xét những ảnh hưởng của các điều kiện tự nhiên đến quá trình truyền sóng

Báo cáo thực tập SV: Nguyễn Huyền Trang Lời nói đầu Thông tin liên lạc là một nhu cầu không thể thiếu trong đời sống xã hội. Sự phát triển cơ sở hạ tầng của thông tin là yếu tố thúc đẩy nền kinh tế phát triển, nâng cao đời sống xã hội, phục vụ cho an ninh quốc phòng. Đối với mỗi một quốc gia trên thế giới, việc xây dựng và phát triển công nghệ thông tin, đặc biệt là thông tin vô tuyến đang đợc đặt lên hàng đầu. Thông tin liên lạc vô tuyến trớc đây đợc sử dụng là hệ thống thông tin vi ba t- ơng tự. Ngày nay, sự phát triển nh vũ bão của kỹ thuật số với những tính năng u việt vợt trội thì dần dần những hệ thống tơng tự sẽ đợc thay thế bằng những hệ thống thông tin số với tốc độ cao, dung lợng lớn và chất lợng thông tin trung thực. Ngày nay ở nớc ta thông tin viba cũng đang đợc phát triển ngày càng mạnh trong các ngành mũi nhọn nh truyền thanh, truyền hình, hàng không, hàng hải Thông tin vi ba tơng tự đã đợc thay bằng hệ thống vi ba số, hệ thống thông tin vệ tinh Tuy nhiên dù đã đạt đến công nghệ cao nhng các hệ thống này vẫn bị ảnh hởng không nhỏ của các yếu tố tự nhiên. Do đó việc nghiên cứu ảnh hởng của địa hình khí hậu đến quá trình truyền sóng là vô cùng quan trọng và không thể bỏ qua. Bản báo cáo gồm 2 phần chính: Phần I: Nghiên cứu những vấn đề chung của sóng vi ba. Phần II: Xét những ảnh hởng của các điều kiện tự nhiên đến quá trình truyền sóng. Trong quá trình tìm hiểu em đã đợc sự giúp đỡ rất tận tình của các thầy cô giáo đặc biệt với sự hớng dẫn tận tình của thầy Đào Đức Kính - Đại tá, PGS.TS nhà giáo u tú - khoa Vô tuyến điện tử - Học viện kỹ thuật quân sự. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo của thầy để em hoàn thành bản báo cáo này. Báo cáo thực tập SV: Nguyễn Huyền Trang Chơng I : Lý thuyết chung về sóng vi ba I.1: Thông tin vô tuyến và cơ sở về sóng vô tuyến Thông tin vô tuyến là sử dụng khoảng không gian làm máy tính truyền sóng với phơng pháp thông tin là phía phát bức xạ các thông tin thông qua sóng điện từ (điều chế vào sóng mang tần số cao), Phía thu nhận sóng điện từ này từ không gian và tách lấy tín hiệu gốc (phải điều chế sóng mang) Nh vậy sóng điện từ đợc lan truyền trong môi trờng thực gồm: Mặt đất, khí quyển bao quanh mặt đất và không gian vũ trụ ngoài quả đất. Để xây dựng cơ chế truyền sóng và việc sử dụng các thiết bị truyền thông thì phải phụ thuộc vào tần số của sóng vô tuyến sử dụng. Ngời ta đã chia ra các băng tần số vô tuyến theo tiêu chuẩn quốc tế CCIR nh sau: Tần số Tên băng tần 3KHZ -30KHZ VLF 30K -300K 300K -3N 3N -30N 30N -300N 300N -3G 3G -30G LF NF HF VHF UHF SHF Trong thông tin hiện nay. Các sóng có tần số thấp (<30MHz) lan truyền lớt trên mặt đất và tầng điện ly vì trong môi trờng này các sóng trung và các sóng ngắn bị tổn hao đờng truyền thấp, khả năng nhiễu xạ cao hơn sóng cực ngắn, nó đợc sử dụng chủ yếu cho thông tin hàng hải, phát thanh điện báo, viễn thông đạo hàng Sóng cực ngắn (VHF, UHF, SHF) có môi trờng dẫn là bầu không khí chủ yếu là tầng đối lu. Nó sử dụng cho thông tin quảng bá dải rộng nh truyền hình, phát thanh FM, TTĐ, TT vệ tinh Báo cáo thực tập SV: Nguyễn Huyền Trang Do sự không ổn định của bầu không khí đã dẫn đến sự thay đổi chiết suất của môi trờng truyền lan sóng. Do đó 1 sóng đợc bức xạ từ Angten phát có thể truyền thẳng hoặc gián tiếp đến Angten thu 3 loại sóng sau: Sóng trực tiếp, sóng phản xạ từ đất, sóng phản xạ từ tầng đối lu. +Sóng trực tiếp: Sóng này đợc phát trực tiếp từ Angten phát sang Angten thu. Trong điều kiện bình thờng nó có biên độ lớn nhất so với biên độ các sóng bất kỳ nào tới máy thu +Sóng phát xạ mặt đất: Sóng này tới Angten thu sau vài lần phản xạ từ mặt đất hoặc các vật thể xung quanh. Sự phản xạ này xuất hiện cả chiều đứng và chiều ngang. Nh vậy sóng phản xạ từ một vật cản tới điểm thu sẽ lệch so với đờng sóng chính về biên độ và pha. Nếu khoảng cách các tuyến truyền lớn hơn số lẻ lần bớc sóng thì sóng phản xạ sẽ lệch pha so với song trực tiếp là 180 0 , làm say hao sóng tới ở 1 mức độ nào đó, mức độ này phụ thuộc vào biên độ của sóng phản xạ +Sóng phản xạ tầng đối lu: Là sóng bị phản xạ do sự không chú ý của tầng đối lu. Tuỳ theo góc sóng tới có thể xảy ra hiện tợng phản xạ toàn phần sóng I.2 Cơ sở thông tin vi ba Trong thông tin vi ba, sóng vi ba đợc sử dụng là sóng cực ngắn sóng siêu cao tần. Môi trờng truyền sóng chính là bầu khí quyển bao quanh quả đất, Do đó sóng đợc truyền theo phơng thức sóng đất và sóng đối lu (sóng không gian) Trong qua trình truyền nó chịu ảnh hởng rất nhiều các điều kiện tự nhiên nh: Địa hình của trái đất, nhiệt độ, áp suất, độ ẩm của không khí, chiết suất của khí quyển, các chớng ngại vật và do ma. Các ảnh hởng này của môi trờng sẽ gây ra cả hiện tợng phản xạ. khúc xạ, tán xạ, nhiễu xạ cũng nh hấp thụ sóng làm cho cờng độ trờng tại điểm thu bị suy giảm Khi thiết kế một tuyến vi ba thì ta phải xét đến sự ảnh hởng các yếu tố đó đến sóng vô tuyến cả về mặt tích cực cũng nh mặt hạn chế. Từ đó phát huy các u điểm và khắc phục nhợc điểm sao cho thông tin thu đợc là tốt nhất, có chất lợng thông tin cao. Báo cáo thực tập SV: Nguyễn Huyền Trang Chơng II . Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình truyền sóng Để đảm bảo tín hiệu trung thực của tin tức thông quá trình truyền sóng từ đầu phát tới đầu thu ta phải giải quyết nhiều vấn đề. Tín hiệu khi đợc truyền luôn gặp phải những tác động không mong muốn. Sự tác động này làm tín hiệu méo dạng và suy biến. Trong thực tế sóng truyền từ nơi khác đến điểm thu phải truyền qua các miền có các dạng địa hình khác nhau (Đồi núi, mặt bằng phẳng ) các tham số của từng vùng cũng khác nhau Khi tia sóng truyền đến bề mặt của các vùng này sẽ xảy ra các hiện tợng nh nhiễu xạ. phản xạ, tán xạ rất phức tạp trong qua trình truyền sóng năng lợng sẽ bị suy hao. Trờng hợp xấu nhất trờng tại điểm thu có thể bằng 0 do sự giao thoa giữa sóng trực tiếp với sóng phản xạ dẫn tới việc mất thông tin Nh vậy ta cần khảo sát đánh giá các tác động của môi trờng đất đối với sóng điện từ và trên cơ sở đó chọn ra đờng truyền tối u đảm bảo cho đờng truyền thông tin có hiệu suất cao nhất II.1. Truyền lan trong không gian tự do Môi trờng tự do là môi truờng đồng nhất đẳng hớng và không hấp thụ trong môi trờng này tia sóng sẽ đi thẳng từ nơi phát đến nơi thu cho nên nó còn gọi là truyền lan sóng thẳng. Việc nghiên cứu nó là đơn giản nhất và dựa trên cơ sở đó để nghiên cứu các trờng hợp truyền lan trong môi trờng thực Nếu đặt một nguồn bức xạ vô hớng có công suất bức xạ P 1 trong môi trờng đó và xét vô hớng có công suất bức xạ N cách nguồn bức xạ 1 khoảng r. Báo cáo thực tập SV: Nguyễn Huyền Trang Khi đó tại khoảng cách r, gọi S là năng lợng do nguồn bức xạ toả ra phân bố trên 1 đơn vị diện tích gọi là thông lợng năng lợng). Theo lý thuyết trờng ta có: Từ hai biểu thức trên ta suy ra: Từ Công thức ta thấy E h tỉ lệ nghịch với r tức là E suy giảm dần theo khoảng cách, sự suy giảm này là do sự khuyếch tán tất yếu năng lợng sóng vào không gian tự do, càng xa nguồn điện tích khuyếch tán càng rộng nên mật độ năng lợng trên 1 đơn vị diện tích càng giảm. Để tăng cờng độ trờng tại điểm thu thì nguồn bức xạ phải tập trung đợc năng lợng đến điểm thu mà không cho bức xạ đẳng hớng. Trong thực tế hệ thống đó là Angten có hớng, với hệ số cố định hớng là D 1 thì năng lợng bức xạ ra sẽ đợc tập trung về hớng thu tơng tự nh ta tăng công suất bức xạ lên D 1 lần so với bức xạ vô h- ớng lúc đó cờng độ điện trờng khi tính đến tính định hớng của Angten đợc biểu diễn là một hàm biến thiên theo thời gian là: II.2. ảnh hởng của mặt đất phẳng )/( 4 2 2 1 mW r P S = )/( 120 2 2 mW hE S = )/( 30 1 mV r P E h = )/( 245 11 mmVe r DP E tj = Báo cáo thực tập SV: Nguyễn Huyền Trang ở mục này ta xét sự phản xạ sóng trên mặt đất trong điều kiện lý tởng nhất. Đó là coi mặt đất là mặt phẳng bỏ qua độ cong và sự gồ ghề của quả đất, khí quyển là đồng nhất, không hấp thụ, Angten đặt cao so với mặt đất ít nhất là vài bớc sóng công tác. Lúc đó quá trình truyền lan đất đợc mô tả nh sau: Khi truyền lan sóng là một trùm tia sáng có một tia đi thẳng trực tiếp đến điểm thu B trong tầng đối lu (Đợc giả thiết là không gian tự do) và có rất nhiều tia phản xạ nhng chỉ có một tia phản xạ từ mặt đất tại C đến đợc điểm B vì nó thoả mãn điều kiện góc tới bằng góc phản xạ đối với điểm B. Cờng độ trờng tại điểm B sẽ là sự cộng cờng độ trờng do tia tới và tia phản xạ gây ra. Cờng độ trờng tại điểm thu của tia tới trực tiếp đợc xác định nh trong không gian tự do là: Cờng độ trờng tại điểm thu của tia phản xạ sẽ khác pha so với tia tới h 1 A r 1 e 1 B h 2 e 1 r 2 c r )/( 245 1 1 1 mmVe r PD E tj = )/( 245 2 2 mmVe r PD RE rtj = Báo cáo thực tập SV: Nguyễn Huyền Trang Với R: Hệ số phản xạ từ mặt đất Với Khi Phân cực ngang Với Khi Phân cực đứng Trong thực tế h 1 , h 2 <<r cos 1 Vậy khi có cả 2 dạng Phân cực đều có công thức giao thoa: Nh vậy so với truyền trong không gian tự do cờng độ trờng khi có phản xạ mặt đất sẽ bị suy hao một lợng F gọi là hệ số suy hao Công thức này thể hiện hiện tợng giao thoa Nếu các tham số của đờng thông tin đã xác định nh độ cao Angten h, , R, khi đó hàm cos có thể đạt giá trị cực đại và cực tiểu tại khoảng cách nào đó. Vậy hàm số F suy giảm phụ thuộc vào cự li r đợc thể hiện nh sau CSin CSin R + = 2 cos = C 2 2 cos = C 60j = 21 21 1 2 DD r hh r =<<= ) 2 cos(21. 173 2 11 RrR r DP Eh + ++= ) 2 cos(21 2 RrRF + ++= 0 1-R R Max 1+R r F Báo cáo thực tập SV: Nguyễn Huyền Trang Để xét sự phụ thuộc hệ số suy giảm vào góc sóng tới tức là quan tâm tới cấu trúc giao thoa không gian của trờng nếu có một phần tử phát xạ vô hớng ở đó độ cao h trên mặt đất phẳng giản đồ hớng của nó trong mặt phẳng hớng sẽ có nhiều búp sóng. ý nghĩa của hiện tợng này ở chỗ với mỗi góc sóng có 2 tia sóng 1 và 2 giao thoa nhau. Nếu ở một hớng nào đó chúng trồng pha nhau sẽ tạo nên cực tiểu búp sóng Để xác định thừa số suy giảm trong trờng hợp này ta giả thiết Angten thu và phát đặt xa nhau r >> , cos 2 tia sóng 1 và 2 là song song -Xem các tia sóng xuất phát từ những điểm khác nhau trên nguồn song songnhau -Trong thừa số pha phải lấy chính xác -Hiện đờng đi r=r 1 -r 2 Khi đó ta có r= 2h sin r A h h A . 1 2 == 2 , 1 ke r E E rjktj m Báo cáo thực tập SV: Nguyễn Huyền Trang Khi sóng phân cực ngang, đất dẫn điện tốt R ng = -1 F ng = 2 sin( sin 2 h ) Khi sóng phân cực đứng R d = 1 Đặt Nếu =(0ữ/2) Hàm F thay đổi n lần qua các cực đại và cũng có n búp sóng trong 1 góc phần t Nh vậy khi h tăng thì n tăng, số cánh sóng phân chia tăng lên và cực đại đầu tiên sẽ tiến về phía đất góc giảm, trờng hợp này thờng đợc áp dụng trong kỹ thuật Rađa. Điều kiện truyền sóng tốt nhất: Trong nhiều trờng hợp do góc nghiêng của tia phản xạ từ mặt đất sẽ rất nhỏ đến mức có thể xem R 1 và =180 0 Khi đó công thức giao thoa có dạng đơn giản nhất là: Nếu + + )sin 2 cos(2 hF d = n h = 2 )sinsin(2 = nF ng )sincos(2 = nF d )0()sin( 2 ữ= nn ) 18.2 2 21 r hhPD E h = r hh r PD E h 21 2 sin 346 = 12 5,0 2 sin 21 21 r hh r hh == 4 1 2 sin 21 21 r hh r hh == Báo cáo thực tập SV: Nguyễn Huyền Trang Từ trên ta thấy nếu chọn đợc độ cao Angten h 1 , h 2 và các quan hệ giữa các thông số thoả mãn công thức trên thì tia phản xạ từ mặt đất sẽ không gây tác dụng làm yếu trờng của tia tới mà ngoài ra nó còn có thể làm tăng gấp 2 lần trờng của tia tới do trờng của tia tới và tia phản xạ đồng pha nhau tại điểm thu II.3. ảnh hởng của mặt đất cầu đến quá trình truyền sóng Các công thức giao thoa ở trên xác định trong trờng hợp Angten đặt cao hơn trên mặt đất phẳng và chỉ đúng khi thông tin là gần. Trong thực tế quả đất là hình cầu do vậy với cự ly thông tin vợt qua giới hạn nào đó thì khi tính toán cần tính đến độ cong của quả đất. Trớc hết xét ự ly lớn nhất nhìn thấy đợc giữa 2 Angten với độ cao h 1 và h 2 khi kể đến độ cong quả đất. Gọi là khoảng cách tầm nhìn thẳng ký hiệu r 0 Với a là bán kính trái đất Thay a = 6370 km Bây giờ ta khảo sát truyền sóng trên mặt đất hình cầu khi đó tại điểm phản xạ C ta vẽ 1 mặt phẳng tiếp tuuến với mặt cầu cắt độ cao đặt Angten tại 2 điểm A, B. Khi đó ta xét cờng độ điện trờng tại điểm B sẽ đợc tính theo công thức giao thoa nh mặt đất phẳng. Trong đó: h 1 = h 1 - h 1 h 2 = h 2 - h 2 A h 1 a a a h 2 Br 0 C )(2 210 hhar += )(75.3 210 kmhhr += A h 1 a a a h 2 B r 0 C A B h 1 h 1 [...]... sóng viba I.1 Thông tin vô tuyến và cơ sở về sóng vô tuyến 2 I.2 Cơ sở thông tin vi ba 3 Chơng II Các yếu tố mặt đất ảnh hởng đến quá trình truyền sóng II.1 Truyền lan trong không gian tự do .4 II.2 ảnh hởng của mặt đất phẳng 6 II 3 ảnh hởng của mặt đất cầu .10 II 4 ảnh hởng của mặt đất thực tế 11 Chơng III Tác động của tâng khí quyển đến truyền sóng. .. Qua những nghiên cứu ở trên, chúng ta thấy không phải các điều kiện tự nhiên nh địa hình trái đất; yếu tố vật lý khí quyển đều có những ảnh hởng không tốt đến quá trình truyền thông tin mà chúng vẫn có những mặt tích cực Các nghiên cứu trên đều mang tính chất tơng đối vì khi áp dụng vào mỗi quốc gia thì các yếu tố tự nhiên lại khác nhau Do đó phải xây dựng tuyến thông tin sao cho giảm thiểu những ảnh. .. quyển là một trong những hiện tợng quan trọng khi khảo sát quá trình làm việc của tuyến vi ba nhìn thẳng, dới ảnh hởng của hiện tợng này tầm nhìn vô tuyến đợc mở rộng hoặc thu hẹp lại ở đây ta xét ảnh hởng của khúc xạ khí quyển khi truyền sóng trong điều kiện angten đặt cao Để đơn giản ta coi tia tới trực tiếp và tia phản xạ trên mặt đất truyền theo quỹ đạo thẳng nhng khi đó bán kính thực của trái đất a... trờng hợp này tia sóng đợc truyền đi với cự li rất xa tuy nhiên nó rất ít khi xảy ra và tơng đối phức tạp Tóm lại Hiện tợng khúc xạ khí quyển ảnh hởng rất lớn đến quá trình truyền sóng vô tuyến và quy luật xác định tầm nhìn thẳng của sóng vô tuyến để từ đó xác định độ cao thích hợp của Angten III.2 Truyền sóng do khuyếch tán trong tầng đối lu Qua quan sát thực tế ngời ta nhận thấy sóng vẫn có thể thâm... giữa các đờng vô tuyến Mặc dù nguyên nhân chính của vấn đề này là ma, nhng tán xạ từ những đám mây có những hạt băng, từ tuyết ớt hoặc ma đá cũng không kém phần quan trọng Sự tán xạ gây ra do ma có thể đợc thiết lập do cách ghép giữa các anten, với điều kiện là búp sóng phản xạ của các anten này chắn một thể tích chung trong không gian và ma chiếm trong một phần của thể tích chung này Độ ghép của các. .. khối thể tích chung III.3.2.3 Các kỹ thuật để giảm các ảnh hởng của tiêu hao do ma Việc sử dụng phân tập không gian, phân tập số, các bộ cân bằng tự thích nghi và rút ngắn độ dài đờng chuyền không làm thế nào để giảm các ảnh hởng của Báo cáo thực tập SV: Nguyễn Huyền Trang phadinh do ma Chỉ còn một cách hữu hiệu để giảm các ảnh hởng của ma là giảm tần số hoặc tránh khỏi đờng của nó Khi biến đổi phân cực... hiệu quả vào quá trình truyền sóng đợc giới hạn bởi kích thớc của nửa miền Fresnel1, Miền này chứa hầu hết công xuất đến máy thu Nếu tồn tại một vật cản nào đó trong miền này nó sẽ che khuất một phần khoảng không gian truyền sóng và sóng đợc truyền bởi khoảng không gian còn lại do đó gây ra suy hao tín hiệu đến điểm thu Khi bỏ qua ảnh hởng của mặt đất thì cờng độ trờng có thể tính bằng tích của cờng độ... Chơng III Tác động của tầng khí quyển đến truyền sóng vi ba Tầng đối lu là tầng cuối cùng của khí quyển trái đất, trải từ mặt đất lên đến độ cao khoảng 20 km Các thành phần của tầng đối lu bao gồm các chất khí(H2, O2, N2, CO2) và hơi nớc tạo thành các lớp Để đặc trng cho tính chất vật lý của tầng đối lu ngời ta khảo sát các thông số: áp suất chất khí, nhiệt độ,độ ẩm của không khí Các thông số này không... và kích thớc của vật chắn xâm phạm vào vùng chủ yếu tham gia vào quá trình truyền sóng Sau đây ta sẽ xác định vùng không gian đó II.4.3.1 Miền không gian tham gia chủ yếu vào quá trình truyền sóng : Tại A đặt một Angten phát vô hớng và ta B đăt 1 Angten thu vô hớng Báo cáo thực tập SV: Nguyễn Huyền Trang Khi truyền sóng từ A đến B thì không phải mọi miền không gian giữa 2 Angten đều có ảnh hởng nh... cao Sự biến đổi của p, nhiệt độ, độ ẩm tác dụng lên các lớp dẫn đến sự thay đổi chỉ số khúc xạ giữa các lớp theo độ cao và chiều ngang: N= Trong đó 77.6 4810e (P + ) T T T: nhiệt độ tuyệt đối (0K) p: áp suất tuyệt đối (mBar) e: độ ẩm tuyệt đối (mBar) Điều này thể hiện sự không đồng nhất của tầng đối lu Nó sẽ ảnh hởng đến quá trình truyền lan sóng nh phản xạ, khúc xạ, tán xạ, nhiễu xạ sóng và gây tổn . ba. Phần II: Xét những ảnh hởng của các điều kiện tự nhiên đến quá trình truyền sóng. Trong quá trình tìm hiểu em đã đợc sự giúp đỡ rất tận tình của các thầy. phơng thức sóng đất và sóng đối lu (sóng không gian) Trong qua trình truyền nó chịu ảnh hởng rất nhiều các điều kiện tự nhiên nh: Địa hình của trái đất,