Chuong2 các cơ sở về sóng vô tuyến - pha đinh - thiết bị vi ba số

15 Chơng Các sở sóng vô tuyến - Pha đinh - Thiết bị vi ba số 2.1 Khái niệm sóng vô tuyến Sóng vô tuyến sóng điện từ có tần số từ 30KHz đến 300GHz đợc chia băng tần LF, HF, VHF, UHF băng tần cao dùng cho thông tin vệ tinh Các sóng vô tuyến lan truyền theo phơng thức khác đợc biểu diễn nh sau: Sóng trời (tầng điện ly) Sóng đất Sóng bề mặt Sóng không gian Sóng truyền trực tiếp Sóng phản xạ từ mặt đất Sóng phản xạ từ tầng đối lưu Hình 2.1 Các phương thức truyền sóng vô tuyến Sóng trời (tầng điện ly) Tầng đối lưu Sóng trực tiếp Sóng bề mặt Sóng phản xạ từ mặt đất Trái đất Hình 2.2 Các phương thức truyền sóng vô tuyến 2.1.1 Sóng bề mặt Khi sóng vô tuyến lan truyền dọc theo bề mặt trái đất, lợng truyền dẫn bị tiêu hao Mức độ tiêu hao phụ thuộc vào số điện dẫn điện môi hiệu 16 dụng đất tơng tự nh sóng dọc theo đờng dây Khi tần số sóng 30MHz đất có tác dụng nh dây dẫn gây tiêu hao lớn Do đó, thực tế truyền sóng mặt đất ngời ta thờng chọn sóng có tần số thấp 2.1.2 Sóng không gian Là loại sóng quan trọng thông tin VHF, UHF SHF Năng lợng truyền sóng không gian từ anten phát đến anten thu theo ba đờng truyền tơng ứng với sóng trực tiếp, sóng phản xạ từ mặt đất sóng phản xạ từ tầng đối lu + Sóng trực tiếp Là sóng truyền trực tiếp từ anten phát đến anten thu không bị phản xạ đờng truyền Trong điều kiện truyền lan bình thờng, có biên độ lớn so với sóng khác đến máy thu + Sóng phản xạ đất Sóng đến an ten thu sau lúc phản xạ vài lần từ mặt đất từ vật thể xung quanh Sự phản xạ xuất mặt phẳng đứng mà xuất mặt phẳng ngang Sóng phản xạ tới anten thu có biên độ pha khác với biên độ pha sóng trực tiếp, làm tín hiệu thu không ổn định Nếu hiệu khoảng cách đờng truyền tia phản xạ tia trực tiếp số lẻ lần nửa bớc sóng anten thu sóng phản xạ lệch pha với sóng trực tiếp góc 1800 kết làm suy giảm tín hiệu sóng trực tiếp, đến mức độ phụ thuộc vào biên độ sóng phản xạ + Sóng phản xạ từ bầu khí Do thay đổi số khúc xạ không khí theo độ cao so với mặt đất, nên sóng bị phản xạ, tuỳ theo góc sóng tới xảy phản xạ toàn phần từ tầng đối lu Trong trờng hợp xuất biên giới có tác dụng giống nh bề mặt phản xạ, gửi sóng trở lại mặt đất Một số tia đến an ten thu, làm suy giảm sóng trực tiếp thay đổi pha biên độ gây Sóng truyền theo tầng đối lu lan rộng đến 10 dặm (khoảng 15km) Bầu khí chia làm tầng: + Tầng đối lu: lớp khí từ mặt đất lên đến độ cao khoảng (10-15)km Càng lên cao mật độ phân tử khí giảm, làm thay đổi phơng truyền tia sóng Tầng thích hợp cho việc truyền sóng ngắn + Tầng bình lu: lớp khí nằm miền từ tầng đối lu lên đến độ cao khoảng 60km, tầng có mật độ phân tử khí thấp, chiết suất khí có tác dụng làm khúc xạ tia sóng, đổi phơng truyền, làm cho tia sóng phát từ mặt đất lên tầng bình lu bị đổi phơng truyền quay mặt đất Do thích hợp cho việc truyền sóng cực ngắn + Tầng điện ly (Ionosphere): tầng khí cao nằm từ độ cao (60 - 400)km, miền hấp thụ nhiều tia tử ngoại có lợng lớn, tia có tác dụng phân ly phần tử khí trở thành ion tự do, tầng mật độ phân tử khí giảm thấp Khi tia sóng đợc phát lên tầng điện ly bị phản xạ bẻ cong quay trở lại mặt đất thích hợp cho việc truyền sóng ngắn 2.1.3 Sóng trời (phản xạ từ tầng điện ly) Hình 2.3 biểu diễn tầng điện ly bao quanh mặt đất có độ cao từ 60km đến 400km, chia thành tầng: D, E F Tầng F có phần tầng F1 F2 Càng tầng cao phân tử không khí bị Ion hoá xạ mặt trời, ban ngày nhiều ban đêm Vào ban đêm, xạ mặt trời vùng D E biến 17 F1 F2 kết hợp với thành tầng F Tầng tồn vào ban đêm mật độ không khí thấp nên thời gian tái hợp Ion diễn lâu Tầng F2 Tầng F1 Tầng E Tầng D Trái đất Hình 2.3 Các lớp tầng điện ly Sóng vô tuyến đợc phóng lên tầng điện ly quay trở trái đất nhờ tợng khúc xạ, thực liên lạc địa điểm khác mặt đất Không khí bị ion hoá chứa điện tử tự do, di chuyển có mặt sóng vô tuyến (điện từ trờng) Quá trình tơng tác phức tạp, nhng hiệu ứng chủ yếu giảm số điện môi làm cho sóng vô tuyến bị uốn cong trái đất Tần số cao cần nhiều trình ion hoá để tạo khúc xạ Nếu không bị khúc xạ đủ mạnh bị hấp thụ xuyên qua bầu khí vào không gian Vào ban ngày, lớp D E hấp thụ sóng vô tuyến tơng ứng với tần số lân cận thấp 8MHz 10MHz Còn tần số từ 10MHz đến 30MHz sóng vô tuyến bị khúc xạ tầng F1 F2 quay trái đất Vào ban đêm, lớp D E biến mất, tần số thấp không bị hấp thụ nên chúng đến tầng F bị khúc xạ quay trái đất Đồng thời, tần số cao xuyên qua tất tầng khí để vào không gian Do đó, ngời ta sử dụng sóng vô tuyến có tần số cao 10MHz vào ban ngày dùng tần số thấp vào ban đêm để thực liên lạc sóng vô tuyến mặt đất Tầng F2 Tầng F1 Tầng E Tầng D Trái đất Hình 2.4việc Thực liên nhờtầng lầnđiện khúc Một điểm hạn chế tron truyền sónglạcnhờ lyxạ sóng vô tuyến dải VHF cao (f>30MHz) không quay vê trái đất đợc phóng lên tầng điện ly 18 2.2 Các nhân tố ảnh hởng đến truyền lan sóng vô tuyến 2.2.1 Suy hao truyền lan không gian tự Khoảng không mà sóng truyền lan bị suy hao đợc gọi không gian tự Mức suy hao sóng vô tuyến đợc phát từ anten phát đến anten thu không gian tự tỷ lệ thuận với khoảng cách hai anten tỉ lệ nghịch với độ dài bớc sóng Suy hao gọi suy hao truyền lan không gian tự do, đợc tính nh sau: Lo = 20 log( d ) [dB] (2.1) d[m], [m]: lần lợt khoảng cách truyền dẫn bớc sóng sóng vô tuyến 2.2.2 ảnh hởng pha đinh ma Pha đinh đợc định nghĩa thay đổi cờng độ tín hiệu sóng mang cao tần thu đợc thay đổi khí phản xạ đất, nớc đờng truyền sóng Thực tế cho thấy ảnh hởng ma pha đinh nhiều tia ảnh hởng lan truyền chủ yếu tuyến vô tuyến tầm nhìn thẳng mặt đất làm việc dải tần GHz Vì chúng định tổn hao truyền dẫn định khoảng cách lặp với toàn giá thành hệ vô tuyến chuyển tiếp Pha đinh nhiều tia tăng độ dài tuyến tăng nhiên không phụ thuộc nhiều vào tần số Còn tiêu hao ma tăng lên tần số tăng Chẳng hạn, tuyến sử dụng tần số 35GHz thờng suy hao ma lớn để đảm bảo chất lợng tín hiệu truyền dẫn khoảng cách lặp thờng chọn dới 20km, việc giảm độ dài đờng truyền làm giảm ảnh hởng pha dinh nhiều tia Vậy đờng truyền dài có tần số hoạt động thấp pha đinh nhiều tia ảnh hởng Còn tuyến ngắn có tần số hoạt động cao tiêu hao ma ảnh hởng chủ yếu Bảng 2.1 Kết thực nghiệm suy hao nớc - khí hậu theo tần số sóng vô tuyến Alcatel Suy hao dB/km 6GHz 10GHz 20GHz 40GHz Ma vừa 0,25mm/h 0,013 0,07 0 Ma lớn 5mm/h 0,45 1,5 0,012 0,08 Bão 50mm/h 5,5 13 0,22 1,2 Bão lớn 150mm/h 18 27 1,2 5,5 Cùng mức dự trữ phadinh 40dB, đờng truyền vi ba dải tần 38GHz bị hoàn toàn bão lớn, tuyến vi ba làm việc tần số 6GHz tiếp tục hoạt động bình thờng 2.2.4 Sự can nhiễu sóng vô tuyến Thông thờng nhiễu xảy có thành phần can nhiễu bên trộn lẫn vào sóng thông tin Sóng can nhiễu trùng không trùng tần số với sóng thông tin Chẳng hạn hệ thống Vi ba số sử dụng bị ảnh hởng can nhiễu từ hệ thống vi ba số lân cận nằm khu vực, có tần số sóng vô tuyến trùng gần tần số hệ thống này, bị ảnh hởng trạm mặt đất hệ thống thông tin vệ tinh lân cận 2.3 Pha đinh 19 Pha dinh biến đổi cờng độ tín hiệu sóng mang cao tần anten thu có thay đổi không đồng số khúc xạ khí quyển, phản xạ đất nớc đờng truyền sóng vô tuyến qua Sự biến đổi yếu tố xấu thống thông tin vi ba -Pha đinh phẳng: làm thay đổi tín hiệu sóng mang dải tần số (thay đổi giống tần số dải) -Pha đinh lựa chọn tần số: làm thay đổi tín hiệu sóng mang với mức thay đổi phụ thuộc vào tần số, pha đinh ảnh hởng lớn đến tuyến vi ba số dung lợng cao Hai loại pha đinh xuất độc lập đồng thời dẫn đến làm gián đoạn thông tin Sự thay đổi tín hiệu anten thu phản xạ nhiều tia gọi pha đinh nhiều tia 2.3.1 Pha đinh phản xạ đất Nếu đờng truyền vô tuyến qua mặt đất mặt nớc có độ phản xạ cao pha đinh phản xạ mặt đất pha đinh chủ yếu so với pha đinh phản xạ từ tầng đối lu Đặc biệt với đờng truyền ngắn phản xạ mặt đất làm cho tín hiệu thu thăng giáng ngẫu nhiên điều kiện khí tợng gây làm biến đổi tham số truyền dẫn Nếu đờng truyền vô tuyến qua vùng nh biển, hồ, vùng phẳng ẩm ớt, đầm lầy, mức tín hiệu phản xạ nhỏ 10dB so với mức tín hiệu đờng truyền trực tiếp Nếu trờng hợp tuyến vô tuyến qua địa hình có sơng mù bao phủ có phản xạ toàn phần 2.3.2 Các kỹ thuật giảm ảnh hởng pha dinh nhiều tia Các kỹ thuật đợc sử dụng để giảm ảnh hởng pha dinh phẳng pha đinh lựa chọn tần số nhiều tia dùng phân tập không gian phân tập tần số để nâng cao chất lợng tín hiệu thu Phân tập theo không gian với anten đặt cách theo chiều dọc kết hợp khữ giao thoa phân cực giao Hiệu kỹ thuật đảm bảo không làm gián đoạn thông tin, thờng đợc biểu thị hệ số nâng cao Nhờ áp dụng kỹ thuật phân tập không gian phân tập tần số thời gian gián đoạn thông tin giảm nhỏ so với thời gian yêu cầu để hệ thống đạt đợc tiêu chất lợng đề 2.3.2.1 Phân tập theo không gian Định nghĩa: Phân tập theo không gian kỹ thuật thu phát tín hiệu anten (hoặc nhiều anten) với tần số vô tuyến f Khoảng cách anten máy phát máy thu đợc chọn cho tín hiệu riêng biệt đợc thu không tơng quan tơng ứng với hệ số tơng quan Trong thực tế không đạt đợc giá trị Trong hệ thống thông tin tầm nhìn thẳng ngời ta đa công thức bán kinh nghiệm biểu thị hệ số tơng quan không gian theo khoảng cách trục đứng: s = exp [-0,0021sf(0,4d)1/2] (2.2) Với s: khoảng cách tâm an ten [m] f: Tần số sóng vô tuyến [GHz] d: khoảng cách truyền dẫn [km] Trong biểu thức này, ta bỏ qua sóng phản xạ đất Theo khuyến nghị 376-4 CCIR, ngời ta chọn khoảng cách an ten cho hệ số tơng quan không gian không vợt 0,6 Do sử dụng hệ số nầy để làm ngỡng cho việc sử dụng phân tập 20 Khả cải thiện tín hiệu thu sử dụng cặp anten đợc xác định độ lợi phân tập Ios Ios = 100 4+ Fm s f 10 10 ar (d / 40) (2.3) s: khoảng cách tâm anten [m] f: Tần số sóng mang vô tuyến [GHz] ar: Hệ số khuếch đại tơng đối anten phân tập so với anten chính: ar = 10[(Ad-Am)/20] Ad: hệ số khuếch đại anten phân tập [dB] Am: hệ số khuếch đại anten [dB] d: độ dài tuyến truyền dẫn [Km] Fm: độ dự trữ pha dinh phẳng Bằng mô nhiều lần tìm đợc vị trí tốt cho hai anten, tính đợc vị trí, khoảng cách hai anten phải lớn 150 Thông thờng công thức tính gần cho tuyến có chiều dài (20 ữ 70)Km tần số (2ữ11)GHz E1 S2 T1 f1 R2 f1 f T2 f2 R1 Chuyển mạch Chuyển mạch Div R2 E2 S1 Div R1 Hình 2.6 Phân tập theo không gian sử dụng an ten 2.3.2.2 Phân tập theo tần số Định nghĩa: phân tập theo tần số kỹ thuật thu phát tín hiệu hai kênh (hoặc nhiều hai kênh) tần số sóng vô tuyến Hệ số cải thiện phân tập tần số tính: Fm f 10 I = 0,8 (2.4) 10 fd f Trong đó: f : tần số trung tâm băng tần [GHz] d: độ dài đờng truyền [km] f/f: khoảng cách tần số tơng đối biểu thị % Fm: độ dự trữ pha đinh [dB] Phơng trình với giá trị tham số sau: 21 2GHz< f