Bài tập lớn Truyền dẫn Vô tuyến số

Trong đó thì truyền dẫn bằng vô tuyến được sử dụng rộng dãi hơn so với hữu tuyến vì nó đêm lại những ưu điểm: như tính linh hoạt, tính di động…ngoài ra nó còn được sử dụng cho nhiều lĩnh

0

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

-

BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN SỐ

Đề tài:

THIẾT KẾ ĐƯỜNG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN SỐ

Người hướng dẫn: TS Trần Hoài Trung

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Vương Bách

Hà Nội - 2021

1

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI NÓI ĐẦU 3

A PHẦN CỞ SỞ LÝ THUYẾT 5

I Mục tiêu và yêu cầu 5

1 Mục tiêu kỹ thuật 5

2 Tính toán các thông số: 6

3 Chọn tần số làm việc: 7

4 Tính chọn chiều cao của tháp anten 8

5 Tính toán các nhân tố ảnh hưởng và các tham số của đường truyền 9

6 Tính toán các tham số chất lượng của tuyến 12

B: PHẦN THIẾT KẾ TUYẾN VI BA 14

I Các thông số của tuyến và đặc tính của thiết bị 14

1 Các thông số của tuyến: 14

2 Các thông số của thiết bị 15

II Tính toán các giá trị đường truyền 16

1 Độ lồi trái đất 16

2 Bán kính thứ nhất của miền Fresnel thứ nhất F1 16

3 Tính chiều cao cột anten tại trạm A 16

4 Tính suy hao của hệ thống 17

5 Các giá trị của thiết bị: 18

III Kiểm tra chất lượng đường truyền 19

1 Độ dự trữ pha đinh 19

2

2 Các mức ngưỡng máy thu 19

3 Xác suất đạt tới ngưỡng 19

4 Thời gian pha đinh 19

5 Xác suất pha đinh phẳng dài hơn 60s 19

6 Khả năng sử dụng tuyến truyền 20

TỔNG KẾT 21

3

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại hiện nay sự phát triển của khoa học - công nghệ trên thế giới

đã được nước ta áp dụng nhiều các thành tựu khoa học - công nghệ đó vào trong kinh tế, khoa học xã hội, trong đời sống nói chung và trong ngành viễn thông nói riêng Để có thể phát triển đất nước thì việc mở rộng giao lưu với thế giới bên ngoài đóng vai trò rất quan trọng và việc giao lưu đó được thực hiện bằng các phương thức như sử dụng các đường truyền dẫn bằng hữu tuyến như cáp quang,

vệ tinh hay vô tuyến Trong đó thì truyền dẫn bằng vô tuyến được sử dụng rộng dãi hơn so với hữu tuyến vì nó đêm lại những ưu điểm: như tính linh hoạt, tính di động…ngoài ra nó còn được sử dụng cho nhiều lĩnh vực khác như truyền hình, trong thông tin di động, trong quốc phòng…

Truyền dẫn bằng vô tuyến ngoài những ưu điểm trên thì nó phải chịu những ảnh hưởng của thời tiết, địa hình, làm cho chất lượng truyền dẫn bị ảnh hưởng, dễ

bị thu trộm, dung lượng truyền dẫn bị hạn chế và đặc biệt còn bị ảnh hưởng của hiện tượng phadinh, trong truyền dẫn số có 2 loại phadinh là phadinh phẳng và phadinh nhiều đường làm cho chất lượng truyền dẫn không tốt do đó cần có biện pháp khắc phục các hạn chế các nhược điểm trên xuống mức thấp nhất để có thể bảo vệ thông tin truyền dẫn được bảo toàn

Là một sinh viên được đào tạo trong ngành điện tử viễn thông thì việc được thiết kế đường truyền dẫn vô tuyến đã đem lại cho em được những kỹ năng cần thiết cũng như củng cố kiến thức đã được học và bổ sung thêm những kiến thức chuyên ngành góp phần đem lại cơ hội việc làm sau khi rời ghế nhà trường

kế của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

5

A PHẦN CỞ SỞ LÝ THUYẾT

I Mục tiêu và yêu cầu

Khi thiết kế tuyến truyền dẫn vi ba số thì chúng ta cần đẩm bảo các tiêu

chí kỹ thuật đặt ra để có thể đáp ứng phục vụ và đảm bảo về kinh tế

1 Mục tiêu kỹ thuật

Đảm bảo theo các tiêu chuẩn kỹ thuật theo CCITR, tức là thời gian gián đoạn cho phép Theo đó, xác suất lỗi bit cho phép của tuyến truyền vi ba số là BER<10-3 với các tuyến dài nhỏ hơn 280km

Độ khả dụng AV của hệ thống (tức là khả năng công tác của hệ thống) được đảm bảo khi thiết kế:

- 99,98% thời gian làm việc tốt Cụ thể như: nếu là liên lạc thoại trong 3 tháng bất kì không có quá 30 cuộc thoại không bị gián đoạn

- Công thức tính độ khả dụng của hệ thống theo CCITR (99,98%) là:

L: Chiều dài của tuyến thiết kế

𝑇1: Thời gian gián đoạn của một hướng (s)

𝑇2: Thời gian gián đoạn của ngược hướng (s)

𝑇𝑏: Thời gian mất liên lạc khi phát 2 hướng song công (s)

𝑇𝑆: Tổng thời gian nghiên cứu (s)

6

2 Tính toán các thông số:

+ Tính toán đường truyền dẫn

+ Tính toán chỉ tiêu chất lượng

+ Tính toán thời gian mất thông tin

+ Lắp đặt thiết bị, anten, đưa hệ thống vào hoạt động thử nghiệm để kiểm tra + Xác định tuyến trên bản đồ (trên bản đồ địa hình của khu vực xây dựng trạm) + Tạo nên các bản vẽ mặt cắt nghiêng của tuyến

Từ các yêu cầu thực tế của một tuyến vi ba gồm: vị trí trạm, khoảng cách trạm, dung lượng truyền dẫn, địa hình tuyến sẽ đi qua… Ta tiến hành đánh dấu hai đầu cuối của trạm trên bản đồ để xác định chính xác kinh độ, vĩ độ của mỗi trạm Các thông số toạ độ này được sử dụng để điều chỉnh các anten ở mỗi trạm trong giai đoạn lắp đặt thiết bị Ký hiệu trên bản đồ: trạm A là trạm thứ nhất và trạm B

là trạm thứ hai Sau đó vẽ một mặt cắt nghiêng của đường truyền

Mặc dù mặt đất có độ cong nhưng để đơn giản trong tính toán người ta thường vẽ mặt cắt nghiêng ứng với hệ số bán kính hiệu dụng của trái đất là k = 4

3

d1: Khoảng cách từ trạm A đến điểm cao nhất

d2: Khoảng cách từ trạm B đến điểm cao nhất

Như vậy trên mặt nghiêng này thể hiện được bề mặt của địa hình Ngoài ra

nó cũng thể hiện được cả độ cao của cây cối các vật chắn trên đường truyền nối hai trạm A, B chẳng hạn như các gò, đồi, các nhà co tầng… Đối với khoảng truyền dẫn dài, độ cong của mặt đất lớn thì cần phải tính toán đến độ nâng của vị trí trạm

Độ nâng được vẽ dọc các đường thẳng đứng nên không đi dọc theo đường bán kính xuất phát từ tâm trái đất

3 Chọn tần số làm việc:

Công việc này liên quan đến việc chọn thiết bị cho tuyến và liên quan đến tần số sóng vô tuyến của các hệ thống lân cận Việc lựa tần số phải tránh can nhiễu với các tần số khác đã tồn tại xung quanh khu vực, xem xét có thể bố trí việc phân cực anten như thế nào cho hợp lý Khi sử dụng các thiết bị thì giá trị các tiêu chuẩn được chọn theo khuyến nghị của CCIR Vẽ mặt cắt đường truyền và tính các thông

số liên quan Tính khoảng cách tia truyền phía trên vật chắn Sau khi đã chọn được tần số làm việc cho tuyến, ta tính miền Fresnel thứ nhất Đó là miền có dạng hình elip từ anten phát đến anten thu; là một môi trường vây quanh tia truyền thẳng Đường biên của miền Fresnel thứ nhất tạo nên quỹ tích sao cho bất kì tín hiệu nào

đi đến anten thu qua đường này sẽ dài hơn so với đường truyền trực tiếp một nửa bước sóng (λ /2) của tần số sóng mang Miền bên trong của elip thứ nhất này gọi

là miền Fresnel thứ nhất Nếu tồn tại một vật cản ở rìa của miền Fresnel thứ nhất thì sóng phản xạ sẽ làm suy giảm sóng trực tiếp, mức độ suy giảm tuỳ thuộc vào biên độ của sóng phản xạ Do đó việc tính toán đối với miền Fresnel thứ nhất đòi

8

hỏi có tính chính xác để việc thông tin giữa hai trạm không bị ảnh hưởng đáng kể bởi bước sóng phản xạ này Bán kính của miền Fresnel thứ nhất (F1) được xác định theo công thức sau:

4 Tính chọn chiều cao của tháp anten

Để tính chiều cao của tháp anten thì trước tiên phải xác định được độ cao của tia vô tuyến truyền giữa hai trạm Trên cơ sở của độ cao tia đã có để tính độ cao tối thiểu của tháp anten để thu được tín hiệu

Biểu thức xác định độ cao của tia vô tuyến như sau:

B = E + (O+T) + CF1 (m); với hệ số C = 0,6

Thông thường thì độ cao của tia B được tính toán tại điểm có một vật chắn cao nhất nằm giữa tuyến Tính độ cao của anten để làm hở một vật chắn nằm giữa tuyến Ở bước khảo sát, ta đã xác định độ cao của hai vị trí đặt trạm so với mặt nước biển tương ứng là h1 và h2 Ta sẽ tính độ cao của cột anten còn lại khi biết trước độ cao của một cột anten

9

𝒅𝟏: Khoảng cách từ trạm A đến vị trí cao nhất (m) 𝒅𝟐: Khoảng cách từ trạm B đến vị trí cao nhất (m)

h 1 , h 2: độ cao so với mực nước biển của trạm A và trạm B

Để đảm bảo cho hệ thống hoạt động không chịu ảnh hưởng của các yếu tố trong tương lai thì độ cao anten phải sử dụng một khoảng dự phòng: ph1 và ph2

Lúc đó độ dài thực của anten phải là:

har1 = ha1 + ph1har2 = ha2 + ph2Với độ dự phòng từ 0,6 – 5m

5 Tính toán các nhân tố ảnh hưởng và các tham số của đường truyền

a Tính toán các nhân tố ảnh hưởng đến đường truyền:

Công suất tín hiệu truyền giữa trạm phát và trạm thu bị suy hao trên đường truyền sự mất mát công suất này do các yếu tố gây nhiễu đường truyền:

+ Độ dự trữ fadinh phẳng:

Tác động của fadinh là làm thay đổi mức ngưỡng thu của máy thu, khi bị ảnh hưởng của fadinh phẳng máy thu có thể nhận được tín hiệu rất yếu từ đường truyền và có thể làm gián đoạn thông tin nếu trường hợp fadinh Độ dự trữ fadinh

10

phẳng Fm (dB) liên quan đến mức tín hiệu thu không fadinh W0 (dB) và mức tín hiệu thu được thực tế thấp W(dBm) trước lúc hệ thống không còn hoạt động tính theo biểu thức:

b Tính toán các tham số của tuyến

Các tham số sử dụng trong tính toán đường truyền: mức suy hao trong không gian tự do, công suất phát, ngưỡng thu, các suy hao trong thiết bị… có vai trò quan trọng để xem xét tuyến có hoạt động được hay không và hoạt động ở mức tín hiệu nào

+ Tổn hao không gian tự do (A0): là tổn hao lớn nhất cần phải xem xét Đây là tổn hao do sóng vô tuyến lan truyền từ trạm này đến trạm kia trong môi trường không gian

A0 = 20 lg(4πd / λ) = 20 lg(4πdf/c) (với λ = c/f)

A0 = 92,5 + 20 lg(f) + 20 lg(d) [dB]

Ví dụ: phi đơ sử dụng loại WC 109 có mức tiêu hao chuẩn là 4,5dB/100m

và cộng với 0,3dB suy hao của vòng tròn để chuyển tiếp ống dẫn sóng thì tổn hao phi đơ máy phát (Ltxat) và máy thu (Lrxat) là:

Lsp = Lsp0.d

Với d: khoảng cách của tuyến tính bằng km

→ Phương trình cân bằng công suất trong tính toán đường truyền:

Pt = Pr + G – At [dB]

Pt: là công suất phát

12

At: tổn hao tổng = tổn hao trong không gian tự do + tổn hao phi đơ + tổn hao rẽ nhánh + tổn hao hấp thụ khí quyển

G: tổng các độ lợi = độ lợi của anten A + độ lợi của anten B

Pr: công suất tại đầu vào máy thu

6 Tính toán các tham số chất lượng của tuyến

Chất lượng đường truyền được đánh giá dựa trên tỷ số BER Các tỷ số BER thường được sử dụng trong viba số là: BER = 10-3 và BER = 10-6 tương ứng với

2 mức ngưỡng Rxa và Rxb

a Độ dự trữ pha dinh ứng với Rxa và Rxb là Fma và Fmb:

Fma = Pr – Rxa với BER = 10-3 Fmb = Pr – Rxa với BER = 10-6

b Xác suất pha dinh phẳng nhiều tia (P0)

d Khoảng thời gian pha dinh Ta và Tb là các giá trị đặc trưng cho khoảng thời gian tồn tại pha dinh tương ứng Fma và Fmb:

13

𝑇𝑎 = C210[−α210FMa] 𝑓𝛽2

𝑇𝑏 = C210[−α210FMb] 𝑓𝛽2với C2 = 10,3d; α2 = 0,5; 𝛽2 = −0,5 lấy theo khuyến nghị

e Xác suất pha dinh phẳng dài hơn 10 giây

P(Ta≥ 10) = P(10) = 0,5[1 – erf(Za) ] = 0,5erf(Za) P(Tb≥ 60) = P(60) = 0,5[1 – erf(Zb) ] = 0,5erf(Zb) Với Za = 0.548ln(10/Ta) ; Zb = 0,548ln(10/Tb)

Với erf(t) = 1 – erf(t)

i Xác suất mạch có BER ≥ 10-6 trong hơn 60s do pha dinh phẳng:

Xác suất (BER ≥ 10-6) trong 60s = P0.Pb.P(60)

14

B: PHẦN THIẾT KẾ TUYẾN VI BA

I Các thông số của tuyến và đặc tính của thiết bị

1 Các thông số của tuyến:

Qua quá trình khảo sát thực địa cho ta các thông số của tuyến như sau:

- Tổng độ dài tuyến truyền là 60 km

- Cách Trạm A 10km có toà nhà cao nhất là 80m

- Địa hình đồi núi có độ cao trung bình là khoảng 7 => 10m

- Độ cao trạm A so với mực nước biển là 15m, Trạm B là 15m

- Nhiệt độ trung bình hằng năm là 25℃

- Lượng mưa trung bình hàng năm là 200mm/h

- K= 4/3 và C= 1 (theo kiến nghị CCIR)

- Chọn độ cao anten của trạm B là 45m

→ Từ đó ta có sơ đồ mặt cắt nghiêng của tuyến tuyền như sau:

Trong đó:

• h1, h2: Độ cao trạm A và trạm B so với mực nước biển

• ha1, ha2: Độ cao cột anten trạm A và B

• Ei: Độ lồi trái đất

• d1, d2: khoảng cách từ trạm A, B đến điểm cao nhất của tuyến truyền

• F = CF1: Độ đài khoảng hở

15

Hình: Sơ đồ mặt cắt ngang của tuyến truyền

2 Các thông số của thiết bị

Ta chọn các thiết bị làm việc của tuyến có các thông số như sau:

- Tần số làm việc của trạm A là 5,75 Ghz

- Tần số làm việc của trạm B là 6,25 Ghz

→ Tần số làm việc trung tâm là 6 Ghz

- Công suất trạm phát là: 35 dbm

- Ngưỡng thu BER = 10-6 là -87dB

- Chọn Anten Parabol có khẩu độ D = 2,4m và Độ lợi G = 43,56 db (Do chọn tần

số làm việc là 6 Ghz thì ta suy ra bước sóng λ= c/f; do đó ta tính được độ lợi là G= 20logπD/λ, nên ta chọn anten như vậy)

- Ống dẫn sóng WC42 là 1 dB/km (để tính sự suy hao)

- Dung lượng là 2*2 Mb/s

2 Bán kính thứ nhất của miền Fresnel thứ nhất F1

Đây chính là bán trục của Parapolloit của miền Fresnel thứ nhất là:

F1 = 17,3√𝒅𝟏(𝑘𝑚) 𝒅𝟐(𝑘𝑚)

𝒇(𝐺ℎ𝑧) 𝒅(𝑘𝑚) (m)

Thay số ta có F1 = 17,3√10∗50

6∗60= 20,39 m Khoảng hở đường truyền (F1- CF1) là khoảng an toàn cho truyền sóng truyền mà ít bị phading và nhiễu xạ Nên khoảng hở đường truyền càng lớn thì chất lượng tuyến truyền càng cao

Khoảng hở đường truyền: (F1- CF1) với C = 0,6 nên ta có:

(F1- CF1) = C.F1= 0,6.F1= 0,6.20,39= 12.234 (m)

3 Tính chiều cao cột anten tại trạm A

Ta có công thức tính độ cao cần thiết của tia vô tuyến là:

Bi = E + (O+T) + CF1

Không có vật chắn hình nêm, cây cối thấp hơn toà nhà nên:

O+T = 80 (m) Thay các giá trị vào ta có: B = 29,4 + 80 + 12,234 = 121,634 m

Theo công thức tính độ cao của trạm còn lại thì:

Độ cao của trạm A là: ha1 = (h2 + ha2)+ [B- (h2 + ha2)]d/d2 - h1

= (20 + 45) + [121,634 – (20 + 45)]*(60/50) - 15

≈ 117,96 m

4 Tính suy hao của hệ thống

a Tổn hao không gian tự do:

b Tổn hao Feerder (Phi đơ) L

Do sử dụng loại phi đơ WC42 có tiêu hao là 1db/km → suy hao là 0,001db/m và xét với độ dự phòng là 0,3db

LTxat = 1,5 har1 0,001 + 0,3 = 1,5 118,56 0,001 + 0,3 = 0,47784 db

18

LRxat = 1,5 har2 0,001 + 0,3 = 1,5 45,6 0,001 + 0,3 = 0,3684 db

c Tổn hao rẽ nhánh

Theo quy định của CCIR thì tổn hao rẽ nhánh trong quy định là từ 2-8 db

Vì ta dựa vào các thông số kỹ thuật của thiết bị thu- ph át, Do đó ta chọn suy hao rẽ nhánh là cho mỗi phía là 4db

d Tổn hao hấp thụ khí quyển

Lsp = Lsp0.d Lps0 là hấp thụ khí quyển tại tần số f = 6Ghz, tra bảng có Lps0 = 0,19db/km thay số vào ta có: Lps = 0,19.60 = 11,4db

e Tổn hao bộ phối hợp trở kháng và đầu nối

Tổn hao bộ phối hợp trở kháng và đầu nối là 0.5dB cho 1 trạm

→ Tiêu hao của cả hai bộ là 1db

5 Các giá trị của thiết bị:

- Độ khuếch đại (Độ lợi) G:

Chọn Anten làm việc có hệ số khuếch đại là 43,56 db, mà cả hai phía đều phải dùng Anten, nên tổng độ khuếch đại là cả hai phía là:

G = 2.Go = 2 43,56 = 87,12 db

- Tổng tiêu hao của cả tuyến (At) = Tiêu hao đường truyền + tiêu hao phiđo + tiêu hao rẽ nhánh + tiêu hao hập thụ khí quyển + tiêu hao phối hợp trở kháng

At = 143,626 + 0,47784 + 0,3684 + 4.2 + 11,4 + 1 ≈ 161,072 db

- Vậy tổng công suất đầu vào máy thu Pr:

Pr = Pt + G –At = 35 + 87,12 – 161,072 = -38,952 db

19

Ta có: Theo thông số chất lượng máy thu thì với tỷ số lỗi bít BER=10-6 có ngưỡng thu tối thiểu là -87 db Mà ta tính toán được -38,952 db >> -87db, nên coi như chất lượng là đảm bảo

III Kiểm tra chất lượng đường truyền

3 Xác suất đạt tới ngưỡng: Pa = 10−Fma/10= 10−48,048/10= 1,567.10 -5

4 Thời gian pha đinh: 𝑻𝒂

5 Xác suất pha đinh phẳng dài hơn 60s:

Với tỷ lệ lỗi BER = 10-6 thì xét xác xuất lỗi xuất hiện lớn hơn 60s là:

P(t ≥ 60) = P(60) = 0,5[1 – erf(Za)]

Với Za = 0,548 ln(10/Ta) = 0,548 ln(10/1) = 1,261

Với erf(t) = 2

√𝜋∫ 𝑒0𝑡 −𝑡2 ta dùng phương pháp gần đúng tính ra được