BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN SỐ TÊN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ TUYẾN VIBA SỐ HÀ NỘI- HOÀ BÌNH

Là một sinh viên, việc thiết kế một tuyến truyền vi ba số đã giúp cho em cóthêm các kỹ năng về tư duy và kỹ năng thực tế, từ đó giúp chúng em có thể củng cố và mở rộng kiến thức chuyên n

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN KỸ THUẬT VIỄN THÔNG



-BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN SỐ

TÊN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ TUYẾN VIBA SỐ HÀ NỘI- HOÀ BÌNH

LỜI GIỚI THIỆU

Trong thời đại bùng nổ thông tin và phát triển xã hội như hiện nay thì việcgiao lưu mọi mặt giữa các quốc gia trên thế giới, các khu vực hay đơn giản chỉ là cácvùng trên cùng một lãnh thổ là rất cần thiết Việc giao lưu đó có thể diễn trên nhiềuphương thức như: thông tin vệ tinh, thông tin quang, hay thông tin vi ba số……Songtruyền bằng sóng vô tuyến trên các đường vi ba giữ một vai trò quan trọng, và đựơc sửdụng ở nhiều lĩnh vực khác nhau: phát thanh, truyền tin, an ninh, đồng bộ hay dựphòng…

Ưu điểm nổi bật của hình thức thông tin sóng ngắn hay vi ba số đơn giản chấtlượng vẫn đảm bảo…Nhưng nhược điểm của hình thức này là thông tin không ổn định

và chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường, đặc biệt là hiện phađinh Do vậy mà việcthiết kế tuyến vi ba đòi hỏi phải cụ thể và chính xác

Là một sinh viên, việc thiết kế một tuyến truyền vi ba số đã giúp cho em cóthêm các kỹ năng về tư duy và kỹ năng thực tế, từ đó giúp chúng em có thể củng cố và

mở rộng kiến thức chuyên ngành, đặc biệt là khả năng tính toán, phân tích và xử lý sốliệu phù hợp với thực tế

Bài thiết kế được chia làm hai phần chính:

- Phần lý thuyết: nêu lên các yêu cầu thiết kế và trình tự thực hiện thiết kế tuyến

- Phần thiết kế: Nêu các tính toán thực tế và kiểm tra chất lượng đường truyền

Mục lục

A PHẦN LÝ THUYẾT: 4

I Muc tiêu và yêu cầu: 4

1 Mục tiêu về kỹ thuật 4

2 Mục tiêu kinh tế 4

3 Một số quy đinh chung cho thiết kế tuyến Vi ba số 5

4 Tính toán các thông số 5

II Các bước để thiết kế tuyến truyến vi ba số 5

1 Khảo sát vị trí đặt trạm: 5

2 Chọn tần số làm việc 7

3 Vẽ mặt cắt đường truyền và tính các thông số liên quan 7

4 :Tính toán các nhân tố ảnh hưởng và các tham số của đường truyền 10

5 Tính toán các tham số chất lượng của tuyến 12

B PHẦN THIẾT KẾ TUYẾN VI BA: 14

1 Phần thuyết minh 14

2 Tổng dự toán 14

3 Chọn vị trí đặt trạm 15

4 Chọn tần số làm việc 16

5 Tính toán các thông số liên quan 16

6 Tính độ cao treo anten 17

7 Tính toán các tham số của tuyến 18

8 Tính độ lợi của anten 19

9 Tính công suất bên phát - chọn máy phát 19

A PHẦN LÝ THUYẾT:

I

Muc tiêu và yêu cầu :

Khi thiết kế tuyến truyền dẫn vi ba số thì chúng ta phải đảm bảo các chỉ tiêu kỹthuật của tuyến đặt ra, đáp ứng các yêu cầu phục vụ, và đảm bảo tính kinh tế

1 Mục tiêu về kỹ thuật

Đảm bảo các tiêu chuẩn kỹ thuật theo CCITR, tức là thời gian gián đoạn chophép Theo đó, xác suất lỗi bít cho phép của tuyến truyền vi ba số là BER< 10-3 với cáctuyến dài nhỏ hơn 280 km

Độ khả dụng Av của hệ thống ( tức là khả năng công tác của hệ thống) được đảm bảokhi thiết kế:

- 99,98 % thời gian làm việc tốt Cụ thể như: Nếu là liên lạc thoại thì trong 3tháng bất kỳ không có quá 30 cuộc thoại bị gián đoạn

- Công thức tính độ khả dụng của hệ thống theo CCITR (99.98%) là:

Trong đó:A: độ khả dụng của hệ thống

L : Chiều dài tuyến thiết kế

T1: Thời gian gián đoạn của một hướng (s)

T2: Thời gian gián đoạn của hướng ngược lại(s)Tb: Thời gian mất liên lạc khi phát 2 hướng song công Ts: Tổng thời gian nghiên cứu (s)

2 Mục tiêu kinh tế

Với bất kỳ hệ thống kỹ thuật nào đều tuân thủ theo quy luật tương tác giữa chiphí đầu tư và hiệu quả của sản xuất được thể hiện qua chất lượng của sản phẩm Hệthống viễn thông cũng vậy Nếu tỷ asố BER mà thấp thì chất lượng dịch vụ sẽ tăng, vànhư vậy thì chi phí đầu vào sẽ cao Vậy mục đích kinh tế đầu tiên là thiết kế tuyến cóchất lượng cao mà chi phí hợp lý nhất

Do vậy, người thiết kế phải tính toán chính xác các thông số kỹ thuật theo tiêuchuẩn quy định, tính toán đến mục đích sử dụng của hệ thống và cả tình hình tài chínhcủa đơn vị thi công, để từ đó lựa chọn thiết bị cho phù hợp, nhằm tránh lãng phí và đạthiệu suất cao nhất.

Việc thiết kế tuyến vi ba số giữa VTI và bưu điện thành phố Thái Nguyên là cầnthiết, bởi nó kết nối từ trung tâm thông tin liên lạc về các tỉnh lẻ, nhằm phủ sóng trêndiện rộng, đáp ứng nhu cầu của nhân dân, đặc biết là vùng sâu và vùng xa, nơi có địahình phức tạp Tuy nhiên việc lắp đặt trạm là khó khăn hơn do địa hình phức tạp và cómột số khu vực đông dân cư Vì vậy, việc tính toán chi phí phải chi tiết và có thể tậndụng những điều kiện đã có

3 Một số quy đinh chung cho thiết kế tuyến Vi ba số

Việc thiết kế một tuyến thông tin nói chung và vi ba số nói chung cần dựa trênmột số quy định sau:

- Dự án báo cáo khả thi đã được cấp có thẩm quyền phê duyệt

- Hồ sơ khảo sát, thuyết minh chính xác về nội dung xây lắp và các tiêu chuẩn kỹthuật yêu cầu

- Các tiêu chuẩn, quy trình, quy phạm của ngành đã quy định

- Các định mức, dự toán có liên quan để đáp ứng cho việc thiết kế, thiết kế phải dựatrên khảo sát thực địa

- Việc lựa chọn tần số khi khai thác sẽ được đăng ký với cục tần số

- An toàn cho thiết bị và người khai thác

4 Tính toán các thông số

+ Tính toán đường truyền dẫn

+ Tính toán chỉ tiêu chất lượng

+ Tính toán thời gian mất thông tin

+ Lắp đặt thiết bị, anten, đưa hệ thống vào hoạt động thử nghiệm để kiểm tra

II Các bước để thiết kế tuyến truyến vi ba số

đoạn lắp đặt thiết bị Ký hiệu trên bản đồ: trạm A là trạm thứ nhất và trạm B là trạmthứ hai Sau đó vẽ một mặt cắt nghiêng của đường truyền Mặc dù mặt đất có độ congnhưng để đơn giản trong tính toán người ta thường vẽ mặt cắt nghiêng ứng với hệ sốbán kính hiệu dụng của trái đất là k=4/3.

Phương trình sau cho ta xác định chỗ lồi của mặt đất:

Ei: là độ lồi thực của mặt đất tại điểm đang xét ha 1 : chiều cao cột anten của tram A

ha2: Chiều cao cột anten của tram BNhư vậy trên mặt nghiêng này thể hiện được bề mặt của địa hình Ngoài ra nó cũngthể hiện được cả độ cao của cây cối các vật chắn trên đường truyền nối hai trạm A, Bchẳng hạn như các gò, đồi, các nhà co tầng… Đối với khoảng truyền dẫn dài, độ congcủa mặt đất lớn thì cần phải tính toán đến độ nâng của vị trí trạm Độ nâng được vẽ dọccác đường thẳng đứng nên không đi dọc theo đường bán kính xuất phát từ tâm quả đất.

2 Chọn tần số làm việc

Công việc này liên quan đến việc chọn thiết bị cho tuyến và liên quan đến tần sốsóng vô tuyến của các hệ thống lân cận Việc lựa tần số phải tránh can nhiễu với cáctần số khác đã tồn tại xung quanh khu vực, xem xét có thể bố trí việc phân cực antennhư thế nào cho hợp lý Khi sử dụng các thiết bị thì giá trị các tiêu chuẩn được chọntheo khuyến nghị của CCIR

3 Vẽ mặt cắt đường truyền và tính các thông số liên

quan

a Tính khoảng cách tia truyền phía trên vật chắn

Sau khi đã chọn được tần số làm việc cho tuyến, ta tính miền Fresnel thứ nhất

Đó là miền có dạng hình elip từ anten phát đến anten thu; là một môi trường vâyquanh tia truyền thẳng

Đường biên của miền Fresnel thứ nhất tạo nên quỹ tích sao cho bất kì tín hiệunào đi đến anten thu qua đường này sẽ dài hơn so với đường truyền trực tiếp một nửabước sóng (λ/2) của tần số sóng mang Miền bên trong của elip thứ nhất này gọi là miềnFresnel thứ nhất Nếu tồn tại một vật cản ở rìa của miền Fresnel thứ nhất thì sóng phản

xạ sẽ làm suy giảm sóng trực tiếp, mức độ suy giảm tuỳ thuộc vào biên độ của sóngphản xạ Do đó việc tính toán đối với miền Fresnel thứ nhất đòi hỏi có tính chính xác đểviệc thông tin giữa hai trạm không bị ảnh hưởng đáng kể bởi bước sóng phản xạ này.Bán kính của miền Fresnel thứ nhất (F1) được xác định theo công thức sau:

d1, d2 [km]: lần lượt là khoảng cách từ trạm A và trạm B đến điểm ở

đó bán kính miền Fresnel được tính toán.

D [km] là khoảng cách hai trạm d=d1+d2 F là tần số sóng mang [Ghz].

Trong thực tế, thường gặp đường truyền đi qua những địa hình khác nhau có thểchắn miền Fresnel thứ nhất gây nên tổn hao trên đường truyền ở các loại địa hình này

có thể có vật chắn hình nêm trên đường truyền và các loại chướng ngại khác Hình dướichỉ ra mô hình của vật chắn trên đường truyền dẫn, trong đó F1 là bán kính miềnFresnel thứ nhất, F là khoảng hở thực; là khoảng cách giữa tia trực tiếp và một vật chắnhình nêm tại địa điểm tính toán miền Fresnel thứ nhất Theo các chỉ tiêu thiết kế vềkhoảng hở đường truyền được khuyến nghị thì độ cao tối thiểu của anten phải đảm bảosao cho tín hiệu không bị nhiễu xạ bởi vật chắn nằm trong miền Fresnel thứ nhất làF=0.577F1 (khoảng 60% F1→C=0,6)

b Tính chọn chiều cao của tháp anten

Để tính chiều cao của tháp anten thì trước tiên phải xác định được độ cao của tia vôtuyến truyền giữa hai trạm Trên cơ sở của độ cao tia đã có để tính độ cao tối thiểu củatháp anten để thu được tín hiệu

Biểu thức xác định độ cao của tia vô tuyến như sau:

Trong đó: d, d1, d2, f được dùng như trong công thức

k: là hệ số bán kính của quả đất, k=4/3.

C:là hệ số hở ,C=1

Thông thường thì độ cao của tia B được tính toán tại điểm có một vật chắn cao nhấtnằm giữa tuyến

Tính độ cao của anten để làm hở một vạt chắn nằm giữa tuyến Ở bước khảo sát, ta

đã xác định độ cao của hai vị trí đặt trạm so với mặt nước biển tương ứng là h1 và h2

Ta sẽ tính độ cao của cột anten còn lại khi biết trước độ cao của một cột anten

h𝒂𝟏:h𝒂𝟏=𝐡𝟐+h𝒂𝟐+[B–(𝐡𝟐+h𝒂𝟐)]d d

2 -h1 [m]

h𝒂2:h𝒂2=𝐡1+h𝒂1+[B–(𝐡1+h𝒂1)]d d

1 -h2 [m]

ha1 , ha 2 [m]: độ cao của một trong hai anten cần tính

d1, d2 [km]: khoảng cách từ mỗi trạm đến vị trí đã tính toán độ cao

của tia B h 1 , h 2 : độ cao so với mực nước biển của trạm A và trạm B

Đây là sơ đồ biết ha1 để tính ha2

Đây là sơ đồ biết ha2 để tính ha1

Để đảm bảo cho hệ thống hoạt động không chịu ảnh hưởng của các yếu tố trongtương lai thì độ cao anten phải sử dụng một khoảng dự phòng:ph1 và ph2. Lúc đó độ dàithực của anten phải là:

har1 = ha1 + ph1 [m]

har2 = ha2 + ph2 [m]

Với độ dự phòng từ 0,6- 5 m

4 Tính toán các nhân tố ảnh hưởng và các tham số của đường truyền

a :Tính toán các nhân tố ảnh hưởng đến đường truyền:

Công suất tín hiệu truyền giữa trạm phát và trạm thu bị suy hao trên đườngtruyền sự mất mát công suất này do các yếu tố gây nhiễu đường truyền:

+ Độ dự trữ fadinh phẳng: tác động của fadinh là làm thay đổi mức ngưỡng thu

của máy thu, khi bị ảnh hưởng của fadinh phẳng máy thu có thể nhận được tín hiệu rấtyếu từ đường truyền và có thể làm gián đoạn thông tin nếu trường hợp fadinh Độ dựtrữ fadinh phẳng Fm (dB) liên quan đến mức tín hiệu thu không fadinh W0 (dB) vàmức tín hiệu thu được thực tế thấp W(dBm) trước lúc hệ thống không còn hoạt độngtính theo biểu thức:

Fm = 10lg(W0/W)dB = [W0(dBm) – W(dBm) ] [dB]

+ Fadinh lựa chọn: chủ yếu ảnh hưởng đến các hệ thống viba số có dung

lượng trung bình (34Mb/s) và dung lượng cao (140Mb/s)

+ Tiêu hao do mưa: cùng với fadinh là các ảnh hưởng truyền lan chủ yếu các

tuyến vô tuyến tầm nhìn thẳng trên mặt đất làm việc ở các tần số trong dải tần GHz.Tiêu hao do mưa tăng nhanh theo sự tăng của tần số sử dụng đặc biệt với các tần sốtrên 35GHz thường suy hao nhiều, do đó để đảm bảo thì khoảng cách lặp phải nhỏ hơn20km

b Tính toán các tham số của tuyến :

Các tham số sử dụng trong tính toán đường truyền: mức suy hao trong không gian tự

do, công suất phát, ngưỡng thu, các suy hao trong thiết bị…có vai trò quan trọng để xemxét tuyến có hoạt động được hay không và hoạt động ở mức tín hiệu nào

+ Tổn hao không gian tự do (A 0): là tổn hao lớn nhất cần phải xem xét Đây là tổnhao do sóng vô tuyến lan truyền từ trạm này đến trạm kia trong môi trường khônggian

với f: tần số sóng mang [GHz] d: độ dài tuyến [km]

+ Tổn hao phi đơ: khi tính toán suy hao này thì phải căn cứ vào mức suy hao

chuẩn được trước bởi nhà cung cấp thiết bị

Ví dụ: phi đơ sử dụng loại WC 109 có mức tiêu hao chuẩn là 4,5dB/100m và cộng với0,3dB suy hao của vòng tròn để chuyển tiếp ống dẫn sóng thì tổn hao phi đơ máy phát(Ltxat) và máy thu (Lrxat) là:

LTxat = 1,5har1.0,045 + 0,3 [dB]

LRxat = 1,5har2.0,045 + 0,3 [dB]

+ Tổn hao rẽ nhánh: tổn hao này cũng được cho bởi nhà cung cấp thiết bị Mức tổn

hao này thường khoảng (2 – 8)dB

+ Tổn hao hấp thụ trong khí quyển:khi tính toán mức suy hao này dựa theo các chỉ

tiêu đã khuyến nghị ở các nước Châu Âu Chẳng hạn đối với hệ thống thông tin vôtuyến 18,23 và 38GHz thì mức suy hao chuẩn Lsp0 được cho trong khuyến nghị vàokhoảng 0,04dB/km – 0,19 dB/m khi đó tổn hao cho cả tuyến truyền dẫn được xác địnhlà:

Lsp = Lsp0.d [dB]

Với d: khoảng cách của tuyến tính bằng km

→Phương trình cân bằng công suất trong tính toán đường truyền:

Pt = Pr + G – At [dB]

Pt: là công suất phát

At: tồn hao tổng = tổn hao trong không gian tự do + tổn hao phi đơ + tổn hao rẽ

nhánh + tổn hao hấp thụ khí quyểnG: tổng các độ lợi = độ lợi của anten A + độ lợi của anten B

Pr: công suất tại đầu vào máy thu

5 Tính toán các tham số chất lượng của tuyến

Chất lượng đường truyền được đánh giá dựa trên tỷ số BER Các tỷ số BER thườngđược sử dụng trong viba số là: BER = 10 -3 và BER = 10 -6 tương ứng với 2 mứcngưỡng RXa và RXb

a Độ dự trữ pha dinh ứng với RXa và RXb là FMa và

FMb: FMa = Pr – RXa với BER = 10 -3

FMb = Pr – RXa với BER = 10 -6

b.Xác suất pha dinh phẳng nhiều tia

(P0) P0 = KQ.f B .d C

Trong đó: KQ = 1,4.10 -8 ; B = 1 ; C = 3,5 là các tham số liên quan đến điều kiệnlan truyền , sử dụng các giá trị theo khuyến nghị của CCIR

c Xác suất đạt đến ngưỡng thu RXa ; RXb.

Trong đó FMa và FMb là độ dự chữ pha dinh tương ứng với các tỷ số BER

d Khoảng thời gian pha dinh: Ta và Tb là các giá trị đặc trừng cho khoảng thời gian

tồn tại pha dinh tương ứng với FMa và FMb :

với C2 = 10,3d ; α 2 = 0,5 ; β 2 =-0,5lấy theo khuyến nghị

e Xác suất pha dinh phẳng dài hơn 10 giây

P(Ta≥10) = P(10) = 0,5[1 – erf(Za) ] = 0,5erf(Za)

xác suất (BER > 10 -3 ) = P0.Pa = P0.10

−FMb

10

g Xác suất mạch trở nên không thể sử dụng được do pha dinh phẳng (Pu): Pu =

P0.Pa.P(10)

h Khả năng sử dụng tuyến: được biểu thị bằng phần trăm và được xác định

theo Pu: Av = 100(1 – Pu)

i Xác suất mạch có BER ≥ 10-6 trong hơn 60s do pha dinh phẳng: xác suất

(BER ≥ 10-6 ) trong 60s = P0.Pb.P(60)

j Xác suất mạch có BER ≥10-6 :

xác suất (BER > 10 -6 ) = P0.Pb =P0

 Chiều dài tuyến Hà Nội– Hoà Bình: 68 km.

 Chọn tần số làm việc: Sau khi đăng tần số làm việc với cục tần số và đượccục tần số cấp phép cho tần số làm việc với tần số sóng mang trung tần f = 6(GHz)

 Căn cứ vào độ cao của địa hình, ta sẽ chọn độ cao treo anten là ha1, ha2 để tínhtoán sau này

◘ Tiến hành tính các tổn hao của cả tuyến, với:

 Tổn hao không gian tự do

Pr: Công suất thu

G: Độ lợi của anten

At: Tổng mức tiêu hao trên tuyến

Ta sẽ tính công suất phát Pt để mua thiết bị cho phù hợp

◘ Và cuối cùng với các thông số tính toán được, ta tiến hành lắp đặt, thử nghiệm

và nghiệm thu tuyến viba trên

2 Tổng dự toán

◘ Những thông số cần quan tâm:

+ Chiều cao nhất của tuyến tại vị trí C

Khoảng cách từ Hà Nội đến C là: AC = d1 = 44 km

Khoảng cách từ Hoà Bình đến C là: BC = d2 = 24 km

Tổng khoảng cách của tuyến là: d = d1+ d2 = 24 + 44 = 68( km )

+ Thông số k: là thông số mô tả ảnh hưởng của điều kiện thời tiết, khí hậu tới đườngtruyền (hay còn gọi là thông số hiệu dụng của trái đất) và phụ thuộc vào vùng miền địa

lý Tại khu vực lắp đặt thiết kế là vùng nhiệt đới nóng ẩm nên ta chọn k = 4/3