Giới thiệu hệ thống viba
Băng tần viba
Phổ vi ba, thường được định nghĩa là năng lượng điện từ có tần số từ 1 GHz đến 1000 GHz, trước đây cũng bao gồm tần số thấp hơn Các ứng dụng vi ba phổ biến nhất nằm trong khoảng từ 1 đến 40 GHz Băng tần vi ba được xác định theo bảng sau:
Ký hiệu Dải tần Ký hiệu Dải tần
Băng L 1 đến 2 GHz Băng Q 30 đến 50 GHz Băng S 2 đến 4 GHz Băng U 40 đến 60 GHz Băng C 4 đến 8 GHz Băng V 50 đến 75 GHz Băng X 8 đến 12 GHz Băng E 60 đến 90 GHz
Băng Ku 12 đến 18 GHz Băng W 75 đến
Băng K 18 đến 26 GHz Băng F 90 đến
140 GHz Băng Ka 26 đến 40 GHz Băng D 110 đến
Vi ba là gi ?
Vi ba là sóng điện từ có bước sóng dài hơn tia hồng ngoại, nhưng ngắn hơn sóng radio.
Vi ba, hay còn gọi là sóng tần số siêu cao (Super High Frequency), có bước sóng dao động từ 30 cm (tần số 1 GHz) đến 1 cm (tần số 30 GHz) Ranh giới giữa tia hồng ngoại, vi ba và sóng radio tần số cực cao (Ultra High Frequency) là tương đối và có thể thay đổi tùy theo các lĩnh vực nghiên cứu khác nhau.
Sóng viba có tác dụng gì
Các ứng dụng phổ biến nhất hiện nay hoạt động trong dải tần từ 1 đến 40 GHz Sóng vi ba là lựa chọn lý tưởng cho các tín hiệu truyền không dây, bao gồm giao thức LAN không dây và Bluetooth, nhờ vào khả năng cung cấp băng thông cao.
Sóng vi ba là công nghệ chủ chốt trong các hệ thống radar, cho phép phát hiện phạm vi, khoảng cách và các đặc điểm của thiết bị cảm biến đo mức chất lỏng Ứng dụng của sóng vi ba bao gồm cảm biến radar và các giải pháp băng thông rộng di động.
Công nghệ vi sóng đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực phát sóng radio và viễn thông nhờ vào bước sóng nhỏ, cho phép sóng định hướng hiệu quả hơn so với bước sóng dài Điều này giúp cải thiện chất lượng truyền dẫn trước khi chuyển sang cáp quang Ngoài ra, sóng vi ba còn được ứng dụng rộng rãi trong điện thoại để hỗ trợ liên lạc đường dài.
Sóng viba được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm điều trị y tế, sấy khô và bảo quản sản phẩm, cũng như trong các hộ gia đình qua lò vi sóng để nấu chín thức ăn.
Tác động của vi sóng đối với sức khỏe
Vi ba là sóng điện từ có tần số dao động tương ứng với tần số cộng hưởng của nhiều phân tử hữu cơ trong sinh vật, khiến chúng hấp thụ vi sóng mạnh mẽ Quá trình này dẫn đến sự biến tính của các phân tử protein, tức là thay đổi cấu trúc phân tử do thay đổi một số liên kết Trong lò vi sóng, hiện tượng biến tính xảy ra trước khi nhiệt độ tăng và làm chín thức ăn.
Sự biến tính protein xảy ra với các mức độ khác nhau, phụ thuộc vào cường độ và thời gian tác động của vi sóng, được gọi là bỏng vi sóng, và thường khó nhận biết bằng cảm giác.
Protein biến tính ở mức nhẹ vẫn có thể tham gia vào hoạt động sống của tế bào, tuy nhiên nếu phân tử protein đó là DNA, nó có thể dẫn đến lỗi di truyền và ảnh hưởng đến quá trình phân bào sau này.
Khái niệm hệ thống viba?
▪ Kết nối viba (Microwave link) là hệ thống thông tin giữa 2 điểm cố định bằng sóng vô tuyến có hướng tính cao nhờ các an ten định hướng
▪ Có 2 dạng viba : viba tương tự và viba số
▪ Nếu đường truyền xa hoặc gặp chướng ngại vật , người ta sử dụng các trạm chuyển tiếp (Repeater) chỉ thu nhận tín hiệu , khuếch đại , rồi tái phát lại
1.5 ĐẶC ĐIỂM CỦA VI BA SỐ
Hệ thống vi ba số là một công nghệ thông tin vô tuyến, đóng vai trò quan trọng trong việc truyền dẫn số giữa các thành phần khác nhau trong mạng vô tuyến.
• Các đường trung kế số nối giữa các tổng đài số.
• Các đường truyền dẫn nối tổng đài chính.
• Các đường truyền dẫn nối các thuê bao với các tổng đài chính hoặc các tổng
Ưu nhược điểm hệ thống viba
• Không yêu cầu bất kỳ một hình thức kết nối cáp nào
• Chúng có thể mang số lượng thông tin cao do tần số hoạt động cao.
• Có thể tạo ra nhiều kênh truy cập riêng biệt
• Tín hiệu tần số cao / bước sóng ngắn đòi hỏi một ăng ten nhỏ.
• Sự suy giảm bởi các vật thể rắn: chim bay, mưa, tuyết và sương mù.
• Xây dựng các tòa tháp phát sóng rất tốn kém.
• Phản chiếu từ các bề mặt phẳng như nước và kim loại.
• Nhiễu xạ (tách) xung quanh các vật thể rắn.
• Bị khúc xạ bởi bầu khí quyển, do đó làm cho chùm tia được chiếu ra xa máy thu.
Các ứng dụng của hệ thống viba
Sóng Viba được ứng dụng trong tia hồng ngoại, sóng radio với tần số cao
Sóng viba có khả năng thay đổi các lĩnh vực nghiên cứu khác nhau và được ứng dụng trong đời sống hàng ngày Khi tác động vào thực phẩm với tần số thích hợp, sóng viba tạo ra sự ma sát, giúp làm nóng thức ăn Tuy nhiên, sóng viba không tương tác với các chất liệu như thủy tinh, nhựa hay giấy.
Sóng Viba được ứng dụng trong tín hiệu điện thoại với khả năng truyền xa, đồng thời hỗ trợ truyền thông tin đến các trạm vệ tinh trong không gian Ngoài ra, sóng Viba còn được sử dụng để xác định tốc độ của các phương tiện giao thông.
Các giao thức mạng không dây như Bluetooth và chuẩn IEEE 802.11g, 802.11b hoạt động trong dải tần 2,4 GHz, trong khi chuẩn 802.11a sử dụng băng tần 5,8 GHz Nhiều quốc gia, ngoại trừ Hoa Kỳ, cho phép dịch vụ truy cập Internet không dây tầm xa lên đến 25 km trong dải tần 3,5 - 4,0 GHz Ngoài ra, truyền hình cáp, truy cập Internet qua cáp đồng trục và truyền hình quảng bá cũng sử dụng các tần số vi ba thấp.
Một số mạng điện thoại di động tế bào sử dụng dải tần số vi ba thấp, cho phép truyền tải điện đường dài Khả năng này đã được khảo sát sau Chiến tranh thế giới thứ hai.
Các thành phần trong hệ thống viba
Khối phát
Hệ thống sơ đồ khối phát bao gồm các kênh thoại và kênh hình, trong đó âm thanh và hình ảnh được ghép chung qua truyền hình viba Để thực hiện điều này, cần có bộ ghép kênh FDMT và dải nền với dải tần số từ 0-6 MHz.
Sơ đồ khối phát hoạt động bằng cách ghép kênh thoại và kênh vào các jack cắm terminal, sau đó tín hiệu sẽ được đưa qua bộ điều chế FM với dải tần 0-6MHz Tín hiệu này kết hợp với tần số cao, cụ thể là tần số siêu cao, trước khi được phát lên tần số sóng 4GHz.
Trạm lặp trung gian
Hình - Mô tả một tuyến viba chuyển tiếp với hai trạm đầu cuối và một trạm lặp
Tại trạm đầu cuối, tín hiệu được dẫn đến bộ điều khiển và điều chỉnh thành sóng mang trung tâm tần số (IF), nơi áp dụng các định dạng như PSK, QAM hoặc SSB Máy phát chuyển đổi tín hiệu thành sóng vô tuyến (RF) và khuyếch đại đến chuẩn phát, với băng tần từ 40MHz đến 22GHz Tín hiệu RF đi qua kênh lọc và bộ quay vòng trước khi tới antena Nếu khoảng cách giữa các đầu chuỗi lớn hơn 50km, cần lắp đặt lặp lại Antenna thu tại lặp lại chuyển tín hiệu đến máy thu, nơi tín hiệu được ký hiệu và biến đổi về IF Tín hiệu này sau đó được tái tạo và chuyển đến máy phát, tiếp tục qua kênh phân tích lọc đến antena bức xạ Tín hiệu cuối cùng được phục hồi tại điểm tiếp nhận và thiết lập kênh Vô tuyến thông tin không chỉ giới hạn trong một quốc gia mà còn có tiêu chuẩn quốc tế do Hiệp Hội Viễn Thông Quốc Tế ITU quy định, bao gồm CCITT và CCIR, giúp các mạng lưới quốc gia giao tiếp với nhau tạo thành mạng toàn cầu.
Khối thu
Hình - Sơ đồ khối máy thu điển hình
Phân tích các yếu tố đặc điểm, đặc trưng của hệ thống thông
Đặc điểm của hệ thống thông tin viba
• Triển khai nhanh, giá rẻ • Có tốc độ nhỏ hơn so với hơn so với hệ thống cáp cáp quang.
Dải siêu cao tần từ 300MHz đến 30GHz chịu ảnh hưởng của địa hình và môi trường truyền sóng Các yếu tố như hơi nước, oxi, và mưa có thể gây suy hao tín hiệu, ảnh hưởng đến chất lượng của kênh thoại và kênh truyền hình.
• Công suất phát thấp hiện tượng fading Đặc
• Đảm bảo tín hiệu dải rộng biệt đối với hệ thống băng
• Dễ dàng quản lý rộng phải chịu tác động của fading đa đường, chọn lọc theo tần số.
• Thông tin trong tầm nhìn thẳng => Khoảng cách
3.1 Đặc điểm của hệ thống thông tin viba:
Những hiện tượng ảnh hưởng đến truyền dẫn:
Một số biện pháp khắc phục và nâng cao chất lượng đường truyền:
• Sử dụng bộ khuếch đại tín hiệu, các trạm chuyển tiếp.
• Khắc phục hiện tượng fading trong thông tin vi ba.
• Phân tập theo không gian: sử dụng 2 hay nhiều anten phát hoặc 2 hay nhiều anten thu để thu phát cùng một tín hiệu trên cùng một tần số.
• Phân tập theo tần số: truyền và thu đồng thời cùng một tín hiệu trên 2 hoặc hơn 2 kênh tần số vô tuyến trong cùng một dải tần.
Đặc trưng của hệ thống viba
Các phương thức lan truyền sóng vô tuyến:
Mesosphere: Tầng giữa của khí quyển
+ Tầng điện li (ion) có khả năng phản
Tính chất bề mặt trái đất:
Có thể truyền sóng vô tuyến xạ sóng vô tuyến.
Các phương thức lan truyền sóng vô tuyến:
Sóng đất là loại sóng vô tuyến lan truyền gần mặt đất, có khả năng di chuyển theo đường thẳng hoặc bị phản xạ từ bề mặt đất Chúng cũng có thể bị uốn cong theo độ cong của mặt đất nhờ hiện tượng nhiễu xạ.
Dải tần thấp /trung bình (30kHz-300kHz), còn được gọi là sóng dài.
Sóng bề mặt (surface wave) là loại sóng truyền theo độ cong của bề mặt Trái đất, cho phép truyền thông giữa hai anten không nhìn thấy nhau Tuy nhiên, vào ban đêm, sóng này có thể bị khúc xạ qua tầng điện ly.
• Dải tần: 300kHz-3MHz (còn được gọi là sóng trung).
Sóng trời (sky wave): từ anten phát sóng phản xạ tại tầng điện ly trở về trái đất đến anten thu , làm tăng cự ly truyền.
• Dải tần: 3-30MHz (sóng ngắn).
– Dưới 10MHz, truyền tốt vào ban đêm.
– Trên 10MHz, truyền tốt vào ban ngày.
– Ban đêm tầng điện ly cao hơn, tăng khoảng cách truyền
Sóng không gian (Space wave): sóng lan truyền qua các lớp khí quyển, trực tiếp từ anten phát đến anten thu.
Những tia đến trực tiếp và những tia đến gián tiếp Tia trực tiếp giới hạn bởi chiều cao của anten, độ cong của mặt đất.
Dải tần số vô tuyến bao gồm các băng tần: trên 30MHz, VHF (30-300MHz) và UHF (0.3-3GHz), phù hợp với băng sóng cực ngắn, là phương thức chính trong thông tin vô tuyến Hệ thống thông tin này bao gồm thông tin vệ tinh và thông tin viba.
Truyền sóng do khuếch tán trong tầng đối lưu:
- Tồn tại các vùng không gian không đồng nhất trong tầng đối lưu.
Sóng khi di chuyển vào vùng không đồng nhất sẽ khuếch tán theo nhiều hướng khác nhau, dẫn đến sự không ổn định do sự biến đổi liên tục của vùng đồng nhất Phương thức thông tin này ít được áp dụng trong thực tế vì độ tin cậy thấp, hiện tượng fading sâu, yêu cầu công suất phát lớn và cần có tính định hướng anten cao.
Truyền sóng trong điều kiện siêu khúc xạ tầng đối lưu: Ở một khoảng chiều cao nào đó của tầng đối lưu nếu chiết suất biến thiên theo quy luật
Tia sóng khi đi vào tầng đối lưu sẽ bị uốn cong, với độ cong lớn hơn độ cong của quả đất Hiện tượng này được gọi là siêu khúc xạ tầng đối lưu.
=> Không ổn định do độ cao
Truyền lan sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp là phương pháp phổ biến trong thông tin vi ba, ít bị ảnh hưởng bởi điều kiện thiên nhiên Để đảm bảo hiệu quả truyền tải, hai anten thu và phát cần được đặt ở độ cao thích hợp, tránh bị che chắn bởi các chướng ngại vật trên mặt đất.
Fading trong vô tuyến
Fading trong thông tin vô tuyến
Fading là hiện tượng sai lệch tín hiệu thu không bình thường trong các hệ thống vô tuyến, xảy ra do ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn.
1 Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn
2 Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa, tuyết, sương mù… sự hấp thụ này phụ thuộc vào dải tần số công tác đặc biệt là dải tần số cao (>10GHz).
3 Sự khúc xạ gây bởi sự không đồng đều của mật độ không khí.
4 Sự phản xạ sóng từ bề mặt Trái Đất, đặc biệt trong trường hợp có bề mặt nước và sự phản xạ sóng từ các bất đồng nhất trong khí quyển. Đây cũng là một yếu tố dẫn đến sự truyền lan đa đường.
5 Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại vật trên đường truyền lan sóng điện từ, gây nên các hiện tượng trải trễ và giao thoa tại điểm thu do tín hiệu nhận được là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường Hiện tượng này đặc biệt quan trọng trong thông tin di động.
6 Sự di chuyển tương đối giữa máy phát và máy thu
Fading thẳng Fading chọn lọc tần số Fading nhanh
Là fading mà suy hao phụ thuộc vào tần số là không đáng kể, hầu như là hằng số với toàn bộ băng tần hiệu dụng của tín hiệu
Fading thẳng thường xuất hiện ở các hệ thống vô thuyến có dung lượng nhỏ và vừa, do băng thông tín hiệu hạn chế Trong trường hợp này, fading do truyền dẫn đa đường gây ra bởi mưa gần như không có sự chọn lọc tần số Fading thẳng được chia thành hai loại.
❖ Fading thẳng do truyền dẫn đa đường
❖ Fading thẳng do hấp thụ
4.2.2 Fading chọn lọc tần số
- Không tính được dự trữ như fading phẳng cho toàn băng tần
- Phân tập không gian và thời gian
- Mạch san bằng thích nghi
- Điều chế đa sóng mang
Hiệu ứng Doppler: sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu dẫn đến tần số thu bị dịch đi so với tần số phát tương ứng
Hiệu ứng đa đường gây biến đổi nhanh mức tín hiệu ở đầu thu
Tính toán độ dự trữ fading nhanh là một yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống truyền thông Các mô hình kênh như Gauss, Rayleigh và Rician được sử dụng để mô phỏng các môi trường truyền dẫn khác nhau Mỗi mô hình này phản ánh các đặc điểm fading riêng biệt, giúp cải thiện hiệu suất truyền tải dữ liệu trong các điều kiện thực tế.
- Do ảnh hưởng của các vật cản trên đường
Tính toán độ dự trữ fading chậm: theo đường cong mật độ xác suất fading che khuất.
Sự biến thiên của độ khúc xạ, nhiễu xạ và phản xạ là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng truyền dẫn đa đường, dẫn đến tổn hao tín hiệu sóng.
Miền fresnel là miền gồm các hinh elip đồng tâm xung quanh đường LOS.Các đối tượng trong miền fresnel như cây, đỉnh đồi, và các tòa nhà có
Một số sóng tín hiệu truyền thẳng từ A đến B, trong khi các sóng khác lại di chuyển theo các tuyến đường lệch trục, dẫn đến khoảng cách truyền dẫn dài hơn và gây ra sự dịch pha giữa các chùm sóng Qua việc áp dụng các khái niệm và tính toán, có thể phát hiện ra rằng xung quanh đường liên kết AB có những vùng hình elip ảnh hưởng đến cường độ tín hiệu truyền đến trạm nhận.
Để tính toán Vùng Fresnel cho mạng vô tuyến, trước tiên cần thiết lập các đường RF LoS (Line-of-Sight), tức là các liên kết sóng vô tuyến trực tiếp giữa anten trạm phát và anten trạm thu Phương trình tổng quát để xác định bán kính vùng Fresnel tại bất kỳ điểm P nằm giữa hai điểm đầu cuối của liên kết vô tuyến có thể được biểu diễn bằng công thức sau đây:
• Bán kính vùng Fresnel thứ n (m)
• Khoảng cách của điểm P đến điểm A (m)
• Khoảng cách của điểm P đến điểm B (m)
• Bước sóng của tín hiệu (m)
Bán kính vùng Fresnel đạt giá trị tối đa tại điểm trung tâm của đường truyền RF LoS, và việc hiểu rõ bán kính tối đa này là rất quan trọng cho quy hoạch mạng vô tuyến trong các ứng dụng thực tế.
Khoảng cách giữa điểm A và B đến điểm P là giống nhau Bằng cách chuyển đổi các giá trị bước sóng sang tần số tín hiệu, chúng ta có thể xác định được các thông số cần thiết.
Để tính bán kính tối đa, cần chuyển đổi các giá trị tần số và khoảng cách tổng cộng sang GHz và km tương ứng.
4.5 Các nhân tố ảnh hưởng đến sự truyền lan sóng vô tuyến
Suy hao khi truyền lan trong không gian tự do Ảnh hưởng của pha ding và mưa
Sự can nhiễu của sóng vô tuyến
Nhiễu thường xảy ra khi có thành phần can nhiễu bên ngoài trộn lẫn vào sóng thông tin, có thể cùng hoặc khác tần số với sóng thông tin Ví dụ, hệ thống Viba số có thể bị ảnh hưởng bởi 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.
Chương 5 : Quy trình thiết kế một hệ thống thông tin
5.1 Tiêu chuẩn thiết kế về khoảng hở
Khoảng hở đường truyền F là khoảng an toàn giữa giới hạn miền Fresnel thứ nhất và điểm cao nhất của vật cản Để thiết kế một đường truyền sóng viba số hiệu quả, cần đảm bảo độ cao của hai anten đủ lớn, ngay cả trong điều kiện địa hình xấu nhất, đồng thời tránh đặt anten thu trong vùng nhiễu xạ.
Để đảm bảo điều kiện lan truyền trong không gian tự do, khoảng hở giữa anten thu phát và vật chắn cần đạt một tỷ lệ thích hợp (F = αFFi) Theo khuyến nghị trong báo cáo 338-5 của CCIR, khi F = 60%Fi, cần tính toán độ cao của anten để tối ưu hóa hiệu suất truyền tín hiệu.
Bước 1: Nghiên cứu dung lượng đòi hỏi
Bước 2: Chọn băng tần vô tuyến để sử dụng
Bước 3: Sắp xếp các kênh RF
Bước 4: Quyết định các tiêu chuẩn thực hiện
Bước 5: Chọn vị trí và tính toán đường truyền
5.2 Các bước hiết kế hệ thống viba BƯỚC 1
NGHIÊN CỨU DUNG LƯỢNG ĐÒI HỎI
