Với khả năng truyền dẫn lớn, tốc độ cao hàng chục Gb/s, suy hao nhỏ, không bịảnh hưởng của sóng điện từ xuyên âm… hệ thống thông tin quang đã giải thoát đượcnhững bế tắc trong quá trình
Trang 1MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU 3
LỜI MỞ ĐẦU 4
CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT VỀ THIẾT KẾ TUYẾN VI BA SỐ 5
1.1.Cơ sở lý thuyết về thiết kế tuyến vi ba số 5
1.1.1.Khái niệm về vi ba số 5
1.2.Nội dung của hệ thống thông tin vi ba số 5
1.2.1.Đặc điểm 5
1.2.2.Phân loại 6
1.3.Ưu khuyết điểm của hệ thống vi ba số 7
1.4.Các mạng vi ba số 7
7
1.4.1.Điều chế và giải điều chế trong hệ thống vi ba số 8
1.4.2.Cơ sở truyền sóng vô tuyến điện 8
1.4.2.1.Khái niệm về sóng vô tuyến 8
1.4.2.2.Các tham số ảnh hưởng đến sự lan truyền sóng vô tuyến 9
1.5.Pha đinh và các kỹ thuật giảm ảnh hưởng pha đinh nhiều tia 11
1.6.Anten parabol sử dụng trong vi ba số 11
1.7.Các yêu cầu khi thiết kế tuyến vi ba số 11
Chương II:TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN VI BA SỐ 3 12
“Quảng Ngãi – Lý Sơn” 12
2.1.Mô tả tuyến 12
2.1.1.Khoảng hở an toàn 12
2.1.2.Vị trí các trạm 12
2.1.3.Số loại thiết bị 12
2.1.4.Tần số làm việc: 12
2.1.5.Dung lượng kênh: (Mbit/s) 14
2.1.6.Loại điều chế của máy phát 14
2.1.7.Độ nâng của vị trí: (x) 14
2.1.8.Độ dài đường truyền dẫn : (d) 14
2.1.9.Độ dài của anten: h1, h2 14
2.1.10.Loại tháp anten 14
2.1.11.Nguồn phát 14
2.2.Loại feeder sử dụng và bán kinh dới cầu 15
2.2.1.Loại Feeder sử dụng ở các trạm A và B 15
2.2.2.Bán kinh dới cầu (Fresnel) 15
2.3.Các tổn hao 16
2.3.1.Tổn hao đường truyền dẫn của không gian tự do A0 (dB) 16
2.3.2.Tổn thất Feeder 16
2.3.3.Tổng tổn hao rẽ nhánh 16
2.3.4.Tổn hao các bộ phối hợp và các bộ đầu nối 18
2.3.5.Tổn hao của bộ suy hao hoặc các vật chắn 18
2.3.6.Tổn hao hấp thụ của khí quyển 19
2.3.7.Tổng tổn hao 19
2.4.Độ lợi 19
2.4.1.Độ lợi của anten 19
Trang 22.4.2.Độ lợi máy phát 20
2.4.3.Tổng độ lợi 20
2.4.4.Tổng tổn hao 20
2.4.5.Mức đầu vào của máy thu Pr (dBm) 20
2.4.6.Các ngưỡng thu được 20
2.4.7.độ dự trữ Fading phẳng 20
2.4.8.Xác suất Fading nhiều tia Po 21
2.4.9.Đánh giá chất lượng tuyến 21
Chương III MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB 22
3.1.Chương trình 22
3.2.Chương trình khảo sát tuyến viba bằng Matlab tuyến “Quảng Ngãi – Lý Sơn” 23
KẾT LUẬN 25
TÀI LIỆU THAM KHẢO: 27
Trang 3DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Phân loại băn thông 7
Bảng 1.2 phân loại các băng tần 9
Bảng 1.3 kết quả thực nghiệm về suy hao do hơi nước – khí hậu tần số sóng vô tuyến của Alcatel 10
Bảng 2.1: Loại feeder 15
DANH MỤC HÌNH Hình 1.2 Mô hình của hệ thống vi ba số tiêu biểu 6
Hình 1.3 Sơ đồ mô tả quá trình điều chế và giải điều chế số 8
Hình 1.4 Suy hao đường truyền do mưa 10
Hình 2.1: Khoản hở an toàn 12
Hinh 2.2 Vùng Fresnel 15
Hình 2.3 19
Trang 4Với khả năng truyền dẫn lớn, tốc độ cao hàng chục Gb/s, suy hao nhỏ, không bịảnh hưởng của sóng điện từ xuyên âm… hệ thống thông tin quang đã giải thoát đượcnhững bế tắc trong quá trình nghiên cứu để tìm ra những giải pháp tối ưu cho mạnglưới viễn thông toàn cầu.
Để thỏa mãn nhu cầu trên thì chúng ta cần phải có một mang lưới viễn thôngmạnh thì đều đầu tiên là chúng ta cần phải có những tuyến Viba số thỏa mãn đượcđều đó
Chính vì thế em đã chọn đề tài:”Thiết kế tuyến vi ba số Quảng Ngãi - Lý Sơn
“với chiều dài tuyến là 15 hải lý gần bằng 28 km
Với mục đích gắn quá trình học tập và nghiên cứu để tìm hiểu một công nghệmới tiên tiến trên cơ sở những kiến thức đã học và nghiên cứu những tài liệu mới Đồ
án gồm 3 chương:
Chương I LÝ THUYẾT VỀ THIẾT KẾ TUYẾN VI BA SỐ
Chương II TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN VI BA SỐ ” TP.QUÃNG ĐẢO LÝ SƠN”
NGÃI-Chương III MÔ PHỎNG TUYẾN BẰNG MATLAB
Vì kinh ngiệm thực tế còn rất ít và thời igan hạn chế nên quá trình làm đề tàimôn học chúng em không tránh khỏi thiếu xót, rất mong nhận được sự đóng góp ýcủa thầy và các bạn Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo
bộ môn Nguyễn Vũ Anh Quang
Trang 5CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT VỀ THIẾT KẾ TUYẾN VI BA SỐ
1.1 Cơ sở lý thuyết về thiết kế tuyến vi ba số
R
G P
= , Shd: Diện tích miệng mở của anten, λ: Tần số công tác
- Tránh được can nhiễu từ bên ngoài như: Nhiễu khí quyển, nhiễu vũ trụ, nhiễu
Nhiễu vũ trụ
Tạp âm nội
Hình 1.1 Nhiễu và tạp âm nội phụ thuộc tần số
Trang 6Hình 1.1 biểu diễn mức nhiễu và tạp âm nội phụ thuộc tần số từ đồ thị ta thấy:
Ở tần số thấp hơn 30 MHz thì nhiễu vũ trụ, nhiễu khí quyển, nhiễu công nghiệp lớn
Từ 30 đến 300 MHz chỉ còn nhiễu vũ trụ, từ 300 MHz trở lên không còn nhiễu vũtrụ nữa nhưng tạp âm nội của thiết bị sẽ tăng lên Do đó các phần tử cao tần trong cácthiết bị thu phát phải có cấu trúc đặc biệt để có thể làm việc ổn định ở tần số cao
- Khả năng nhiễu xạ của sóng điện từ tần số cao rất yếu nên chỉ thực hiện thôngtin trong tầm nhìn thẳng
Hình 1.2 Mô hình của hệ thống vi ba số tiêu biểu
1.2.2 Phân loại
- Vi ba số băng hẹp (tốc độ thấp): được dùng để truyền các tín hiệu có tốc độ2Mbit/s, 4 Mbit/s và 8 Mbit/s, tương ứng với dung lượng kênh thoại là 30 kênh, 60kênh và 120 kênh Tần số sóng vô tuyến ( 0,4-1,5)GHz
- Vi ba số băng trung bình ( tốc độ trung bình ): được dùng để truyền các tínhiệu có tốc độ từ ( 8-34 ) Mbit/s, tương ứng với dung lượng kênh thoại là 120 đến
480 kênh Tần số sóng vô tuyến ( 2-6 )GHz
- Vi ba số băng rộng( tốc độ cao ): được dùng để truyền các tín hiệu có tốc dộ từ( 34-140 ) Mbit/s, tương ứng với dung lượng kênh thoại là 480 đến 1920 kênh Tần
số sóng vô tuyến (4,6,8,12 ) GHz
Trang 7Bảng 1.1: Phân loại băn thông
truyền
Tốc độ tín hiệu
Dung lượng kênh thoại
1.3 Ưu khuyết điểm của hệ thống vi ba số
Một số ưu điểm của hệ thống thông tin vi ba số
- Ít bị ảnh hưởng bởi thiên tai
- Ít bị thiệt hại ngẫu nhiên
- Liên kết giữa các ngọn núi và con sông kinh tế khả thi hơn
- Độc thân điểm cài đặt và bảo trì
- Độc thân quan điểm bảo mật
- Họ đang nhanh chóng triển khai
Một số khuyết điểm của hệ thống thông tin vi ba số
-Khi áp dụng hệ thống truyền dẫn số,phổ tần tín hiệu thoại rộng hơn so với hệthống tương tự,
-Khi các thông số đường truyền dẫn như trị số BER,S/N thay đổi không đạt giátrị cho phép thì thông tin sẽ gián đoạn,khác với hệ thống tương tự thông tin vẫn tồntại tuy chất lượng kém
-Hệ thống này dễ bị ảnh hưởng của méo phi tuyến do các đặt tính bão hòa,docác linh kiện bán dẫn gây nên
1.4 Các mạng vi ba số
Thường các trạm vi ba số được nối cùng với các trạm chuyển mạch như là một
bộ phận của mạng trung kế, hoặc là nối các tuyến nhánh xuất phát từ trung tâm thuthập thông tin khác nhau đến trạm chính
Trang 81.4.1 Điều chế và giải điều chế trong hệ thống vi ba số
Hình 1.3 Sơ đồ mô tả quá trình điều chế và giải điều chế số a) Điều chế
Điều chế là đưa tín hiệu điều chế tác động vào sóng mang làm cho một hoặcnhiều tham số của sóng mang thay đổi theo quy luật của tín hiệu điều chế
b) Giải điều chế
Vì phía phát đã tiến hành điều chế nên ở phía thu muốn lấy lại tín hiệu nguyênthủy thì phải tiến hành tách tín hiệu tin tức ra khỏi sóng mang đã điều chế Quá trìnhtách tín hiệu tin tức cần truyền ra khỏi sóng mang đã điều chế ở bên phát được gọi làgiải điều chế
1.4.2 Cơ sở truyền sóng vô tuyến điện
1.4.2.1 Khái niệm về sóng vô tuyến
Sóng vô tuyến là sóng điện từ có tần số từ 30 KHz đến 300 GHz và được chia
ra các băng tần LF,VHF, HF, UHF và băng tần cao dùng cho thông tin vệ tinh
Có 2 loại sóng vô tuyến là sóng dọc và sóng ngang
-Sóng dọc là sóng lan truyền theo phương chuyển động của nó (tiêu biểu nhưsóng âm thanh lan truyền trong không khí)
-Sóng ngang là sóng điện từ có vectơ cường độ điện trường và từ trường vuônggóc với phương truyền sóng
Các sóng vô tuyến có thể được truyền từ anten phát đến anten thu bằng 2 đườngchính: bằng sóng bề mặt và sóng không gian
Trang 9Bảng 1.2 phân loại các băng tần.
băng tần
Cơ chế truyền sóng vô tuyến Lĩnh vực sử dụng
Phát thanh FM, truyền hình, thông tin động, thông tin vô tuyến cố định (viba)
Sóng trờiSóng không gian
Sóng thẳng
Truyền hình, thông tin động, thông tin vô tuyến cố định (viba), Rađar, thông tin vệ tinh
3GHz~30GHz SHF, Viba
Sóng không gian
Sóng thẳng
Thông tin vệ tinh, thông tin vô tuyến cố định, Rađar, vô tuyến thiên văn
30GHz~300GH EHF,
Milimeter
Sóng không gian
Sóng thẳng
Thông tin vệ tinh, thông tin vô tuyến cố định, Rađar, vô tuyến thiên văn
1.4.2.2 Các tham số ảnh hưởng đến sự lan truyền sóng vô tuyến
-Suy hao khi truyền lan trong không gian tự do
Khoảng không mà trong đó các sóng truyền lan bị suy hao được gọi là khônggian tự do Mức suy hao của sóng vô tuyến được phát đi từ anten phát đến anten thutrong không gian tự do tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa hai anten và tỷ lệ nghịch với
độ dài bước sóng Suy hao này gọi là suy hao truyền lan trong không gian tự do đượctính bởi công thức:
d[m] , λ[m]: lần lượt là khoảng cách truyền dẫn và bước sóng của sóng vôtuyến
Trang 10-Ảnh hưởng của pha đinh và mưa
Pha đinh được định nghĩa là sự thay đổi cường độ tín hiệu sóng mang cao tầnthu được do sự thay đổi khí quyển và phản xạ đất, nước trong đường truyền sóng
Tuyến sử dụng tần số trên 35GHz thường suy hao do mưa lớn Để đảm bảochất lượng tín hiệu truyền dẫn thì khoảng cách lặp dưới 20km,việc giảm độ dài sẽlàm giảm ảnh hưởng của pha đinh
Hình 1.4 Suy hao đường truyền do mưa.
Cùng mức dự trữ pha đinh 40dB, một đường truyền vi ba ở dải tần 38GHz sẽ bịmất đi hoàn toàn do bão lớn trong khi tuyến vi ba làm việc ở tần số bão lớn, trong khituyến vi ba làm việc ở tần số 6GHz vẫn tiếp tục hoạt động bình thường
-Sự can nhiễu của sóng vô tuyến
Thông thường nhiễu xảy ra khi có thành phần can nhiễu bên ngoài trộn lẫn vàosóng thông tin Sóng can nhiễu có thể trùng hoặc không trùng tần số với sóng thôngtin
Bảng 1.3 kết quả thực nghiệm về suy hao do hơi nước – khí hậu tần số sóng vô tuyến
của Alcatel
Hệ thống Vi ba số đang sử dụng bị ảnh hưởng bởi sự can nhiễu từ các hệ thống
vi ba số lân cận nằm trong cùng khu vực, có tần số sóng vô tuyến trùng hoặc gầnbằng tần số của hệ thống này Ngoài ra còn bị ảnh hưởng bởi trạm mặt đất của các hệthống thông tin vệ tinh lân cận
Trang 111.5 Pha đinh và các kỹ thuật giảm ảnh hưởng pha đinh nhiều tia
Pha đinh là sự biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang cao tần tại anten thu do có
sự thay đổi không đồng đều về chỉ số khúc xạ của khí quyển, các phản xạ của đất vànước trên đường truyền sóng vô tuyến đi qua Sự biến đổi này là yếu tố xấu đối với
hệ thống thông tin vi ba
Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin có thể được phân thành hailoại: Fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading).Các kỹ thuật được sử dụng để giảm các ảnh hưởng của pha đinh phẳng và phađinh lựa chọn tần số nhiều tia là dùng phân tập không gian và phân tập tần số để nângcao chất lượng của tín hiệu thu Phân tập theo không gian cùng với các anten đặt cáchnhau theo chiều dọc để không làm gián đoạn thông tin
1.6 Anten parabol sử dụng trong vi ba số
Yêu cầu hệ thống anten sử dụng trong hệ thống thông tin vi ba là có suy haotruyền dẫn nhỏ,kinh tế và hệ số khuếch đại lớn
Anten Yagi được sử dụng cho tần số 400-900MHz
Anten parbol được sử dụng cho tần số từ 1GHz đến 60GHz
Anten parbol được sử dụng cho tần số từ 1GHz đến 60GHz
1.7 Các yêu cầu khi thiết kế tuyến vi ba số.
Bước 1: Nghiên cứu dung lượng đòi hỏi
Bước 2: Chọn băng tần vô tuyến để sử dụng
Bước 3: Chọn ví trí và tính toán đường truyền
Bước 4: Cấu hình hệ thống
Bước 5: Các tiêu chuẩn kỹ thuật
Trang 12Chương II:TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN VI BA SỐ 3
“Quảng Ngãi – Lý Sơn”
2.1 Mô tả tuyến
2.1.1 Khoảng hở an toàn
Hình 2.1: Khoản hở an toàn
Trong đó : h1 độ cao của anten ở vị trí A so với mặt đất
h 2 độ cao của anten ở vị trí B so với mặt đất
hs độ cao của vật chắn ở vị trí cách A một khoảng d1
hc khoảng hở an toàn của vật chắn ở vị trí cách A một khoảng d1
Trang 13- Tần số phát ở trạm B
- Tần số trung tâm được sử dụng trong các tính toán : f = 7000 MHz
Trang 142.1.5 Dung lượng kênh: (Mbit/s)
Trong tính toán đường truyền dung lượng kênh được biểu diễn dưới dạngMbit/s nó là dung lượng luồng tín hiệu số tối đa có thể truyền trên hệ thống
Với thiết bị này dung lượng kênh là 2x2 Mbit/s
2.1.6 Loại điều chế của máy phát.
Sử dụng phương pháp điều chế máy phát OQPSK
2.1.8 Độ dài đường truyền dẫn : (d)
Nó là khoảng cách giửa hai anten tuy nhiên ta không thể lấy chính xác đượcthông số này vì nhiều lý do khác nhau, nên thường nó là khoảng cách giửa hai vị tríđặt trạm
Đối với tuyến thiết kế : d =28 Km
2.1.9 Độ dài của anten: h 1, h 2
Theo phương án thiết kế ở trên ta có độ cao của anten so với mặt bằng là:
Trang 15- Độ dài Feeder của trạm A và B.
Trong trường hợp này ta không thể tính chính xác độ dài Feeder do đó các độdài này được tính cho cả hai trạm A và B bằng cách lấy độ cao của anten tại mỗi trạmnhân với hệ số dự trữ lấy là 7
Trong đó:
d = khoảng cách giữa các ăng-ten (Km)
R = bán kính vùng Fresnel đầu tiên trong mét
3,
Trang 16Thông thường vùng Fresnel đầu tiên (N = 1) được sử dụng để xác định mất tắcnghẽn
Con đường trực tiếp giữa truyền và nhận các nhu cầu giải phóng mặt bằng trênmặt đất ít nhất 60% của bán kính của vùng Fresnel đầu tiên để đạt được điều kiệnkhông gian tuyên truyền miễn phí.K yếu tố bán kính Trái đất đền bù sự khúc xạ trongkhí quyển Giải phóng mặt bằng được mô tả như một tiêu chuẩn nào để đảm bảo đủchiều cao ăng-tăng Do đó, trong trường hợp tồi tệ nhất của khúc xạ (trong đó k là tốithiểu), ăng-ten thu là không được đặt trong khu vực nhiễu xạ
2.3 Các tổn hao
2.3.1 Tổn hao đường truyền dẫn của không gian tự do A 0 (dB).
Loại tổn thất này đã được đề cập trong phần truyền sóng trong không gian Nóphụ thuộc vào tần số sóng mang và độ dài đường truyền và được tính bằng công thứcsau:
A0 = 92,5 + 20 lg f(GHz) + 20 lgd(Km)
A0 = 92,5 + 20 lg(7) + 20 lg(28) = 138,34 dB
Trong đó: A0 : là tồn thất đường truyền cũa không gian tự do (dB)
f: là tần số trung tâm của sóng mang (GHz)d: là độ dài đường truyền (Km)
2.3.2 Tổn thất Feeder.
Ở bước 12 ta có loại feeder sử dụng và ở bảng 2.1 ta có độ dài tương ứng củachúng từ đó ta có thể tính tổn thất của feeder cho cả hai trạm A và B bằng công thứcsau:
Trạm A: tổn thất Feeder = 133*(3,4/100) = 4,522 dBTrạm B: tổn thất Feeder = 98*(3,4/100) = 3,332 dBTổng tổn thất Feeder = 4,522 + 3,332 =7,854 dB
2.3.3 Tổng tổn hao rẽ nhánh.
Tổng tổn hao rẽ nhánh được coi là các tổn hao trong các bộ lọc RF (máy phát
và máy thu) các bộ lọc xoay vòng (Circulator) và các bộ lọc RF bên ngoài có thể,chúng cho phép một hệ thống song công chỉ sử dụng một anten cho các mục đích thu
và phát hoặc một vài hệ thống cùng nối đến một anten Khoảng giá trị tổn hao rẽnhánh thường là 2 – 8 dB
Trang 17Đối với các thiết bị phát và thu sử dụng cho tuyến này thì tổn hao rẽ nhánh là1,4 dB cho mỗi trạm tức là 2,8 dB cho toàn tuyến.
Trang 182.3.4 Tổn hao các bộ phối hợp và các bộ đầu nối.
-Với các hệ thống lớn phức tạp thì nó có giá trị khoảng 0,8 – 1 dB
-Với các hệ thống lớn phức tạp thì nó có giá trị khoảng 0,5 – 0,7 dB
Với hệ thống này tổn thất bộ phối hợp và các bộ đầu nối là 0,5 dB
2.3.5 Tổn hao của bộ suy hao hoặc các vật chắn.
Tổn hao của bộ suy hao:tổn hao này chỉ xuất hiện khi có bộ suy hao trong hệthống các bộ suy hao được sử dụng trong một số trường hợp sau:
Khi công suất phát ra quá lớn có thể gây giao thoa cho các tuyến lân cận hoặccác trạm vệ tinh khi có một bộ suy hao được sử dụng để giảm công suất phát từanten
Khi các mức tín hiệu ra và vào ở các bộ phận trong trạm không hoàn toàn phùhợp với nhau gây ra méo dạng tín hiệu ngõ ra.Do đó cần phải giảm các tín hiệu saocho phù hợp với nhau bằng cách sử dụng các bộ suy hao
Tổn thất do vật chắn : Đây là loại tổn thất xuất hiện khi tuyến thiết kế khôngthỏa điều kiện tầm nhìn thẳng hay các vật chắn cắt miền fresnel thứ nhất.Tổn thất dovật chắn được chia làm các loại sau:
Tổn thất nhiễu xạ do vật chắn cong
Trong đó nhiễu xạ do vật chắn cong ít xảy ra và chỉ có khi các đường truyền bịcắt bởi cac vật chắn rất lớn như các dãy núi…Việc tính toán tổn hao này rấtkhó.Trong khi tổn thất nhiễu xạ do vật chắn thường xảy ra hơn là tổn hao khi các câycao hoặc các nhà cao tầng cắt đới cầu fresnel thứ nhất