chữ nhật Chiều rộng của hình chữ nhật(hình 2.5) quy định chiều đứng hay ngang so với mặt đất

Nếu nó đứng, tr-ờng điện từ nằm trong mặt phẳng ngang và lúc đó anten có phân cực ngang, nếu nó nằm ngang tr-ờng điện từ nằm trong mặt phẳng đứng và anten lúc đó có phân cực đứng Nếu tín hiệu đ-ợc truyền đi, ví

dụ theo phân cực ngang, một phần nhỏ công suất không tránh khỏi bị truyền

đi theo phân cực đứng Tín hiệu ở phân cực không mong muốn sẽ có giá trị thấp hơn 30-40dB so với phân cực mong muốn Người ta gọi đó là “giá trị phân biệt trái phân cực” XPD, giá trị này khoảng từ 30-40dB tùy thuộc vào anten Thông th-ờng hai kênh vô tuyến có phân cực ng-ợc nhau đ-ợc đặt trên cùng một anten ở cùng một tần số Đó là biện pháp tái sử dụng tần số đ-ợc sử dụng trong hệ thống phân tập tần số

2.4 Tr-ờng gần, tr-ờng xa

Giản đồ phát xạ anten chỉ đ-ợc thiết lập đầy đủ tại một vài khoảng cách

từ anten Đ-ợc gọi là tr-ờng xa và ph-ơng pháp hình học đ-ợc sử dụng để dự

đoán c-ờng độ tr-ờng Các khái niệm nh- là tăng ích anten, suy hao không gian tự do đ-ợc định nghĩa trong tr-ờng xa C-ờng độ tín hiệu trong tr-ờng

E-field

Hình 2.5 – Biểu diễn phân cực Ngang (a) và Đứng(b)

gần không dễ dàng xác định vì nó có giản đồ dao động Khoảng cách tr-ờng

xa đ-ợc xác định nh- sau:

Khoảng cách tr-ờng xa  2D2/ 

Trong đó: D là đ-ờng kính anten(m) và  là b-ớc sóng(m)

Tác động lên tăng ích anten khi anten ở trong tr-ờng gần đ-ợc minh họa trong hình 2.6 Trong 40% đầu tiên của tr-ờng gần, tác động này không mạnh mẽ lắm, nh-ng một khi v-ợt qua khoảng cách này, đáp ứng bị dao động,

do đó cực kỳ khó khăn trong việc dự đoán tăng ích anten

Đ-ờng cong trong hình 2.6 rất hữu dụng đối với hệ thống anten quay l-ng vào nhau(trạm lặp) vì lúc đó đầu cuối của một tuyến có thể có anten đặt gần nhau Ví dụ, giả thiết anten cách nhau khoảng 60m Tăng ích anten 8GHz, 1.8m là 40.8dBi trong tr-ờng xa Tăng ích của anten 3m ở tr-ờng xa là 45.2dBi tại khoảng cách 60m anten ở trong tr-ờng gần Hệ số tr-ờng gần thông th-ờng x là: x = R/2D2/, trong đó R là khoảng cách giữa 2 anten(m)

Sử dụng công thức trên với R=60m, D=1.8m tại 8GHz ta có x=0.35 Theo hình 2.6, với x=0.35 ta có hệ số suy giảm tăng ích anten là 2dB Nh- vậy tăng ích hiệu dụng của anten 1.8m là 38.8dBi T-ơng tự với anten 3m ta có hệ

số suy giảm tăng ích là 6dBi và tăng ích hiệu dụng của anten 3m là 39.2dBi

Có thể quan sát thấy rằng do tác động của tr-ờng gần, tăng ích hiệu dụng của anten không tăng lên khi kích th-ớc anten tăng

2.5 Tạp âm anten

Tạp âm xâm nhập vào hệ thống qua anten ảnh h-ởng đến hiệu suất của

hệ thống Hiệu suất hệ thống thông tin đ-ợc thiết kế có một hệ số tạp âm thấp nhất có thể, th-ờng đ-ợc biểu diễn bằng nhiệt độ tạp âm Mối quan hệ giữa hệ

số tạp âm và nhiệt độ tạp âm đ-ợc biểu diễn trong hình 2.7

T = (F-1)290 hoặc NF(dB) = 10log(1 + T/290)

Trong đó: T - nhiệt độ tạp âm(0K) và NF(hay F) – hệ số tạp âm(dB)

Nhiệt độ tạp âm của anten, Ta, phụ thuộc vào:

+ Suy hao giữa anten và đầu vào máy thu(chẳng hạn suy hao cáp)

Hình 2.6 – Tác động của tr-ờng gần lên tăng ích anten

+ Tạp âm bầu trời do thiên hà, mặt trời, mặt trăng…

+ Hấp thụ bởi khí quyển và hơi n-ớc

+ Phát xạ từ trái đất vào các búp phụ của anten

+ Nhiễu từ các nguồn nhiễu do con ng-ời tạo ra

Loại bỏ các búp phụ là một khía cạnh quan trọng nhằm giảm tạp âm anten Mặc dù búp chính anten có thể không h-ớng trực tiếp vào bầu trời(chẳng hạn nh- mặt trời) nh-ng một trong các búp phụ có thể h-ớng vào

đó gây ra Ta lớn Một biện pháp nhằm giảm thiểu búp phụ là dùng các màn chắn quanh anten Parabol Nó sẽ làm cải thiện tỷ số F/B của anten 3m hoạt

động ở băng tần 6GHz một giá trị từ 50-70dB, cho phép truyền cùng tần số theo hai h-ớng của trạm lặp quay l-ng vào nhau với nhiễu không đáng kể

Hình 2.7 – Mối quan hệ giữa chỉ số tạp âm và nhiệt độ tạp âm

Một tấm bao phủ mỏng(với suy hao không đáng kể) gọi là mái che th-ờng

đ-ợc kèm theo cùng với túi đựng để bảo vệ anten khỏi tác động của thời tiết

3

3.1 Truyền sóng trong không gian tự do

Bởi vì năng l-ợng sóng viba là năng l-ợng điện từ, do đó nó sẽ truyền trong không gian t-ơng tự nh- ánh sáng Không ai biết nó truyền trong không gian nh- thế nào nh-ng chúng ta biết rõ nó có truyền lan trong đó Khí quyển,

địa hình tác động làm suy hao năng l-ợng của sóng viba, nh-ng yếu tố đầu tiên làm suy hao năng l-ợng sóng viba là không gian tự do Suy hao không gian tự do có thể đ-ợc định nghĩa nh- là suy hao giữa 2 anten đẳng h-ớng trong không gian tự do, trong đó không có ảnh h-ởng của mặt đất và khí quyển Mặc dầu đây là quan điểm mang tính lý thuyết không thể xảy ra trong

tự nhiên, nh-ng đó là một khái niệm hữu ích để tính toán

Khi t-ởng t-ợng năng l-ợng phát xạ nh- thế nào từ anten đẳng h-ớng,

dễ dàng đánh giá một l-ợng cố định năng l-ợng phát ra anten sẽ trải ra trên một vùng nh- thế nào khi nó ra khỏi anten Cũng t-ơng tự nh- bề mặt hình cầu khi quả bóng phình ra Năng l-ợng suy hao do sự trải rộng của sóng khi

nó đi qua không gian tuân theo luật bình ph-ơng nghịch đảo Khi anten thu thu đ-ợc một l-ợng nhỏ của tổng hình cầu phát xạ, nó thật hợp lý để cho rằng chỉ một phần nhỏ tổng năng l-ợng phát đi đ-ợc tập hợp lại Suy hao không gian tự do đ-ợc tính nh- sau:

2)4

Nếu cự ly truyền dẫn tính bằng km và tần số phát xạ tính bằng GHz thì hàm trên có thể đ-ợc viết lại nh- sau:

fs = 92.4 + 20log(f) + 20log(d) (3.1) Hàm trên đ-ợc minh họa trong hình 3.1, chỉ rõ mối t-ơng quan giữa suy hao không gian tự do với một vài tần số Đối với khoảng cách lặp lại xấp xỉ 48km thì suy hao không gian tự do khoảng 132dB tại tần số 2GHz và 148dB tại 12GHz Đây là một giá trị suy hao lớn Nếu công suất phát chỉ 1W thì chỉ công suất thu đ-ợc là 10-13 W Các con số trên là tr-ờng hợp sử dụng anten

đẳng h-ớng cho cả hai đầu phát và thu Do tăng ích anten sử dụng trong thông tin viba khá lớn, độ 40dB, do đó tín hiệu thu đ-ợc sẽ đ-ợc cải thiện từ 10-13 W lên 10-5 W(hình 3.2)

Hình 3.1 – Suy hao không gian tự do giữa các bộ phát xạ đẳng h-ớng