quá trình truyền lan sóng trong không gian tự do [tuyền dẫn vô tuyến]

CHƯƠNG 1 QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO 1.1 Cơ sở lí thuyết về truyền lan sóng: 1.1.1 Kênh truyền sóng trong môi trường không gian: Chất lượng của các hệ thống thông tin

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm vừa qua hệ thống thông tin vô tuyến đã được sử dụng rộng rãi trên phạm vi toàn thế giới đặc biệt là trong ngành viễn thông và truyền dữ liệu Bên cạnh đó cuộc sống ngày càng nâng cao thì nhu cầu của con người về trao đổi thông tin ngày càng nhanh và phải đạt hiệu quả cao Để đáp ứng những nhu cầu đó,đòi hỏi mạnh lưới viễn thông phải có tốc độ cao, dung lượng lớn Bên cạnh đó một tuyến truyền dẫn

vô tuyến khi tuyến làm phương pháp truyền dẫn tín hiệu, đem lại phương thức truyền dẫn, thiết kế phù hợp với những thông số và công thức chính xác Mở rộng dung lượng

là công nghệ truyền dẫn siêu lớn, suy hao truyền dẫn nhỏ,bảo mật tốt nhưng dễ bị ảnh hưởng trong quá trình truyền lan song trong các môi trường Chính vì thế em đã chọn

đề tài:”quá trình truyền lan sóng trong không gian tự do “

Tuy nhiên quá trình làm đồ án không tránh khỏi thiếu xót, rất mong nhận được sự đóng góp ý của thầy cô và các bạn Và em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo bộ môn Nguyễn Vũ Anh Quang

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC HÌNH VẼ: 4

CHƯƠNG 1 QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG 5

TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO 5

1.1 Cơ sở lí thuyết về truyền lan sóng: 5

1.1.1 Kênh truyền sóng trong môi trường không gian: 5

1.1.2 Khái niệm về sóng điện từ: 5

1.1.3 Các phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực: 5

1.1.3.1 Truyền lan sóng bề mặt: 5

1.1.3.2 Truyền lan sóng không gian: 6

1.1.3.3 Truyền lan sóng trời: 7

1.1.3.4 Truyền lan sóng tự do: 7

1.1.4 Công thức truyền lan sóng trong không gian tự do: 8

1.1.4.1 Mật độ thông lượng công suất, cường độ điện trường: 8

1.1.5 Các hiện tường xảy ra trong truyền lan sóng: 10

1.1.5.1 Phản xạ: 10

1.1.5.2 Khúc xạ: 10

1.1.5.3 Nhiễu xạ: 10

1.1.5.4 Fading: 11

1.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng truyền lan sóng trong không gian tự do: 12

1.2.1 Hiện tượng đa đường (Multipath) : 12

1.2.2 Hiệu ứng Doppler: 12

1.2.3 Suy hao trên đường truyền: 14

1.2.4 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing): 14

CHƯƠNG 2 GIẢI BĂNG TẦN 15

2.1 Định nghĩa băng tần: 15

2.2 Phân loại và ứng dụng băng tần: 15

2.3 Khảo sát một số loại băng tần: 16

2.3.1 Băng tần 700 MHz: 16

2.3.2 Băng tần 900 MHz: 16

2.3.4 Băng tần 1800 MHz: 16

2.3.5 Băng tần 2100 MHz: 17

Chương III MIỀN FRESNEL 18

3.1 Công thức huyghen: 18

3.2 Miền fresnel: 20

CHƯƠNG 4 TỔN HAO TRONG TRUYỀN SÓNG 24

VÀ BIỆN PHÁP PHÒNG CHỐNG 24

4.1 Truyền lan sóng phẳng trong môi trường vô tuyến Fadinh di động: 24

24

4.1.1 Ảnh hưởng phạm vi rộng 26

4.2.2 Ảnh hưởng phạm vi hẹp 26

4.2 Kênh tần số trong miền không gian: 27

4.2 Kênh truyền sóng trong miền tần số: 28

4.3 Kênh truyền sóng trong miền không gian: 29

4.4 Các loại phađinh hẹp: 30

CHƯƠNG 5 KHẢO SÁT TỔN HAO KHI TRUYỀN SÓNG TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO BẰNG MATLAB 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO 34

DANH MỤC HÌNH VẼ:

Hình 1.1: Quá trình truyền lan sóng bề mặt 5

Hình 1.2: Truyền lan sóng không gian 6

Hình 1.3 truyền lan sóng trời 7

Hình 1.4 Sự truyền lan sóng tự do 7

Hình 1.5 Các phương thức truyền sóng vô tuyến điện 8

Hình 1.6: Bức xạ của nguồn bức xạ vô hướng trong không gian tự do 8

Hình1.7: Nguồn bức xạ có hướng 9

Hình 2.1 Hiện tượng truyền sóng đa đường 12

Hình 2.3: Mật độ phổ của tín hiệu thu 14

Hình 3.1 xác định trường theo nguyên lí huyghen 18

Hình 3.2 Biểu diễn nguyên lý Huyghen trong không gian tự do 20

Hình 3.3: Miền fresnel 20

Hình 3.4: Nguyên lý cấu tạo miền Fresnel trên mặt sóng cầu 21

Hình 3.5: Xác định bán kính miền Fresnel .22

Hình 3.6: Vùng tham gia vào quá trình truyền lan sóng 23

Hình 4.1 Truyền sóng vô tuyến 24

Hình 4.2 Góc tới αi của sóng tới i minh họa hiệu ứng Doppler 25

Hình 4.3 Suy hao đường truyền và che tối 26

Hình 4.4 Các ảnh hưởng phạm vi hẹp trong kênh vô tuyến 26

Hình 5.1: Giao diện các thông số trong tuyến 31

Hình 5.2: Các thông số trong quá trình truyền sóng 32

Hình 5.3: Công suất thu tăng khi công suất phát tăng 32

Hình 5.4: Sự thay đổi của công suất thu khi tăng tần số phát 33

CHƯƠNG 1 QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG

TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO

1.1 Cơ sở lí thuyết về truyền lan sóng:

1.1.1 Kênh truyền sóng trong môi trường không gian:

Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu Không giống như kênh truyền hữu tuyến là

ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích Tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ

1.1.2 Khái niệm về sóng điện từ:

Sóng điện từ (hay bức xạ điện từ) là sự kết hợp (nhân vector) của dao động điện trường và từ trường vuông góc với nhau, lan truyền trong không gian như sóng Sóng điện từ cũng bị lượng tử hoá thành những "đợt sóng" có tính chất như các hạt chuyển động gọi là photon

Khi lan truyền, sóng điện từ mang theo năng lượng, động lượng và thông tin Sóng điện từ với bước sóng nằm trong khoảng 400 nm và 700 nm có thể được quan sát bằng mắt người và gọi là ánh sáng

1.1.3 Các phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực:

1.1.3.1 Truyền lan sóng bề mặt:

Sóng bề mặt truyền lan tiếp xúc trực tiếp với bề mặt trái đất Bề mặt quả đất là một môi trường bán dẫn điện, khi một sóng điện từ bức xạ từ một anten đặt thẳng đứng trên mặt đất, các đường sức điện trường được khép kín nhờ dòng dẫn trên bề mặt quả đất như chỉ ra ở hình 1.1 Nếu gặp vật chắn trên đường truyền lan, sóng sẽ nhiễu xạ qua vật chắn và truyền lan ra phía sau vật chắn

Hình 1.1: Quá trình truyền lan sóng bề mặt

Như vậy sự truyền lan sóng bề mặt có thể dùng để truyền tất cả các băng sóng Tuy nhiên, sóng bề mặt bị suy giảm nhiều do sự hấp thụ của trái đất Sự suy giảm phụ thuộc vào tần số, khi tần số tăng thì sự suy giảm càng lớn Hơn nữa khả năng nhiễu xạ qua vất chắn trên đường truyền phụ thuộc vào độ cao tương đối của vật chắn so với bước sóng Với các loại đất có độ dẫn điện lớn như mặt biển, đất ẩm thì sóng ít bị suy hao trong đất, 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 Bởi vậy sóng bề mặt 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 thông tin trên biển

1.1.3.2 Truyền lan sóng không gian:

Lớp khí quyển bao quanh quả đất có độ cao từ 0 đến 11km (với tầng đối lưu tiêu chuẩn), gọi là tầng đối lưu Các hiện tượng thời tiết như sương mù mưa, bão, tuyết đều xẩy ra trong tầng đối lưu và ảnh hưởng rất lớn đến quá trình truyền lan sóng vô tuyến điện Nếu hai anten thu và phát 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, hoặc lợi dụng sự không đồng nhất của một vùng nào đó trong tầng đối lưu

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 truyền lan sóng không gian thường được sử dụng cho thông tin ở băng sóng cực ngắn (VHF, UHF, SHF), như 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

Hình 1.2: Truyền lan sóng không gian

1.1.3.3 Truyền lan sóng trời:

Lớp khí quyển ở độ cao khoảng 60 km đến 600 km bị ion hoá rất mạnh chủ yếu do năng lượng bức xạ của mặt trời, tạo thành một lớp khí bao gồm chủ yếu là điện tử tự

do và các ion Lớp khí quyển đó được gọi là tầng điện ly Tính chất đặc biệt 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 hoặc nhiều lần từ tầng điện ly, như chỉ ra ở hình 1.3a Phương thức đó gọi là phương thức truyền lan sóng trời hay tầng điện ly

a- Khuếch tán từ tầng điện ly b- Nhiễu xạ từ tầng điện ly

Hình 1.3 truyền lan sóng trời

1.1.3.4 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, như chỉ ra trên hình 1.4, 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

Hình 1.4 Sự truyền lan sóng tự do

Hình 1.5 cho ta thấy các phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực của khí quyển quả đất.

Hình 1.5 Các phương thức truyền sóng vô tuyến điện

1.1.4 Công thức truyền lan sóng trong không gian tự do:

1.1.4.1 Mật độ thông lượng công suất, cường độ điện trường:

Giả thiết có một nguồn bức xạ vô hướng (đẳng hướng) có công suất phát PT(W) đặt tại điểm A trong một môi trường không gian tự do là môi trường đồng nhất đẳng hướng và không hấp thụ, có hệ số điện môi tương đối ε' = 1 Xét trường tại một điểm

M cách A một khoảng r (m)

Hình 1.6: Bức xạ của nguồn bức xạ vô hướng trong không gian tự do

Vì nguồn bức xạ là vô hướng, môi trường đồng nhất và đẳng hướng nên năng lượng sóng điện từ do nguồn bức xạ sẽ tỏa đều ra không gian thành hình cầu Như vậy mật

độ công suất (mật độ thông lượng năng lượng) ở điểm M cách nguồn một khoảng r sẽ được xác định bằng công thức sau:

) / ( 4

2

2 W m r

P

Theo lý thuyết trường điện từ ta có:

) / ( W m2

H E

) / (

2

2

m W

Đó chính là các anten có hướng, với hệ số hướng tính D hoặc hệ số khuếch đại G.Nếu nguồn bức xạ có hướng, lúc đó năng lượng của sóng vô tuyến điện sẽ được tập trung về hướng điểm M được biểu thị bằng hệ số hướng tính hay hệ số khuếch đại như chỉ ra trên hình 1.10

Hình1.7: Nguồn bức xạ có hướngTrong trường hợp này mật độ công suất được xác định theo công thức

) / ( 4

2

r

G P

π

khi đó cường độ điện trường sẽ được tính theo công thức:

) / (

30

m V r

G P

Nếu sóng điện từ do nguồn bức xạ biến đổi điều hoà theo thời gian, nghĩa là theo quy luật sinωt, cosωt, hoặc viết dưới dạng phức số eiωt thì giá trị tức thời của cường

độ điện trường sẽ được biểu thị bởi công thức

1.1.5 Các hiện tường xảy ra trong truyền lan sóng:

1.1.5.1 Phản xạ:

Là hiện tượng sóng khi lan truyền tới bề mặt tiếp xúc của hai môi trường khác nhau

bị đổi hướng lan truyền và quay trở lại môi trường mà nó đã tới

Độ cong của đường thay đổi theo thòi gian do sự thay đổi về nhiệt độ, áp suất và độ

ẩm

Hiện tường siêu khúc xạ có thể xuất hiện do không khí lạnh đi qua một khu vực nước ấm Sự bay hơi của nước sẽ tăng độ ẩm và nhiệt độ gần mặt nước thấp, do đó là một dấu hiệu của đáo nhiệt nhiệt độ thấp và độ ẩm cao làm cho mật độ khí quyển gần

bề mặt đất tăng lên nhiều, điều đó gây ra sự uốn xuống rất cong một các dị thường các sóng vô tuyến

Là hiện tượng quan sát được khi sóng lan truyền qua khe nhỏ hoặc mép vật cản, trong đó sóng bị lệch hướng lan truyền, lan toả về mọi phía từ vị trí vật cản, và tự giao thoa với các sóng khác lan ra từ vật cản.

 Hai nguyên nhân gây ra hiện tượng Fading:

• Sóng điên từ truyền từ đầu phát đến đầu thu đi theo nhiều đường khác nhau: đường trực tiếp, đường phản xạ … Tín hiệu tại đầu thu là tổng hợp của các đường Do đó nếu các đường có tín hiệu cùng pha thì biên độ tổng lớn nhất, nếu các đường có tín hiệu ngược pha thì biên độ tổng giảm xuống gây ra Fading (Fading nhiều tia, Fading đa đường)

• Khi môi trường truyền sóng có chiết suất thay đổi thì sẽ làm sóng điện từ

bị khúc xạ nên không đến thẳng được anten thu, do đó tín hiệu thu bị giảm xuống gọi là Fading (Fading phẳng)

 Khắc phục:

• Trong máy thu sử dụng mạch tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại AGC (Automatic Gain Control) Nguyên tắc AGC: Nếu tín hiệu vào nhỏ, tín hiệu ra được hồi tiếp trở lại bộ khuếch đại, hệ số khuếch đại giảm ít; nếu tín hiệu vào lớn, tín hiệu ngõ ra được hồi tiếp trở lại bộ khuếch đại làm hệ số khuếch đại giảm nhiều

1.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng truyền lan sóng trong không gian

tự do:

1.2.1 Hiện tượng đa đường (Multipath) :

Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu Điều này xẩy ra là do giữa nơi phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp

Do vậy, sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation)

Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại hoặc bị hư hỏng hoàn toàn

Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau Hiện tương này gọi

là sự phân tán đáp ứng xung (impulse dispersion) Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng

Hình 2.1 Hiện tượng truyền sóng đa đường

1.2.2 Hiệu ứng Doppler:

Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu

như trình bày ở hình 2.2 Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu được bị

xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler

Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là αn, khi đó tần số Doppler của tuyến này là :

( )

D f cos α c

v f

Trong đó f0, v, c lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển động tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng Nếu αn = 0 thì tần số Doppler lớn nhất sẽ là:

(1.3)

Phổ tín hiệu thu được biểu diễn lại ở hình 2.3

Mật độ phổ tín hiệu thu bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Doppler do Jake tìm ra năm

1974 Và được gọi là phổ Jake Ý nghĩa của phổ tín hiệu này được giải thích như sau: Giả thiết tín hiệu phát đi ở tần số sóng mang f0, khi đó tín hiệu thu được sẽ không nhận được ở chính xác trên tần số sóng màng f0 mà bị dịch đi cả về hai phía với độ dịch là

fD,max như hình ở 2.3 Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự đồng bộ của nhiều hệ thống

2 max

0 các trường hợp còn lại

nếu =

) (

2 t

τ

) (

1 t

Hình 2.2: Hàm truyền đạt của kênh

1.2.3 Suy hao trên đường truyền:

Mô tả sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát đến máy thu Sự giảm công suất do hiện tượng che chắn và suy hao có thể khác phục bằng các phương pháp điều khiển công suất

1.2.4 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing):

Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao tầng, các ngọn núi, đồi,… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm Vì vậy, hiệu ứng này được gọi là fading chậm

Hình 2.3: Mật độ phổ của tín hiệu thu

CHƯƠNG 2 GIẢI BĂNG TẦN2.1 Định nghĩa băng tần:

Băng tần là một dải tần số nào đó được giới hạn bởi 1 tần số thấp nhất và 1 tần

số cao nhất Băng thông (dải thông) là băng tần được gán cho 1 người sử dụng nào đó

để truyền/nhận dữ liệu Băng thông phải đảm bảo 1 số điều kiện kỹ thuật thì mới có thể phục vụ cho 1 hình thức truyền/nhận dữ liệu Nếu coi băng tần là 1 xa lộ thì băng thông là chiều rộng của 1 làn đường

2.2 Phân loại và ứng dụng băng tần:

Mỗi loại băng tần được sử dụng cho các hệ thống thông tin khác nhau do đặc điểm truyền lan sóng trong các môi trường thực

Băng sóng cực dài sử dụng ở lĩnh vực vật lý, thông tin cô tuyến đạo hàng, thông tin trên biển

Băng sóng dài và băng sóng trung được sử dụng cho thông tin phát hành nội địa, điều biên, thông tin hàng hải, vô tuyến đạo hàng

Băng sóng ngắn sử dụng cho phát thanh điều biên cự ly xa và một số dạng thông tin đặc biệt

Băng sóng mét sử dụng cho phát thanh điều tần và truyền hình

Băng sóng decimet được sử dụng cho truyền hình, các hệ thống thông tin ci ba số băng hẹp , thông tin di động

Băng sóng centimet được sử dụng cho thông tin vi ba số băng thông rộng , thông tin

vệ tinh

Băng sóng milimet được sử dụng hạn chế cho thông tin vệ tinh với băng Ka, dung cho thông tin vũ trụ

Bảng các băng tần :

Các loại băng tần

2.3 Khảo sát một số loại băng tần:

2.3.1 Băng tần 700 MHz:

Ở một tần số thấp như 700Mhz thì tín hiệu sẽ “khỏe” hơn, nghĩa là tín hiệu truyền

xa hơn và cung cấp chất lượng phủ sóng trong các tòa nhà tốt hơn các tần số cao như các băng tần trên dưới 2 GHz Vì vậy, các nhà khai thác cần ít trạm gốc hơn để phủ sóng một vùng điều này dẫn đến giá đầu tư thấp hơn Đó là ưu điểm của băng tần này

2.3.4 Băng tần 1800 MHz:

Tình cảnh trái ngược so với băng tần 900 MHz Hiện nay băng tần này cũng được cấp phép cho mạng GSM với tổng cộng 75 MHz Tuy nhiên, một số quốc gia vẫn chưa phân bổ hết toàn bộ 75 MHz này cho các nhà khai thác di động

Tuy nhiên với tần số “hơi cao”, độ khỏe của sóng sẽ hạn chế và do đó vùng phủ của một trạm thu phát sẽ không lớn, dẫn tới số lượng trạm thu phát nhiều và do đó, chi phí triển khai mạng lưới cũng sẽ tăng lên tương đối.

2.3.5 Băng tần 2100 MHz:

Đây là băng tần dành cho 3G UMTS ở một số khu vực trên thế giới đặc biệt là ở Châu Âu, với tổng cộng 60 MHz Trong hầu hết các quốc gia thì mỗi nhà khai thác được cấp một đoạn băng tần 10 MHz nhưng cũng chỉ sử dụng 5 MHz cho một sóng mang 3G Tuy nhiên, tại nhiều quốc gia, lượng băng tần dành cho 3G chưa hết 60Mhz Thực tế, tại nhiều quốc gia châu Á, băng tần này đang được dùng nhiều nhất bởi nó được sử dụng một cách rộng rãi và đặc tính truyền sóng tốt trong khi lượng băng tần khả dụng cũng còn tương đối nhiều