đồ án môn học vận hành bảo dưỡng hệ thống vô tuyến số mã số học phần 852403

Đặc điểm của hệ thống truyền dẫn vô tuyến Đặc điểm chính của hệ thống truyền dẫn vô tuyến số là bị giới hạn bởi các yếu tố về tài nguyên vô tuyến, chất lượng và băng thông, trong khi đó

ĐỒ ÁN MÔN HỌC VẬN HÀNH BẢO DƯỠNG HỆ THỐNG VÔ

TUYẾN SỐ

Mã số học phần

852403

TUYẾN TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO Sinh viên thực hiện : Đường Thanh Bảo

Chương trình

• 4 Chương 3: Truyền sóng không gian tự do.

• 5 Chương 4: Phương trình đường truyền sóng trong tầng khí quyển

• 6 Chương 5: Xây dựng công thức tính công suất tín hiệu thu của máy thu vô tuyến

• 7 Chuong 6:Mô hình truyền sóng vô tuyến ứng dụng trong thực tế

Mở Đầu

Trong công cuộc hiện đại hóa - công nghiệp hóa đất nước hiện nay, hệ thống truyền dẫn vô tuyến đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta Việc hiểu và nắm vững các

mô hình truyền sóng vô tuyến trong không gian tự do sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách hoạt động và tối ưu hóa hiệu suất của các công

nghệ không dây như Wi-Fi, Bluetooth, 5G và nhiều hơn nữa

Việc nghiên cứu và phát triển mô hình truyền sóng vô tuyến trong không gian tự do có thể đóng góp vào việc cải thiện hiệu suất truyền dẫn, tăng cường kết nối không dây và mang lại lợi ích cho cộng đồng

Đồ án này có thể đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển công nghệ không dây và ứng dụng của nó trong cuộc sống hàng ngày

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN

(Overview of radio transmission systems )

Trong mạng viễn thông của các nước trên thế giới đều

thiết lập theo ba phương thức truyền dẫn chính trên các

tuyến truyền dẫn đường trục là truyền dẫn cáp sợi

quang, truyền dẫn vi ba số, truyền dẫn vệ tinh số

Hệ thống truyền dẫn vô tuyến là một công nghệ cho

phép truyền dữ liệu, tín hiệu hoặc thông tin từ một

điểm đến một điểm khác mà không cần sử dụng dây

cáp Thay vì sử dụng dây cáp, hệ thống truyền dẫn vô

tuyến sử dụng sóng điện từ, ánh sáng hoặc các tín hiệu

không dây khác để truyền thông tin

Hệ thống truyền dẫn vô tuyến có nhiều ứng dụng trong

cuộc sống hàng ngày, từ việc truyền dữ liệu, kết nối

internet, chia sẻ tệp tin cho đến điều khiển từ xa,

truyền thông giữa các thiết bị và nhiều hơn nữa Công

nghệ này đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra môi

trường kết nối không dây tiện ích và linh hoạt

Đặc điểm của hệ thống truyền dẫn vô tuyến

Đặc điểm chính của hệ thống truyền dẫn vô tuyến số là bị giới hạn bởi các yếu tố về tài nguyên vô tuyến, chất lượng và băng thông, trong khi đó sự phát triển mạng internet rất nhanh trên phạm vi toàn cầu, nhu cầu của người dùng cần sử dụng nhiều hơn các nguồn tài nguyên vô tuyến, băng thông kênh truyền rộng hơn, nhu cầu cung cấp dịch vụ có tính đa dạng, chất lượng dịch vụ ngày càng cao Vì vậy, vấn

đề phát triển mạng lưới thông tin, sử dụng hiệu quả tài nguyên vô tuyến nhưng vẫn đảm bảo chất lượng truyền dữ liệu luôn là những chủ đề được quan tâm nghiên cứu triển khai ứng dụng không có giới hạn dừng trong thực tế

Các đặc tính kỹ thuật của máy phát tùy thuộc vào các ứng dụng, các đặc tính cơ bản của máy phát được liệt

kê như sau:

• Nhiễu xuyên điều chế

• Nhiễu hài tín hiệu

• Các biến thiên tần số

• Độ rộng băng thông tần số tín hiệu phát

> Ba tham số kỹ thuật quan trọng của máy phát vô tuyến số là: Công suất phát P0-Tx(w); Tần số tín hiệu cao tần phát fRF-TX(Hz) và Độ rộng băng thông tần số

Thông số kỹ thuật máy phát vô

tuyến

VẬN HÀNH BẢO DƯỠNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN SỐ Đại học Sài

Các thông số hệ thống máy thu vô tuyến được liệt kê như sau:

• Độ nhạy

• Độ chọn lọc tần số thu

• Độ loại bỏ đáp ứng không mong muốn

• Độ loại bỏ điều chế tương hỗ

• Độ ổn định tần số

• Sự phát bức xạ LO

• Độ rộng băng tần số tín hiệu thu

> Bốn tham số kỹ thuật quan trọng của máy thu vô tuyến là: Độ nhạy; độ chọn lựa tần số tín hiệu cao tần thu fRF-RX(Hz); độ loại bỏ tần số tín hiệu ảnh fA(Hz) và

Độ rộng băng thông tần số tín hiệu thu B(Hz)

Thông số kỹ thuật máy thu vô tuyến

Chức năng của máy phát là xử lý nguồn tín hiệu băng tần gốc ở ngõ vào, có thể là tín hiệu thoại, hoặc tín hiệu video hoặc dữ liệu, hoặc là tổng hợp các loại tín hiệu trên, có phổ tần nằm trong vùng giới hạn của tín hiệu băng tần gốc, ký hiệu là fm(Hz)

Chức năng của máy thu vô tuyến là thu nhận các tín hiệu sóng điện từ cao tần được hấp thụ từ anten thu của máy thu, tần số tín hiệu cao tần thu

ký hiệu là fRF,RX(Hz)

Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống thu phát vô

tuyến cơ bản (a) Máy phát, (b) Máy thu

Cấu trúc cơ bản của kênh truyền vô

tuyến

Tham số kỹ thuật hệ thống truyền dẫn vô tuyến được thể hiện trên mô hình

như sau:

Hình 2: Mô hình các điểm đo chất lượng của kênh truyền dẫn vô

tuyến số

Tài nguyên vô tuyến

số Tài nguyên vô tuyến số là băng tần

số sử dụng trong thông tin vô

tuyến.

Băng tần số vô tuyến được chia

thành các kênh vô tuyến có tần số

khác nhau Khoảng cách tần số vô

tuyến giữa hai kênh liền kề nhau

được gọi là độ rộng kênh tần số vô

tuyến, ký hiệu là Δfc; Khoảng cách fc; Khoảng cách

tần số phát và tần số thu trong một

kênh truyền vô tuyến hai chiều

được gọi là độ rộng tần số thu phát,

(duplex), ký hiệu Δfc; Khoảng cách fd

Hình 3: Biểu đồ phân chia kênh tần số trong

băng tần số vô tuyến

• Tổ chức phân chia băng tần số vô tuyến.

• Thiết kế các kỹ thuật truy nhập vô tuyến

• Xây dựng các cấu hình thu phát vô tuyến phân tập dự phòng

• Sử dụng các công nghệ xử lý tín hiệu số thông minh

• Hoàn thiện phần cứng thiết bị vô tuyến số

>Các giải pháp đề sử dụng hiệu quả tài nguyên vô tuyến là phân chia băng tần số vô tuyến, sử dụng kỹ thuật đa truy nhập vô tuyến FDMA, TDMA, CDMA, SDMA, sử dụng các cấu hình phân tập thu phát vô tuyến về tần số, không gian và sử dụng các hệ thông thu phát vô tuyến thông minh, tích hợp các

kỹ thuật mới về điều chế thích ứng, có sự kết hợp

Giải pháp sử dụng hiệu quả tài nguyên vô tuyến

Hình 4: Cấu trúc của máy thu phát vô

tuyến số thông minh SD (Software

Defined Radio)

Sơ đồ khối chung của một kênh truyền dẫn vô tuyến số, truyền tín hiệu theo hai chiều, trên tuyến liên lạc điểm nối điểm, có cự ly truyền dẫn D(Km) được cho ở hình bên dưới, trong mỗi trạm có một máy phát, một máy thu và 1 anten.

Hình 5: Sơ đồ cấu trúc truyền dẫn vô tuyến số hai

chiều điểm tới điểm

Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền dẫn vô tuyến số cơ bản

Xử lý tín hiệu theo

hướng phát

• Khối xử lý tín hiệu số băng gốc

phát

• Khối điều chế tín hiệu số

• Khối điều chế nâng tần

• Khối khuếch đại công suất

Xử lý tín hiệu theo hướng thu

• Khối khuếch đại tạp âm nhỏ LNA

• Khối trộn tần xuống D/C

• Khối khuếch đại tín hiệu trung tần

• Khối giải điều chế tín hiệu số

• Khối xử lý tín hiệu số băng tần gốc thu

Chức năng nhiệm vụ các khối trong hệ thống thu phát vô

tuyến số

" Hiện nay, ngoài các hệ thống vô tuyến siêu cao tần, thị trường thông tin liên lạc đang có

xu thế nghiêng về sự tăng trưởng nhanh chóng của các hệ thống thông tin vô tuyến di động

cá nhân, các thống truyền hình vệ tinh, hệ thống phát thanh và truyền hình số, đặc biệt là các lĩnh vực ứng dụng mới của truyền dẫn vô tuyến là định vị, cảm biến từ xa, nhận dạng vô tuyến (RFID), quảng bá, xe cộ và đường cao tốc, cảm biến, do thám, y học và khám phá vũ trụ Chi tiết các lĩnh vực ứng dụng này được liệt kê dưới đây:

• Thông tin vô tuyến

Qua chương 1, chúng ta đã hiểu được vai trò của truyền

dẫn vô tuyến số trong mạng viễn thông, biết được đặc

điểm, cấu trúc của một tuyến truyền dẫn vô tuyến số để

vận dụng vào việc nghiên cứu, lựa chọn, thiết lập các kênh

truyền vô tuyến tương ứng với yêu cầu người dùng Hệ

thống truyền dẫn vô tuyến số hay còn gọi là hệ thống

truyền dẫn vi ba số, bao gồm hai hay nhiều trạm thu phát

vô tuyến kết nối thông tin với nhau qua môi trường truyền

sóng vô tuyến trong tầng khí quyển, trên băng tần số siêu

cao tần, theo phương thức truyền sóng song song với mặt

đất, anten thu, phát nhìn thấy nhau, cự ly của mỗi chặn

khoảng 50km; đối với các tuyến truyền dẫn cự ly dài sẽ có

các trạm vô tuyến chuyển tiếp, trạm chuyển tiếp có hai

loại là chuyển tiếp trực tiếp RS và chuyển tiếp có rớt và

xen kênh ADM

Kết luận chương

1

CHƯƠNG 2:

Mô Hình Kênh Truyền Vô

Tuyến Số (Digital Radio Channel

Model )

Thiết bị của kênh truyền bao gồm máy phát ký hiệu là (Tx), có công suất phát Pt(W), anten phát có độ lợi là Gt, tín hiệu cao tần phát s(t), tần số tín hiệu phát là fTX(Hz) Máy thu ký hiệu

Rx, tần số tín hiệu phát là fRX(Hz), mức công suất tín hiệu thu là Pr(W), anten thu có độ lợi

GR, tín hiệu cao tần thu là r(t)

Hình 6: Mô hình kênh truyền vô tuyến số

Mô hình kênh truyền dẫn tín hiệu vô tuyến số trong tầng khí quyển, là kênh truyền ngẫu nhiên được đặc trưng theo mô hình nhiễu tạp âm cộng phân bố Gauss, minh họa như hình 7 Trong đó, tín hiệu sóng điện từ [s(t)] truyền từ máy phát đến máy thu bị suy giảm tỷ lệ thuận với tần

số và khoản cách, hệ số suy hao được biểu diễn bằng hệ số (α); nhiễu tạp âm ngẫu nhiên cộng ); nhiễu tạp âm ngẫu nhiên cộng trên kênh truyền ký hiệu là n(t); tín hiệu thu được sẽ bao gồm tín hiệu hữu ích là [α); nhiễu tạp âm ngẫu nhiên cộng s(t)]; và nguồn nguồn nhiễu xem vào tín hiệu thu là n(t)

Hình 7: Mô hình kênh truyền tạp âm cộng phân

bố Gauss AWGN

Mô hình kênh truyền tạp âm cộng phân bố Gauss AWGN

Kênh truyền sóng vô tuyến trong tầng khí quyển được mô hình hóa thành kênh truyền tuyến tính, được mô tả như hình 8 trong đó: h(t) là hàm đặc tính kênh truyền, có đáp tuyến tương đương bộ lọc băng thông, dấu nhân ký hiệu cho tích chập, τ là ký hiệu cho sự trễ xung tín hiệu khi truyền qua kênh truyền, quá trình khôi phục lại nguồn tín hiệu phát thì máy thu phải có bộ lọc với hàm ước lượng u(t)=1/h(t).

Hình 8: Mô hình kênh truyền tương đương bộ lọc

tuyến tính nhiễu cộng

Mô hình kênh truyền tuyến tính

Nếu s(t) biểu diễn tín hiệu phát, r(t) biểu diễn tín hiệu thu và h(t,t) biểu diễn đáp ứng xung kim của kênh vô tuyến đa đường thay đổi theo thời gian, thì ta có thể biểu diễn tín hiệu thu

là tích chập của tín hiệu phát với đáp ứng xung kim của kênh như sau:

Hình 9: Mô hình kênh truyền vô tuyến đa đường

theo mô hình elip

Mô hình kênh vô tuyến đa đường trễ trong miền thời gian

Khi có sự dịch chuyển về pha tương đối của tín tín hiệu thu là theo thời gian, làm dịch chuyển tần số tín hiệu hay còn gọi là dịch Doppler, gọi fd, là tần số dịch Doppler, tần số Doppler được tính bằng cách lấy đạo hàm công thức theo (Δfc; Khoảng cách t), công thức tần số Doppler được tính như sau:

Hình 10: Mô hình truyền sóng đa đường trên kênh

vô tuyến khi anten thu Rx di chuyển

Mô hình kênh vô tuyến đa đường trễ trong miền tần số

• Hiện tượng multipath

• Fading phẳng và fading lựa chọn

tần số

Hình 11: hiện tượng

multipath

Kênh truyền biến đổi nhanh

và kênh truyền biến đổi do trải Doppler gây ra Kênh truyền

phân bố Ricean Kênh truyền phân bố

Rayleigh

CHƯƠNG 3:

Truyền Sóng Trong Không

Gian Tự Do (Wave Propagation in free

space )

Kênh truyền sóng

trong môi trường

không gian:

• Chất 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

lượng của các 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

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

• Truyền lan sóng bề mặt.

• Truyền lan sóng không

gian.

• Truyền lan sóng trời.

• Truyền lan sóng tự do.

CHƯƠNG 4:

Phương Trình Đường Truyền

Sóng Trong Tầng Khí Quyển

( Wave Path Equation In The

Atmosphere )

ra không gian tự do là P rad (W) Nguồn công suất bức xạ đẳng hướng trên một đơn vị diện tích mặt cầu có bán kính là r(m) cách tâm 0 hay còn gọi là mật độ công suất sóng điện từ phân bố trên mỗi đơn

vị diện tích mặt cầu trong không gian tự do của tầng khí quyển tại khoảng cách d(m) so với nguồn bức xạ được tính như công thức sau:

Đối với một anten bức xạ định hướng, có độ lợi anten phát là Gt; công suất bức xạ đẳng hướng

ra không gian tự do (Prad) được thay thế bởi (Pt Gt) trong đó: Pt là công suất được đưa đến anten phát; Gt là độ lợi anten phát, công suất nguồn bức xạ được tính như công thức sau:

Mật độ cường độ điện trường hiệu dụng E (volt trên meter) sóng vô tuyến lan truyền trong tầng khí quyển hay không gian tự do được tính như công thức sau:

Trong đó, Zfs, là trở kháng sóng trong không gian tự do, Zfs, có công thức tính

như sau:

Tại khoảng cách tương đối lớn cách tâm đặt nguồn bức xạ không đẳng hướng, thì mật độ trường điện từ trong không gian tự do là:

Gọi mật độ cường độ điện trường thu và công suất tín hiệu thu được tại anten phía thu là (Erec) và (Prec), công suất hiệu dụng tín hiệu thu lớn nhất có thể nhận được khi sử dụng anten

đẳng hướng là Pr(w) và có công thức tính như sau:

Từ công thức ; suy ra ; khi sử dụng anten phát định hướng, độ lợi Gt; công suất tín hiệu tại đầu thu Pr sẽ được tính như công suất sau:

Tỷ số công suất tín hiệu thu so với công suất tín hiệu phát như sau:

Tỷ số là mức suy giảm của nguồn công suất bức xạ sóng điện từ trường trong không gian tự

do, gọi là suy hao truyền sóng và công thức tính như sau:

Chuyển đổi đơn vị tính sang decibel và đơn vị tính cự ly theo Km, tần số theo MHz, công thức tính suy hao truyền sóng trong không gian tự do như sau:

Chuyển đổi đơn vị tính sang decibel và đơn vị tính cự ly theo Mile, tần số theo MHz, công thức tính suy hao truyền sóng trong không gian tự do như sau:

thức tính suy hao đường truyền sóng vô tuyến trong tầng khí quyển

Thiết lập phương trình tính cự ly đường truyền sóng trực thị LOS

Trên tuyến truyền sóng vô tuyến trên băng tần

siêu cao, đường truyền lan sóng điện từ là đường

song song mặt đất, giá trị độ lệch của mật độ

trường điện từ Erec xẩy ra trong không gian tự do

với cùng khoảng cách tính từ điểm nguồn, ảnh

hưởng của tương tác sóng vô tuyến mặt đất Tuy

nhiên ảnh hưởng đáng kể do đặc tính không gian

không tự do của môi trường truyền sóng trong

tầng khí quyển thấp

Bán kính đường cong mặt đất hiệu dụng là trong

tiêu chuẩn tầng khí quyển, trong đó re là bán

kính trái đất: radius of Earth (6,370Km); bán kính

trái đất giả định để thiết lập bài toán truyền sóng

sẽ là

Chiều dài hiệu dụng của tia sóng trực thị LOS

Hình 13: Khoảng cách đường truyền sóng vô tuyến theo tầm nhìn thẳng