Giáo trình tín hiệu và phương thức truyền dẫn

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Tín hiệu phương thức truyền dẫn mô đun sở của nghề Điện tử dân dụng biên soạn dựa theo chương trình khung đã xây dựng và ban hành năm 2017 của trường Cao đẳ ng nghề Cầ n Thơ dành cho nghề Điện tử dân dụng hệ Trung cấp Giáo trình biên soạn làm tài liệu học tập, giảng dạy nên giáo trình xây dựng mức độ đơn giản dễ hiểu, ho ̣c có thí dụ tập tương ứng để áp dụng và làm sáng tỏ phầ n lý thuyết Khi biên soạn, nhóm biên soạn dựa kinh nghiệm thực tế giảng dạy, tham khảo đồng nghiệp, tham khảo các giáo trình có và cập nhật kiến thức có liên quan để phù hợp với nội dung chương trình đào tạo phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung biên soạn gắn với nhu cầu thực tế Nội dung giáo trình biên soạn với lượng thời gian đào tạo 30 gồm có: Chương MH08-01 Hệ thống thơng tin dân dụng Chương MH08-02 Các phương thức điều chế giải điều chế tín hiệu Chương MH08-03 Các phương thức truyền dẫn sóng điện từ Mặc dù cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng mục tiêu đào tạo không tránh thiế u sót Rất mong nhận sự đóng góp ý kiến thầy, cơ, bạn đọc để nhóm biên soạn điề u chỉnh hoàn thiện Cầ n Thơ, ngày tháng năm 2018 Tham gia biên soạn Chủ biên: Đỗ Hữu Hậu Nguyễn Thị Ngọc Nương MỤC LỤC TRANG TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN LỜI GIỚI THIỆU CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG THÔNG TIN DÂN DỤNG Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động hệ thống thông tin dân dụng 1.1 Sơ đồ khối 1.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống thông tin dân dụng Chức nhiệm vụ khối hệ thống thông tin dân dụng 2.1 Phân loại hệ thống thông tin dân dụng 2.2 Các nhược điểm thông tin vô tuyến 12 Nguyên lý đổi tần dịch phổ tín hiệu 17 3.1 Phổ tín hiệu 17 3.2 Đổi tần 19 BÀI TẬP CHƯƠNG 23 CHƯƠNG : CÁC PHƯƠNG THỨC ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU 24 Khái niệm tín hiệu, thành phần tham số đặc trưng loại tín hiệu 24 1.1 Khái niệm tín hiệu 24 1.2 Các tính chất tín hiệu theo cách biểu diễn thời gian t 24 Các phương thức điều chế tín hiệu 25 2.1 Ý nghĩa điều chế 25 2.2 Điều chế biên độ, điều tần điều pha 26 2.3 Các phương thức điều chế tín hiệu 26 Các phương thức giải điều chế tín hiệu 37 3.1 Giải điều chế tín hiệu điều biên (AM) 37 3.2 Giải điều chế tín hiệu điều tần điều pha (FM,PM) 39 BÀI TẬP CHƯƠNG 41 CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG THỨC TRUYỀN DẪN SÓNG ĐIỆN TỪ 43 Cấu tạo tính chất mơi trường truyền dẫn 43 1.1 Sợi quang 43 1.2 Tầng đối lưu 44 1.3 Tầng điện ly 44 Các Phương thức truyền dẫn tín hiệu lĩnh vực áp dụng 45 2.1 Truyền dẫn nhiễu xạ mặt đất 45 2.2 Truyền dẫn phản xạ tầng điện ly tầng đối lưu 45 2.3 Truyền dẫn chuyển tiếp qua vệ tinh 45 2.4 Truyền dẫn cáp 47 Các loại anten thông dụng 49 3.1 Anten chấn tử vòng 49 3.2 Anten parapol 49 3.3 Anten lưỡng cực sóng 51 3.4 Anten Yagi - Uda 52 3.5 Anten Loga - chu kỳ 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 GIÁ O TRÌ NH MÔN HỌC Tên mơn học/mơ đun: TÍN HIỆU VÀ PHƯƠNG THỨC TRUYỀN DẪN Mã môn học/mô đun: MH08 Thời gian thực môn học: 30 giờ; (Lý thuyết: 22 giờ; Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, tập: 06 giờ; Kiểm tra 02 giờ) Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học/mơ đun: - Vị trí: Mơn học bố trí sau sinh viên học xong môn học chung, trước môn học/ mô đun đào tạo chuyên môn nghề học kỳ I - Tính chất: Là mơn học kiến thức kỹ thuật sở bắt buộc - Ý nghĩa vai trò môn học: Mục tiêu môn học: - Về kiến thức: + Trình bày khái niệm dạng tín hiệu dùng cơng nghệ điện tử truyền thơng + Trình bày phương thức truyền dẫn tín hiệu - Về kỹ năng: + Nhận biết thiết bị điện tử phù hợp dạng tín hiệu - Về lực tự chủ trách nhiệm: + Tích cực, chủ động sáng tạo học tập Nội dung môn học: Thời gian (giờ) Số TT Tên chương, mục Tổng số Lý thuyết Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, Kiểm tra tập Chương 1: Hệ thống thông tin dân dụng Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động hệ thống thông tin dân dụng Chức nhiệm vụ khối hệ thống thông tin dân dụng Nguyên lý đổi tần dịch phổ tín hiệu Chương 2: Các phương thức điều chế giải điều chế tín hiệu Khái niệm tín hiệu, thành phần tham số đặc trưng 3 1 1 1 15 10 2 loại tín hiệu Các phương thức điều chế tín hiệu Các phương thức giải điều chế tín hiệu Kiểm tra Chương 3: Các phương thức truyền dẫn sóng điện từ 12 2 Các Phương thức truyền dẫn tín hiệu lĩnh vực áp dụng 2 Các loại anten thông dụng Kiểm tra 1 Cấu tạo tính chất mơi trường truyền dẫn Cộng 30 2 22 02 CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG THÔNG TIN DÂN DỤNG Mã chương:MH08-01 Giới thiệu: Hệ thống thơng tin dân dụng có ý nghĩa vô quan trọng sống hàng ngày, giúp trao đổi thơng tin, liệu khoảng cách xa Nó cịn giúp kết nối trao đổi thông tin kiến thức lẫn giúp nâng cao chất lượng sống người Mục tiêu: Học xong chương học viên có khả năng:  Kiến thức: - Trình bày sơ đồ khối nguyên lý hoạt động hệ thống thơng tin dân dụng - Trình bày chức nhiệm vụ khối  Kỹ năng: - Phân tích khối, chức hệ thống thông tin dân dụng - Nhận dạng hiểu nguyên lý hệ thống thông tin dân dụng  Năng lực tự chủ trách nhiệm: - Có ý thức tự giác học tập - Có tinh thần hợp tác giúp đỡ lẫn - Tuân thủ nội quy giấc học tập Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động hệ thống thông tin dân dụng Hệ thống thông tin dân dụng kết hợp phần cứng, phần mềm mạng truyền thông xây dựng sử dụng để thu thập, tái tạo, phân phối chia sẻ liệu thông tin nhằm phục vụ mục tiêu tổ chức, thành phần kinh tế Nó hệ thống chuyển tải tin tức từ nguồn phát tin đến nơi nhận tin khoảng cách Hệ thống thơng tin thực hay nhiều nguồn phát tin đồng thời đến hay nhiều nơi nhận tin, ta có kiểu thơng tin đường, đa đường, phương thức thông tin chiều, hai chiều hay nhiều chiều Môi trường thông tin đa tuyến hay hữu tuyến 1.1 Sơ đồ khối Nguồn tin phát Khối phát Môi trường thông tin Khối thu Nơi nhận tin Nhiễu, can nhiễu tác nhân gây méo dạng Hình 0.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thơng tin dân dụng Hình 1.1 giới thiệu sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin dân dụng, tín hiệu phát thu lan truyền môi trường xem dạng tín hiệu điện * Nhiệm vụ khối chức Khối phát có chức xử lý tín hiệu tin tức cung cấp vào mơi trường thơng tin tín hiệu có dạng phù hợp với đặc tính mơi trường với điều kiện nội dung tin tức truyền truyền không thay đổi Khối phát gồm phần mã hóa, điều chế khuếch đại phát Môi trường thông tin môi trường vật lý cụ thể cho phép truyền tải tín hiệu từ nơi phát đến nơi thu Mơi trường thơng tin dạng hưu tuyến dạng vô tuyến Môi trường thông tin có gây đặc tính suy hao cơng suất tín hiệu gây trễ pha tín hiệu truyền tin Cự ly thơng tin lớn độ suy hao trễ pha nhiều Khối thu có chức thu nhận tín hiệu tin tức từ mơi trường thơng tin, tái tạo lại tin tức để cung cấp đến nơi nhận tin Khối thu bao gồm phần khuếch đại tín hiệu điện (bù suy hao mơi trường truyền), giải điều chế giải mã hóa (để khơi phục lại tín hiệu gốc ban đầu nơi phát), khối chọn lọc kênh thông tin (để lựa chọn tín hiệu từ nguồn tin mà ta muốn thu nhận, mơi trường thơng tin sử dụng truyền tin đồng thời cho nhiều nguồn tin khác nhau) Một loại tín hiệu phụ ln xuất tồn hệ thống thơng tin khối nhiễu, can nhiễu, tác nhân gây méo dạng Đây loại tín hiệu ta khơng mong muốn thu nhận nơi thu q trình truyền tin Chúng xuất môi trường truyền tin dạng nhiễu cộng nhiễu nhân Do tính chất suy hao mơi trường thơng tin, tín hiệu tin tức mà ta muốn truyền bị suy hao cơng suất đến mức bị xen lẫn với tín hiệu nhiễu môi trường truyền nơi thu Lúc này, q trình thơng tin thất bại, nơi nhận tin tái tạo lại tin tức từ nguồn phát Nhiễu tín hiệu khơng mong muốn, xuất cách ngẫu nhiên môi trường hay từ phần tử, linh kiện thiết bị Nhiễu cộng loại bỏ giảm thiểu từ lọc tần số, xử lý ngưỡng nơi thu Đối với nhiễu nhân trình xử lý nhiễu phức tạp nhiều, thường phải sử dụng thuật toán thử sai( chẳng hạn thuật toán logic mờ,mạng neural, chuỗi Markov…) Can nhiễu nhiễu gây tác nhân chủ quan nhiễu nguồn tín hiệu từ nguồn phát khác, nhiễu nguồn cung cấp công suất, nhiễu thiết bị phụ trợ …, Can nhiễu xuất dãi tần số khác với tần số muốn thu Can nhiễu loại bỏ dễ dàng nhờ phép lọc tần số thông thường Tuy nhiên, can nhiễu dãi tần khó loại trừ, người ta phải dùng phép mã hóa nguồn phù hợp Tác nhân gây méo dạng tín hiệu thường sảy thành phần tử linh kiện thiết bị khơng có đặc tính tuyến tính Tuy nhiên, điểm khác biệt tác nhân gây méo dạng với nhiễu can nhiễu méo dạng sảy có tín hiệu phát Sự méo dạng khắc phục nhờ sủa dạng (equalizer) hệ thống thông tin Trong hệ thống thông tin tin tức truyền theo từ nguồn phát đến nguồn thu ta có hệ thơng truyền đơn công (simple) Nếu hệ thống cho phép truyền tin tức theo hai chiều đồng thời gọi hệ thống song công (full duplex) Nếu hệ thống cho phép thông tin theo hai chiều (tại thời điểm có bên phát bên thu) hệ thống bán song công (half duplex) 1.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống thông tin dân dụng 1.2.1 Nguyên lý hoạt động Tin tức từ nguồn tin phát đưa vào khối phát Tin tức digital hay analog tùy vào hệ dùng Nó tin tức video, audio, hay thứ khác Trong hệ multiplex(đa hợp) có nhiều nguồn vào Trong hệ digital vi xử lý Trong hệ analog mạch lọc thơng thấp Trong hệ lai mạch lấy mẫu tin tức vào (analog)và digital-hóa để có biến điệu xung mã PCM Nói chung tín hiệu mã hóa, điều chế khuếch đại phát Sau tin tức đưa lên môi trường truyền Một cách tổng qt, mơi trường truyền làm suy giảm tín hiệu nhiễu làm cho tín hiệu bị xấu so với nguồn Trên mơi trường truyền chứa khuếch đại tác động Ví dụ: Hệ thống repeater telephone vệ tinh tiếp chuyển hệ thống viễn thông không gian Dĩ nhiên, phận cần thiết để giữ cho tín hiệu lớn nhiễu Mơi trường truyền có nhiều đường (multiple paths) input output chúng có thời gian trễ (time delay), tính chất giảm biên khác Những tính chất thay đổi theo thời gian Sự thay đổi làm thay đổi bất thường (fading) tín hiệu ngõ moi trường truyền Tiếp tín hiệu đưa đến khối thu có nhiệm vụ nhận tín hiệu ngõ kênh đổi thành tín hiệu băng gốc Sự phân chia vùng tần số (Frequency Allocations) Trong hệ thơng tin dùng khơng khí làm kênh truyền, điều kiện giao thoa truyền sóng phụ thuộc chặt chẽ vào tần số truyền Về mặt lý thuyết, kiểu biến điệu (AM, FM, băng cạnh - single sideband, phase shift keying, frequency shift keying ) dùng cho tần số truyền Tuy nhiên, theo qui ước quốc tế, kiểu biến điệu độ rộng băng, loại tin truyền cần xếp đặt cho băng tần Bảng sau cho danh sách băng tần, ký hiệu, điều kiện truyền công dụng tiêu biểu chúng Ngồi cịn có dãi sóng có tần số cao 300GHz gọi sóng siêu mili, dùng xử lý tia lazer, hồng ngoại không sử dụng rộng rãi sóng vơ tuyến Tia hồng ngoại kết hợp với xạ nam châm tạo sức nóng Tia tử ngoại, tia cực tím, tia X, tia gamma…rất ứng dụng ngành thơng tin, khơng ứng dụng nhiều 1.2.2 Ngun lý hoạt động khối Nguyên lý hoạt động khối truyền tin nhận thơng tin chuyển hóa thành tín hiệu sau xử lý tín hiệu cho phù hợp với môi trường truyền cuối phát mơi trường truyền dẫn Thơng tin âm thanh, hình ảnh, tiếng nói, văn … Xử lý mã hóa nguồn, ghép kênh, điều chế… Môi trường truyền tin: Tùy thuộc vào phương thức truyền dẫn, có mơi trường truyền tin Người ta sử dụng môi trường truyền tin để truyền thông tin dựa nguyên tắc lan truyền tín hiệu vật lý lan truyền sóng âm, lan truyền tín hiệu dây dẫn, hay lan truyền sóng khơng khí… Ngun lý hoạt động khối nhận thông tin: Khối nhận thông tin hoạt động dựa nguyên tắc thu tín hiệu mơi trường truyền dẫn vật lý, ví dụ thu sóng vơ tuyến, thu tín hiệu điện dây điện, cáp … Chức nhiệm vụ khối hệ thống thông tin dân dụng 2.1 Phân loại hệ thống thông tin dân dụng 2.1.1 Thông tin vô tuyến cố định Thông tin vô tuyến cố định sử dụng chủ yếu truyền dẫn viba chuyển tiếp đường dài Các máy phát máy thu đặt trạm đầu cuối trạm lặp 2.1.2 Thông tin vô tuyến di động Gần đây, thông tin di động trở thành ứng dụng lĩnh vực thông tin vô tuyến Phát triển thông tin di động bắt đầu phát minh thí nghiệm sóng điện từ Hertz điện báo vô tuyến Marconi vào thời kỳ đầu phát minh thơng tin vơ tuyến , sử dụng dịch vụ vận tải an toàn đường biển để điều khiển tàu, sau gồm có thơng tin vơ tuyến di động mặt đất, thơng tin vô tuyến di động hàng hải, thông tin vô tuyến di động hàng không Thông tin vô tuyến di động đóng vai trị quan trọng dịch vụ viễn thông Các dịch vụ thông tin vô tuyến phát triển cách nhanh chóng phân chia chúng thành dịch vụ viễn thông công cộng cho thông tin dùng riêng Thông tin di động mặt đất: Hình 0.1 Thơng tin di động mặt đất Thông tin di động mặt đất thường phân nhóm thành hệ thống cơng cộng dùng riêng Hệ thống cơng cộng có nghĩa hệ thống thơng tin truy nhập tới mạng điện thoại chuyển mạch cơng cộng (PSTN), có điện thoại xe cộ, điện thoại không dây, chuông bỏ túi hệ thống dùng riêng hai loại hệ thống Hệ thống thứ hệ thống dịch vụ công cộng chẳng hạn cảnh sát cứu hoả, cấp cứu, điện lực giao thông Hệ thống thứ hai dùng cho cá nhân hay cơng ty Ở đây, ngồi dịch vụ kinh doanh sử dụng sóng vơ tuyến dành riêng cịn hệ thống MCA hệ thống kinh tế truy nhập đa kênh, sử dụng kênh vô tuyến thông tin vô tuyến nội công ty hay cá nhân chẳng hạn máy đàm vô tuyến nghiệp dư Ngồi dịch vụ kể cịn có dịch vụ thông tin di động mặt đất khác xuất chng bỏ túi có hình, đầu cuối xa… Thơng tin di động hàng hải: Hình 0.2 Thông tin di động hàng hải Thông tin di động hàng hải phân chia thành hệ thống thông tin tàu thuyền trạm gốc cảng tàu dọc theo bờ biển hệ thống thông tin vệ tinh hàng hải 10 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Bài tập 1: Cho điều chế AM, biên độ tín hiệu sóng mang 500mV, biên độ tín hiệu băng gốc 0.3V, tính hệ số điều chế máy phát AM Bài tập 2: Cho tín hiệu AM (sau điều chế), người ta đo biên độ lớn 1.2V, biên độ nhỏ 0.2V Tính biên độ sóng mang hệ số điều chế , biết hệ số điều chế nhỏ Bài tập 3: Vẽ sơ đồ mạch điều chế FM, với tần số sóng mang 99.9Mhz Bài tập 4: Vẽ sơ đồ mạch giải điều chế FM tần số sóng mang 105Mhz Bài tập 5: So sánh phổ tín hiệu AM FM Bài tập 6: Vẽ sơ đồ mạch điều chế giải điều chế tín hiệu AM Bài tập 7: Cho tín hiệu âm tần VΩ(t) = cos II.103 t+ cos II.103 t + cos10II.103 t (V) Được điều chế với sóng mang V0 (t) = 10cos 12II 105 t (V) Rồi xạ antena có RA = 50Ω a) Viết biểu thức VAM(t) ? b) Vẽ phổ biên độ c) Tính PAM, PUSB , PLSB, PW Bài tập : Cho phổ biên độ chưa đầy đủ tín hiệu AM có sóng mang 700KHz, biên độ sóng mang 10V 2V 3V 1V 0.5V 0.5V 694 696 702 705 706 f(KHz) a) Vẽ phổ AM đầy đủ b) Viết biểu thức VAM (t) c) Cho RL = 50 Ω Tính PAM BW Bài tập 9: Cho sóng AM có biểu thức VAM(t) =10 [ X(t) +4 ] cos12II.105 t (V) thu từ anten có trở kháng Ra = 50 Ω a) Cho biết biên độ tần số sóng mang bao nhiêu? Nếu X(t) =3 sin II 103 t + cos 10 II 103 t (V) b) Vẽ phổ biên độ sóng AM c) Tính cơng suất PAM, PUSB , PLSB 41 YÊU CẦU ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP CHƯƠNG 2: Nội dung: - Về kiến thức: +Trình bày hình dạng, thành phần tham số đặc trưng loại tín hiệu +Trình bày sơ đồ khối nguyên lý làm việc mạch điều chế tín hiệu lĩnh vực thơng tin dân dụng - Về kỹ năng: Giải tập phương thức điều chế giải điều chế tín hiệu - Về lực tự chủ trách nhiệm: Tỉ mỉ, cẩn thận, xác Phương pháp: - Kiến thức: Được đánh giá hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm - Kỹ năng: Đánh giá kỹ tính tốn tập - Về lực tự chủ trách nhiệm: Đánh giá tính cẩn thận, xác học tập 42 CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG THỨC TRUYỀN DẪN SÓNG ĐIỆN TỪ Mã chương:MH08-03 Giới thiệu : Phương thức truyền dẫn phương tiện giúp truyền tải thông tin hệ thống thơng tin dân dụng, nhờ có phương thức truyền dẫn, thơng tin truyền khoảng cách ngày xa với tốc độ ngày cao Mục tiêu: Học xong chương học viên có khả năng:  Kiến thức: - Nhân biết môi trường truyền dẫn sóng điện từ - Trình bày ngun tắc hoạt động phương thức truyền dẫn sóng điện từ - Nhân biết loại anten ứng dụng chúng hệ thống truyền dẫn sóng điện từ  Kỹ năng: - Phân tích phương thức truyền dẫn sóng điện từ hệ thống thơng tin vơ tuyến khác - Nhận dạng hiểu nguyên lý loại anten sử dụng hệ truyền dẫn sóng điện từ khác  Thái độ: - Có ý thức tự giác học tập - Có tinh thần hợp tác giúp đỡ lẫn - Tuân thủ nội quy giấc học tập Cấu tạo tính chất mơi trường truyền dẫn 1.1 Sợi quang Sợi quang dây nhỏ dẻo truyền sóng ánh sang nhìn thấy tia hồng ngoại Chúng có lõi có phần bao bọc quanh lõi Để ánh sang phản xạ cách hồn tồn lõi chiết suất lõi lớn chiết suất áo Hình 0.1 Cấu tạo sợi quang Vỏ bọc phía ngồi áo bảo vệ sợi quang khỏi ẩm ướt ăn mòn , đồng thời chống xuyên âm với sợi bên cạnh làm cho sợi quang dễ xử lý Lõi áo làm sợi thủy tinh hay chất dẻo (silicat), chất dẻo, kim loại , fluor, sợi quang (kết tinh), chúng phân loại thành loại sợi quang đơn mode đa mode tương ứng với số lượng mode ánh sang truyền qua sợi quang Ngồi 43 chúng cịn phân loại thành sợi quang có số bước số lớp tùy theo hình dạng chiết suất phần lõi sợi quang Hình 0.2 Cấu tạo bên sợi quang 1.2 Tầng đối lưu Tầng đối lưu khoảng khơng gian tính từ bề mặt trái đất lên đến độ cao đến 11 km Nhiệt độ khơng khí tầng đối lưu thay đổi theo độ cao (nhiệt độ giảm độ cao tăng) Ví dụ nhiệt độ bề mặt trái đất 10 C giảm đến -55 C biên tầng đối lưu Các tượng thời tiết sương mù mưa, bão, tuyết xẩy tầng đối lưu ảnh hưởng lớn đến q trình truyền lan sóng vơ tuyến điện Nếu hai anten thu phát đặt cao (nhiều lần so với bước sóng cơng tác) mặt đất sóng truyền trực tiếp từ anten phát đến anten thu, phản xạ từ mặt đất hình 3.2a, lợi dụng khơng đồng vùng tầng đối lưu để tán xạ sóng vơ tuyến dùng cho thơng tin gọi thông tin tán xạ tầng đối lưu hình 3.2b Các phương thức thơng tin gọi truyền lan sóng khơng gian hay sóng tầng đối lưu Phương thức truyền lan sóng khơng gian thường sử dụng cho thông tin băng sóng cực ngắn (VHF, UHF, SHF), truyền hình, hệ thống vi ba hệ thống chuyển tiếp mặt đất, hệ thống thông tin di động, thông tin vệ tinh Hình 0.1 Truyền sóng khơng gian 1.3 Tầng điện ly Tầng điện ly tồn độ cao khoảng từ 60 km đến 600 km Lớp khí tầng mỏng bị ion hóa mạnh chủ yếu xạ mặt trời, ngồi cịn có 44 xạ sao, tia vũ trụ, chuyển động thiên thạch tạo thành miền bao gồm chủ yếu điện tử tự ion Do Lớp khí độ cao khoảng 60 km đến 600 km nên bị ion hoá mạnh chủ yếu lượng xạ mặt trời, tạo thành lớp khí bao gồm chủ yếu điện tử tự ion Lớp khí gọi tầng điện ly.Tính chất đặc biệt tầng điện ly điều kiện định phản xạ sóng vơ tuyến điện.Lợi dụng phản xạ để sử dụng cho thơng tin vơ tuyến cách phản xạ nhiều lần từ tầng điện ly, hình 3.4 Phương thức gọi phương thức truyền lan sóng trời hay tầng điện ly Hình 0.1 Truyền sóng tầng điện ly Các Phương thức truyền dẫn tín hiệu lĩnh vực áp dụng 2.1 Truyền dẫn nhiễu xạ mặt đất Truyền lan sóng điện từ có tần số MHz Ở sóng điện từ có khuynh hướng theo đường cong trái đất Sự nhiễu xạ sóng làm cho sóng lan truyền theo bề mặt trái đất Cơ chế dùng phát AM, việc phủ sóng địa phương theo đường cong mặt đất Để xạ có hiệu suất cao anten cần dài 1/10 bước sóng 2.2 Truyền dẫn phản xạ tầng điện ly tầng đối lưu Lan truyền sóng điện từ có tần số từ đến 30 MHz, đạt khoảng cách phủ sóng xa phản xạ sóng từ tầng điện li đường biên trái đất Tầng điện ly đóng vai trị tầng phản xạ Đài phát có vùng phủ sóng dọc theo bề mặt trái đất Trong vùng phủ sóng gần anten phát chế sóng mặt đất, cịn vùng phủ sóng khác sóng trời, có vùng khơng phủ sóng dọc theo bề mặt trái đất anten phát anten thu Sự truyền sóng chủ yếu phản xạ từ tầng F (tầng điện ly có độ cao từ 144 km đến 400 km) Nhờ tầng ta thu đài phát quốc tế băng tần HF từ mặt bên trái đất vào thời gian ngày đêm 2.3 Truyền dẫn chuyển tiếp qua vệ tinh Nói tới hệ thống thơng tin vệ tinh chóng ta phải kể đến ba ưu điểm bật mà mạng mặt đất khơng có khơng hiệu nó: - Khả quảng bá rộng lớn - Có giải thơng rộng - Nhanh chóng dễ dàng đặt lại cấu hình cần thiết (ví dụ bổ sung trạm thay đổi thông số trạm cũ…) Ta biết mạng thông tin vô tuyến mặt đất hai trạm muốn thông tin cho 45 anten phải nhìn thấy Đó gọi thơng tin vơ tuyến có tầm nhìn thẳng (Line Of Sight – LOS) Tuy nhiên trái đất có hình dạng cầu khoảng cách hai trạm bị hạn chế để đảm bảo cho anten trông thấy Đối với khả quảng bá còng nh vậy, khu vực mặt đất khơng cịn nhìn thấy anten đài phát khơng thể thu tín hiệu Trong trường hợp bắt buộc phải truyền tin xa người ta, dùng phương pháp nâng cao cột anten, truyền sóng phản xạ tầng điện ly xây dựng trạm chuyển tiếp Trên thực tế người ta thấy ba phương pháp có nhiều nhược điểm Việc nâng độ cao cột anten gặp nhiều khó khăn kinh phí kĩ thuật mà hiệu khơng (ví dụ cột anten cao1km quảng bá 200km mặt đất) Nếu truyền sóng phản xạ tầng điện ly cần có cơng suất phát lớn bị ảnh hưởng mạnh môi trường truyền dẫn nên chất lượng tuyến khơng cao Cịn trạm chuyển tiếp hai trạm đầu cuối cải thiện chất lượng tuyến, nâng cao độ tin cậy, chi phí lắp đặt trạm trung chuyển khơng thích hợp có nhu cầu mở thêm tuyến Tóm lại, để truyền tin xa người ta mong muốn xây dựng trạm anten cao lại phải phát ổn định vững chắc, đời vệ tinh để thoả mãn nhu cầu Với vệ tinh người ta người ta truyền sóng xa dễ dàng thơng tin toàn cầu hệ thống mạng khác Thông qua vệ tinh INTEL SAT, lần hai trạm đối diện hai bờ đại dương thơng tin cho Do có khả rộng lớn vệ tinh phù hợp cho phương thức truyền tin đa điểm đến đa điểm (cho dịch vụ quảng bá) hay đa điểm đến điểm HUB (cho dịch vụ thu thập số liệu) Bên cạnh khả phủ sóng lớn, băng tần rộng hệ thống vệ tinh thích hợp với dịch vụ quảng bá truyền hình số có độ phân dải cao (High Difinition TV), phát sè hay dịch vụ ISDN thông qua mạng mặt đất, trực tiếp đến thuê bao (Direct to Home – DTH) thông qua mạng VSAT Cuối sử dụng phương tiện truyền dẫn qua giao diện vô tuyến hệ thống thông tin vệ tinh lý tưởng cho khả cấu hình lại cần Các công việc triển khai trạm mới, loại bỏ trạm cũ hay thay đổi tuyến thực dễ dàng, nhanh chóng với chi phí thực tối thiểu Tuy nhiên hệ thống thông tin vệ tinh có nhược điểm là: - Khơng cố định - Khoảng cách truyền dẫn xa nên xuy hao lớn, ảnh hưởng tạp âm lớn - Giá thành lắp đặt hệ thống cao, chi phí cho trạm mặt đất tương đối tốn - Tuổi thọ thấp hệ thống mặt đất, khó bảo dưỡng, sửa chữa nâng cấp Người ta muốn vệ tinh có vai trò nh mét cột anten cố định thực tế vệ tinh chuyển động tương mặt đất, dù vệ tinh địa tinh có dao động nhỏ Điều bắt buộc hệ thống phải có trạm điều khiển nằm giữ vệ tinh vị trí tối ưu cho thơng tin Tuy nhiên kể có trạm điều khiển vệ tinh khơng hồn tồn cố định nên trạm mặt đất nói chung cần hệ thống bám phức tạp điều làm giá thành trạm tăng vọt Thêm nữa, vệ tinh bay quỹ đạo cách xa mặt đất việc truyền sóng trạm gặp phải suy hao lớn, bị ảnh hưởng thời tiết, qua nhiều dạng môi trường khác Để đảm bảo chất lượng tuyến người ta phải sử dụng nhiều kĩ thuật bù chống lỗi phức tạp Như ta nói trước, chi phí để phóng vệ tinh cao nên nói chung vệ 46 tinh có khả hạn chế Bù lại trạm mặt đất phải có khả làm việc tương đối mạnh nên thiết bị phần lớn đắt tiền, chi phí cho mét anten lớn (ví dụ trạm mặt đất trang bị anten khoảng 30m giá thành khoảng 10 triệu $) Các vệ tinh bay không gian cách xa mặt đất, lượng chủ yếu dùng cho động phản lực điều khiển loại nhiên liệu lỏng rắn vệ tinh mạng theo boong Lương nhiên liệu dự trữ lớn khả tên lửa đẩy có giới hạn, đồng thời làm cho kích thước vệ tinh tăng lên đáng kể phải tăng thể tích thùng chứa Nếu vệ tinh dùng hết loại nhiên liệu khơng điều khiển vệ tinh tức khơng cịn trì ổn định tuyến, coi vệ tinh hỉng nói chung tuổi thọ vệ tinh thường thấp thiết bị thông tin mặt đất khác Để làm cho vệ tinh hoạt động trở lại người ta cần thu hồi vệ tinh để sửa chữa tiếp thêm nhiên liệu, sau lại phóng lên quỹ đạo Việc khơi phục vệ tinh hết tuổi thọ tốn phức tạp nên thực tế người ta thường dùng phương pháp thay vệ tinh hoàn toàn vứt bỏ vệ tinh cũ Một hệ thống vệ tinh cung cấp nhiều loại hình dịch vụ khác ngày phát triển đa dạng Tuy nhiên nhìn chung thơng tin vệ tinh đem lại ba lớp dịch vụ sau: a Trung chuyển kênh thoại chương trình truyền hình Đây đáp ứng cho dịch vụ người sử dụng Nó thu thập luồng số liệu phân phối đến mạng mặt đất với tỉ lệ hợp lí Ví dụ cho líp dịch vụ hệ thống INTELAT EUTELSAT Các trạm mặt đất chúng thường trang bị anten đường kính từ 15-30m b Cung cấp khả đa dịch vụ, thoại, số liệu cho nhóm người sử dụng phân tách mặt địa lí Các nhóm chia sẻ trạm mặt đất truy nhập đến thơng qua mạng Ví dụ cho líp dịch vụ hệ thống vệ tinh TELECM 1, SBS, EUTELSAT 1, TELE – X, INTELSAT (cho mạng IBS) Các trạm mặt đất trạng bị anten đường kính từ – 10m c Kết nối thiết bị đầu cuối có góc mở nhỏ (VSAT) nhằm để truyền dẫn luồng số liệu dung lượng thấp quảng bá chương trình truyền hình, truyền số Thơng thường người ta dùng kết nối trực tiếp với trạm mặt đất có trang bị anten đường kính từ 0,6 – 1,2m Các thuê bao di động nằm líp dịch vụ Tiêu biểu cho dịch vụ hệ thống EQUATORIAN, ITELNET INTELSAT… Các dịc vụ VSAT phong phú mà ta kể đến nh cấp tự động quản lí thẻ tín dụng, thu thập phân tích số liệu, cung cấp dịc vụ thoại, mật độ thưa, truyền hình hội nghị… 2.4 Truyền dẫn cáp Thường dùng loại : cáp xoắn đơi, cáp đồng trục, cáp quang - Cáp xoắn đôi thường hai dây đồng cách điện với chúng xoắn lại với nhau.Và bó lại thành bó lớn 47 Hình 0.1 Cáp xoắn đơi - Cáp đồng trục Hình 0.1 Cấu tạo bên cáp đồng trục Trong kim loại dẫn tín hiệu Tiếp đến lớp cách điện Lưới bảo vệ bên Ngoài lớp nhựa bảo vệ Cáp đồng trục thường dùng : Cáp truyền hình, truyền dấn điện thoại xa Hình 0.1 Cáp đồng trục Kết nối hệ thống máy tính khoảng cách gần mạng cục bộ, kết nối thiết bị khoảng cách gần cần đường truyền tốc độ cao Các ảnh hưởng chủ yếu là: suy giảm, nhiễu nhiệt nhiễu điều chế - Cáp quang: 48 Hình 0.1 Cấu tạo cáp quang Trong sợi quang nhỏ, đường kính đến 100 um, làm thủy tinh plastic, bao lớp áo có đặc tính quang khác, ngồi lớp nhựa bảo vệ Cáp quang thường dùng trong: + Mơi trường truyền thích hợp để triển khai ứng dụng mạng số đa dịch vụ tích hợp băng rộng(Broadband Integrated Services Digital Networks) + Đường trung kế khoảng cách xa + Trung kế đô thị + Trung kế tổng đài nơng thơn + Mạng cục Chúng có ưu điểm: + Băng thông rộng + Tốc độ liệu lên đến hàng trăm Gbps + Kích thước trọng lượng nhỏ + Độ suy hao thấp + Cách ly trường điện từ (ít bị ảnh hưởng nhiễu môi trường xung quanh) + Khoảng cách lặp xa + Giảm số lặp, giảm giá thành, giảm khả lỗi Các loại anten thông dụng 3.1 Anten chấn tử vòng Anten vòng loại anten mà phần tử xạ vịng dây dẫn có dịng điện thẳng đứng Một biện pháp quan trọng phổ biến để mở rộng dãi tần công suất chấn tử dùng chấn tử vịng 3.2 Anten parapol Hình 0.9 Anten parabol 49 Là thiết bị thu phát vệ tinh, lượng xạ từ anten parapol trạng thái có búp sóng hẹp cường độ từ trường điểm thu nhỏ khoảng 1Pw hay nhỏ Anten parapol cấu tạo gồm phần: - Chảo parapol: mặt cong kim loai - Anten thu/ phát: loại anten loa, gọi phểu thu sóng nối với cáp viba Các thơng số cấu trúc: Kích thước cấu trúc anten quan hệ chặt chẽ với độ lợi Ba thơng số kích thước anten có tính chất định là: - Đường kính miệng chảo parapol (D ) - Bề sâu lịng chảo (d ), tính từ tâm tới miệng chảo - Tiêu cự chảo (F ) tính từ tâm chảo đến tiêu điểm Ba kích thước có quan hệ với theo cơng thức: F=D2/16d Đường kính D chảo phụ thuộc vào yếu tố: - Bước sóng băng tần làm việc - Cường độ trường điểm thu - Độ lợi anten Các thông số điện anten: Độ lợi: G phụ thuộc vào bước sóng tiết diên miệng chảo, phụ thuộc vào góc mở hay độ rộng búp sóng Tạp nhiễu điện: nguyên nhân chuyển động nhiệt phàn tử môi trường xung quanh anten gần mặt đất nhiễu tia phản xạ vành chảo góc ngẩn nhỏ Hệ số sóng đứng Phểu thu sóng 3.2.1 Anten parabol có sơ cấp đặt tiêu điểm Có hình parabol làm vật liệu có hệ số phản xạ cao, thường nhơm hay hợp kim loại nhôm, mặt phản xạ phải nhẵn để sóng phản xạ khơng bị tán xạ, tiêu điểm gương parabol đặt nguồn xạ sơ cấp (thường anten loa) gọi chiếu xạ, cho tâm pha chiếu xạ trung với tiêu điểm gương Đây loại anten có cấu trúc đơn giản giá thành thấp nhất, dùng chủ yếu cho trạm thu trạm nhỏ đặc biệt với dung lượng thấp Tuy nhiên, đặc tính hệ số tăng ích, búp sóng phụ khơng tốt Một nhược điểm cáp đấu nối từ loa thu đến máy phát máy thu thường dài Bởivậy khơng sử dụng trạm mặt đất thông thường Hình 0.10 Anten parabol có sơ cấp đặt tiêu điểm 3.2.2 Anten cassegrain Là loại anten có thêm gương phản xạ phụ ,được sử dụng cho trạm bình thường vừa thu vừa phát có quy mơ trung bình 50 Hình 0.1 Anten cassegrain 3.2.3 Anten lệch Các anten gương parabol anten gương Cassegrain có nhược điểm chung chiếu xạ hay gương phụ đặt thẳng hàng với đỉnh gương làm chắn phận tia sóng phản xạ từ gương parabol gây 1“miền tối ’’ phía sau gương làm giảm hệ số tăng ích , hiệu suất tăng búp phụ để khắc phục nhược điểm người ta sử dụng anten lệch nghĩa chiếu xạ đặt lệch hướng tia phản xạ từ gương parabol Gương phản xạ thu đặt lệch so với hướng trục chủa gương phản xạ để khơng che chắn đường sóng phản xạ từ gương chính.Loại cho hiệu suất cao,tạp âm thấp, búp sóng phụ nhỏ Đặc tính phân cực tốt.Chúng thường dùng cho trạm mặt đất quy mơ chất lượng cao Hình 0.1 Anten lệch 3.3 Anten lưỡng cực sóng: Là loaị anten đơn giản nhất, dúng làm sở phát triển cho anten khác Đây anten có chiều dài bước sóng tín hiệu Loại anten ứng dụng làm anten phát đẳng hướng, không phù hợp làm anten thu Cấu tạo: Anten lưỡng cực sóng bao gồm dây dẫn que có chiều dài chiều dài cực đại anten thiết kế đầu cuối Dây chia phần cách chất cách điện Mỗi dây dẫn nối điện thường đến cáp đồng trục 50 Ohm đầu phận cách điện trung tâm gần anten Điện áp tần số vô tuyến tần số thiết kế áp dụng cho anten lưỡng cực giữa, dây dẫn 51 Anten bao gồm cấp nguồn nối với phần tử bước sóng vng góc với Các tham số điện Dải tần số sóng lưỡng cực hoạt động khoảng 3KHz đến 300GHz Trở kháng cho anten lưỡng cực không gian tự dipole 73Ω Chỉ tiêu anten lưỡng cực sóng 1,64 (2,15dB) HPBW 78 độ Điện áp mức dòng điện thay đổi theo chiều dài phần xạ anten Ưu điểm: - Trở kháng đầu vào khơng bị ảnh hưởng - Phù hợp với trở kháng đường truyền - Có chiều dài hợp lý - Chiều dài anten phù hợp với kích thước định hướng Nhược điểm: - Khơng có hiệu nhiều Ứng dụng: - Được sử dụng máy thu - Được sử dụng máy thu truyền hình 3.4 Anten Yagi- Uda: Anten Uda- yagi gồm thành phần chính: Thanh thu (DE) hay cịn gọi chấn tử thu sóng Thanh phản xạ (R ) hay gọi chấn tử phản xạ Thanh dẫn hướng (D ) hay gọi chấn tử hướng sóng Hình 0.1 Anten Yagi- Uda Độ dài khoảng cách: Độ dài khoảng cách chấn tử có ảnh hưởng đến độ lợi anten vá phụ thuợc vào bước sóng.Đặc biệt quan trọng khoảng cách thu sóng với phản xạ hướng sóng đầu, đặt kề thu sóng Đướng kính chấn tử: Đường kính chấn tử có liên quan đến dải thơng Trở kháng đặc tính Độ lợi: Khi tăng số lượng chấn tử anten độ lợi tăng chiều dài anten tăng theo Độ lợi phụ thuộc vào bước sóng chiều cao anten Thay đổi chiều dài khoảng cách Vật liệu chấn tử: Các chấn tử lam bắng kim loại màu, phụ thuộc vào kim loại bước sóng đồng thời chịu tác dụng tính chất điện phân 3.5 Anten Loga- chu kỳ 52 Hình 0.1 Anten Loga- chu kỳ 53 YÊU CẦU ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP CHƯƠNG Nội dung: - Về kiến thức: + Trình bày cấu tạo tính chất mơi trường truyền dẫn + Trình bày nguyên lý hoạt động lĩnh vực sử dụng phương thức truyền dẫn tín hiệu - Về kỹ năng: Giải tập lĩnh vực sử dụng phương thức truyền dẫn tín hiệu - Về lực tự chủ trách nhiệm: Tỉ mỉ, cẩn thận, xác Phương pháp: - Kiến thức: Được đánh giá hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm - Kỹ năng: Đánh giá kỹ tính tốn tập - Về lực tự chủ trách nhiệm: Đánh giá tính cẩn thận, xác học tập 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO - Nguyễn Văn Thường - Nguyễn Hiếu Minh - Lê Tiến Thường - Cơ sở kỹ thuật truyền số liệu, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, 1999 - Cơ sở lý thuyết truyền tin, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, 1998 - Hệ thống viễn thông, NXB Đại Học Quốc Gia 55