Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số

Một kênh truyền thông không thể truyền một tín hiệu có chứa một tần số thay ñổi với tốc ñộ lớn hơn so với băng thông của kênh... Sơ ñồ khối chung của một hệ thống truyền dẫn số Các ký hi

MÔN HỌC MẠNG SỐ LiỆU

TRYỀN DẪN VÔ TUYẾN SỐ

NỘI DUNG MÔN HỌC

Chương 1: Giới thiệu chung

Chương 2: Môi trường truyền sóng và các yếu tố ảnh hưởng

Chương 3: Kỹ thuật cơ bản trong truyền dẫn vô

Tài liệu tham khảo (1)

Nguyễn Phạm Anh Dũng, Cơ sở truyền dẫn vô

tuyến số, Nhà xuất bản Bưu ðiện, 2000

Towsend, Digital Light of Sight radio links, AAR

Prentice Hall, 1988

Sergio Benedetto, Ezio Biglieri, Principles of Digital

Transmission: With Wireless Applications, 1st

Edition, Springer, 1999

John B Anderson, Digital Transmission

Engineering, Second Edition, Wiley-intersience, A

Tài liệu tham khảo (2)

Nguyễn Viết ðảm, Truyền dẫn Vô tuyến số, Bài

giảng, Học viện Công nghệ BCVT

Hồ Văn Quân, Lý thuyết thông tin, Bài giảng,

Trường ðH Bách khoa TP.HCM

Robert G.Winch, Telecommunication Tránmission

Systems, Mc.Graw Hill, Inc, 1993

CHƯƠNG 1

Giới thiệu chung

(3 tiết)

Nội dung chương 1 (3 tiết)

Nội dung chương 1 (3 tiết)

Vai trò truyền dẫn số trong

mạng viễn thông

Các ñường trung kế số nối giữa các tổng ñài số

Các ñường truyền dẫn nối tổng ñài chính với các tổng ñài vệ tinh (tầng tập trung thuê bao ñặt xa)

Các ñường truyền dẫn nối các thuê bao với tổng ñài chính hoặc tổng ñài vệ tinh

Các bộ tập trung thuê bao vô tuyến

Kết nối các máy di ñộng với mạng viễn thông (hệ

thống TTDð)

Kết máy cầm tay vô tuyến với tổng ñài nội hạt (hệ

Vai trò truyền dẫn số trong

mạng viễn thông

Vai trò truyền dẫn số trong

H: thiết bị ñầu cuối cầm tay

RSC: bộ tập trung thuê bao xa

TE: thiết bị ñầu cuối

Nội dung chương 1 (3 tiết)

ðặc ñiểm truyền dẫn và phân loại

Ưu ñiểm:

Linh hoạt

Di ñộng

ðặc ñiểm truyền dẫn và phân loại

Nhược ñiểm:

Tài nguyên tần số bị hạn chế

Ảnh hưởng bởi môi trường truyền dẫn: khí hậu, thời tiết.

Ảnh hưởng bởi ñịa hình: mặt ñất, ñồi núi, nhà cửa cây cối

Suy hao lớn.

Nhiều nguồn nhiễu: phóng ñiện trong khí quyển, phát xạ

của các hành tinh khác (thông tin vệ tinh)

Nhiễu công nghiệp:

Nhiễu từ các thiết bị vô tuyến khác (MAI, nhiễu phá,….).

Dễ bị nghe trộm và sử dụng trái phép ñường truyền thông

ðặc ñiểm truyền dẫn và phân loại

ðặc ñiểm truyền dẫn và phân loại

Phân loại: có nhiều các phân loại truyền dẫn vô

tuyến số

Một các phân loại phổ biến:

Hệ thông thông tin vô tuyến tầm nhìn thẳng (LOS)

Hệ thống thông tin chuyển tiếp vệ tinh

Hệ thống thông tin chuyển tiếp vi ba số

Hệ thông thông tin vô tuyến không tầm nhìn thẳng (NLOS)

Các hệ thống truy nhập:

Di ñộng mặt ñất

Wimax

Thông tin vệ tinh

Thông tin vi ba số

Mạng số liệu (WLAN)

Nội dung chương 1 (3 tiết)

Các tần số truyền dẫn

Phổ tần số ñiện từ hữu ích kéo dài từ khoảng 10 KHz ñến hàng GHz

Các tần số thấp nhất chỉ ñược sử dụng cho các ứng dụng như truyền thông trong nước

Tại Việt nam, Cục tần số Vô tuyến ñiện thuộc Bộ

thông tin và truyền thông là cơ quan quản lý nhà

nước về tần tố vô tuyến ñiện

Ví dụ: băng tần từ 3GHz ñến 30GHz ñược dành cho các hệ thống vệ tinh và vi ba

Phổ của sóng ñiện từ

Phổ của sóng ñiện từ

Phổ của sóng ñiện từ

Băng thông (Bandwidth)

Băng thông của một tín hiện thông tin là mức ñộ

sai khác giữa các tần số mang tin cao nhất và thấp nhất

Băng thông của một kênh thông tin là mức ñộsai khác giữa các tần số cao nhất và thấp nhất mà

kênh cho phép ñi qua

Băng thông của kênh truyền

thông

Phải ñủ lớn ñể cho qua tất cả các tần số thông tin

quan trọng

Phải bằng hoặc lớn hơn băng thông của thông tin

Một kênh truyền thông không thể truyền một tín hiệu

có chứa một tần số thay ñổi với tốc ñộ lớn hơn so với băng thông của kênh

Nội dung chương 1 (3 tiết)

Sơ ñồ khối chung của một hệ thống truyền dẫn số

Sơ ñồ khối chung của một hệ thống truyền dẫn số

Các ký hiệu:

Kð GD: Khuyếch ñại và giao diện (giao tiếp) ñường số

ðC BðNT: ðiều chế và biến ñổi nâng tần (trộn nâng tần)

Khối Kð và giao diện ñường số có các chức năng sau:

Phối hợp kháng với ñường số

Khuyếch ñại và cân bằng cáp ñường truyền số

Biến ñổi mã ñường thành mã nhị phân

Tái tạo dạng tín hiệu số

Khôi phục xung ñồng hồ

Sơ ñồ khối chung của một hệ

thống truyền dẫn số: Phía phát

Khối xử lý số băng gốc phát:

Ghép thêm các thông tin ñiều khiển và quản lý ñường truyền

Mã hoá các thông tin quan trọng

Mã hoá kênh chống lỗi

Ngẫu nhiên hoá tín hiệu số trước khi ñưa lên ñiều chế

Sơ ñồ khối chung của một hệ

thống truyền dẫn số: Phía phát

Khối ñiều chế và biến ñổi nâng tần:

ðiều chế số ñể phù hợp với truyền dẫn trong môi trường vô tuyến

Chuyển ñổi tín về vùng tần số cao thuận tiện cho việc truyền dẫn

ðối với các máy phát ñổi tần:

Có thể thực hiện ñiều chế ở trung tần

Sau khối biến ñổi nâng tần sẽ chuyển tín hiệu từ trung tần lên tần

số cao tần.

Sơ ñồ khối chung của một hệ thống truyền dẫn số: Phía phát

Khối khuyếch ñại công suất:

Khuyếch ñại công suất phát ñến mức cần thiết trước khi ñưa phát vào không trung

Sơ ñồ khối chung của một hệ thống truyền dẫn số: Phía phát

Khuyếch ñại tạp âm thấp:

Công suất tín hiệu thu ñược tại ñầu vào các máy thu vô tuyến

thường rất bé

Cần khuyếch ñại với mức tạp âm xuất hiện rất thấp nhằm ñảm bảo

tỷ số S/N

Sơ ñồ khối chung của một hệ

Biến ñổi hạ tần, khuyếch ñại trung tần và giải ñiều chế :

Với máy thu ñổi tần trước khi giải ñiều chế tín hiệu thu ñược biến ñổi vào trung tần thu (do suất hiện tần số ảnh nên khối biến ñổi hạ tần thường làm thêm nhiệm vụ triệt tần số ảnh).

Với máy thu ñổi tần sau biến ñổi hạ tần là khuyếch ñại trung tần nhằm khuyếch ñại, lọc nhiễu kênh lân cận và cân bằng thích ứng ở vùng tần số cũng như cân bằng trễ nhóm ở các phần tử của kênh truyền dẫn

Giải ñiều chế tín hiệu thu ñể phục hồi tín hiệu số

Sơ ñồ khối chung của một hệ

Khuyếch ñại và giao tiếp ñường truyền:

Khuyếch tín hiệu số ñến mức cần thiết trước khi ñưa ra ñường truyền

Biến ñổi mã nhị phân thành mã ñường truyền

Phối hợp trở kháng với ñường truyền

Sơ ñồ khối chung của một hệ

Xử lý tín hiệu số băng tần gốc thu:

Giải ghép xen

Giải mã kênh

Giải ngẫu nhiên

Phân kênh cho luồng số chính và các kênh ñiều khiển, quản lý ñường truyền

Cân bằng thích ứng ở vùng thời gian ñể giảm thiểu ảnh hửơng của fading

Sơ ñồ khối chung của một hệ

Giao diện môi trường truyền dẫn:

Hệ thống anten fide và các thiết bị siêu cao tần cho phép các máy thu và máy phát giao tiếp với môi trường truyền dẫn vô tuyến

Sơ ñồ khối chung của một hệ thống truyền dẫn số

CHƯƠNG 2

Môi trường truyền sóng vàCác yếu tố ảnh hưởng(4 tiết LT + 1 tiết BT + 1 tiết TL)

Nội dung chương 2 (4 tiết)

1

Các giải pháp nâng cao chất lượng ñường truyền dẫn vô tuyến 2.4

Nội dung chương 2 (4 tiết)

1

Các giải pháp nâng cao chất lượng ñường truyền dẫn vô tuyến số

Truyền sóng vô tuyến

Sóng ñiện từ là quá trình lan truyền trong không gian của ñiện từ trường biến thiên tuần hoàn trong không gian theo thời gian

Sóng ñiện từ có hai thành phần là ñiện (E) và từ (B)

Các thành phần E và B vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng.

Cường ñộ sóng ñiện từ tại khoảng cách d = E×B ∝ 1/d2

Là một mặt cầu có tâm là máy phát

Sóng vô tuyến là sóng ñiện từ có tần số từ 30 KHz ñến 300GHz

Truyền sóng vô tuyến

Truyền sóng vô tuyến

Có hai tham số chính ảnh hương ñến tín hiệu tại máy

thu

Khoảng cách ⇒ suy hao ñường truyền

ða ñường ⇒ Gây ra sự khác nhau về phase

Hai tín hiệu lệch phase λ/2 khi tới máy thu, nên tín hiệu thu ñược sẽ khác Với2.4 GHz, λ (wavelength) =12.5cm

Nội dung chương 2 (4 tiết)

1

Các giải pháp nâng cao chất lượng ñường truyền dẫn vô tuyến số

Truyền sóng trong không gian

tự do

Khi sóng ñiện từ lan truyền trong không gian, năng

lượng của nó bị suy giảm, gọi là suy hao trong không

gian tự do:

P t = Công suất tín hiệu tại Anten phát

P r = Công suất tín hiệu tại Anten thu

λ = Bước sóng của sóng ñiện từ

d = Khoảng cách giữa 2 anten

c = vận tốc ánh sáng (≈ 3 x 108 m/s)

2

2 2

2

4 4

c

fd d

Suy hao trong không gian tự

P L

r

t dB

4 log 20

log 10

( ) 20 log ( ) 21 98 dB log

−

( ) 20 log ( ) 147 56 dB log

20

4 log

π

Suy hao trong không gian tự

do

Nếu khoảng cách tính theo Km, tần số tính theo GHz thì suy hao trong không gian tự do tính theo dB là:

( ) 20 log ( ) dB log

20 4

,

Suy hao trong khoâng gian tự do

Ví du 1: Nếu khoảng cách là 10 Km, tần số là 10 GHz tính suy hao trong không gian tự do theo dB:

Ldb = 92,4 + 20 + 20 = 132,4 dB

( ) 20 log ( ) dB log

20 4

,

Suy hao trong khoâng gian tự do

Ví dụ 2: Nếu khoảng cách là 60 Km, tần số là 4 GHz tính suy hao trong không gian tự do theo dB:

Ldb =

Ảnh hưởng của khí quyển

Sự hấp thụ của khí quyển

Sự khúc xạ

Hiệu ứng ống dẫn

Sự hấp thụ của khí quyển

Trong khí quyển có các thành phần: N2 , O2, CO2 và H2O

Các thành phần N2 , O2, CO2 có mức ñộ hấp thụ năng lượng ñiện từ không ñáng kể

Mức ñộ hấp thụ của nước tùy thuộc vào ñiều kiện cụ

thể

và tăng dần khi lượng nước trong không khí tăng lên

ðặc biệt, khi trời mưa rất to, sự hấp thụ có thể gây gián ñoạn thông tin.

Sự khúc xạ

Tín hiệu truyền thẳng

Tín hiệu khúc xạ

Sự khúc xạ

Không khí càng lên cao càng loãng (chiết suất giảm), nên sóng ñiện

từ có xu hướng bẻ cong về mặt ñất.

ðiều này làm cho ñường truyền thực xa hơn tầm nhìn thẳng

Có thể gây ra hiện tượng Fading nhiều ñường.

Hiệu ứng ống dẫn

Không khí loãng

Không khí loãng

Hiệu ứng ống dẫn

Hiệu ứng ống dẫn xuất hiện khi sóng ñiện từ rơi vào vùng không khí ñặc nằm giữa hai vùng không khí loãng

Lúc này xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần và sóng ñiện

từ không tới ñược anten thu

Ảnh hưởng của ñịa hình

Sự phản xạ (reflection) và các miền fresnel

Hiện tượng tán xạ (scattering)

Hiện tượng nhiễu xạ (diffraction) và suy hao vật chắn

Sự phản xạ

Sự phản xạ xảy ra khi sóng ñiện từ ñang truyền tác ñộng ñến một

Tín hiệu truyền thẳng

Tín hiệu phản xạ

Sự phản xạ

Sự phản xạ xảy ra từ bề mặt trái ñất, các tòa nhà,

tường và từ nhiều vật cản khác

Nếu bề mặt trơn phẳng thì tín hiệu bị phản xạ vẫn

không bị ảnh hưởng mặc dù vẫn bị suy hao do sự hấp thụ và tán xạ

Hiện tượng ña ñường xảy ra: gây ảnh hưởng ñến tín

hiệu thu

Miền Fresnel sạch

Tín hiệu truyền thẳng

Tín hiệu phản xạ

Miền Fresnel sạch

Miền Fresnel sạch là khu vực tối thiểu không có vật

chắn ñể sóng ñiện từ có thể truyền qua

Hiện tượng phản xạ hoặc suy hao vật chắn sẽ xảy ra

nếu miền fresnel không sạch

Miền Fresnel không sạch

Tín hiệu bình thường

Tín hiệu phản xạ

Miền Fresnel không sạch

Khi vật chắn nằm ngay ñường biên miền Fresnel (miền

Fresnel không sạch),

năng lượng phản xạ về anten thu là lớn và ngược

pha so với năng lượng trực tiếp

Hiện tượng ña ñường xảy ra là ñáng kể

Miền Fresnel ccó ảnh hưởng lớn ñến hệ thống LOS, ñặc biệt là Vi ba

Tính tốn miền Fresnel sạch

D = D1 + D2 (km) f : tần số sóng điện từ, GHz

Vắ dụ 1:

Một hop dài 60 Km, tần số f = 6 GHz Tìm bán kắnh miền Fresnel thứ nhất tại ựiểm A là ựiểm giữa hop

đáp số:

F = 17.3*(30*30/6/60)^(1/2) = 27.3537 (m)

Vắ dụ 2:

Một hop dài 50 Km, tần số f = 4 GHz Tìm bán kắnh miền Fresnel thứ nhất tại ựiểm A nằm giữa hai trạm của hop, cách trạm thứ nhất 30 Km

đáp số :

F = 17.3*(30*20/4/50)^(1/2) = 29.9645 (m)

Vắ dụ 3:

Một hop dài 60 Km, tần số f = 4 GHz độ cao so với mặt nước biển của hai trạm (anten) là 10m Có bốn ựiểm cao trên hop với khoảng cách với trạm thứ nhất

là 10km, 20km, 35km và 48km độ cao của các ựiểm cao này lần lượt là: 8m, 7m, 6m, 7.5m Các ựiểm cao này có rơi vào miền Fresnel thứ nhất hay không?

đáp số :

Hiện tượng tán xạ

Sự tán xạ xảy ra khi:

môi trường truyền dẫn mà sóng ñi qua tồn tại các ñối tượng

có kích thước nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu

và số lượng các vật cản trên một ñơn vị thể tích là lớn

Sóng bị tán xạ xuất phát từ các bề mặt gồ ghề, các ñối tượng kích thước nhỏ hoặc các thành phần gây trở ngại trên ñường truyền tín hiệu

Ví dụ: những ñối tượng có thể gây phân tán sóng

cho hệ thống truyền thông di ñộng như cây cối, …

Có hai dạng tán xạ:

Hiện tượng tán xạ

Sự tán xạ có thể xảy ra khi sóng va phải một bề mặt không phẳng và bị phản xạ lại ñồng thời theo nhiều hướng, tán xạ dạng này tạo ra nhiều tín hiệu phản xạ biên ñộ nhỏ dẫn ñến tiêu hủy tín hiệu chính ban ñầu

Tín hiệu bị mất có thể xảy ra khi sóng vô tuyến bị phản xạ

từ bề mặt ñất, ñá, hay các bề mặt răng cưa

Khi bị tán xạ theo dạng này, sẽ xảy ra tình trạng suy giảm tín hiệu dẫn ñến truyền thông gián ñoạn và có thể dẫn ñến mất tín hiệu hoàn toàn

Hiện tượng tán xạ

Sự tán xạ có thể xảy ra khi tín hiệu ñi qua môi

trường truyền dẫn có tỷ trọng lớn, trong trường hợp này sóng bị phản xạ riêng lẻ trên từng phần tử

Hiện tượng nhiễu xạ

Sự nhiễu xạ xảy ra khi ñường sóng vô tuyến giữa

trạm truyền và trạm nhận bị che khuất bởi bề mặt không bằng phẳng

Với tần số cao, sự nhiễu xạ giống như khúc xạ, tùy thuộc vào:

dạng hình học của ñối tượng che khuất

cùng với biên ñộ, pha và ñộ phân cực của sóng tại ñiểm xảy

ra nhiễu xạ

Hiện tượng nhiễu xạ

Nhiễu xạ thường không rõ ràng và dễ nhầm lẫn với khúc xạ

Nhiễu xạ mô tả sóng bị uốn cong quanh vật cản

trong khi khúc xạ mô tả sóng ñổi hướng ñi qua môi trường

Nhiễu xạ là sự chậm lại của sóng vô tuyến trước

ñiểm mà tại ñó sóng gặp phải chướng ngại vật, trong khi những phần còn lại của sóng không bị cản tiếp tục duy trì tốc ñộ như tốc ñộ truyền sóng

Nhiễu xạ là kết quả của sự xoay chiều hay uốn cong của sóng quanh vật cản

Hiện tượng nhiễu xạ và suy

hao vật chắn hình nêm

Trong trường hợp có vật chắn hình nêm rơi vào miền Fresnel, sóng ñiện từ vẫn có thể tới ñược Anten thu bằng cách “lướt” trên bề mặt vật chắn

Khi ñó năng lượng bị suy hao một lượng ñáng kể gọi

là suy hao vật chắn hình nêm

Truyền sóng qua vật chắn

hình nêm

Tín hiệu nhiễu xạ

Ảnh hưởng của ñịa hình

Ảnh hưởng của ñịa hình

Nội dung chương 2 (4 tiết)

1

Các giải pháp nâng cao chất lượng ñường truyền dẫn vô tuyến 2.4

Hiện tượng Fading

Fading là hiện tượng biến thiên năng lượng ñiện từ

tại anten thu do môi trường truyền sóng gây ra

Phân loại Fading:

Fading phẳng

Fading lựa chọn tần số

Fading nhanh

Fading chậm

Hiện tượng Fading:

Hiện tượng Fading:

Fading lựa chọn tần số

Fading lựa chọn tần số: chỉ xảy ra với một kênh tần

số mà không xảy ra với các kênh lân cận

Các hiện tượng gây ra Fading lựa chọn tần số: hiện tượng ña ñường

Hiện tượng Fading:

Fading nhanh

Còn gọi là hiệu ứng Doppler

Gây ra bởi sự di chuyển tương ñối của máy thu, máy phát và sự di chuyển của các ñối tượng trong kênh truyền vô tuyến di ñộng

Khi sự di chuyển tương ñối này càng nhanh thì tần sốDoppler càng lớn, và do ñó tốc ñộ thay ñổi của kênh truyền càng nhanh

Hiện tượng Fading:

Fading chậm

Còn gọi là Hiệu ứng bóng râm, Hiệu ứng che khuất (shadowing)

Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên ñường truyền

VD: tòa nhà cao tầng, ngọn núi, ñồi…làm cho biên ñộtín hiệu suy giảm

Hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc ñộ biến ñổi chậm

Khắc phục hiện tượng Fading

Sử dụng ñộ dự trữ Fading: máy phát phát một lượng

công suất dư ñể bù cho hiện tượng fading khi xảy ra

Lượng công suất phát dư gọi là ñộ dự trữ fading

Áp dụng: Fading phẳng, Fading chậm, Fading nhanh.

Sử dụng kỹ thuật phân tập:

Áp dụng: Fading lựa chọn tần số.

Khắc phục hiện tượng Fading

Với Fading phẳng:máy phát phát một lượng công

suất dư ñể bù cho hiện tượng fading khi xảy ra

Lượng công suất phát dư gọi là ñộ dự trữ fading

Với Fading lựa chọn tần số: Sử dụng kỹ thuật phân

tập