baichinh5

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

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

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

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 cịn các mạng quy mơ 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 thơng tin và đặc biệt là dịch vụ truyền số liệu Ngồi 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 thơng tin di động

Hình 1.2 Mơ 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 vơ tuyến

1.1.4 Vi ba số điểm nối nhiều điểm.

Mạng vi ba số này ngày càng trở thành phổ biến, nĩ bao gồm một trạm trung tâm phát thơng 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 khơng 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, thơng tin sẽ được truyền đến các thuê bao Thiết bị vi ba trạm ngoại vi cĩ thể đặt ngồi trời, trên cột v.v mỗi trạm ngoại vi

cĩ thể được lắp đặt thiết bị cho nhiều trung kế Khi mật độ cao cĩ 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 sĩng mang cho hệ thống hồn 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

RX/TX

T

đt

Nhập,d1,d2,hc i

Nhập,d1,d2,hc i

cách 10Km Trạm trung tâm phát tốc độ bit khoảng 8,2Mb/s và mỗi trạm sử dụng kỹ thuật TDMA.

- 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 vi ba

Trung kế Nội hạt

TX/RX Trạm trung tâm

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

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

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

Máy phát

Máy thu

Máy phát

Máy thuTín hiệu

điện

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

Bộ tổng hợp tần số

Bộ khuyết đại công suất cao tần

Sóng vô tuyếnTín hiệu

điện

- 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

suất

Bộ tổng hợp tần số

Tín hiệu

điện

Sóng vô

tuyến

- Vi ba số băng trung bỡnh (tốc độ trung bỡnh): được dựng để truyền cỏc tớn hiệu

cú tốc độ từ (8-34) Mbit/s, tương ứng với dung lượng kờnh thoại là 120 đến 480 kờnh Tần số súng vụ tuyến (2 - 6)GHz

- Vi ba số băng rộng (tốc độ cao): được dựng để truyền cỏc tớn hiệu cú tốc độ từ (34-140) Mbit/s, tương ứng với dung lượng kờnh thoại là 480 đến 1920 kờnh Tần số súng vụ tuyến 4, 6, 8, 12GHz

1.5 CÁC CƠ SỞ VỀ SểNG Vễ TUYẾN – FADING

1.5.1 Khỏi niệm về súng vụ tuyến.

Súng vụ tuyến là súng điện từ cú tần số từ 30KHz đến 300GHz và được chia ra cỏc băng tần LF, HF, VHF, UHF và băng tần cao dựng cho thụng tin vệ tinh

Cỏc súng vụ tuyến cú thể lan truyền theo cỏc phương thức khỏc nhau được biểu diễn như sau:

1.5.2 Sự truyền lan súng vụ tuyến

a Sự phõn bố tầng khớ quyển.

Hỡnh 1.12 Cỏc phương thức truyền súng vụ tuyến

Dưới tỏc động ỏnh sỏng mặt trời khụng khớ xung quanh bề mặt trỏi đất bị ion húa

và tập trung thành những lớp ở độ cao khỏc nhau (mật độ cũng khỏc nhau)

- Tầng đối lưu: Lớp khớ quyển từ mặt đất lờn (độ cao dưới 15km): cú nhiều giú, mõy và nhiệt độ giảm theo độ cao, mật độ ion vừa phải Càng lờn cao mật độ khụng khớ càng giảm, điều này cú tỏc dụng tạo một vựng chiết suất gradient, làm thay đổi phương truyền dẫn đến tỏc động uốn cong đường truyền súng điện từ về hướng mặt đất Tầng này thớch hợp cho súng ngắn

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

- Tầng bình lưu: Lớp khí quyển có độ cao từ 15 đến 40 km: Tầng này có mật độ không khí thấp, chiết suất khí có tác dụng làm khúc xạ tia sóng, đổi phương truyền, làm cho tia sóng phát từ mặt đất lên tầng bình lưu sẽ bị đổi phương truyền quay về mặt đất Do đó rất thích hợp cho truyền sóng cực ngắn.

- Tầng điện ly: Lớp khí quyển có độ cao từ 40km đến 500km: tầng này hấp thụ nhiều tia tử ngoại có năng lượng lớn, tia này có tác dụng phân ly các phân tử khí trở thành các ion tự do, vì vậy mà mật độ dày đặc mật độ phân tử khí thấp, mật độ thay đổi theo mùa, thời tiết và các tác động ngoài không gian Khi tia sóng phát lên tầng điện ly thì cũng bị phản xạ bẻ cong và quay trở lại mặt đất, rất thích hợp cho truyền sóng ngắn Sóng vô tuyến tầm trung và thấp hơn thì bị hấp thụ ở tầng này Sóng cực ngắn và các sóng vô tuyến ở tần số cao hơn thì xuyên qua tầng điện ly, do vậy không thể dùng tầng điện ly để truyền lan chúng

b Các kiểu truyền lan sóng vô tuyến.

Từ anten phát đến anten thu, sóng vô tuyến có thể truyền theo các đường khác nhau Các đường truyền lan này thay đổi theo tần số sử dụng, khoảng cách truyền lan…

- Sóng bề mặt: Sóng truyền lan dọc theo bề mặt trái đất

- Sóng không gian: sóng lan truyền trong không gian tự do theo các kiểu truyền lan chính sau:

- Sóng trực tiếp: Là sóng vô tuyến được truyền trực tiếp từ anten phát tới anten thu, không bị phản xạ trên đường truyền Trong điều kiện truyền lan bình thường nó

có biên độ lớn nhất so với các sóng khác đến máy thu

- Sóng phản xạ mặt đất: sóng này đến anten thu sau khi đã phản xạ một vài lần từ mặt đất hoặc các vật thể xung quanh Sóng phản xạ tới anten thu có biên độ và pha khác với biên độ và pha của sóng trực tiếp Do đó tín hiệu thu không ổn định Nếu hiệu khoảng cách đường truyền của tia phản xạ và tia trực tiếp bằng số lẻ lần nửa bước sóng thì ở anten thu, sóng phản xạ lệch pha so với sóng trực tiếp một góc 1800

và kết quả là làm suy giảm tín hiệu sóng trực tiếp

- Sóng truyền làn trong tầng đối lưu: do thay đổi chỉ số khúc xạ của không khí theo độ cao, nên sóng có thể bị phản xạ, tùy theo góc sóng tới có thể xảy ra phản xạ toàn phần từ tầng đối lưu Và vì vậy mà sóng được gửi lại mặt đất một số tia đến anten thu có thể làm suy giảm sóng trực tiếp do có sự thay đổi pha và biên độ gây ra Sóng truyền theo tầng đối lưu có thể làn rộng đến 15km

- Sóng truyền lan trong tầng điện ly: là các sóng phản xạ trên tầng điện ly để tới anten thu.

- Các sóng trực tiếp được sử dụng chủ yếu cho thông tin cố định (các đường chuyển tiếp cuộc gọi đường dài, các đường chuyển tiếp truyền hình…) Trong thông tin di động, do có một số vùng không thuộc tầm nhìn thẳng vì các vật cản như các tòa nhà, các mô đất, đồi…, ngoài sóng trực tiếp, phải bổ sung thêm sóng phản xạ và sóng tán xạ

Hình 1.13 Các phương thức truyền sóng vô tuyến.

1.5.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến sự truyền lan sóng

Thông tin vi ba truyền sóng qua không gian nên chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường truyền sóng Các ảnh hưởng bào gồm:

a.Suy hao khi truyền lan trong không gian tự do.

Khoảng không mà trong đó các sóng vô tuyến truyền lan không bị cản trở được gọi là không gian tự do Mức suy hao của sóng vô tuyến được phát đi từ anten trong không gian tự do tỷ lệ với bình phương khoảng cách Mức suy hao này được gọi là suy hao khí quyển lan trong trong không gian tự do Nó tỷ lệ nghich với độ dài bước sóng

(1.1)

- Pr = Công suất tín hiệu tại Anten thu

- λ = Bước sóng của sóng điện từ

- Pt = Công suất tín hiệu tại Anten phát

Sóng bề mặt

Sóng trời (tầng điện ly)

Sóng phản xạ

từ mặt đất

Sóng trực tiếp Tầng đối lưu

Trái đất

2

2 2

2 4 4

c

fd d

P

P r

λ

=

- d = Khoảng cách giữa 2 anten

- c = Vận tốc ánh sáng (≈ 3 x 108 m/s)

Trong đó d và λ được đo cùng đơn vị (ví dụ: met)

(1.2)

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

(1.3)

b Suy hao do ảnh hưởng của Fading.

Trong thông tin vô tuyến, khi sóng vô tuyến truyền lan trong khí quyển và không gian, nó chịu tác động của khí quyển hoặc tầng điện ly Hiện tượng cường độ điện trường tại điểm thu thay đổi theo thời gian do một số nguyên nhân trong không gian truyền lan của sóng vô tuyến được gọi là fading

• Sự khúc xạ:

- Không khí càng lên cao càng loãng (chiết suất giảm), nên sóng điện từ có xu hướng bẻ cong về mặt đất

- Điều này làm cho đường truyền thực xa hơn tầm nhìn thẳng

- Có thể gây ra hiện tượng Fading nhiều đường

r

t dB

4 log 20 log

20

4 log

20 4 ,

c Suy hao do mưa

Sóng điện từ bị suy hao do mưa, đặc biệt là những sóng có bước sóng nhỏ (λ

<10cm) Mức độ suy hao sóng phụ thuộc vào cường độ mưa và tần số của sóng Ví dụ

ở tần số 2GHz: nếu mưa to thì suy hao vào cỡ (0,22 – 0,4 dB/Km), nếu mưa rất to thì suy hao vào cỡ 1,2 dB/Km

≈ 00,081,25,5

0,0130,455,518

0,071,51327

Bảng 1.16 Kết quả thực nghiệm suy hao do hơi nước-khí hậu theo tần số sóng vô tuyến của Alcatel

d Ảnh hưởng của địa hình

Hình 1.18 Miền Fresnel sạch

- Khi vật chắn nằm ngoài miền Fesnel ( miền Fresnel sạch), năng lượng phản

xạ về anten thu là bé so với năng lượng trực tiếp Hiện tượng Fading là không đáng kể

 Miền Fresnel không sạch

Hình 1.19 Miền Fresnel không sạch

- Khi vật chắn nằm ngay đường 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 Fading nhiều đường xảy ra

1.6 HIỆN TƯỢNG FADING TRONG BI BA SỐ.

Fading là hiện tượng biến thiên năng lượng điện từ tại anten thu do môi trường truyền sóng gây ra

- Fading phẳng: làm thay đổi đều tín hiệu sóng mang trong một dải tần số (thay đổi giống nhau đối với các tần số trong dải)

- Fading lựa chọn tần số: làm thay đổi tín hiệu sóng mang với mức thay đổi phụ thuộc vào tần số, fading này ảnh hưởng lớn đến tuyến vi ba số dung lượng cao

Hai loại fading này có thể xuất hiện độc lập hoặc đồng thời vì vậy dẫn đến làm gián đoạn thông tin Sự thay đổi tín hiệu tại anten thu do phản xạ nhiều tia gọi là fading nhiều tia

1.6.1 Các kỹ thuật giảm ảnh hưởng của fading nhiều tia

Các kỹ thuật được sử dụng để giảm các ảnh hưởng của fading phẳng và fading lựa chọn tần số nhiều tia là dùng phân tập không gian và phân tập tần số để nâng cao chất lượng của tín hiệu thu

Phân tập theo không gian cùng với các anten đặt cách nhau theo chiều dọc kết hợp các bộ khử giao thoa phân cực giao nhau Hiệu quả của kỹ thuật này đảm bảo không làm gián đoạn thông tin, thường được biểu thị bằng một hệ số nâng cao Nhờ áp dụng

kỹ thuật phân tập không gian và phân tập tần số thời gian gián đoạn thông tin giảm nhỏ so với thời gian yêu cầu để hệ thống đạt được chỉ tiêu chất lượng đề ra

a Phân tập theo không gian.

Hình 1.20 Phân tập không gian

- Sử dụng 1 anten phát, một máy phát và 2 anten thu, hai máy thu

- 2 anten thu đặt cách nhau một khoảng đủ lớn về độ cao

- Nếu hiện tượng fading lựa chon tần số xảy ra tại 1 anten thì không xảy ra tại anten còn lại

- Do đó ta có được it nhất một tín hiệu không fading.

1.7 MỘT SỐ ƯU, KHUYẾT ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG VI BA SỐ

1.7.1 Ưu điểm

- Nhờ các phương thức mã hoá và ghép kênh theo thời gian dùng các vi mạch tích hợp cỡ lớn nên thông tin xuất phát từ các nguồn khác nhau như điện thoại, máy tính, facsimile, telex,video được tổng hợp thành luồng bit số liệu tốc độ cao để truyền trên cùng một sóng mang vô tuyến

- Nhờ sử dụng các bộ lặp tái sinh luồng số liệu nên tránh được nhiễu tích luỹ trong hệ thống số Việc tái sinh này có thể được tiến hành ở tốc độ bit cao nhất của băng tần gốc mà không cần đưa xuống tốc độ bit ban đầu

- Nhờ có tính chống nhiễu tốt, các hệ thống vi ba số có thể hoạt động tốt với tỉ số sóng mang / nhiễu (C/N)>15dB Trong khi đó hệ thống vi ba tương tự yêu cầu (C/N) lớn hơn nhiều (>30dB, theo khuyến nghị của CCIR) Điều này cho phép sử dụng lại tần số đó bằng phương pháp phân cực trực giao, tăng phổ hiệu dụng và dung lượng kênh

- Cùng một dung lượng truyền dẫn, công suất phát cần thiết nhỏ hơn so với hệ thống tương tự làm giảm chi phí thiết bị, tăng độ tin cậy, tiết kiệm nguồn Ngoài ra, công suất phát nhỏ ít gây nhiễu cho các hệ thống khác

- Hệ thống này dễ bị ảnh hưởng của méo phi tuyến do các đặc tính bão hoà, do các linh kiện bán dẫn gây nên, đặc tính này không xảy ra cho hệ thống tương tự FM Các vấn đề trên đã được khắc phục nhờ áp dụng các tiến bộ kỹ thuật mới như điều chế số nhiều mức, dùng thiết bị dự phòng (1+n) và sử dụng các mạch bảo vệ

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ TUYẾN VI BA SỐ

LÝ THUYẾT THIẾT KẾ TUYẾN DẪN NHẬP

Sau khi trình bày các kỹ thuật cơ bản sử dụng trong Viba số Để tạo tiền đề cho

việc thiết kế tuyến ta bắt tay vào phần lý thuyết thiết kế tuyến Viba số điểm nối điểm tổng quát Nói chung công việc thiết kế trong một hệ thống vi ba điểm nối điểm trực

xạ sẽ bao gồm các bước sau đây:

Bước 1: Nghiên cứu dung lượng đòi hỏi

Bước 2: Chọn băng tần vô tuyến, thiết bị để sử dụng, sắp xếp các kênh RF

Bước 3: Tìm trạm trên bản đồ, khảo sát vị trí đặt trạm

Bước 4: Dựng mặt cắt đường truyền và tính các thông số liên quan

Bước 5: Xác định độ cao của anten

Bước 6: Tính toán đường truyền

Bước 7: Các tiêu chuẩn kỹ thuật

Bước 8: Đánh giá chất lượng tuyến

Trên đây là 8 bước cơ bản để thiết kế một hệ thống Viba điểm nối điểm 8 bước này mô tả đầy đủ các công việc cần thiết cho việc thiết kế một tuyến Viba Ở các bước sau ta sẽ đi vào phần lý thuyết của việc thiết kế tuyến

2.1 NGHIÊN CỨU DUNG LƯỢNG ĐÒI HỎI

Trong việc thiết kế một hệ thống liên lạc điểm nối điểm việc tìm hiểu kĩ về dung lượng cần thiết là rất quan trọng Nó là nền tảng cho các quyết định quan trọng ở phần sau:

•Phải chú ý đến dung lượng phát sẽ triển trong vòng 10 hoặc 15 năm tới cũng như dung lượng cần thiết ở hiện tại Việc dự đoán này dựa vào các điểm sau:

− Dựa vào đặc điểm phát triển dân số

− Đặc điểm vùng (thành phố nông thôn, vùng nông nghiệp…)

− Tỷ lệ phát triển của các hoạt động kinh tế

− Tốc độ cải thiện điều kiện sống trong tương lai

• Hệ thống phải được thiết kế để cho phép có thể nới rộng thêm trong tương lai

Tuy nhiên, ở các nước đang phát triển (như ở thực trạng nước ta) thường khó dự đoán chính xác dung lượng cần thiết trong khoảng thời gian dài Do đó không nên lắp đặc các hệ thống có dung lượng quá lớn cho các yêu cầu cho tương lai Sẽ kinh tế hơn khi chọn các thiết bị có dung lượng nhỏ ở giai đoạn đầu tiên và nếu dung lượng này không đáp ứng được sau khi sử dụng vài năm, hệ thống có thể thay thế bởi một hệ thống khác có dung lượng lớn hơn còn hệ thống cũ được dùng ở tuyến cần dung lượng nhỏ hơn Nên đôi khi xây dựng một hệ thống vừa phải và dể dàng thay thế khi

có kỹ thuật mới trong tương lai thì kinh tế hơn

2.2 CHỌN BĂNG TẦN SỐ VÔ TUYẾN SỬ DỤNG, SỰ SẮP XẾP CÁC KÊNH RF

2.2.1 Chọn băng tần số vô tuyến sử dụng.

Đối với các ứng dụng của kỹ thuật Viba, băng tần hoạt động của nó nằm trong khoảng từ 1GHz đến 15GHz Trong đó các tần số vô tuyến được cấp phát cho các dịch vụ xác định được qui định bởi các luật vô tuyến Chúng ta quan tâm đến dải tần

từ 800MHz - 6425MHz và 7900MHz - 8100MHz Luật vô tuyến mô tả luật cấm đoán của hệ thống trạm mặt đất sử dụng các băng tần số này, vì chúng chia băng tần với dịch vụ liên lạc vệ tinh Trong trường hợp này công suất bức xạ hiệu dụng của máy phát và anten trong hệ thống L/S không vượt quá 55 dBw hoặc công suất đưa đến anten không được vượt quá 13dBw

Các yếu tố quan trọng khác trong việc gán định tần số bao gồm dung sai tần số và băng thông phát xạ Luật vô tuyến không có tiêu chuẩn bắt buộc về băng thông Tuy nhiên dung sai tần số của máy phát hoạt động trong vùng sóng Viba nên là 300*10-6

cho máy phát có công suất dưới 100W và 100*10-6 cho máy phát có công suất trên 100W

Hiện nay tần số vô tuyến sử dụng trong hệ thống liên lạc Viba thay đổi từ 1GHz -

15 GHz Các giá trị tương đối của tần số RF phụ thuộc vào nhiều yếu tố

Ở các tần số thấp thì kích thước thiết bị lớn công suất máy dễ dàng thực hiện, độ lợi anten lớn, tổn hao phải nhỏ, tổn thất không gian và dây dẫn tần khác chủ yếu sử dụng cho các đường trung kế ngắn hoặc đường trung kế phụ Dung lượng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc chọn băng tần hoạt động cho hệ thống, bảng sau cho ta các tham khảo về băng tần chọn và dung lượng

Băng tần

( MHz)

Băng thông cho phép MHZ)

Dung lượng cực tiểu của các kênh thoại đã được mã hóa

309696115211521152

BẢNG 2-1 : Các băng tần số cấp phát của FCC cho các hệ thống Viba số

2.2.2 Sự sắp xếp các kênh RF.

Sự sắp xếp các kênh RF là một phần rất quan trọng trong việc thiết kế hệ thống

Nó đặc biệt quan trọng cho các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp Vì mức khác biệt về tín hiệu vô tuyến giữa ngõ vào và ngõ ra của một trạm lặp thay đổi từ 60 - 80 dB thì việc sử dụng cùng một tần số vô tuyến giữa ngõ ra và ngõ vào sẽ gây ra hiện tượng giao thoa động do phản hồi Trong Viba chuyển tiếp ta thường sử dụng kế hoạch hai tần số hoặc kế hoạch bốn tần số

Kế hoạch bốn tần số được sử dụng rộng rãi vì lí do kinh tế Nó cần hai tần số cho một mạch RF Thường thì bốn anten sử dụng cho một trạm lắp đặt ngay cả với kế hoạch hai tần số cũng với các anten này có thể sử dụng cho hai hoặc nhiều hơn các kênh RF song công cùng trên một đường trên

Kế hoạch bốn tần số đòi hỏi tỷ lệ trước sau (front to back) của mẫu bức xạ anten bởi mỗi anten hoạt động ở mỗi tần số khác nhau

đa của một kênh RF

1808,2000,22037575

1903,2101,40036475

677083501120

2003004005006803001000

Bảng 2 - 2 Các đề nghị của CCIR về sự sắp xếp các kênh của RF

2.3 TÌM TRẠM TRÊN BẢN ĐỒ VÀ KHẢO SÁT VỊ TRÍ ĐẶT TRẠM

Trong mục này ta sẽ khảo sát bài toán thiết kế một tuyến đơn chỉ có hai trạm truyền dẫn Trước tiên, cần tiến hành một số công việc như sau:

2.3.1 Xác định tuyến trên bản đồ (Cần tìm bản đồ địa hình của khu vực)

Việc tìm vị trí đặt trạm sao cho phù hợp về mặt kỹ thuật và tiện lợi trong việc xây dựng trung tâm giao dịch BCVT

• Để xác định vị trí đặt trạm ta cần có:

- Bản đồ tự nhiên cho biết độ cao so với mặt nước biển của vùng có tuyến đi qua

- Sự phân bố dân cư của vùng đang khảo sát

Trong bước tìm trạm này ta giả thiết : Tuyến ta thiết kế có hai trạm đầu cuối và n trạm lặp, không có trạm xen kẽ (trạm xen rẽ được xem như trạm lặp)

• Xác định vị trí đặt trạm đầu cuối

- Căn cứ vào phân bố dân cư để xác định trên bản đồ địa hình vị trí các trạm đầu cuối, xen rẽ

- Xác định những đồi núi, mô đất, tòa nhà cao tầng trong khu vực tuyến

- Chọn trong các vị trí vừa xác định ở trên, một vị trí thích hợp để đặt tháp Anten

• Tìm trạm đầu cuối

Vị trí vừa chọn phải đảm bảo hai tiêu chí sau:

- Có độ cao đáng kể (có thể không phải là cao nhất )

- Gần trung tâm giao dịch BCVT để thuận tiện cho việc kéo Feeder

• Xác định vị trí đặt trạm lặp

Trạm lặp cần xác định để thoã mãn hai yêu cầu sau:

- Có tổng độ dài đường truyền từ trạm đầu cuối A qua trạm lặp và đến trạm đầu cuối B là nhỏ nhất

- Có suy hao do ảnh hưởng của địa hình là nhỏ nhất

•Việc xác định vị trí trạm lặp được tiến hành như sau:

- Vẽ đường thẳng nối hai trạm đầu cuối A và B

- Tìm trên đường thẳng hoặc lân cận đường thẳng các vị trí có độ cao đáng kể có thể đặt trạm

• Tìm trạm lặp

Vị trí trạm lặp phải lưu ý:

- Tầm nhìn thẳng

- Nếu hai trạm đầu cuối khá gần nhau thì không cần trạm lặp

2.3.2 Tạo nên các bản vẽ mặt cắt nghiêng của tuyến.

Từ các yêu cầu thực tế của một tuyến vi ba gồm: vị trí trạm, khoảng cách trạm, dung lượng truyền dẫn, địa hình tuyến sẽ đi qua ta tiến hành đánh dấu hai đầu cuối của trạm trên bản đồ của Sở đo đạc để xác định chính xác kinh độ, vĩ độ của mỗi trạm Các thông số toạ độ này được sử dụng để điều chỉnh các anten ở mỗi trạm trong giai đoạn lắp đặt thiết bị Ký hiệu trên bản đồ : trạm A là trạm thứ nhất và trạm

B là trạm thứ hai Sau đó vẽ một mặt cắt nghiêng của đường truyền Hình dung mặt cắt này như một con dao cắt rời quả đất dọc theo hướng của tia vô tuyến Hình 2.3 thể hiện mặt cắt đường truyền giữa hai trạm A và B

Hình 2.3 mặt cắt đường truyền giữa hai trạm A và B.

Mặc dù mặt đất có độ cong nhưng để đơn giản trong tính toán người ta thường vẽ mặt cắt nghiêng ứng với hệ số bán kính hiệu dụng của trái đất là k = 4/3

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

E=d2rdk1000

1

2 1

h là độ lồi thực của mặt đất tại điểm đang xét

Như vậy trên mặt cắt nghiêng này thể hiện được bề mặt của địa hình Ngoài ra nó cũng có thể biểu diễn được cả độ cao của cây cối các vật chắn trên đường truyền nối hai trạm A, B chẳng hạn như các gò, đồi, các nhà cao tầng Đối với khoảng truyền dẫn dài, độ cong của mặt đất lớn thì cần phải tính toán đến độ nâng của vị trí trạm

Độ nâng được vẽ dọc các đường thẳng đứng nên không đi dọc theo đường bán kính xuất phát từ tâm quả đất

2.4 DỰNG MẶT CẮT ĐƯỜNG TRUYỀN VÀ TÍNH CÁC THÔNG SỐ LIÊN QUAN

2.4.1 Dựng mặt cắt đường truyền cho từng tuyến.

- Kẻ nối hai trạm của từng tuyến, ta có các giao điểm với các đường đồng mức.

- Dựa vào độ cao của các đường đồng mức và tỷ lệ bản đồ, ta xác định độ cao và khoảng cách của từng điểm

- Nối các giao điểm với nhau, ta được mặt cắt địa hình

Hình 2.4 Vẽ mặt cắt đường truyền cho từng tuyến

2.4.2 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 vây quanh tia truyền thẳng Đường biên của miền Fresnel thứ nhất tạo nên quỹ tích sao cho bất

kỳ tín hiệu nào đi đến anten thu qua đường này sẽ dài hơn so với đường trực tiếp một nửa bước sóng (λ/2) của tần số sóng mang Miền bên trong của elip thứ nhất này gọi

là miền Fresnel 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 biên độ của sóng phản xạ Do đó việc tính toán đối với miền Fresnel thứ nhất đòi hỏi có tính chính xác để việc thông tin giữa hai trạm không bị ảnh hưởng đáng kể bởi sóng phản

xạ này Bán kính của miền Fresnel thứ nhất (F1) được xác định theo công thức sau:

df

d d 32 , 17 d

d d

Trong thực tế, thường gặp đường truyền đi qua những địa hình khác nhau có thể chắn 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 2.5 chỉ ra mô hình của vật chắn trên đường truyền dẫn, trong đó F1 là bán kính miền Fresnel thứ nhất, F là khoảng hở thực; là khoảng cách giữa tia trực tiếp và một vật chắn hình nêm tại điểm tính toán miền Fresnel thứ nhất.

Theo các chỉ tiêu thiết kế về khoảng hở đường truyền được khuyến nghị thì độ cao tối thiểu của anten đảm bảo sao cho tín hiệu không bị nhiễu xạ bởi vật chắn nằm trong miền Fresnel thứ nhất là F = 0,577F1 Nghĩa là đường trực tiếp giữa máy thu và máy phát cần một khoảng hở trên mặt đất hoặc trên một vật chắn bất kỳ ít nhất là vào khoảng 60% bán kính miền Fresnel thứ nhất để đạt được các điều kiện truyền lan trong không gian tự do

Hình 2.5 Mặt cắt nghiêng đường truyền và miền Fresnel thứ nhất

2.5 XÁC ĐỊNH ĐỘ CAO CỦA ANTEN

2.5.1 Xác định độ cao của anten

a Tổng quát

Có hai loại chủ yếu của tháp anten là: tháp tự đỡ và tháp dây néo Nếu các tháp anten rất thấp, hai loại tháp này có tốn kém như nhau nhưng nếu chiều cao tăng lên, tốn kém của tháp tự đỡ tăng gần như theo hàm mũ trong khi loại tháp dây néo tăng tuyến tính Do đó khi cần các anten cao thường có xu hướng sử dụng các tháp dây néo nếu có đủ khoảng trống cho chúng Nhưng nếu trạm xây dựng ở vùng đông dân

cư như là các trạm đầu cuối thì các tháp dây néo thường không thích hợp nên phải sử dụng các tháp tự đỡ nhưng lúc này rất tốn kém.

Có nhiều loại tháp anten khác nhau, đặc biệt các tháp anten lớn, có cấu trúc nặng

sử dụng cho các hệ thống mật độ cao sẽ có thêm các đòi hỏi khác và diện tích đòi hỏi khác

Có vài vấn đề liên quan đến tháp anten như sau:

- Tình trạng của đất

- Lưu lượng gió

- Khối nhà cao tầng của điạ phương và các khối qui định

b Tháp anten trạm đầu cuối.

Nói chung một kiến trúc sư thiết kế có nhiệm vụ thiết kế tháp và một kỹ sư Viba cho kiến trúc sư những thông tin và những yêu cầu cho tháp anten, thường chú ý đến các điểm sau:

- Nó có thể thuận lợi nếu xây dựng tháp anten trên nóc các nhà cao tầng mà các thiết bị Viba đặt ở trong

- Tháp antenphải có khả năng gắn tất cả các anten (Gồm cả anten VHF/UHF ) cần thiết phải đứng vững trong vòng 15 năm

- Chiều cao của tháp anten phải đủ cao để các anten gắn trên nó thỏa trạng thái trực xạ, có tính toán đến các nhà cao tầng và sự phát triển của các cây cối trong tương lai ở các vùng phụ cận

- Tháp anten phải đặt sao cho chiều dài của Feeder là nhỏ nhất

- Tháp anten phải có những tiện nghi sau đây:

 Thang để trèo lên và xuống tháp

chiều cao của tháp anten rất là quan trọng đặc biệt là các trạm đầu cuối vì các trạm này thường được đặt ở vùng có dân cư.

Để dự đoán sự phát triển và sự nới rộng của các nhà cao tầng xung quanh trạm Viba sự phát triển của khu vực đó nên được dự đoán Đôi khi việc dự đoán này rất khó khăn do đó các công thức sau chỉ có tính chất tương đối và chỉ áp dụng khi trạng thái tầm nhìn thẳng đã thỏa mãn

c Tính chọn chiều cao của tháp anten

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

Việc tính toán độ cao của tia vô tuyến cũng phải dùng đến sơ đồ mặt cắt nghiêng đường truyền nối hai trạm trong đó có xét đến độ cao của vật chắn (O), độ cao của cây cối (T) giữa tuyến và bán kính của miền Fresnel thứ nhất (F1) Biểu thức xác định

độ cao của tia vô tuyến như sau:

B = E(k) + (O + T) + C.F1

= ( ) 1

2 1

.51

4

F C T O k

d d

+++

Các độ cao của cây cối và vật chắn giữa tuyến được xác định từ bước khảo sát đường truyền Hình 2.5 biểu diễn mặt cắt đường truyền của tuyến cùng với các vật chắn giữa tuyến và có xét đến miền Fresnel thứ nhất.

Sau khi đã có được độ cao tuyến, ta tính độ cao của anten để làm hở một vật chắn nằm giữa tuyến (tức không gây nhiễu đến đường truyền vô tuyến)

Ở bước khảo sát định vị trạm, ta đã xác định được độ cao của hai vị trí đặt trạm so với mặt nước biển tương ứng là h1 và h2 Hai thông số này kết hợp với độ cao B của tia như đã tính toán ở trên sẽ tính được độ cao của cột an ten còn lại khi biết trước độ cao của một cột an ten

ha1 = h2 + ha2 + [B - (h2 + ha2)](d/d2) - h1 [m] (2.5)

ha2 = h1 + ha1 + [B - (h1 + ha1)](d/d1) - h2 [m]

Trong đó: ha1, ha2 [m] là độ cao của một trong hai anten cần được tính d1, d2 [km] là khoảng cách từ mỗi trạm đến vị trí đã tính toán độ cao của tia B Như vậy khi biết được độ cao của một an ten thì có thể tính được độ cao của an ten kia sao cho không làm gián đoạn tia truyền của hai trạm

Hình 2.7 Minh hoạ việc tính độ cao của một anten khi biết độ cao anten kia

Tuy nhiên như đã đề cập ở phần trước, để đảm bảo cho hệ thống hoạt động không chịu ảnh hưởng của các yếu tố trong tương lai thì độ cao an ten phải sử dụng

SVTH: Trần Thị Yến Phượng Trang 30