bài tập lớn môn truyền dẫn vô tuyến đề tài quá trình truyền lan sóng trong không gian tự do

Đồ Án Môn Tuyền Dẫn Vô Tuyến VT02B LỜI MỞI ĐẦU Những năm đầu của thế kỷ 21 được coi là kỷ nguyên của công nghệ thông tin thông tin học có ý nghĩa đến sự thành công và phat triển của một quốc gia. Trong giai đoạn công nghiệp hóa – hiện đại hóa nhu cầu tìm kiếm và trao đổi thông tin ngày càng cao. Các loại hình dịch vụ ra đời cùng với đó các phương thức truyền dẫn cũng xuất hiện, trong đó có truyền dẫn vô tuyến, viba. Đây là phương thức có rất nhiều ưu điểm được sử dụng trong thông tin vệ tinh. Bên cạnh đó vấn còn nhiều nhược điểm như hiện tượng nhiễu trong quá trình truyền. Đây cũng là lý do chúng em chọn đề tài: “ Quá trình truyền lan sóng trong không gian tự do” để kết thúc môn học Truyền Dẫn Vô Tuyến, và để hiểu sâu hơn về bản chất bên trong của sự loan truyền sóng trong không gian. Bài làm gồm có 4 chương: Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN LAN SÓNG TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO Chương 2: PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN LAN SÓNG CỰC NGẮN Chương 3: TỔN HAO TRONG TRUYỀN SÓNG VÀ BIỆN PHÁP PHÒNG CHỐNG Chương 4: MÔ PHỎNG SỰ SUY HAO TRUYỀN SÓNG TRONG MÔI TRƯỜNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Do thời gian và khả năng tìm hiểu có hạn nên không thể tránh những thiếu sót, rất mong đóng góp của thầy và các bạn để hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Vũ Anh Quang đã giúp chúng em hoàn thành đồ án này. Nhóm Lê Quang Ghin – Ngô Văn Nhớ Trang 1 Đồ Án Môn Tuyền Dẫn Vô Tuyến VT02B MỤC LỤC LỜI MỞI ĐẦU 1 MỤC LỤC 2 DANH MỤC BẢNG BIỂU 4 DANH MỤC HÌNH VẼ 5 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN LAN SÓNG TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO 7 1.1. Các phương pháp lan truyền sóng trong môi trương thực 7 1.1.1.Lan truyền sóng bề mặt 7 1.1.2.Truyền lan sóng không gian 8 1.1.3.Truyền lan sóng trời 8 1.1.4.Truyền lan sóng tự do 9 Các dãy băng tầng dùng trong thông tin vô tuyến 10 1.2.Nguyên lý HYGHEN và miền FRESNEL 10 1.3.Nguyên lý HYGHEN 10 2.Miền FresnelNguyên lý Huyghen 11 11 Chương 2. Phương pháp truyền lan sóng cực ngắn 13 2.1. Truyền lan do khuếch tán trong tầng đối lưu 13 2.2. Truyền sóng trong điều kiện siêu khúc xạ tầng đối lưu 13 Truyền lan sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp 14 2.3. Ảnh hưởng của tầng đối lưu không đồng nhất 14 2.3.1.Hệ số điện môi và chiết suất của tầng đối lưu 14 2.3.2.Hiện tượng khúc xạ khí quyển 15 2.3.3.Ảnh hưởng của khúc xạ khí quyển khi truyền sóng trong tầm nhìn thẳng. 16 2.3.4.Hấp thụ sóng trong tầng đối lưu 17 Chương 3. TỔN HAO TRONG TRUYỀN SÓNG 20 VÀ BIỆN PHÁP PHÒNG CHỐNG 20 3.1. Truyền lan sóng phẳng trong môi trường vô tuyến phađinh di động 20 20 Nhóm Lê Quang Ghin – Ngô Văn Nhớ Trang 2 Đồ Án Môn Tuyền Dẫn Vô Tuyến VT02B 3.1.1.Ảnh hưởng phạm vi rộng 22 3.1.2.Ảnh hưởng phạm vi hẹp 22 3.2.Kênh truyền sóng trong miền không gian 23 3.2.1.Tổn hao đường truyền 23 3.3.Kênh truyền sóng trong miền tần số 24 3.3.1.Điều chế tần số 24 3.3.2.Chọn lọc tần số (phân tập tần số) 25 3.4 Kênh truyền sóng trong miền thời gian 25 3.5 Các loại pha đinh phạm vi hẹp 26 Chương 4. MÔ PHỎNG SỰ SUY HAO TRUYỀN SÓNG TRONG MÔI TRƯỜNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 28 4.1. Giới thiệu 28 4.2. Chương trình mô phỏng 28 4.2.1. Chương trình mô phỏng 28 29 4.2.2. Các thành phần trong chương trình 29 4.2.3. Tiến hành khảo sát 30 4.2.3.1. Khảo sát công suất phát 31 4.3.2.2.Khảo sát tần số phát 32 4.3.2.3. Khảo sát độ rộng của anten 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 Nhóm Lê Quang Ghin – Ngô Văn Nhớ Trang 3 Đồ Án Môn Tuyền Dẫn Vô Tuyến VT02B DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Các dãy băng tầng dùng trong thông tin vô tuyến 10 Bảng 3.1 liệt kê các loại phađinh phạm vi hẹp 26 Bảng 4.1. sự thay đổi các giá trị theo công suất phát 31 Bảng 4.2. sự thay đổi các giá trị theo tần số phát 32 Bảng 4.3. sự thay đổi các giá trị theo độ rộng anten phát 33 Nhóm Lê Quang Ghin – Ngô Văn Nhớ Trang 4 Đồ Án Môn Tuyền Dẫn Vô Tuyến VT02B DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Các phương thức truyền sóng vô tuyến 7 Hình 1.2. Quá trình truyền lan sóng bề mặt 7 Hình 1.3. Truyền lan sóng trong không gian 8 Hình 1.4. Truyền lan sóng trời 9 Hình 1.5. Truyền lan sóng tự do 9 Hình 1.6. Xác định trường theo nguyên lý Huyghen 10 Hình 1.7. Nguyên lý cấu tạo miền Fresnel trên mặt sóng cầu 11 12 Hình 1.8. Miền fresnel 12 Hình 2.1. Sự khuếch tán sóng trong tầng đối lưu 13 Hình 2.2. Hiện tượng siêu khúc xạ tầng đối lưu 14 Hình 2.3 Truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp 14 Hình 2.4. Mô tả các thông số tính bán kính cong của tia 16 Hình 2.5. Quỹ đạo của tia sóng trực tiếp và tia phản xạ từ mặt đất trong tầng khí quyển thực 16 Hình 2.6. Các quỹ đạo của sóng vô tuyến a) Quỹ đạo thực với trái đất bán kính thực 17 b) Quỹ đạo đường thẳng với trái đất có bán kính tương đương 17 Hình 2.7. Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ sóng của O2 và H2O vào tần số 18 Hình 2.8. Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ trong mưa với cường độ 18 mưa 100 mm/gi vào tần số 18 Hình 2.9. Hấp thụ trong sương mù phụ thuộc và cường độ sương mù thể hiện bằng tầm nhìn xa 19 Hình 3.1. Truyền sóng vô tuyến 20 Hình 3.2. Góc tới αi của sóng tới i minh họa hiệu ứng Doppler 21 Hình 3.3. Suy hao đường truyền và che tối 22 22 Hình 3.4. Các ảnh hưởng phạm vi hẹp trong kênh vô tuyến 23 Hình 4.1: Chương trình mô phỏng sự suy hao sóng trong môi trường không gian 29 Nhóm Lê Quang Ghin – Ngô Văn Nhớ Trang 5 Đồ Án Môn Tuyền Dẫn Vô Tuyến VT02B Hình 4.2: Biểu đồ thể hiện sự thay đổi các giá trị theo công suất 31 Hình 4.3. Biểu đồ thể hiện sư thay đổi các giá trị theo tần số phát 32 Hình 4.4. Biểu đồ thể hiện sư thay đổi các giá trị theo độ rộng của anten phát 33 Nhóm Lê Quang Ghin – Ngô Văn Nhớ Trang 6 Đồ Án Môn Tuyền Dẫn Vô Tuyến VT02B Chương 1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN LAN SÓNG TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO 1.1. Các phương pháp lan truyền sóng trong môi trương thực Hình 1.1. Các phương thức truyền sóng vô tuyến 1.1.1. Lan truyền sóng bề mặt Sóng bề mặt truyền lan tiếp xúc với bề mặt trái đất. Bề mặt trái đất là một môi trường bán dẫn điện, khi một sóng điện từ bức xạ từ một anten đặt thẳng dung trên bề mặt trái đất, các đường sức điện trường được khép kín nhờ dòng dẫn trên bề mặt trái đất. Nếu gặp vật chắn trên đường truyền lan, sóng sẽ nhiễu xạ qua vật chắn và truyền lan ra phía sau vật chắn. Có thể dùng cho tất cả các băng sóng. Sóng bề mặt bị suy giảm do sư hấp thụ của mặt đất. Sự suy giảm này phụ thuộc vào tần số, khi tần số tăng thì sự suy giảm càng lớn, còn phụ thuộc vào độ cao vật chắn so với bước sóng. Hình 1.2. Quá trình truyền lan sóng bề mặt Nhóm Lê Quang Ghin – Ngô Văn Nhớ Trang 7 Đồ Án Môn Tuyền Dẫn Vô Tuyến VT02B Sóng mặt đất ít bị hấp thụ trong nước, mặt đất ẩm làm cho cường độ trường tại điểm thu tăng lên. Các sóng vô tuyến điện có bước sóng lớn khả năng nhiễu xạ mạnh và bị mặt đất hấp thụ nhỏ. Sóng mặt đất được sử dụng để truyền lan các băng sóng dài và sóng trung như trong hệ thống phát thanh điều biên, hay sử dụng cho thong tin trên biển. 1.1.2. Truyền lan sóng không gian Hình 1.3. Truyền lan sóng trong không gian Nếu hai anten phát và thu đặt cao ( nhiều lần so với bước sóng công tác) trên mặt đất thì sóng có thể truyền trực tiếp từ anten phát đến anten thu, hoặc phản xạ từ mặt đất ( hình 1.3a) hay lợi dụng sự không đồng nhất của một vùng nào đó trong tầng đối lưu ( hình 1.3b) để tán xạ sóng vô tuyến dùng cho thông tin gọi là thông tin tán xạ tầng đối lưu. Các Phương thức thông tin như trên gọi là truyền lan sóng không gian hay sóng tầng đối lưu. Phương thức này thường được dùng trong thông tin ở băng sóng cực ngắn ( VHF, UHF, SHF) , truyền hình, các hệ thống vi ba như hệ thống chuyển tiếp trên mặt đất, hệ thống thông tin di động thông tin vệ tinh… 1.1.3. Truyền lan sóng trời Lớp khí quyển ở độ cao khoảng 60-600km bị ion hóa rất mạnh chủ yếu do năng lượng bức xạ của mặt trời tạo thành một lớp khí bao gồm là điện tử tự do và các ion. Lớp khí quyển đó được gọi là tầng điện ly. Tính chất của tầng điện ly là trong những điều kiện nhất định có thể phản xạ sóng vô tuyến điện. Lợi dụng sự phản xạ đó để sử dụng cho thông tin vô tuyến bằng cách phản xạ một hay nhiều lần tầng điện ly. Phương thức đó gọi là truyền lan sóng trời (hay tầng điện ly). Nhóm Lê Quang Ghin – Ngô Văn Nhớ Trang 8 Đồ Án Môn Tuyền Dẫn Vô Tuyến VT02B Hình 1.4. Truyền lan sóng trời 1.1.4. Truyền lan sóng tự do Hình 1.5. Truyền lan sóng tự do Trong một môi trường đồng nhất, đẳng hướng và không hấp thụ ví dụ như môi trường chân không, sóng vô tuyến điện khi truyền lan từ điểm phát đến điểm thu sẽ đi theo đường thẳng ( hình 1.5) không ảnh hưởng đến quá trình truyền sóng. Trong thực tế một môi trường lý tưởng như vậy chỉ tồn tại ngoài khoảng không vũ trụ. Với lớp khí quyển quả đất chỉ trong những điều kiện nhất định, khi tính toán cũng có thể coi như môi trường không gian tự do. Nhóm Lê Quang Ghin – Ngô Văn Nhớ Trang 9 Đồ Án Môn Tuyền Dẫn Vô Tuyến VT02B Các dãy băng tầng dùng trong thông tin vô tuyến Bảng 1.1. Các dãy băng tầng dùng trong thông tin vô tuyến Tên băng tần (Băng sóng) Ký hiệu Phạm vi tần số Tần số vô cùng thấp ULF 30 - 300 Hz Tần số cực thấp ELF 300 - 3000 Hz Tần số rất thấp VLF 3 - 30 kHz Tần số thấp (sóng dài) LF 30 - 300 kHz Tần số trung bình (sóng trung) MF 300 - 3000 kHz Tần số cao (sóng ngắn) HF 3 - 30 MHz Tần số rất cao (sóng mét) VHF 30 - 300 MHz Tần số cực cao (sóng decimet) UHF 300 - 3000 MHz Tần số siêu cao (sóng centimet) SHF 3 - 30 GHz Tần số vô cùng (sóng milimet) EHF 30 - 300 GHz Dưới milimet 300 - 3000 GHz 1.2. Nguyên lý HYGHEN và miền FRESNEL 1.3. Nguyên lý HYGHEN Để hiểu rõ một số đặc điểm truyền lan của sóng trên mặt đất cần biết những khái niệm về miền Fresnel. Việc biểu thị miền được dựa trên nguyên lý Huyghen. Nguyên lý Huyghen cho biết rằng mỗi điểm của mặt sóng gây ra bởi một nguồn bức xạ sơ cấp có thể được coi như một nguồn sóng cầu thứ cấp mới. Vì vậy nguyên lý này cho phép ta có thể tính trường điện từ ở một điểm bất kỳ trong không gian khi đã biết được trường ở một bề mặt nào đó. Giả sử nguồn của sóng sơ cấp đặt tại điểm A (hình 6). Ký hiệu S là một mặt kín bất kỳ bao quanh nguồn sóng. Bây giờ ta xác định trường của sóng tại điểm bất kỳ nằm ngoài mặt kín, theo các trị số của trường trên mặt S. Hình 1.6. Xác định trường theo nguyên lý Huyghen Nhóm Lê Quang Ghin – Ngô Văn Nhớ Trang 10 [...]... 19 Đồ Án Môn Tuyền Dẫn Vô Tuyến VT02B Chương 3 TỔN HAO TRONG TRUYỀN SÓNG VÀ BIỆN PHÁP PHÒNG CHỐNG 3.1 Truyền lan sóng phẳng trong môi trường vô tuyến phađinh di động Trong thông tin vô tuyến, sóng vô tuyến được truyền qua môi trường vật lý có nhiều cầu trúc và vật thể như tòa nhà, đồi núi, cây cối xe cộ chuyển động… Nói chung quá trình truyền sóng trong thông tin vô tuyến rất phức tạp Quá trình này... trải trễ, trải góc và trải Doppler Hình 19 cho thấy ba ảnh hưởng phạm vi hẹp gây ra do truyền sóng đa đường không trực tiếp trong kênh vô tuyến di động Nhóm Lê Quang Ghin – Ngô Văn Nhớ Trang 22 Đồ Án Môn Tuyền Dẫn Vô Tuyến VT02B Hình 3.4 Các ảnh hưởng phạm vi hẹp trong kênh vô tuyến Trải trễ là số đo trễ truyền sóng tương đối giữa các đường truyền sóng không trực tiếp gây ra do các vật phản xạ như đồi... ta tập trung lên các ảnh hưởng truyền sóng đa đường (các ảnh thưởng phạm vi hẹp) đối với các máy phát và (hoặc) máy thu sử dụng nhiều anten 3.2 Kênh truyền sóng trong miền không gian Các thuộc tính trong miền không gian bao gồm: tổn hao đường truyền và chọn lọc không gian Tổn hao đường truyền thuộc loại phađinh phạm vi rộng còn chọn lọc không gian thuộc loại phađinh phạm vi hẹp Các mô hình truyền sóng. .. Như vậy, khoảng không gian có tham gia vào quá trình truyền sóng có thể xem như được giới hạn bởi một nửa miền Fresnel thứ nhất Nhóm Lê Quang Ghin – Ngô Văn Nhớ Trang 12 Đồ Án Môn Tuyền Dẫn Vô Tuyến VT02B Chương 2 Phương pháp truyền lan sóng cực ngắn 2.1 Truyền lan do khuếch tán trong tầng đối lưu Tầng đối lưu là lớp khí quyển trải từ bề mặt trái đất lên đến độ cao khoảng 8 - 10 km vĩ tuyến cực, khoảng... xẩy ra do sóng điện từ gập phải các bề mặt sắc cạnh và các thành gờ của các cấu trúc Tán xạ xẩy ra khi kích thứơc của các vật thể trong môi trường truyền sóng nhỏ hơn bước sóng Tán xạ thường xẩy ra khi sóng vô tuyến gặp phải các ký hiệu giao thông, cột đèn Ngoài phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ, sóng vô tuyến còn bị suy hao đường truyền Nhóm Lê Quang Ghin – Ngô Văn Nhớ Trang 20 Đồ Án Môn Tuyền Dẫn Vô Tuyến. .. ra do các vật cản giữa máy phát và máy thu Hình 3.3 Suy hao đường truyền và che tối 3.1.2 Ảnh hưởng phạm vi hẹp Như đã nói ở trên truyền sóng đa đường gây ra do phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ dẫn đến nhiều đường truyền không trực tiếp (không phải LOS) Các đường truyền không trực tiếp này đến máy thu lệch nhau theo thời gian và không gian, điều này gây ra các hiệu ứng phạm vi hẹp trong thông tin vô tuyến. .. tần số Doppler cực đại và các biên độ của các sóng mang thành phần thu được Trong miền thời gian, hiệu ứng Doppler dẫn đến đáp ứng xung kim của kênh trở Nhóm Lê Quang Ghin – Ngô Văn Nhớ Trang 21 Đồ Án Môn Tuyền Dẫn Vô Tuyến VT02B nên thay đổi theo thời gian Có thể chỉ ra rằng các kênh vô tuyến di động thỏa mãn nguyên lý xếp chồng và vì thế các hệ thống tuyến tính Do tính chất thay đổi theo thời gian. .. trình này có thể chỉ có một đường truyền thẳng (LOS: line of sight), hay nhiều đường mà không có LOS hoặc cả hai Truyền sóng nhiều đường xẩy ra khi có phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ Hình 3.1 mô tả môi trường truyền sóng này Hình 3.1 Truyền sóng vô tuyến Phản xạ xẩy ra khi sóng vô tuyến đập vào các vật cản có kích thước lớn hơn nhiều so với bước sóng Nói chung phản xạ gây ra do bề mặt của quả đất, núi và tường... kênh vô tuyến di động như là một bộ lọc tuyến tính có đáp ứng xung kim thay đổi theo thời gian Mô hình kênh truyền thống sử dụng mô hình đáp ứng xung kim, đây là một mô hình trong miền thời gian Ta có thể liên hệ quá trình thay đổi tín hiệu vô tuyến phạm vi hẹp trực tiếp với đáp ứng xung kim của kênh vô tuyến di động Ảnh hưởng đa đường của kênh vô tuyến thường được biết đến ở dạng phân tán thời gian. .. Môn Tuyền Dẫn Vô Tuyến VT02B Chương 4 MÔ PHỎNG SỰ SUY HAO TRUYỀN SÓNG TRONG MÔI TRƯỜNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4.1 Giới thiệu Đặc điểm của kênh truyền dẫn vô tuyến là có tính chất ngẫu nhiên, không nhìn thấy, đòi hỏi có những nghiên cứu tính toán phức tạp Trong thông tin vô tuyến, tuyến truyền dẫn từ thiết bị phát tới thiêt bị thucó thể là đường truyền trong tầm nhìn thẳng (Line OfSight - LOS) hoặc bị che chắn . lý do chúng em chọn đề tài: “ Quá trình truyền lan sóng trong không gian tự do để kết thúc môn học Truyền Dẫn Vô Tuyến, và để hiểu sâu hơn về bản chất bên trong của sự loan truyền sóng trong không. pháp lan truyền sóng trong môi trương thực 7 1.1.1 .Lan truyền sóng bề mặt 7 1.1.2 .Truyền lan sóng không gian 8 1.1.3 .Truyền lan sóng trời 8 1.1.4 .Truyền lan sóng tự do 9 Các dãy băng tầng dùng trong. Đồ Án Môn Tuyền Dẫn Vô Tuyến VT02B DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Các phương thức truyền sóng vô tuyến 7 Hình 1.2. Quá trình truyền lan sóng bề mặt 7 Hình 1.3. Truyền lan sóng trong không gian 8 Hình