MÔ PHỎNG ĐƯỜNG TRUYỀN HF TRONG THIẾT BỊ THU RADIO
mô phỏng đờng truyền hf trong thiết bị thu radio 1. Lý do chọn hớng nghiên cứu Sóng vô tuyến đ và đang làm nên những thay đổi thần kỳ trong mọi lĩnh vực của đời sống vàã đăc biệt là trong thông tin liên lạc. Trong ứng dụng thông tin liên lạc, sóng vô tuyến điện từ chia ra thành nhiều băng sóng, mỗi băng sóng đó có những ứng dụng cho các hệ thống thông tin khác nhau. Băng sóng ngắn HF là băng sóng điện từ có tần số từ 3Mhz tới 30Mhz, nó đợc sử dụng chủ yếu cho phát thanh điều biên cự ly xa. Trớc đây HF đợc dùng cho thông tin quôc tế với các dịch vụ thông tin băng hẹp nh điện thoại ít kênh, điện báo, điện báo truyền ảnh , teletip .,nó còn đợc dùng trong thông tin hàng không, hàng hải, đài hải quân. Ngày nay, mặc dù thông tin vô tuyến băng tần HF đ đã ợc thay thế ở một số dịch vụ bằng các hệ thống thông tin vệ tinh, cáp biển nhng nó vẫn là một phơng tiện không thể thiếu trong phát thanh cự ly xa và một số dạng thông tin đặc biệt sử dụng trong an ninh quốc phòng, một l nh vực ứng dụng vô cùng quan trọng . Và ngã ời ta đ vàã đang nhìn thấy những triển vọng mở rộng ứng dụng của băng tần sóng ngắn trong nhiều l nh vựcã hơn. Tuy nhiên, một vấn đề vấp phải ở đây là muốn sử dụng có hiệu quả hơn nữa băng tần HF này ta phải khắc phục triệt để những ảnh hởng của nhiễu lên thông tin sóng ngắn. Những ảnh hởng của các hiện tợng suy hao, tán xạ, fading này đ làm giảm đi rất nhiều chất lã ợng của thông tin thậm chí nó có thể làm cho thông tin không thể nhận dạng đợc. Chính vì vậy mà việc nghiên cứu về đờng truyền HF sẽ hứa hẹn nhiều ứng dụng thiết thực trong thông tin liên lạc nhằm nâng cao hơn nữa chất lợng, phạm vi ứng dụng của băng tần sóng ngắn và đem lại những hiệu quả lớn hơn nữa cho các vấn đề thực tế. 2. Cách thức nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu Để nghiên cứu một cách trực quan , thể hiện vấn đề một cách sinh động, nhóm nghiên cứu chúng tôi quyết định sử dụng phơng thức mô phỏng bằng phần mềm Đờng truyền HF bao gồm các giai đoạn từ anten phát tới anten thu qua xử lý tách sóng và tới đầu ra máy thu. Tuy nhiên, do hạn hẹp về mặt thời gian, do những hạn chế về kiến thức chuyên môn nên chúng tôi chỉ nghiên cứu đờng truyền HF trong phạm vi từ anten phát qua anten máy thu cho tới đầu vào khối trộn tần của máy thu. Các tham số chính đợc đa vào để nghiên cứu là : Suy hao đờng truyền. Tán sắc đờng truyền Hiện tợng fading. Hiệu ứng doppler. Nhiễu. Các tham số đa vào mô phỏng trong chơng trình là: Suy hao đờng truyền. Hiện tợng fading. 3-Sơ đồ khối và tham số của kênh truyền HF Hình.1 Sơ đồ khối của một kênh thông tin HF Nếu môi trờng truyền sóng là lí tởng thì các yếu tố tác động vào kênh thông tin nh fading, nhiễu, hiệu ứng Doppler, tán sắc .là bằng không.Trong môi trờng thực điều này là không thể, kênh thông tin luôn bị chèn ép bởi các yếu tố không mong muốn. Sau đây chúng tôi sẽ trình bày một cách khái quát về từng tham số trên. 4. Các tham số Phần mô phỏng Doppler Fading Suy hao Tán sắc Nhiễu Mạch vào Khuyếch đại Trộn tần IF Tạo dao động Tách sóng 4.1- Pha đinh Pha đinh là sự biến thiên cờng độ điện trờng tín hiệu tại điểm thu do sự phản xạ sóng từ các lớp không đồng nhất trong tầng đối lu, tầng điện ly cũng nh phản xạ từ mặt đất , do tán xạ , phản xạ nhiều lần, do ảnh hởng từ trờng của quả đất tạo ra các tia không bình thờng . . . Các tia này cùng đến điểm thu với đoạn đờng đi khác nhau. Do mật độ điện tử luôn biến đổi, lớp khí quyển ở dới không đồng nhất và luôn luôn biến đổi làm cho chiều dài của các tia sóng biến thiên liên tục, dẫn đến sai pha của chúng thay đổi, làm cho cờng độ trờng tổng hợp biến thiên gây nên hiện t- ợng pha đinh mạnh làm xấu chất lợng tín hiệu thậm chí mất liên lạc . Tuỳ theo từng góc độ đánh giá mà ngời ta có thể phân loại thành: - Pha đinh nhanh : Thời gian biến đổi nhanh theo giây, theo phút ,giờ - Pha đinh chậm : Thời gian biến đổi chậm theo ngày, theo từng tháng,theo các mùa trong năm - Pha đinh phẳng : ảnh hởng chủ yếu đến các hệ thống vi ba số tốc độ thấp - Pha đinh lựa chọn : ảnh hởng chủ yếu đến các hệ thống vi ba số dung lợng cao. - Pha đinh phản xạ từ mặt đất : Tại điểm thu sóng phản xạ sẽ giao thoa với sóng tới tạo ra c- ờng độ điện trờng tổng, do hiệu số đờng đi của tia phản xạ và tia tới biến đổi do đó cờng độ tr- ờng biến đổi trong một giới hạn rất rộng - Pha đinh nhiều tia : Do sự không đồng nhất của môi trờng truyền lan sóng đến điểm thu ngoài sóng phản xạ từ mặt đất còn có sóng phản xạ từ các lớp không đồng nhất của khí quyển , gây ra pha đinh sâu do sự giao thoa của nhiều tia sóng đến điểm thu theo các đờng khác nhau, do đó cờng độ trờng thay đổi nhiều . . . Các loại pha đinh này có thể xuất hiện độc lập với nhau hoặc xuất hiện đồng thời và đều đều ảnh hởng đến thông tin sóng ngắn. Sau đây là một số biện pháp khác nhau nhằm khắc phục hiện tợng pha đinh : - Dùng ăng ten có độ rộng búp sóng hẹp ( tính hớng cao) - Sử dụng các phơng pháp thu phân tập nh Phân tập không gian, phân tập tần số phân tập phân cực - Để chống pha đinh trong nhiều tuyến thông tin vi ba ngời ta còn sử dụng hệ thống anten của cả hai trạm thu và phát có các dạng phân cực khác nhau nh phân cực ngang, phân cực thẳng đứng, phân cực tròn bên trái, phân cực tròn bên phải . 4.2-Suy hao Suy hao sóng là một trong những yếu tố tác dộng đến cờng độ của trờng tín hiệu. Có nhiều nguyên nhân gây ra hiện tợng suy hao của trờng. Khi sóng vô tuyến truyền trong một môi trờng ngoài sự suy hao do môi trờng gây ra nh bị hấp thụ trong các phân tử khí, trong hơi nớc ., tổn hao do mây, ma, do vật chắn sóng .thì sự tổn hao lớn nhất chính là do sự khuếch tán tất yếu của sóng ra mọi phơng, hiện tợng này gọi là tổn hao trong không gian tự do. Nếu bức xạ ra môi trờng một công suất P 1 , ở anten thu chỉ nhận đợc một công suất là P 2 thì hệ số tổn hao truyền sóng là : L=P 1 /P 2 (lần) Tròng hợp sóng truyền trong không gian tự do, sự tổn hao chỉ do sự khuếch tán tất yếu của sóng theo mọi phơng gây ra mà không có sự hấp thụ của môi trờng gọi là hệ số tổn hao tự do. L td =P 1 /P 2 (lần) Và : L td =(4.r) 2 /( 2 . D 1 .D 2 ) (lần) (D 1, D 2 là hệ số định hớng của anten thu &anten phát) Trong thực tế, do tác động của môi trờng lên quá trình truyền sóng nh phản xạ , khúc xạ, tán xạ, che chắn .gây nên hiện tợng suy hao làm yếu thông tin. Khi đó hệ số suy hao của sóng trong môi trờng thực sẽ là L = P 1 /P 2 = L td /F =(4.r) 2 /((F) 2 . D 1 .D 2 ) F là hệ số suy giảm do môi trờng (dB) Sóng vô tuyến khi truyền lan trong tầng đối lu ngoài các hiện tợng khúc xạ , phản xạ còn bị suy hao do hấp thụ của các phần tử do mây ma, hấp thụ do sơng mù, tuyết. Các hấp thụ này phụ thuộc vào tần số điều kiện khí tợng của từng vùng và phơng của tia sóng, gồm : a) Hấp thụ phân tử Hấp thụ phân tử trong tầng đối lu do phân tử hơi nớc và oxi . Hấp thụ phân tử phụ thuộc vào tần số , khi tần số f < 10 Ghz thì có thể bỏ qua do đó đói với sóng HF hấp thụ phân tử coi nh bằng không b)Hấp thụ trong ma và sơng mù Hấp thụ sóng trong ma phụ thuộc vào còng độ ma tích luỹ ( đơn vị mm/h ) 4.3-Hiệu ứng Doppler Một nguồn A phát ra sóng có tần số f truyền tới một máy thu B . nếu nguồn A hay máy thu B chuyển động thì tần số sóng điện từ do máy A phát ra sẽ khác với tần số do nguồn B thu đợc , đó chính là hiệu ứng doppler. Giả sử máy phát A chuyển động lùi xa máy thu B với vận tốc u, máy thu B đồng thời chuyển động xa máy phát A với vận tốc u, vận tốc truyền sóng rõ ràng chỉ phụ thuộc môi trờng truyền sóng mà không hề phụ thuộc vào sự chuyển động của nguồn phát do vậy mà khi nguồn phát chuyển động thì v không thay đổi mà chỉ có bơc sóng thay đổi . Thực vậy ,ta biết rằng sóng truyền trong không gian thì tuần hoàn với chu kỳ bằng bớc sóng ,tức là hai sóng liên tiếp phát ra cách nhau một khoảng thời gian T thì sẽ cách nhau một đoạn =v.T . u.T A B u>0 u>0 b b a Nếu nguồn A đứng yên thì sau một khoảng thời gian T , sóng a đi cách nguồn một đoạn hay chính xác thì nó cách sóng b vừa đợc phát ra là , tuy nhiên , ở đây thì nguồn phát lại chuyển động nên sau một thời gian T thì sóng a chỉ còn cánh sóng b là =+u.T điều nay tơng ứng với việc coi rằng bớc sóng do nguồn phát ra đ bị kéo dài thêm một đoạn u.T . Khi đó thì tầnã số tơng đơng của nó là : f=(v-u)/ (+uT) = f.(v-u)/(v+u) Công thức này chứng tỏ rằng khi có sự chuyển động tơng đối giữa máy phát và máy thu thì tần số sóng điện từ sẽ bị thay đổi : Nếu chuyển động lại gần nhau thì tần số sẽ cao lên , nếu chuyển động ra xa nhau thì tần số sẽ thấp đi . Vấn đề nay đặc biệt làm ảnh hởng tới chất lợng thông tin trong hệ thống thông tin di động có sử dụng băng tần HF : Nó làm thay đổi tần số sóng mang khiến thay đổi dạng của tín hiệu điều chế và kết quả là làm méo dạng tín hiệu. 4.4. Nhiễu trong thông tin Nhiễu là các tín hiệu ngẫu nhiên và không dự đoán trớc đợc. Nó đợc tạo ra bởi các quá trình tự nhiên cả bên trong và bên ngoài hệ thống truyền tin. Nhiễu tác động làm giảm tính chính xác của tin tức và nó tác động vào tin tức theo 2 phơng thức là cộng và nhân. Gọi tín hiệu vào là S v (t), tín hiệu ra là S r (t),nhiễu cộng và nhiễu nhân lần lợt là N c (t),N n (t) ta có: S r (t) = S v (t).N n (t) + N c (t) .Nhiễu cộng sinh ra từ các nguồn nhiễu công nghiệp và vũ trụ và nó luôn luôn tồn tại trong môi trờng . .Nhiễu nhân sinh ra do các phơng thức truyền tín hiệu hay sự thay đổi các thông số vật lý của môi trờng. Để giảm ảnh hởng của nhiễu lên tin tức đến mức tối thiểu thì ngời ta thờng sử dụng một số phơng pháp nh : - Làm cho công suất tín hiệu tăng lên để tránh sự chèn ép của nhiễu, tuy nhiên phơng pháp này có nhiều khó khăn vì công suất của máy phát cũng chỉ có một giới hạn nhất định - Dùng các bộ lọc nhiễu nh : + .Bộ lọc nhiễu thích nghi + .Bộ lọc phù hợp tự thích nghi. Ngày nay, với sự ra đời của kỹ thuật số thì vấn đề về nhiễu cơ bản đợc giải quyết. Trong phạm vi đề tài này chúng tôi không có ý định đi sâu vào nghiên cứu nhiễu mà chỉ trình bày sơ qua về các yếu tố tác động đến tín hiệu trong hệ thống thông tin 4.5- Hiện tợng tán sắc Trên thực tế , tín hiệu sóng mang bao gồm một nhóm tần số( chứ không phải là một tần số riêng lẻ nh tín hiệu lí tởng ) , do đó , khi tín hiệu này mang thông tin đi qua môi tr- ờng không gian tự do có chiết suất thay đổi theo không gian và thời gian thì nó bị phân tán tần số (Vì vậy mà ta còn hay gặp thuật ngữ hiện tợng tán tần). Điều nay khiến cho thông tin ở phía thu bị méo dạng. 5- Đánh giá chung Việc nghiên cứu mô phỏng kênh truyền HF hiện nay đang là một vấn đề mang tính thời sự. Những vấn đề về nâng cao chất lợng kênh truyền , tăng số lợng kênh cần phải đợc chú trọng hơn nữa khi nghiên cứu về sóng ngắn . Công trình nghiên cứu khoa học sinh viên lần này của chúng tôi tập trung vào những ảnh h- ởng không tốt của môi trờng của đờng truyền trong các thiết bị thu tới kênh truyền HF để từ đó có thể tìm ra những biện pháp khắc phục các ảnh hởng đó nâng cao chất lợng kênh truyền. Trên cơ sở nghiên cứu lần này chúng tôi đ và đang mở rộng thêm kiến thức chuyên môn nhằm có thểã nghiên cứu sâu hơn nữa về vấn đề này nh xét kĩ hơn các ảnh hởng của môi trờng, của các thiết bị truyền dẫn , mở rộng phạm vi nghiên cứu ,đa ra các phơng án giải quyết mang tính khả thi hơn và hi vọng rằng chúng ta sẽ còn tiếp tục nghiên cứu về vấn đề này ở mức độ sâu sắc hơn nữa.