TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VI BA SỐ
Điều chế số
- Để có thể truyền dẫn các thông tin số bằng sóng điện từ, cần phải tiến hành điều chế số
- Điều chế số là kỹ thuật gắn thông tin số vào dao động hình sine (sóng mang), làm cho sóng mang có thể mang thông tin cần truyền đi
Điều chế số là quá trình sử dụng thông tin số để điều chỉnh các thông số của sóng mang, khiến cho các thông số này thay đổi theo quy luật của thông tin.
- Để có thể truyền dẫn các thông tin số bằng sóng điện từ, cần phải tiến hành điều chế số
Hình 1.4 Sơ đồ điều chế số
Sóng mang hình sine có dạng: x(t) = A cos(2πfct + φ)
- Có ba thông số của sóng mang có thể mang tin : là biên độ (A), tần số (fc) và góc pha (φ)
- Do đó, ta có thể tác động lên một trong 3 thông số của sóng mang để có các phương pháp điều chế tương ứng
- Ngoài ra, ta cũng có thể tác động lên một lúc 2 thông số của sóng mang để có phương pháp điều chế kết hợp
1.2.2 Các phương pháp điều chế số
Có các phương pháp điều chế sau :
Amplitude – shift keying (ASK) : điều chế khóa – dịch biên độ
Frequency – shift keying (FSK) : điều chế khóa – dịch tần số
Phase – shift keying (PSK) : điều chế khóa – dịch pha
Quadrature Amplitude Modulation (QAM) : điều chế biên độ cầu phương đây là phương pháp kết hợp giữa ASK và PSK Điều chế Số/tương tự
Hình 1.5 Các phương pháp điều chế số a Điều chế ASK ( 2 ASK)
- Mức thấp nhất là ASK hai mức (2 ASK)
- Bit 1 nhị phân được biểu diễn bằng một sóng mang có biên độ là hằng số
- Bit 0 nhị phân: không xuất hiện sóng mang
Hình 1.6 Tín hiệu ASK hai mức
Ta có thể tạo ra được 4 ASK, 16 ASK… tuy nhiên các loại điều chế này có khả c Dạng tín hiệu 2 - FSK
Hình 1.7 Tín hiệu ASK hai mức d PSK
- Sử dụng hai góc pha biểu diễn cho 2 bit nhị phân
Hình 1.8 Tín hiệu FSK hai mức e So sánh ba loại điều chế
Hình 1.9 So sánh ba loại điều chế
Cấu hình cơ bản của thiết bị vô tuyến
Thiết bị vô tuyến chủ yếu bao gồm ba thành phần: máy phát, máy thu và anten Máy phát có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu thành sóng vô tuyến, trong khi máy thu thực hiện việc biến đổi sóng vô tuyến trở lại thành tín hiệu điện ban đầu Anten đóng vai trò quan trọng trong việc phát xạ hoặc hấp thụ các sóng vô tuyến.
Hình 1.10 Cấu hình cơ bản của thiết bị vô tuyến
Anten có hai đặc tính cơ bản là khuyếch đại và tính định hướng Tính định hướng thể hiện mối quan hệ giữa cường độ và hướng của sóng vô tuyến mà anten phát ra hoặc thu được Khi phạm vi hướng của sóng vô tuyến hẹp, tính định hướng sẽ cao hơn Độ tăng ích của anten được xác định bằng cường độ sóng vô tuyến tại điểm thu so với anten tham chiếu.
Các loại anten được thiết kế đa dạng để phục vụ cho các mục đích khác nhau, với kích thước thường bằng một nửa bước sóng Anten lớn và đơn giản thường được sử dụng ở tần số thấp với bước sóng dài, trong khi ở tần số cao, các anten có cấu hình phức tạp và tính năng nâng cao thường được áp dụng Để tối ưu hóa hiệu suất, các anten thường được lắp đặt xa máy phát hoặc máy thu Đối với tần số thấp, cáp đồng trục thường được sử dụng làm phiđơ.
Truyền lan sóng vô tuyến
Các ống dẫn sóng là những ống kim loại rỗng với độ rỗng và độ nhẵn bề mặt rất cao, tương tự như ống dẫn nước Chúng có nhiều loại, bao gồm ống dẫn sóng mềm, ống dẫn sóng vuông và ống dẫn sóng tròn.
Hình 1.11 Cấu hình máy phát
- Máy phát: Tập hợp tất cả các linh kiện và mạch điện tử để chuyển đổi tin tức thành tín hiệu phù hợp với môi trường truyền
- Bộ điều chê: Gắn tin tức vào một sóng cao tần và truyền đi
- Bộ đổi tần: Thực chất là bộ khuyếch đại cộng hưởng ( bộ nhân tần), nâng tần số lên cao để có thể bức xạ ra không gian
- Bộ khuyếch đại công suất cao tần: Khuyếch đại công suất
Anten phát là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện thành sóng điện từ, phát ra không gian Chất lượng sóng phát ra phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của anten.
- Bộ tổng hợp tần số: Bộ tạo ra nhiều tần số chuẩn từ các dao động thạch anh
Máy thu là thiết bị bao gồm các linh kiện và mạch điện tử, có chức năng nhận tín hiệu từ môi trường truyền dẫn và xử lý để khôi phục lại thông tin ban đầu đã được phát đi.
Hình 1.12 Cấu hình máy thu
Bộ điều chế Bộ đổi tần
Bộ tổng hợp tần số
Bộ khuyết đại công suất cao tần
Bộkhuyếch đại cao tần Bộ đổi tần Bộ khuyếch đại trung tần
Bộ khuyếch đại công suất
Bộ tổng hợp tần số
Tín hiệu điện Sóng vô tuyến
- Anten thu: Biến đổi năng lượng sóng điện từ thành tín hiệu cao tần đưa vào bộ khuyếch đại cao tần
- Bộ khuyếch đại cao tần: thực chất là bộ khuyếch đại nhiễu thấp LNA nhằm cải thiện tỉ số tín hiệu trên nhiễu S/N
- Bộ đổi tần: Đưa tín hiệu cao tần về trung tần, lấy lại tín hiệu tin tức ban đầu
- Bộ khuyếch đai công suất: Tăng công suất lên mức độ đủ lớn phù hợp với thiết bị đầu cuối.
Phân loại
Tốc độ bít của tín hiệu PCM quyết định thiết kế và cấu tạo của các thiết bị vô tuyến, nhằm đảm bảo khả năng truyền dẫn hiệu quả các tín hiệu này.
Vi ba số băng hẹp là công nghệ truyền tín hiệu với tốc độ 2Mbit/s, 4Mbit/s và 8Mbit/s, tương ứng với khả năng hỗ trợ 30, 60 và 120 kênh thoại Tần số hoạt động của sóng vô tuyến trong khoảng từ 0,4 đến 1,5 GHz.
Vi ba số băng trung bình, hay tốc độ trung bình, được sử dụng để truyền tải tín hiệu với tốc độ từ 8 đến 34 Mbit/s, tương ứng với dung lượng kênh thoại từ 120 đến 480 kênh Tần số sóng vô tuyến trong dải này nằm trong khoảng từ 2 đến 6 GHz.
Vi ba số băng rộng (tốc độ cao) là công nghệ truyền tín hiệu với tốc độ từ 34 đến 140 Mbit/s, tương ứng với khả năng cung cấp từ 480 đến 1920 kênh thoại Công nghệ này hoạt động trên các tần số sóng vô tuyến 4, 6, 8 và 12 GHz.
Các cơ sở về sóng vô tuyến - fading
1.5.1 Khái niệm về sóng vô tuyến
Sóng vô tuyến là sóng điện từ với tần số từ 30KHz đến 300GHz, được phân chia thành các băng tần như LF, HF, VHF, UHF và băng tần cao cho thông tin vệ tinh Những sóng này có khả năng lan truyền qua nhiều phương thức khác nhau.
Tầng đối lưu là lớp khí quyển nằm dưới 15km so với mặt đất, nơi có nhiều gió, mây và nhiệt độ giảm dần theo độ cao Mật độ ion trong tầng này vừa phải, và khi lên cao, mật độ không khí giảm, tạo ra một vùng chiết suất gradient Hiện tượng này làm thay đổi phương truyền dẫn, uốn cong đường truyền sóng điện từ hướng về mặt đất, khiến tầng đối lưu trở thành môi trường lý tưởng cho sóng ngắn.
Tầng bình lưu là lớp khí quyển nằm ở độ cao từ 15 đến 40 km, nơi có mật độ không khí thấp Tầng này có khả năng chiết suất khí, giúp khúc xạ và thay đổi phương truyền của tia sóng Khi tia sóng phát từ mặt đất lên tầng bình lưu, chúng sẽ bị đổi phương và quay trở lại mặt đất, điều này tạo điều kiện lý tưởng cho việc truyền sóng cực ngắn.
Tầng điện ly, nằm ở độ cao từ 40km đến 500km, đóng vai trò quan trọng trong việc hấp thụ tia tử ngoại có năng lượng lớn, dẫn đến sự phân ly các phân tử khí thành các ion tự do Mật độ của tầng này thay đổi theo mùa và thời tiết, cũng như chịu ảnh hưởng từ các tác động ngoài không gian Tầng điện ly có khả năng phản xạ sóng ngắn trở lại mặt đất, làm cho nó trở thành môi trường lý tưởng cho truyền sóng ngắn Tuy nhiên, sóng vô tuyến tầm trung và thấp bị hấp thụ trong tầng này, trong khi sóng cực ngắn và sóng vô tuyến tần số cao hơn có thể xuyên qua, không thể sử dụng tầng điện ly để truyền tải chúng.
Hình 1.13 Các phương thức truyền sóng vô tuyến b Các kiểu truyền lan sóng vô tuyến
Sóng vô tuyến được truyền từ anten phát đến anten thu theo nhiều đường khác nhau, và các đường truyền này phụ thuộc vào tần số sử dụng cũng như khoảng cách truyền.
Sóng trời (tầng điện ly)
Sóng truyền Trực tiếp Sóng phản xạ từ mặt đất Sóng phản xạ từ tầng đối lưu
- Sóng bề mặt: Sóng truyền lan dọc theo bề mặt trái đất
- Sóng không gian: sóng lan truyền trong không gian tự do theo các kiểu truyền lan chính sau:
Sóng trực tiếp là loại sóng vô tuyến được truyền từ anten phát đến anten thu mà không bị phản xạ trong quá trình truyền Dưới điều kiện truyền lan bình thường, sóng trực tiếp có biên độ lớn nhất so với các loại sóng khác đến máy thu.
Sóng phản xạ mặt đất là loại sóng đến anten thu sau khi đã phản xạ nhiều lần từ mặt đất hoặc các vật thể xung quanh Biên độ và pha của sóng phản xạ khác biệt so với sóng trực tiếp, dẫn đến tín hiệu thu không ổn định Khi khoảng cách đường truyền giữa tia phản xạ và tia trực tiếp bằng số lẻ lần nửa bước sóng, sóng phản xạ sẽ bị lệch pha so với sóng trực tiếp tại anten thu.
180 0 và kết quả là làm suy giảm tín hiệu sóng trực tiếp
Sóng truyền trong tầng đối lưu bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi chỉ số khúc xạ của không khí theo độ cao, dẫn đến hiện tượng phản xạ toàn phần tùy thuộc vào góc tới của sóng Kết quả là, sóng có thể được gửi lại mặt đất, tuy nhiên một số tia đến anten thu có thể làm suy giảm sóng trực tiếp do thay đổi pha và biên độ Đặc biệt, sóng truyền theo tầng đối lưu có thể lan rộng đến 15km.
- Sóng truyền lan trong tầng điện ly: là các sóng phản xạ trên tầng điện ly để tới anten thu
Sóng trực tiếp chủ yếu được sử dụng cho thông tin cố định như chuyển tiếp cuộc gọi đường dài và truyền hình Tuy nhiên, trong thông tin di động, do sự hiện diện của các vật cản như tòa nhà, mô đất và đồi, cần bổ sung thêm sóng phản xạ và sóng tán xạ để đảm bảo tín hiệu được truyền tải hiệu quả.
Hình 1.14 Các phương thức truyền sóng vô tuyến
1.5.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến sự truyền lan sóng
Thông tin vi ba truyền qua không gian dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh Một trong những tác động chính là hiện tượng suy hao khi sóng vi ba lan tỏa trong không gian tự do.
Không gian tự do là khu vực mà sóng vô tuyến có thể truyền đi mà không bị cản trở Mức suy hao của sóng vô tuyến phát ra từ anten trong không gian tự do tỷ lệ với bình phương khoảng cách, được gọi là suy hao khí quyển Ngoài ra, mức suy hao này cũng tỷ lệ nghịch với độ dài bước sóng.
- P r = Công suất tín hiệu tại Anten thu
- = Bước sóng của sóng điện từ
- Pt = Công suất tín hiệu tại Anten phát
Trong đó d và được đo cùng đơn vị (ví dụ: met)
Suy hao trong không gian tự do
Sóng trời (tầng điện ly)
Sóng phản xạ từ mặt đất
Sóng trực tiếp Tầng đối lưu
Nếu khoảng cách tính theo Km, tần số tính theo GHz thì suy hao trong không gian tự do tính theo dB là:
(1.3) b Suy hao do ảnh hưởng của Fading
Trong lĩnh vực thông tin vô tuyến, sóng vô tuyến khi truyền qua khí quyển và không gian sẽ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố từ khí quyển và tầng điện ly Hiện tượng biến đổi cường độ điện trường tại điểm thu theo thời gian, do các nguyên nhân trong không gian truyền sóng, được gọi là fading.
Sự hấp thụ của khí quyển:
- Trong khí quyển có các thành phần:N 2 , O 2, CO 2 và H 2 O
- Các thành phần N2 , O 2, CO 2 có mức độ hấp thụ năng lượng điện từ không đáng kể
Mức độ hấp thụ nước phụ thuộc vào các điều kiện cụ thể và gia tăng khi độ ẩm trong không khí tăng Đặc biệt, trong những cơn mưa lớn, sự hấp thụ này có thể làm gián đoạn thông tin.
- Không khí càng lên cao càng loãng (chiết suất giảm), nên sóng điện từ có xu hướng bẻ cong về mặt đất
- Điều này làm cho đường truyền thực xa hơn tầm nhìn thẳng
- Có thể gây ra hiện tượng Fading nhiều đường
- Hiệu ứng ống dẫn xuất hiện khi sóng điện từ rơi vào vùng không khí đặc nằm giữa hai vùng không khí loãng
- Lúc này xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần và sóng điện từ không tới được anten thu
Hình 1.16 Hiệu ứng ống dẫn c Suy hao do mưa
Sóng điện từ bị suy hao do mưa, đặc biệt là những sóng có bước sóng nhỏ (
Mức độ suy hao sóng trong khoảng cách dưới 10cm chịu ảnh hưởng bởi cường độ mưa và tần số sóng Cụ thể, tại tần số 2GHz, suy hao sóng khi mưa to dao động từ 0,22 đến 0,4 dB/Km, trong khi khi mưa rất to, suy hao có thể lên tới 1,2 dB/Km.
Bảng 1.1 Kết quả thực nghiệm suy hao do hơi nước-khí hậu theo tần số sóng vô tuyến của Alcatel
Bão lớn 150 mm/h 1,2 5,5 18 27 d Ảnh hưởng của địa hình
Sự phản xạ mặt đất
Hình 1.18 Sự phản xạ của mặt đất
- Một phần năng lượng điện từ đến mặt đất, phản xạ trở lại không gian và có thể tới được anten thu
- Điều này có thể gây ra hiện tượng Fading nhiều đường
Khi vật chắn nằm ngoài miền Fresnel, năng lượng phản xạ về anten thu sẽ nhỏ hơn nhiều so với năng lượng trực tiếp, dẫn đến hiện tượng fading trở nên không đáng kể.
Hiện Tượng Fading trong viba số
1.6.1 Các kỹ thuật giảm ảnh hưởng của fading nhiều tia
Để giảm thiểu ảnh hưởng của fading phẳng và fading lựa chọn tần số nhiều tia, các kỹ thuật như phân tập không gian và phân tập tần số được áp dụng nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu thu.
Phân tập theo không gian sử dụng các anten đặt cách nhau theo chiều dọc và kết hợp với bộ khử giao thoa phân cực giao nhau, giúp đảm bảo không làm gián đoạn thông tin Kỹ thuật này thường được biểu thị bằng hệ số nâng cao, cho phép giảm thiểu thời gian yêu cầu để hệ thống đạt được chỉ tiêu chất lượng, nhờ vào việc áp dụng phân tập không gian và phân tập tần số.
Hình 1.21 Phân tập không gian b Phân tập tần số
Hình 1.22 Phân tập tần số
- Sử dụng 1 anten phát, 2 máy phát ở 2 tần số khác nhau và 1 anten thu, hai máy thu ở hai tần số đó
- 2 tần số cách nhau một khoảng đủ lớn
- Nếu hiện tượng fading lựa chọn tần số xảy ra tại 1 tần số thi không xảy ra tại tần số còn lại
- Do đó ta có được it nhất một tín hiệu không fading.
Một số ưu, nhược điểm của hệ thống vi ba số
Nhờ vào các phương pháp mã hóa và ghép kênh thời gian sử dụng vi mạch tích hợp cỡ lớn, thông tin từ nhiều nguồn khác nhau như điện thoại, máy tính, facsimile, telex và video được kết hợp thành một luồng bit số liệu tốc độ cao, cho phép truyền tải trên cùng một sóng mang vô tuyến.
Việc sử dụng các bộ lặp tái sinh luồng số liệu giúp giảm thiểu nhiễu tích lũy trong hệ thống số, đồng thời cho phép tái sinh ở tốc độ bit cao nhất của băng tần gốc mà không cần hạ xuống tốc độ bit ban đầu.
Hệ thống vi ba số có khả năng chống nhiễu tốt, cho phép hoạt động hiệu quả với tỷ số sóng mang/nhiễu (C/N) lớn hơn 15dB, trong khi hệ thống vi ba tương tự yêu cầu tỷ số này phải lớn hơn 30dB theo khuyến nghị của CCIR Tính năng này cho phép sử dụng lại tần số thông qua phương pháp phân cực trực giao, từ đó tăng cường phổ hiệu dụng và dung lượng kênh.
Với cùng một dung lượng truyền dẫn, công suất phát thấp hơn so với hệ thống tương tự giúp giảm chi phí thiết bị, nâng cao độ tin cậy và tiết kiệm năng lượng Hơn nữa, công suất phát nhỏ còn giảm thiểu nhiễu cho các hệ thống khác.
- Khi áp dụng hệ thống truyền dẫn số, phổ tần tín hiệu thoại rộng hơn so với hệ thống tương tự
Khi các thông số đường truyền như trị số BER và S/N không đạt yêu cầu, thông tin sẽ bị gián đoạn Điều này khác với hệ thống tương tự, nơi thông tin vẫn có thể tồn tại mặc dù chất lượng kém.
Hệ thống này dễ bị méo phi tuyến do các đặc tính bão hoà của linh kiện bán dẫn, điều này không xảy ra trong hệ thống tương tự FM Tuy nhiên, các vấn đề này đã được khắc phục nhờ vào những tiến bộ kỹ thuật mới, bao gồm điều chế số nhiều mức, sử dụng thiết bị dự phòng (1+n) và áp dụng các mạch bảo vệ.
CƠ SỞ TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU VI BA SỐ
Lý thuyết sóng vô tuyến
Sóng vô tuyến là dạng sóng điện từ với tần số từ 30KHz đến 300GHz, được phân chia thành các băng tần như LF, HF, VHF, UHF và băng tần cao cho thông tin vệ tinh Có hai loại sóng vô tuyến chính: sóng dọc, lan truyền theo phương chuyển động của nó, và sóng ngang, trong đó vectơ cường độ điện trường và từ trường vuông góc với nhau và với phương truyền sóng.
Các sóng vô tuyến có thể được truyền từ anten phát đến anten thu bằng hai đường chính: bằng sóng bề mặt và sóng không gian
Khi sóng vô tuyến di chuyển trên bề mặt trái đất, năng lượng truyền dẫn sẽ bị tiêu hao Mức độ tiêu hao này phụ thuộc vào hằng số điện dẫn và điện môi hiệu dụng của đất, tương tự như khi sóng di chuyển dọc theo đường dây.
Khi tần số sóng vượt quá 30MHz, đất hoạt động như một dây dẫn kém, dẫn đến sự tiêu hao lớn Vì vậy, trong thực tế, việc truyền sóng trên mặt đất thường ưu tiên sử dụng tần số thấp để giảm thiểu tổn thất.
Sóng không gian đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống thông tin VHF, UHF và SHF Năng lượng của sóng không gian được truyền từ anten phát đến anten thu thông qua ba loại đường truyền: sóng trực tiếp, sóng phản xạ từ mặt đất và sóng phản xạ từ tầng đối lưu.
Bầu khí quyển chia ra làm 3 tầng :
Tầng đối lưu là lớp khí quyển kéo dài từ mặt đất đến độ cao khoảng 10-15 km Ở độ cao này, mật độ khí giảm dần, ảnh hưởng đến cách truyền sóng Tầng đối lưu rất phù hợp cho việc truyền sóng ngắn.
Tầng bình lưu là lớp khí quyển nằm giữa tầng đối lưu và độ cao khoảng 60km, có mật độ phần tử khí thấp Lớp khí này có khả năng chiết suất, làm khúc xạ và đổi phương truyền của tia sóng Điều này khiến cho các tia sóng phát ra từ mặt đất khi lên đến tầng bình lưu sẽ bị đổi phương và quay trở lại mặt đất, tạo điều kiện lý tưởng cho việc truyền sóng cực ngắn.
Tầng điện ly là một phần của khí quyển nằm ở độ cao từ 60 đến 2000 km, nơi hấp thụ nhiều tia tử ngoại có năng lượng lớn, dẫn đến sự phân ly các phần tử khí thành các ion tự do Ở độ cao này, mật độ phân tử khí giảm đáng kể Khi các tia được phát lên gần tầng điện ly, chúng bị phản xạ và bẻ cong, quay trở lại mặt đất, điều này làm cho tầng điện ly trở thành môi trường lý tưởng cho việc truyền sóng ngắn.
Sóng trực tiếp là loại sóng được truyền từ anten phát đến anten thu mà không bị phản xạ trong quá trình truyền Trong điều kiện truyền lan bình thường, sóng này có biên độ lớn nhất so với các sóng khác đến máy thu.
Sóng phản xạ đất là loại sóng đến anten thu sau khi phản xạ nhiều lần từ mặt đất hoặc các vật thể xung quanh Phản xạ này không chỉ xảy ra trên mặt phẳng đứng mà còn trên mặt phẳng ngang Sự khác biệt về biên độ và pha giữa sóng phản xạ và sóng trực tiếp gây ra tín hiệu thu không ổn định.
Nếu khoảng cách giữa tia phản xạ và tia trực tiếp chênh lệch bằng số lẻ lần nửa bước sóng, thì tại anten thu sóng, sóng phản xạ sẽ lệch pha so với sóng trực tiếp một góc nhất định.
180 0 và kết quả làm suy giảm tín hiệu sóng trực tiếp, đến một mức độ nào đó phụ thuộc vào biên độ của sóng phản xạ
Sóng phản xạ tầng đối lưu xảy ra do sự thay đổi chỉ số khúc xạ của không khí theo độ cao Khi góc sóng tới phù hợp, hiện tượng phản xạ toàn phần từ tầng đối lưu có thể xảy ra, tạo ra một biên giới hoạt động như bề mặt phản xạ, gửi sóng trở lại mặt đất.
Một số tia sẽ đến ăng-ten thu, có khả năng làm suy giảm sóng trực tiếp do sự thay đổi về pha và biên độ Sóng truyền qua tầng đối lưu có thể lan rộng đến 10 dặm.
2.1.3 Phân loại tần số vô tuyến
Bảng 2.1 Phân loại tần số vô tuyến
Tần số Bước sóng Tên gọi Viết tắt Công dụng
Tần số cực kỳ thấp ELF Chứa tần số điện mạng xoay chiều, các tín hiệu đo lường từ xa tần thấp
Tần số thoại VF Chứa các tần số kênh thoại tiêu chuẩn
Tần số rất thấp VLF
Chứa phần trên của dải nghe được của tiếng nói Dùng cho hệ thống an ninh, quân sự,chuyên dụng, thông tin dưới nước (tàu ngầm)
Tần số thấp LF Dùng cho dẫn đường hàng hải và hàng không
Tần số trung bình MF
Dùng cho phát thanh thương mại sóng trung (535 – 1605 kHz)
Cũng được dùng cho dẫn đường hàng hải và hàng không
Thông tin vô tuyến 2 chiều được sử dụng để truyền tải thông tin ở cự ly xa, bao gồm liên lạc xuyên lục địa, hàng hải, hàng không, nghiệp dư và phát thanh quảng bá.
MHz 10m - 1m Tần số rất cao VHF
Dùng cho vô tuyến di động, thông tin hàng hải và hàng không,phát thanh FM thương mại (88 đến 108 MHz), truyền hình thương mại(kênh 2 đến 12 tần số từ
3 GHz 1m - 10cm Tần số cực cao UHF
Sử dụng cho các kênh truyền hình thương mại từ kênh 14 đến kênh 83, dịch vụ thông tin di động mặt đất và di động tế bào, cùng với một số hệ thống radar, dẫn đường, vi ba và vệ tinh.
Tần số siêu cao SHF Chủ yếu dùng cho vi ba và thông tin vệ tinh
Tần số cực kì cao EHF Ít sử dụng trong thông tin vô tuyến.
Các nhân tố ảnh hưởng đến sự truyền lan sóng vô tuyến
Pha đinh là sự biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang cao tần do ảnh hưởng của khí quyển và phản xạ từ mặt đất, nước Thực tế cho thấy rằng mưa và pha đinh nhiều tia là những yếu tố chính ảnh hưởng đến sự truyền sóng đối với các tuyến vô tuyến tầm nhìn thẳng trên mặt đất hoạt động trong dải tần GHz.
Tổn hao truyền dẫn quyết định khoảng cách lặp và tổng chi phí của hệ thống vô tuyến chuyển tiếp Pha đinh nhiều tia gia tăng theo độ dài tuyến nhưng ít phụ thuộc vào tần số, trong khi tiêu hao do mưa lại tăng khi tần số cao Đối với các tuyến sử dụng tần số trên 35GHz, suy hao do mưa có thể lớn, do đó khoảng cách lặp thường được chọn dưới 20km để đảm bảo chất lượng tín hiệu Hơn nữa, việc giảm độ dài đường truyền cũng giúp giảm thiểu ảnh hưởng của pha đinh nhiều tia.
Đối với các đường truyền dài và tần số hoạt động thấp, pha đinh nhiều tia là yếu tố ảnh hưởng chính Ngược lại, đối với các tuyến ngắn và tần số hoạt động cao hơn, tiêu hao do mưa trở thành yếu tố chủ yếu.
Bảng 2.2 Kết quả thực nghiệm về suy hao do hơi nước - khí hậu theo tần số sóng vô tuyến của Alcatel
Với mức dự trữ phadinh 40dB, đường truyền vi ba ở tần số 38GHz sẽ hoàn toàn mất tín hiệu trong điều kiện bão lớn, trong khi đó, tuyến vi ba hoạt động ở tần số 6GHz vẫn duy trì hoạt động bình thường.
2.2.2 Suy hao khi truyền lan trong không gian tự do
Không gian tự do là khu vực mà sóng truyền lan bị suy hao Mức suy hao của sóng vô tuyến từ anten phát đến anten thu trong không gian tự do tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa hai anten và tỉ lệ nghịch với độ dài bước sóng Suy hao này được gọi là suy hao truyền lan trong không gian tự do và có thể được tính toán cụ thể.
[dB] (2.1) d[m], λ[m] lần lượt là khoảng cách truyền dẫn và bước sóng của sóng vô tuyến
2.2.3 Sự can nhiễu sóng vô tuyến
Nhiễu thường xảy ra khi có thành phần can nhiễu bên ngoài trộn lẫn vào sóng thông tin, có thể trùng hoặc không trùng tần số với sóng thông tin Ví dụ, hệ thống vi ba số có thể bị ảnh hưởng bởi sự can nhiễu từ các hệ thống vi ba số lân cận có tần số sóng vô tuyến tương tự, cũng như từ các trạm mặt đất của các hệ thống thông tin vệ tinh gần đó.
Các chỉ tiêu kỹ thuật của Vi ba số
2.3.1 Phân bố tần số luồng cao tần
Tần số luồng cao tần ở đây là tần số thu phát của thiết bị vô tuyến, việc lựa chọn phương án phân bố tần số phụ thuộc vào:
- Phương thức điều chế số
- Cách sắp xếp các luồng cao tần
- Đặc tính của môi trường truyền sóng
Theo khuyến nghị của CCITT về vi ba số, dải tần làm việc lý tưởng nằm trong khoảng 2GHz đến 23GHz Để tránh can nhiễu giữa các sóng mang ở các luồng cao tần, cần phân chia chính xác, đồng thời các luồng lân cận nên cách nhau từ 29 đến 40 MHz và có phân cực trực giao.
Công suất phát trong vi ba phụ thuộc vào khoảng cách và độ nhạy của máy thu để đảm bảo tỷ lệ lỗi bit cho phép Đơn vị đo công suất phát là dBm, với P0 bằng 1mW.
2.3.3 Độ nhạy máy thu hay ngưỡng thu
Mức tín hiệu cao tần tối thiểu tại đầu vào máy thu là điều kiện cần thiết để máy hoạt động bình thường, đảm bảo tỉ số lỗi bit (BER) đạt yêu cầu tương ứng với tốc độ bít nhất định.
2.3.4 Tỉ số bit lỗi BER Để thông tin đạt được độ tin cậy cao, đảm bảo cho thiết bị hoạt động không nhầm lỗi thì tỉ số này càng nhỏ càng tốt, bình thường cũng phải đạt 10 -3 , với chất lượng tốt hơn phải đạt 10 -6 Với yêu cầu BER cho trước máy thu phải có một ngưỡng thu tương ứng
2.3.5 Thiết bị Vi ba số - Thu phát tín hiệu vi ba
Trong vi ba số, các phương thức điều chế phổ biến như QPSK (4PSK) và QAM (16QAM, 64QAM) được sử dụng tùy thuộc vào tốc độ bit của kênh Phương pháp giải điều chế phải tương ứng với phương thức điều chế tại máy phát Có hai phương pháp giải điều chế: tách sóng kết hợp (Coherent) và tách sóng không kết hợp Tách sóng kết hợp yêu cầu máy thu khôi phục sóng mang đồng pha với máy phát, dẫn đến cấu hình phức tạp nhưng mang lại chất lượng tín hiệu cao hơn so với tách sóng không kết hợp.
2.3.6 Trở kháng vào máy thu và trở kháng ra máy phát được chuẩn hoá là 50 Ω do đó trở kháng vào ra của các bộ lọc, ống dẫn sóng, phi đơ phải là 50 Ω
2.3.7 Tốc độ ở băng tần gốc
Tốc độ ở băng gốc là tốc độ dãy số liệu vào/ra máy thu phát vô tuyến
Ví dụ : Thiết bị vi ba số với trở kháng 75 Ω không cân bằng
Có các chỉ tiêu về điều chế, mức vào ra, tỉ số S/N, tần số báo gọi (kênh nghiệp vụ thường được điều chế FM hoặc FSK)
2.3.9 Kênh giám sát và điều khiển từ xa
Kênh nghiệp vụ, có thể được điều chế bằng phương thức ASK hoặc FSK, được sử dụng để quản lý và giám sát thiết bị một cách hiệu quả.
Thiết bị anten
Yêu cầu chính đối với thiết bị anten trong hệ thống vô tuyến bao gồm suy hao truyền dẫn thấp, tính kinh tế, hiệu suất bức xạ cao và hệ số khuếch đại lớn.
Anten là một giao diện chính giữa thiết bị điện và môi trường truyền sóng, tuỳ thuộc vào tần số, công nghệ và công dụng
Anten YAGI được sử dụng cho tần số 400MHz - 900MHz
Anten Parabol hoạt động hiệu quả trong dải tần từ 1GHz đến 60GHz, với bộ phận phản xạ được chế tạo từ kim loại hoặc nhựa có lớp kim loại mỏng trên mặt lõm Đối với tần số dưới 4GHz, bộ phận phản xạ có thể sử dụng kim loại phủ trên các thanh mỏng, giúp giảm trọng lượng anten và cho phép gió lướt qua dễ dàng.
Phần chính của một anten Parabol có thể được minh hoạ dưới đây:
Trong đó: D - Đường kính anten [m] d - Bề sâu lòng chảo, được tính từ tâm đến mặt miệng chảo [m]
F - Tiêu cự của chảo, được tính từ tâm chảo đến tiêu điểm F của nó
Mối liên hệ giữa tiêu cự, bề sâu lòng chảo và đường kính chảo được biểu điễn theo theo biểu thức:
Khi pha của nguồn sơ cấp đặt ngay tâm F của Parabol thì các sóng bức xạ đều đồng pha Độ lợi của anten parabol được tính theo biểu thức:
10 lg 4 S 10 lg ( Df ) 10 lg ( Df ) [ ]
Trong đó : S - Diện tích (tiết diện) bề mặt anten [m ] η - Hiệu suất của anten từ (0,5 - 0,7)
Sự thay đổi hình dạng của anten parabol hoặc sai lệch tiêu cự có thể làm giảm độ lợi của anten Anten có khả năng phát hoặc thu sóng với một hoặc hai phân cực, bao gồm phân cực đứng và phân cực ngang.
Bảng 2.3 Độ lợi của anten theo hiệu suất và tần số (số liệu của hãng Alcatel):
Tần số 2 GHz 4 GHz 8 GHz 13 GHz 23GHz 38GHz
Năng lượng chủ yếu tập trung ở búp sóng chính, tuy nhiên, một phần năng lượng cũng được bức xạ theo các búp sóng phụ, gây ra hiện tượng giao thoa tại các điểm nút.
Góc mở ở 3dB phụ thuộc vào đường kính anten và bước sóng được tính theo biểu thức sau:
Trong đó: D là đường kính an ten λ là bước sóng
Bảng 2.4 Góc phát xạ theo đường kính anten (số liệu của hãng Alcatel) :
Tần số 2GHz 4GHz 8GHz 13GHz 23GHz 38GHz Đường kính
Hình 2.2 Biểu đồ bức xạ anten Parabol 2.4.3 Điều chế số và Giải điều chế số
Hình 2.3 Điều chấ số và giải điều chế số 2.4.4 Các phương thức điều chế và giải điều chế
Trong vi ba số, các phương thức điều chế thường được sử dụng như QPSK (hay 4PSK) và QAM với nhiều mức khác nhau, chẳng hạn như 16QAM và 64QAM, tùy thuộc vào tốc độ bit và dung lượng kênh.
Phương thức giải điều chế được lựa chọn phù hợp với phương pháp điều chế tại máy phát Thông thường, có hai phương pháp giải điều chế chính là tách sóng kết hợp (Coherent) và tách sóng không kết hợp.
Biểu thức tín hiệu băng gốc: s(t) là tín hiệu ở dạng nhị phân (0,1) hay là một dãy NRZ (Non-Return Zero)
Khi đó, tín hiệu điều pha PSK có dạng :
Trong đó: = 2/n là sự sai pha giữa các pha lân cận của tín hiệu
Từ biểu thức (2.2), với n = 4, = /2 thì ta có kiểu điều chế 4-PSK hay PSK cầu phương (QPSK) Tín hiệu QPSK có dạng:
Tín hiệu băng gốc s(t) là xung lưỡng cực nhận 4 giá trị b) Quá trình điều chế
Sơ đồ nguyên lý bộ điều chế QPSK sử dụng một trong 4 pha lệch nhau 90 o , được trình bày như Hình 2.2
Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý điều chế tín hiệu QPSK
Tín hiệu băng gốc được chuyển đổi từ dạng nối tiếp sang dạng song song, tạo ra hai luồng dữ liệu với tốc độ bit giảm một nửa Đồng thời, tín hiệu đơn cực được biến đổi thành tín hiệu ±1 Hai sóng mang sau đó được đưa đến hai bộ trộn, nơi chúng bị lệch pha nhau.
90 o Tổng hợp tín hiệu đầu ra 2 bộ trộn ta được tín hiệu 4-PSK Tín hiệu ra ở 2 bộ trộn: t t a t
M 1 ( ) ( ) cos 0 ; M 2 ( t ) b ( t ) sin 0 t với a(t) = 1, b(t) = 1 s(t) Bộ quay pha 90 o P(t)
Sóng mang chuẩn f0(t) = cos0t b(t) = 1 a(t) = 1SPC
Tín hiệu ra 4-PSK là: t t b t t a t
Hình 2.5 Tín hiệu 4PSK Hình 2.6 Biểu đồ vector của điều chế QPSK c) Quá trình giải điều chế
Sơ đồ giải điều chế QPSK được trình bày như Hình 2.5
Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý giải điều chế pha QPSK
P ref 2 2 0 Tín hiệu sau khi qua các bộ lọc:
2.4.4.2 Phương thức điều chế QAM Điều chế biên độ cầu phương QAM là phương pháp điều chế kết hợp giữa điều chế biên độ ASK và điều chế pha PSK Trong phương thức điều chế này, ta thực hiện điều chế biên độ nhiều mức 2 sóng mang mà 2 sóng mang này được dịch pha 1 góc 90 o Tín hiệu tổng của 2 sóng mang này có dạng vừa điều biên vừa điều pha:
Tín hiệu s(t) là tổng của 2 thành phần s s (t) và s c (t) và được biểu diễn như sau:
Biên độ thay đổi giúp các trạng thái pha của sóng mang phân tách xa nhau, từ đó giảm thiểu khả năng mắc lỗi Đây chính là một trong những ưu điểm nổi bật của phương pháp điều chế QAM.
Sơ đồ điều chế QAM được mô tả như Hình 2.6
Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý điều chế tín hiệu M-QAM
Bộ chuyển đổi SPC có khả năng chuyển đổi tín hiệu điều chế vào thành chuỗi tín hiệu nhị phân Bộ biến đổi 2/L thực hiện việc chuyển đổi chuỗi nhị phân thành chuỗi tín hiệu với L mức, với mối quan hệ giữa m và L được xác định bởi công thức m = log₂ L.
Hình 2.9 Biểu đồ không gian tín hiệu 16QAM
Ví dụ với L = 4 thì m = 2 và M = 16, ta có điều chế 16-QAM, và với L = 8 thì m =3 và M = 64, ta có điều chế 64-QAM
Hình 2.10 Biểu đồ không gian tín hiệu QAM nhiều trạng thái
L 2 - QAM Các b) Quá trình giải điều chế
Sơ đồ giải điều chế QAM được cho như Hình 2.10
Tín hiệu M-QAM vào: Q(t) a(t).cos 0 tb(t).sin 0 t
Tín hiệu chuẩn: Q ref 1 (t) 2.cos 0 t và Q ref 2 (t) 2.sin 0 t
Sau khi loại bỏ thành phần hài bậc cao ở các bộ lọc thông thấp ta sẽ có:
Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý giải điều chế M-QAM
Biên độ tín hiệu giải điều chế có L = M mức, với M là số trạng thái tín hiệu Tín hiệu L mức được chuyển đổi bởi bộ biến đổi ADC thành n/2 tín hiệu.
2 mức, trong đó L = 2 n/2 và M = L 2 Với 16-QAM thì n = 4, L = 4 và với 64-QAM thì n = 6, L = 8 Từ n tín hiệu này, bộ biến đổi PSC sẽ tạo nên tín hiệu giải điều chế
2.4.5.2 Giảm độ rộng băng tần truyền bằng phương pháp điều chế nhiều mức
Theo định lý Nyquist: Độ rộng băng tần của kênh truyền ( B ) (kênh thông thấp) phải lớn hơn hoặc bằng tốc độ ký hiệu chia 2 )
(r2 S để không có hiện tượng giao thoa giữa các ký hiệu
Trong hệ thống PCM: b f r S S (2.13) Với f s, b: lần lượt là tần số lấy mẫu, số bit trong từ mã
Thay (2.13) vào (2.12) ta được biểu thức về độ rộng băng tần cần thiết của kênh truyền để tránh hiện tượng giao thoa giữa các ký hiệu như sau:
Khi áp dụng phương pháp điều chế pha M trạng thái, tốc độ ký hiệu sẽ giảm xuống log 2 M lần Điều này dẫn đến độ rộng băng tần cần thiết cho kênh truyền cũng giảm tương ứng log 2 M lần so với phương pháp điều chế nhị phân hai mức.
Ví dụ: Mã hoá PCM một kênh thoại f S 8KHz với số bit trong từ mã là b = 8 bit thì băng tần tối thiểu là:
Băng tần của phương pháp truyền dẫn tín hiệu số là 32KHz, trong khi phương pháp truyền dẫn tín hiệu tương tự chỉ yêu cầu băng tần thoại 3,1KHz (0,3-3,4KHz) Điều này cho thấy băng tần của phương pháp truyền dẫn số cao gấp khoảng 10 lần so với phương pháp tương tự Khi áp dụng phương pháp điều chế 16-PSK với M mức, băng thông yêu cầu sẽ giảm xuống còn 8KHz, tương ứng với log2M = log2 16 = 4 lần.
THIẾT KẾ TUYẾN VI BA SỐ TP HÀ TĨNH - TX HỒNG LĨNH
LÝ THUYẾT THIẾT KẾ TUYẾN VI BA SÔ
3.1 Nghiên cứu dung lƣợng kênh truyền
Trong thiết kế hệ thống liên lạc điểm nối điểm, việc xác định dung lượng cần thiết là vô cùng quan trọng, vì nó tạo nền tảng cho những quyết định quan trọng trong các giai đoạn tiếp theo.
Cần lưu ý đến dung lượng phát triển trong 10 đến 15 năm tới và dung lượng cần thiết hiện tại, dựa trên các yếu tố dự đoán cụ thể.
Dựa vào đặc điểm phát triển dân số
Đặc điểm vùng (thành phố nông thôn, vùng nông nghiệp…)
Tỷ lệ phát triển của các hoạt động kinh tế
Tốc độ cải thiện điều kiện sống trong tương lai
Hệ thống phải được thiết kế để cho phép có thể nới rộng thêm trong tương lai
Ở các nước đang phát triển, như Việt Nam, việc dự đoán chính xác dung lượng cần thiết trong thời gian dài thường gặp khó khăn Do đó, không nên lắp đặt các hệ thống có dung lượng quá lớn cho nhu cầu tương lai Lựa chọn thiết bị có dung lượng nhỏ ở giai đoạn đầu sẽ tiết kiệm hơn Nếu sau vài năm dung lượng này không đủ, hệ thống có thể được thay thế bằng một hệ thống lớn hơn, trong khi thiết bị cũ có thể được sử dụng cho các tuyến cần dung lượng nhỏ hơn Việc xây dựng một hệ thống vừa phải và dễ dàng thay thế khi có công nghệ mới trong tương lai sẽ mang lại hiệu quả kinh tế hơn.
3.2 Băng tần số vô tuyến sử dụng sự sắp xếp các kênh RF
3.2.1 Chọn băng tần số vô tuyến Đối với các ứng dụng của kỹ thuật Viba, băng tần hoạt động của nó nằm trong khoảng từ 1GHz đến 15GHz Trong đó các tần số vô tuyến được cấp phát cho các dịch vụ xác định được qui định bởi các luật vô tuyến Chúng ta quan tâm đến dải tần từ 800MHz - 6425MHz và 7900MHz - 8100MHz Luật vô tuyến mô tả luật cấm đoán của hệ thống trạm mặt đất sử dụng các băng tần số này, vì chúng chia băng tần với dịch vụ liên lạc vệ tinh Trong trường hợp này công suất bức xạ hiệu dụng của máy phát và anten trong hệ thống L/S không vượt quá 55 dBw hoặc công suất đưa đến anten không được vượt quá 13dBw
Các yếu tố quan trọng trong việc gán định tần số bao gồm dung sai tần số và băng thông phát xạ Mặc dù luật vô tuyến không quy định bắt buộc về băng thông, nhưng dung sai tần số của máy phát hoạt động trong vùng sóng Viba cần đạt 300*10^-6 cho máy phát có công suất dưới 100W và 100*10^-6 cho máy phát có công suất trên 100W.
Hiện nay, tần số vô tuyến trong hệ thống liên lạc Viba dao động từ 1GHz đến 15GHz, và các giá trị tần số RF này chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau.
Bảng 3.1: Các băng tần số cấp phát của FCC cho các hệ thống Viba số
Băng thông cho phép MHZ)
Dung lượng cực tiểu của các kênh thoại đã được mã hóa
3.2.2 Sự sắp xếp các kênh RF
Sự sắp xếp các kênh RF là yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống vô tuyến, đặc biệt cho các hệ thống chuyển tiếp Sự khác biệt tín hiệu giữa ngõ vào và ngõ ra của trạm lặp có thể lên tới 60 - 80 dB, do đó, việc sử dụng cùng một tần số vô tuyến cho cả hai ngõ sẽ dẫn đến hiện tượng giao thoa động do phản hồi Trong các hệ thống Viba chuyển tiếp, thường áp dụng kế hoạch hai tần số hoặc bốn tần số để tối ưu hóa hiệu suất.
Kế hoạch bốn tần số được ưa chuộng do tính kinh tế, yêu cầu hai tần số cho một mạch RF Thông thường, bốn anten được sử dụng cho một trạm lắp đặt, ngay cả khi áp dụng kế hoạch hai tần số, các anten này vẫn có thể hỗ trợ hai hoặc nhiều kênh RF song công trên cùng một đường truyền.
Kế hoạch bốn tần số đòi hỏi tỷ lệ trước sau (front to back) của mẫu bức xạ anten bởi mỗi anten hoạt động ở mỗi tần số khác nhau
Sự sắp xếp các kênh RF
Bảng sau liệt kê sự giới thiệu của CCIR sự sắp xếp các kênh RF cho hệ vô tuyến chuyển tiếp cho mạch quốc tế:
Bảng 3.2 Các đề nghị của CCIR về sự sắp xếp các kênh của RF
CCIR Rec Số kênh thoại tối đa của một kênh RF
Tần số trung tâm (MHz) Độ rộng băng RF (MHz)
3.3 Vị trí trạm trên bản đồ và khảo sát vị trí đặt trạm
Trong bài viết này, chúng ta sẽ nghiên cứu thiết kế một tuyến đơn với hai trạm truyền dẫn Đầu tiên, cần thực hiện một số công việc chuẩn bị cần thiết để tiến hành thiết kế.
3.3.1 Xác định tuyến trên bản đồ
Việc xác định vị trí đặt trạm cho trung tâm giao dịch bưu chính viễn thông là rất quan trọng, đòi hỏi phải cân nhắc kỹ lưỡng về mặt kỹ thuật và tính tiện lợi trong quá trình xây dựng Để thực hiện điều này, cần có các tiêu chí rõ ràng để lựa chọn vị trí phù hợp.
- Bản đồ tự nhiên cho biết độ cao so với mặt nước biển của vùng có tuyến đi qua
- Sự phân bố dân cư của vùng đang khảo sát
Trong quá trình xác định trạm, chúng ta giả định rằng tuyến thiết kế sẽ bao gồm hai trạm đầu cuối và n trạm lặp, trong đó không có trạm xen kẽ, vì trạm xen kẽ được xem như là trạm lặp.
Xác định vị trí đặt trạm đầu cuối
- Căn cứ vào phân bố dân cư để xác định trên bản đồ địa hình vị trí các trạm đầu cuối, xen rẽ
Xác định những đồi núi, mô đất, tòa nhà cao tầng trong khu vực tuyến
Xác định vị trí đặt trạm lặp
Trạm lặp cần xác định để thoã mãn hai yêu cầu sau:
- Có tổng độ dài đường truyền từ trạm đầu cuối A qua trạm lặp và đến trạm đầu cuối B là nhỏ nhất
- Có suy hao do ảnh hưởng của địa hình là nhỏ nhất
Việc xác định vị trí trạm lặp được tiến hành như sau:
- Vẽ đường thẳng nối hai trạm đầu cuối A và B
- Tìm trên đường thẳng hoặc lân cận đường thẳng các vị trí có độ cao đáng kể có thể đặt trạm
Vị trí trạm lặp phải lưu ý:
- Nếu hai trạm đầu cuối khá gần nhau thì không cần trạm lặp
3.3.2 Các bản vẽ mặt cắt nghiêng của tuyến
Dựa trên các yêu cầu thực tế của tuyến vi ba như vị trí trạm, khoảng cách giữa các trạm, dung lượng truyền dẫn và địa hình, chúng ta tiến hành đánh dấu hai đầu cuối của trạm trên bản đồ của Sở đo đạc để xác định chính xác kinh độ và vĩ độ của từng trạm Các thông số toạ độ này sẽ được sử dụng để điều chỉnh anten trong quá trình lắp đặt thiết bị Ký hiệu trên bản đồ cho thấy trạm A là trạm thứ nhất và trạm B là trạm thứ hai Tiếp theo, chúng ta vẽ một mặt cắt nghiêng của đường truyền, hình dung như một con dao cắt rời quả đất theo hướng của tia vô tuyến, với hình 2.3 thể hiện mặt cắt giữa hai trạm A và B.
Hình 3.1 Mặt cắt đường truyền giữa hai trạm A và B
Trạm A d Trạm B ha 1 ha 2 d 2 d 1 Độ lồi E
Mặc dù bề mặt trái đất có độ cong, trong các tính toán, người ta thường sử dụng mặt cắt nghiêng với hệ số bán kính hiệu dụng là k = 4/3 để đơn giản hóa.
Phương trình sau cho ta xác định chỗ lồi của mặt đất:
1 (3.1) r 1 là bán kính quả đất 6370 [km]
Công thức tính độ lồi của mặt đất được biểu diễn bằng E = (4/51)d1 d2 / k [m] (3.2), trong đó k là hệ số bán kính của quả đất Khoảng cách từ trạm A và trạm B đến điểm đang xét được ký hiệu lần lượt là d1 và d2 [km] Độ lồi thực của mặt đất tại điểm đang xét được ký hiệu là h.
Mặt cắt nghiêng thể hiện bề mặt địa hình và độ cao của cây cối, vật chắn trên đường truyền giữa hai trạm A và B, như gò, đồi, và nhà cao tầng Đối với khoảng truyền dẫn dài, khi độ cong của mặt đất lớn, cần tính toán độ nâng của vị trí trạm, được thể hiện dọc theo các đường thẳng đứng thay vì theo đường bán kính từ tâm trái đất.
3.4 Mặt cắt đường truyền và tính các thông số liên quan
3.4.1 Dựng mặt cắt đường truyền cho từng tuyến
Vẽ mặt cắt đường truyền cho từng tuyến
- Kẻ nối hai trạm của từng tuyến, ta có các giao điểm với các đường đồng mức
- Dựa vào độ cao của các đường đồng mức và tỷ lệ bản đồ, ta xác định độ cao và khoảng cách của từng điểm
- Nối các giao điểm với nhau, ta được mặt cắt địa hình
Hình 3.2 Vẽ mặt cắt đường truyền cho từng tuyến
3.4.2 Tính khoảng cách tia truyền phía trên vật chắn
THIẾT KẾ TUYẾN VI BA SỐ THỰC TẾ TP HÀ TĨNH - TX HỒNG LĨNH
Thiết kế một tuyến vi ba số gồm các bước sau:
- Bước 1: Nghiên cứu dung lượng yêu cầu
- Bước 2: Chọn thiết bị, băng tần vô tuyến và các kênh RF
- Bước 3: Tìm trạm trên bản đồ
- Bước 4: Dựng mặt cắt đường truyền cho từng hop
- Bước 5: Xác định độ cao Anten
- Bước 6: Tính toán độ dự trữ Fading
- Bước 7: Lắp đặt và kiểm thử
- Bước 8: Đánh giá chất lượng tuyến
3.9 Nghiên cứu dung lƣợng yêu cầu
Trước khi thiết kế tuyến thông tin, việc nghiên cứu dung lượng truyền là rất quan trọng Đối với vi ba, cần phải xác định dung lượng phù hợp để tránh lãng phí và đảm bảo tính kinh tế Nghiên cứu dung lượng truyền dựa trên một số yếu tố nhất định.
+ Đặc điểm phát triển dân số ở các khu vực mà tuyến vi ba sẽ truyền đến + Đặc điểm của vùng đó: thành phố, nông thôn, vùng nông nghiệp…
+ Tỷ lệ phát triển của các hoạt động kinh tế
+ Tốc độ cải thiện điều kiện sống trong tương lai…
Dựa trên các yếu tố đã nêu, chúng ta có thể dự đoán dung lượng hiện tại cần truyền trên tuyến và sự phát triển dung lượng trong 10 đến 15 năm tới Hệ thống được thiết kế với khả năng mở rộng trong tương lai, đảm bảo đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng.
Hà Tĩnh nằm ở vị trí địa lý từ 17°54’ đến 18°50’ vĩ Bắc và từ 103°48’ đến 108°00’ kinh Đông Tỉnh này giáp Nghệ An ở phía bắc, Quảng Bình ở phía nam, và có đường biên giới hẹp chạy về phía tây ra biển Nơi đây nổi bật với những bãi cát ven biển, nhiều vũng, vịnh, trong đó có cảng biển nước sâu Vũng Áng và bãi biển Thiên Cầm.
Hà Tĩnh nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, chịu ảnh hưởng của khí hậu chuyển tiếp giữa miền Bắc và miền Nam Với đặc trưng khí hậu nhiệt đới đặc trưng của miền Nam và mùa đông lạnh giá của miền Bắc, thời tiết ở Hà Tĩnh rất khắc nghiệt Hàng năm, vùng đất này trải qua bốn mùa rõ rệt.
Mùa mƣa: Mưa trung bình hằng năm từ 2500 ly đến 2650 ly Hạ tuần tháng
Từ ngày 8 tháng 9 đến giữa tháng 11, Hà Tĩnh thường ghi nhận lượng mưa chiếm 54% tổng lượng mưa cả năm Trong giai đoạn này, khu vực thường xuyên phải đối mặt với các cơn bão từ biển Đông, dẫn đến tình trạng lũ lụt.
Mùa khô: Từ tháng 12 đến tháng 7 năm sau Đây là mùa nắng gắt, có gió Tây Nam (thổi từ Lào) khô, nóng, lượng bốc hơi lớn
Thành phố Hà Tĩnh, trung tâm kinh tế và chính trị của tỉnh Hà Tĩnh, đã được Chính phủ quy hoạch để phát triển thành trung tâm kinh tế - văn hóa của khu vực Với diện tích 56,19 km² và dân số khoảng 1.229.300 người, mật độ dân số đạt 21.878 người/km² theo thống kê năm 2011.
Thị xã Hồng Lĩnh nằm ở toạ độ 105,45 kinh độ đông - 18,32 vĩ độ bắc, là nơi giao nhau của Quốc lộ 1A và 8A
Phía bắc giáp huyện Hưng Nguyên (Nghệ An), phía đông giáp huyện Nghi Xuân, phía tây giáp huyện Đức Thọ, phía nam giáp huyện Can Lộc
Trung tâm Thị xã nằm cách Thành phố Vinh 15 km về phía bắc, Thành phố Hà Tĩnh 35 km về phía nam, và cách Cửa khẩu Quốc tế Cầu Treo 92 km về phía tây.
Hồng Lĩnh là trung tâm kinh tế, văn hoá - xã hội phía Bắc tỉnh Hà Tĩnh
Năm 2009, Thị xã Hồng Lĩnh có 5.855,23 ha diện tích tự nhiên và 40.805 nhân khẩu
Nội thị có các phường: Bắc Hồng, Nam Hồng, Trung Lương, Đức Thuận, Đậu Liêu
Ngoại thị có xã : Thuận Lộc
* Sau khi nghiên cứu về đặc điểm của 2 vùng, em chọn luồng 2Mbit/s tương ứng với 30 kênh để truyền
3.10 Lựa chọn thiết bị, băng tần vô tuyến và các kênh RF a) Lựa chọn thiết bị
Thiết bị vi ba MINI-LINK của hãng Ericsson (tham khảo vnpt.com.vn + thiết bị truyền dẫn)
Các đặc tính kỹ thuật
Tần số 7GHz Công suất phát +28dBm Ngưỡng thu BER 10 -3 -91dBm Ngưỡng thu BER 10 -6 -87dBm
Anten 2,4m G dB = 42,5dB Ống dẫn sóng WC 42 0,1dB/m Dung lượng 2*2Mb/s Băng tần công tác 7GHz – 38GHz
Thiết bị vi ba MINI-LINK của Ericsson là lựa chọn lý tưởng cho tuyến vi ba số, nhờ vào tính gọn nhẹ và hiệu quả đầu tư cao Thiết bị này phù hợp với nhu cầu mở rộng mạng thế hệ tiếp theo, đặc biệt là cho mạng điện thoại di động 3G Bên cạnh đó, việc chọn băng tần vô tuyến cũng rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất mạng.
Với dung lượng truyền trên tuyến 2Mbit/s, băng tần làm việc của thiết bị từ 7 ÷
38 GHz nên ta chọn băng tần làm việc là 7Ghz Băng tần này đảm bảo cung cấp đủ băng thông cho tuyến
3.11 Tìm trạm trên bản đồ
Hình 3.7 Thiết bị vi ba số RMD 1504 (KASATI)
Trạm A được xác định với anten đặt trên toà nhà Trường Chuyên Hà Tĩnh, tọa lạc tại thành phố Hà Tĩnh, có tọa độ 18°21'2.95" Bắc và 105°53'16.28" Đông, với độ cao 15 mét so với mực nước biển.
Hình 3.8 Vị trí trạm A trên bản đồ vệ tinh (theo google earth)
-Xác định trạm B: Đặt cạnh Bến Xe Khách Thị Xã Hồng Lĩnh có tọa độ 18°31'51.16"Bắc, 105°42'17.73"Đông , độ cao 16 (m) so với mực nước biển (hình 3.9)
Hình 3.9 Vị trí trạm B trên bản đồ vệ tinh (theo google earth)
Khoảng cách giữa hai trạm khoảng 27,8 (km)(theo đường chim bay)
Hình 3.10 Khoảng cách giữa hai trạm (theo google earth)
* Khảo sát tuyến truyền dẫn Viba Đặc điểm địa hình của đường truyền tuyến:
Trạm A: Thành phố Hà Tĩnh
Trạm B: Thị xã Hồng Lĩnh
Khoảng cách giữa 2 trạm khoảng là 27,8 (km)
Tuyến truyền từ thành phố Hà Tĩnh đến thị xã Hồng Lĩnh có địa hình tương đối bằng phẳng, không có ngọn núi cao nào cản trở trên đường truyền.
+Trên tuyến truyền có nhiều cây cối nhưng chiều cao của các cây này cũng không đáng kể, ít ảnh hưởng đến tuyến truyền dẫn
Do khó khăn trong việc nghiên cứu độ cao của các điểm trên tuyến truyền dẫn, nên các số liệu nêu trên chỉ có tính tương đối
3.12 Dựng mặt cắt đường truyền cho từng hộp
Hình 3.11 Mặt cắt đường truyền giữa 2 trạm
- Bán kính miền Fresnel thứ nhất
Trong đó: d1 = 13,9 (km), d2= 13,9 (km) d = d1 + d2 = 27,8(km) f =7 Ghz : tần số sóng điện từ
Vậy Bán kính miền Fresnel :F = 17,26 (m)
Khoảng hở an toàn là khoảng cách tối thiểu giữa máy phát và máy thu so với mặt đất hoặc vật chắn, cần đạt ít nhất 60% bán kính miền Fresnel thứ nhất.
0,6 × 17,26 ,36 (m) (10,36 (m) là khoảng cách đảm bảo miền Fresnel sạch)
Như vậy miền Fresnel đảm bảo là miền Fresnel sạch
- Độ cao của tia vô tuyến
- Xác định độ cao anten
+ Trạm A đặt trên toà nhà Trường Chuyên Hà Tĩnh cao 15 (m) so với mực nước biển
+ Trạm B đặt cạnh Bến Xe Khách Thị Xã Hồng Lĩnh cao 16 m so với mực nước biển
+ Tại trạm A đặt tháp anten với độ cao 10 m Tính toán độ cao của anten tại trạm B như sau: ha 2 = h 1 + ha 1 + [B - (h 1 + ha 1 )](d/d 1 ) - h 2 (m) ha 2 = 15 + 10 + [ 28,63 – 25](27,8/13,9) – 16 ha 2 = 16,26 (m)
+ Độ cao thực tế của anten har 1 = ha 1 + Ph 1 har 1 = ha 1 + Ph 1 Trong đó: Ph 1 là độ cao dự phòng của anten phát
Ph 2 là độ cao dự phòng của anten thu
3.14 Tính toán độ dự trữ Fading a) Tổn hao trong không gian tự do:
Phụ thuộc vào tần số sóng mang và độ dài đường truyền dẫn Suy hao trong không gian tự do được tính theo công thức:
+ Tổn hao phi đơ ở phía thu
=> Tổng tổn hao phi đơ: L phd = L Tphd + L Rphd = 1,95+ 2,85 = 4,8 (dB) c)Tổn hao rẽ nhánh: L rnh = 4 dB
+ Tổn hao do hấp thụ khí quyển (bỏ qua hấp thụ khí quyển)
L = L s + L phd + L rnh + L sp = 138,28 + 4,8 + 4 + 0 = 147,08 (dB) d) Tổng độ lợi của anten
G = G HT + G ĐL = 42,5 + 42,5 = 85 (dB) e) Công suất máy phát: P t = +28 dBm f) Công suất tại đầu vào máy thu
Khi so sánh mức công suất vào máy thu với ngưỡng máy thu, chúng ta nhận thấy công suất vào máy thu lớn hơn ngưỡng, cho thấy tuyến đang hoạt động Độ dự trữ pha đinh tương ứng với hai mức ngưỡng thu RXa và RXb là FMa và FMb.
FMa và FMb lần lượt được tính toán là 56,92 dB và 52,92 dB, với công thức FMa = P r – RXa và FMb = P r – RXb Độ dự trữ fading của mỗi hop phụ thuộc vào điều kiện địa hình và khí hậu Xác suất pha đinh phẳng nhiều tia (P 0) cũng là yếu tố quan trọng cần xem xét trong quá trình này.
P 0 = 1,4.10 -8 7 1 27,8 3,5 = 11.10 -3 i) Xác suất đạt đến ngưỡng thu RX a và RX b là P a và P b
P b k) Khoảng thời gian pha đinh T a và T b ứng với FM a và FM b
T b l) Xác suất pha đinh phẳng dài hơn 10 s và 60 s
Erfc(Z) là hàm xác suất lỗi tích chập có cho ở phần phụ lục
Các giá trị Z a và Z b được tính toán theo biểu thức:
Tra theo hàm ercf(Z) ở phần phụ lục ta có xác suất fading dài hơn 10s và 60s là:
P(T b 60)=P(60)=0,5 [1-erf(Z b )] = 0,5 erfc(1.3) = 0,33 m) Xác suất BER ≥ 10 -3
= P 0 P a = 45.10 -3 × 2, 03.10 6 = 9,135.10 -8 n) Xác suất tuyến không thể sử dụng được do pha đinh phẳng q) Xác suất tuyến có BER ≥ 10 -6 trong 60 s
= P 0 P b P(60) = 2,295.10 -7 0,33 = 7,57.10 -7 r) Độ không sử dụng đường truyền cho phép (tuyến đường trục)
Bảng3.3 Tóm tắt các kết quả
Tần số làm việc f 7 Ghz
Khoảng cách giữa 2 trạm d 27,8 km Độ cao của 2 trạm so với mực nước biển
Chiều cao của các tháp anten:
18 m Độ cao lớn nhất của vật chắn trên đường truyền
Suy hao mỗi bộ lọc phân nhánh 2 dB
Ngưỡng thu của máy thu P th -89 dBm
Suy hao trong không gian tự do L fs 138,28 dB Suy hao do ống dẫn sóng (feeder) L f 9,45 dB Độ lợi của mỗi anten G 42,5 dB
Tổng suy hao và tăng ích L 147,08 dB
Mức đầu vào của máy thu P r - 42,15 dBm Độ dự trữ Fading thực tế FM tt 45.65 dBm Độ dự trữ Fading yêu cầu FM yc 15.366 dBm
3.15 Phần mô phỏng trên visual basic 2010 a) Lưu đồ thuật toán chương trình
+ Lưu đồ thuật toán trong thiết kế tuyến vi ba số được mô tả như Hình 3.6
Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán thiết kế tuyến vi ba số b) Kết quả mô phỏng
Nhập các thông số cho tuyến
Tính toán tham số tuyến và kiểm tra xem tuyến có hoạt động hay không không
Tính toán chấtlượng tuyến và kiểm tra xem tuyến có hoạt động tốt không Đúng
Hình 3.13 Giao diện mở đầu
Hình 3.14 Thiết kế tính độ cao anten
Hình 3.15 Thiết kế theo tham số tuyến
