baichinh5

Thiết Kế Tuyến Vi Ba Số LỜI MỞ ĐẦU Trong thời đại bùng nổ thông tin và phát triển xã hội như hiện nay thì việc giao lưu mọi mặt giữa các quốc gia trên thế giới, các khu vực hay đơn giản chỉ là các vùng trên cùng một lãnh thổ là rất cần thiết. Việc giao lưu đó có thể diễn trên nhiều phương thức như: thông tin vệ tinh, thông tin quang, hay thông tin vi ba số……Song truyền bằng sóng vô tuyến trên các đường vi ba giữ một vai trò quan trọng, và đựơc sử dụng ở nhiều lĩnh vực khác nhau: phát thanh, truyền tin, an ninh, đồng bộ hay dự phòng…. Ưu điểm nổi bật của hình thức thông tin sóng ngắn hay vi ba số đơn giản chất lượng 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 tượng fading. Do vậy mà việc thiết 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 có thêm 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 số liệu phù hợp với thực tế. Bài thiết kế được chia làm các phần chính sau: - Tổng quan về hệ thống vi ba số - Nêu lên các yêu cầu thiết kế và trình tự thực hiện thiết kế tuyến - Nêu các tính toán thực tế. - Xây dựng chương trình mô phỏng. Bài thiết kế được thực hiển trong thời gian ngắn, và những hiểu biết còn hạn chế. Do vậy không thể tránh khỏi những sai sót. Qua đây,em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Nguyễn Thị Bích Hạnh đã hướng dẫn em hoàn thành đồ án này. SVTH: Trần Thị Yến Phượng Trang 1 Thiết Kế Tuyến Vi Ba Số CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VI BA SỐ 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG. Cùng với sự phát triển như vũ bão của công nghệ viễn thông – tin học thế giới, với kế hoạch tăng tốc phát triển của ngành Bưu Điện trong giai đoạn 1996 – 2010, mạng lưới viễn thông Việt Nam ngày càng hiện đại hơn, đòi hỏi những người làm chủ mạng lưới phải nắm chắc những kiến thức cơ bản về công nghệ viễn thông hiện đại, trong đó có vi ba số. Ở chương này sẽ giới thiệu những kiến thức cơ bản về lý thuyết truyền dẫn tín hiệu số, các khái niệm và đặc điểm chung của hệ thống vi ba số, phân loại các hệ thống vi ba số, ưu điểm và khuyết điểm của hệ thống vi ba số, các mạng Vi ba số điểm-điểm và điểm-nhiều điểm, điều chế và giải điều chế… Đồng thời cũng cho thấy các cơ sở về sóng vô tuyến – fading. 1.1.1 Vi ba số là gi?  Vi ba số là hệ thống thông tin chuyển tiếp mặt đất sử dụng sóng điện từ ở tần số GHz để truyền dẫn thông tin số.  Lượng thông tin được truyền dẫn bởi hệ thống vi ba thường là khá lớn (ví dụ : các luồng E1, E3.E4, STM1 .)  Vi ba số thuộc nhóm các hệ thống thông tin nhiều kênh. 1.1.2 Cấu trúc một tuyến vi ba số. Hình 1.1 Tuyến vi ba đơn giản nhất bao gồm 2 trạm đầu cuối SVTH: Trần Thị Yến Phượng Trang 2 Thiết Kế Tuyến Vi Ba Số 1.1.3 Vi ba số điểm nối điểm. Mạng vi ba số điểm nối điểm hiện nay được sử dụng phổ biến. Trong các mạng đường dài thường dùng cáp sợi quang còn các mạng quy mô nhở hơn như từ tỉnh đến các huyện hoặc các ngành kinh tế khác người ta thường sử dụng cấu hình vi ba số điểm – điểm dung lượng trung bình hoặc cao nhằm thỏa mãn nhu cầu của các thông tin và đặc biệt là dịch vụ truyền số liệu. Ngoài ra, trong một số trường hợp vi ba dung lượng thấp là giải pháp hấp dẫn để cung cấp trung kế cho các mạng nội hạt, mạng thông tin di động. Hình 1.2 Mô hình của hệ thống vi ba số điểm nối điểm tiêu biểu. MUX/DEMUX : Thiết bị ghép kênh/ phân kênh MOD/DEMOD : Thiết bị điều chế / giải điều chế Tx/Rx : Máy phát / thu vô tuyến 1.1.4 Vi ba số điểm nối nhiều điểm. Mạng vi ba số này ngày càng trở thành phổ biến, nó bao gồm một trạm trung tâm phát thông tin trên một anten đẳng hướng phục vụ cho một số trạm ngoại vi bao quanh. Nếu các trạm ngoại vi này nằm trong phạm vi ( bán kính) truyền dẫn cho phép thì không cần dùng các trạm lặp, nếu khoảng cách xa hơn thì sẽ sử dụng các trạm lặp để đưa tín hiệu đến các trạm ngoại vi. Từ đây, thông tin sẽ được truyền đến các thuê bao. Thiết bị vi ba trạm ngoại vi có thể đặt ngoài trời, trên cột v.v . mỗi trạm ngoại vi có thể được lắp đặt thiết bị cho nhiều trung kế. Khi mật độ cao có thể bổ sung thêm thiết bị, được thiết kế để hoạt động trong các băng tần 1,5GHz – 1,8GHz và 2,4GHz sử dụng một sóng mang cho hệ thống hoàn chỉnh. Hiện nay các hệ thống điểm nối đến đa điểm 19GHz đã được chế tạo và lắp đặt ở Châu Âu để cung cấp các dịch vụ số liệu(Kbit/s) Internet trong mạng nội hạt khoảng SVTH: Trần Thị Yến Phượng Trang 3 RX/TX T đt N ha äp ,d 1, d2 ,h c i N ha äp ,d 1, d2 ,h c i   RX/TX MUX/ DEMUX   MUX/ DEMUX Thiết Kế Tuyến Vi Ba Số cách 10Km. Trạm trung tâm phát tốc độ bit khoảng 8,2Mb/s và mỗi trạm sử dụng kỹ thuật TDMA. Hình 1.3 Mô hinh của hệ thống vi ba số điểm nối điểm tiêu biểu 1.2 ĐIỀU CHẾ SỐ. - Để có thể truyền dẫn các thông tin số bằng sóng điện từ, cần phải tiến hành điều chế số. - Điều chế số là kỹ thuật gắn thông tin số vào dao động hình sine (sóng mang), làm cho sóng mang có thể mang thông tin cần truyền đi. - Ta cũng có thể hiểu: điều chế số là sử dụng thông tin số tác động lên các thông số của sóng mang, làm cho các thông số của sóng mang biến thiên theo quy luật của thông tin. - Để có thể truyền dẫn các thông tin số bằng sóng điện từ, cần phải tiến hành điều chế số.  Sóng mang hình sine có dạng: SVTH: Trần Thị Yến Phượng Trang 4 RX/TX MUX/ DEMUX         MW Sóng vi ba Trung kế Nội hạt TX/RX Trạm trung tâm Trạm ngoại vi 3 Trạm ngoại vi 1 Trạm ngoại vi 2  RX/TX MUX/ DEMUX RX/TX MUX/ DEMUX Sóng vi ba Sóng vi ba Thiết Kế Tuyến Vi Ba Số x(t) = A cos(2πf c t + þ) - Có ba thông số của sóng mang có thể mang tin : là biên độ (A), tần số (fc) và góc pha (þ). - Do đó, ta có thể tác động lên một trong 3 thông số của sóng mang để có các phương pháp điều chế tương ứng. - Ngoài ra, ta cũng có thể tác động lên một lúc 2 thông số của sóng mang để có phương pháp điều chế kết hợp. 1.2.1 Các phương pháp điều chế số Có các phương pháp điều chế sau :  Amplitude – shift keying (ASK) : điều chế khóa – dịch biên độ.  Frequency – shift keying (FSK) : điều chế khóa – dịch tần số.  Phase – shift keying (PSK) : điều chế khóa – dịch pha.  Quadrature Amplitude Modulation (QAM) : điều chế biên độ cầu phương. đây là phương pháp kết hợp giữa ASK và PSK Hình 1.4 Các phương pháp điều chế số a. Điều chế ASK ( 2 ASK) - Mức thấp nhất là ASK hai mức (2 ASK) - Bit 1 nhị phân được biểu diễn bằng một sóng mang có biên độ là hằng số. - Bit 0 nhị phân: không xuất hiện sóng mang. Dạng tín hiêu 2 - ASK SVTH: Trần Thị Yến Phượng Trang 5 Thiết Kế Tuyến Vi Ba Số Hình 1.5 Tín hiệu ASK hai mức Ta có thể tạo ra được 4 ASK, 16 ASK… tuy nhiên các loại điều chế này có khả năng chống nhiễu kém. b. Điều chế FSK (FSK hai mức) - Mức thấp nhất là FSK hai mức (2 FSK, PFSK) - Cả hai bit nhị phân 0 và 1 được biểu diễn ở hai tần số sóng mang khác nhau: c. Dạng tín hiệu 2 - FSK Hình 1.6 Tín hiệu ASK hai mức d. PSK - PSK hai mức (BPSK) - Sử dụng hai góc pha biểu diễn cho 2 bit nhị phân  Tín hiệu PSK 2 mức Hình 1.7 Tín hiệu FSK hai mức SVTH: Trần Thị Yến Phượng Trang 6 Thiết Kế Tuyến Vi Ba Số e. So sánh ba loại điều chế Hình 1.8 So sánh ba loại điều chế 1.3 CẤU HÌNH CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ VÔ TUYẾN. Thiết bị vô tuyến về cơ bản bao gồm một máy phát, một máy thu và một anten. Bộ phận phát biến đổi tín hiệu thành các sóng vô tuyến. Bộ phận thu biến đổi các sóng vô tuyến thành các tín hiệu điện ban đầu. Anten phát xạ (phát) hoặc hấp thụ (thu) các sóng vô tuyến. Hình 1.9 Cấu hình cơ bản của thiết bị vô tuyến 1.3.1 Anten và phi đơ Anten có đặc tính cơ bản là khuyếch đại và tính định hướng. Tính định hướng được định nghĩa như là một mối tương quan giữa cường độ và hướng của sóng vô tuyến được anten phát ra hay thu được. Tính định hướng cao khi phạm vi hướng của sóng vô tuyến phát đi và thu về hẹp. Độ tăng ích của anten là cường độ của sóng vô tuyến tại điểm thu so với anten tham chiếu. SVTH: Trần Thị Yến Phượng Trang 7 Máy phát Máy thu Máy phát Máy thu Tín hiệu điện Thiết Kế Tuyến Vi Ba Số Các loại anten khác nhau được sử dụng phù hợp với mục đích khác nhau. Về cơ bản, kích thước của anten sẽ bằng một nửa bước sóng. Ở tần số thấp, tức là bước sóng dài, thường sử dụng anten lớn và đơn giản. Ở tần số cao, chấn tử của anten nhỏ thường sử dụng có cấu hình phức tạp và các đặc tính nâng cao, tính định hướng cao. Các anten phần lớn đều được lắp đặt xa máy phát hoặc máy thu một cách hiệu quả. Nếu ở tần số thấp, thì chủ yếu sử dụng các dây cáp đồng trục làm các phiđơ. Nếu ở tần số cao, như đối với tần số viba, thì các ống dẫn sóng được sử dụng vì sóng vô tuyến bị suy hao rất lớn khi sử dụng cáp đồng trục. Sóng viba mặt đất thường sử dụng anten Parabol phản xạ. Bề mặt anten là dạng paraboloide, có tiêu cự chính là nguồn phát sóng, thường là anten loa. Lúc này, sóng cầu từ anten loa sẽ biến thành sóng phẳng. Các ống dẫn sóng là những kim loại rỗng giống như các ống dẫn nước, nhưng độ rỗng và độ nhẵn mặt trong rất cao. Các ống dẫn sóng có nhiều loại như ống dẫn sóng mềm, ống dẫn sóng vuông và ống dẫn sóng tròn. 1.3.2 Cấu hình máy phát Hình 1.10 Cấu hình máy phát - Máy phát: Tập hợp tất cả các linh kiện và mạch điện tử để chuyển đổi tin tức thành tín hiệu phù hợp với môi trường truyền. - Bộ điều chê: Gắn tin tức vào một sóng cao tần và truyền đi. - Bộ đổi tần: Thực chất là bộ khuyếch đại cộng hưởng ( bộ nhân tần), nâng tần số lên cao để có thể bức xạ ra không gian. - Bộ khuyếch đại công suất cao tần: Khuyếch đại công suất. SVTH: Trần Thị Yến Phượng Trang 8 Bộ điều chế Bộ đổi tần Bộ tổng hợp tần số Bộ khuyết đại công suất cao tần Sóng vô tuyến Tín hiệu điện Thiết Kế Tuyến Vi Ba Số - Anten phát: Thiết bị dùng để chuyển đổi năng lượng dưới dòng điện thành sóng điện từ bức xạ ra không gian. Chất lượng phát phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của anten. - Bộ tổng hợp tần số: Bộ tạo ra nhiều tần số chuẩn từ các dao động thạch anh. 1.3.3 Cấu hình máy thu Hình 1.11 Cấu hình máy thu - Máy thu: Tập hợp các linh kiện và mạch điện tử để nhận tín hiệu từ môi trường truyền, sau đó xử lý khôi phục lại tin tức ban đầu đã được phát đi. - Anten thu: Biến đổi năng lượng sóng điện từ thành tín hiệu cao tần đưa vào bộ khuyếch đại cao tần. - Bộ khuyếch đại cao tần: thực chất là bộ khuyếch đại nhiễu thấp LNA nhằm cải thiện tỉ số tín hiệu trên nhiễu S/N. - Bộ đổi tần: Đưa tín hiệu cao tần về trung tần, lấy lại tín hiệu tin tức ban đầu. - Bộ khuyếch đai công suất: Tăng công suất lên mức độ đủ lớn phù hợp với thiết bị đầu cuối. 1.4 PHÂN LOẠI Phụ thuộc vào tốc độ bít của tín hiệu PCM cần truyền, các thiết bị vô tuyến phải được thiết kế, cấu tạo phù hợp để có khả năng truyền dẫn các tín hiệu đó. Có thể phân loại như sau: - Vi ba số băng hẹp (tốc độ thấp): được dùng để truyền các tín hiệu có tốc độ 2Mbit/s, 4 Mbit/s và 8 Mbit/s, tương ứng với dung lượng kênh thoại là 30 kênh, 60 kênh và 120 kênh. Tần số sóng vô tuyến (0,4 - 1,5)GHz. SVTH: Trần Thị Yến Phượng Trang 9 Bộ khuyếch đại cao tần Bộ đổi tần Bộ khuyếch đại trung tần Bộ giải điều chế Bộ khuyếch đại công suất Bộ tổng hợp tần số Tín hiệu điện Sóng vô tuyến Thit K Tuyn Vi Ba S - Vi ba s bng trung bỡnh (tc trung bỡnh): c dựng truyn cỏc tớn hiu cú tc t (8-34) Mbit/s, tng ng vi dung lng kờnh thoi l 120 n 480 kờnh. Tn s súng vụ tuyn (2 - 6)GHz. - Vi ba s bng rng (tc cao): c dựng truyn cỏc tớn hiu cú tc t (34-140) Mbit/s, tng ng vi dung lng kờnh thoi l 480 n 1920 kờnh. Tn s súng vụ tuyn 4, 6, 8, 12GHz. 1.5 CC C S V SểNG Vễ TUYN FADING 1.5.1 Khỏi nim v súng vụ tuyn. Súng vụ tuyn l súng in t cú tn s t 30KHz n 300GHz v c chia ra cỏc bng tn LF, HF, VHF, UHF v bng tn cao dựng cho thụng tin v tinh. Cỏc súng vụ tuyn cú th lan truyn theo cỏc phng thc khỏc nhau c biu din nh sau: 1.5.2 S truyn lan súng vụ tuyn a. S phõn b tng khớ quyn. Hỡnh 1.12 Cỏc phng thc truyn súng vụ tuyn Di tỏc ng ỏnh sỏng mt tri khụng khớ xung quanh b mt trỏi t b ion húa v tp trung thnh nhng lp cao khỏc nhau (mt cng khỏc nhau) - Tng i lu: Lp khớ quyn t mt t lờn ( cao di 15km): cú nhiu giú, mõy v nhit gim theo cao, mt ion va phi. Cng lờn cao mt khụng khớ cng gim, iu ny cú tỏc dng to mt vựng chit sut gradient, lm thay i phng truyn dn n tỏc ng un cong ng truyn súng in t v hng mt t. Tng ny thớch hp cho súng ngn. SVTH: Trn Th Yn Phng Trang 10 Sóng trời (tầng điện ly) Sóng bề mặt Sóng truyền trực tiếp Sóng phản xạ từ mặt đất Sóng phản xạ từ tầng đối lưu Sóng đất Sóng không gian