Truyền sóng chương 4

BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN Chương IV: Kỹ thuật truyền sóng Nội dung chương 4.1 Giới thiệu chung truyền sóng Tính chất sóng điện từ; Các phương pháp truyền lan sóng; Q trình truyền lan sóng khơng gian tự 4.2 Truyền lan sóng cực ngắn Truyền lan điều kiện lý tưởng; Truyền lan điều kiện thực; Phadinh biện pháp chống 4.3 Kênh truyền sóng vơ tuyến Đặc tính kênh truyền sóng di động; Các mơ hình kênh vơ tuyến di động; Đánh giá đặc tính kênh BÀI GIẢNG MƠN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN Chương IV: Kỹ thuật truyền sóng 4.1 vấn đề chung truyền sóng  Lịch sử:  1844: Truyền điện báo  1878: Thoại  1897: Điện báo không dây  1904-1915: Khuếch đại dùng TZT, dao động BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN Chương IV: Kỹ thuật truyền sóng 4.1 vấn đề chung truyền sóng  Đặc điểm a Ưu điểm  Tính di động  Linh hoạt b Nhược điểm  Chịu nhiều ảnh hưởng môi trường đường truyền hở: Suy hao, chất lượng không ổn định, nhiễu ngoài, bảo mật  Băng tần hạn chế  Hiện tượng phading BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN Chương IV: Kỹ thuật truyền sóng 4.1 vấn đề chung truyền sóng  Các tính chất sóng điện từ Nhắc lại kiến thức học  Sóng điện từ gồm thành phần E (V/m) H (A/m)  Biểu thức sóng điện từ  Trở kháng sóng  Hằng số truyền sóng  Mật độ cơng suất  Các kiểu phân cực sóng điện từ BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN Chương IV: Kỹ thuật truyền sóng 4.1 vấn đề chung truyền sóng  Khái niệm • Sóng điện từ q trình biến đổi lượng tuần hồn điện trường từ trường làm cho lượng điện từ lan truyền khơng gian  Đặc điểm • Sóng điện từ có hai thành phần: + Điện trường : E (V/m) + Từ trường : H (A/m) Đây hai đại lượng vectơ (có phương, chiều, độ lớn), có quan hệ mật thiết với q trình sóng truyền lan khơng gian • Các nguồn xạ sóng điện từ thường có dạng sóng cầu sóng trụ, nghiên cứu ta chuyển dạng sóng phẳng BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN Chương IV: Kỹ thuật truyền sóng 4.1 vấn đề chung truyền sóng  Biểu thức quan hệ thành phần • Nghiên cứu với sóng điện từ phẳng, truyền lan môi trường điện môi đồng đẳng hướng • Biểu diễn sóng điện từ hệ phương trình Maxwell dạng vi phân:  ε ∂E x =− ∂t   ∂E  x = −µ ∂z (1.1) ∂H y µ: Hệ số từ thẩm z: Cự ly truyền sóng t: Thời gian ∂t  ∂z + ε: Hệ số điện môi ∂H y Giải hệ  E x = F1  t−  H y = G1  t −  z   + F2  t + v z   v + G2  t+  F, G: Các hàm sóng z  v v: Vận tốc truyền lan sóng (m/s) (1.2) z  v ∂z v= ε.µ = ∂t BÀI GIẢNG MƠN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN Chương IV: Kỹ thuật truyền sóng 4.1 vấn đề chung truyền sóng  Biểu thức quan hệ thành phần • Trở kháng sóng, Z: Biểu thị ảnh hưởng mơi trường tới q trình truyền sóng E µ Z= + = ε (Ω ) H Với không gian tự −9 −7 (H / m ); µ = 4π.10 v= = 3.10 µ0 = 120π ε = 10 ε0µ0 Z0 = ε0 (m / s ) = c (Ω ) 36π (F / m ) BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN Chương IV: Kỹ thuật truyền sóng 4.1 vấn đề chung truyền sóng  Biểu thức quan hệ thành phần • Biến đổi Fourier biểu diễn sóng điện từ dạng tín hiệu điều hòa E x = E m cos ω Em ( t−z v ) ( = E m cos ωt − kz y v Z H = k= ( cos ω t − z ω 2π.f 2π.f = = f λ ) = = ) EZm 2π v ( cos ωt − kz ) c λ k: Hệ số sóng, đặc trƣng cho thay đổi pha sóng + Nhận xét: Khi sóng truyền lan, điểm thành phần từ trường điện trường có pha biên độ liên hệ qua công thức (1.5) BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN Chương IV: Kỹ thuật truyền sóng 4.1 vấn đề chung truyền sóng  Biểu thức quan hệ thành phần • Thơng lượng lượng sóng điện từ, S S = [ E × H] + Thơng lượng lượng trung bình S avg = R e ( EìH Súng in t ngang, TEM Hình 1.3 Sóng TEM ) = E m H m = Em 2.Z ( ) W/m BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN Chương IV: Kỹ thuật truyền sóng 4.1 vấn đề chung truyền sóng  Mặt sóng + Sóng điện từ lan tỏa khơng gian, điểm sóng điện từ đặc trưng pha cường độ • Mặt sóng: Là quỹ tích điểm khơng gian sóng điện từ có pha cường độ • Hai dạng mặt sóng đặc biệt: Mặt sóng phẳng, mặt sóng cầu • Q trình truyền lan sóng điện từ: Tính chất sóng + Sóng điện từ xạ không gian dạng vô số mặt sóng liên tiếp + Nguồn xạ sóng điện từ đóng vai trò nguồn xạ sơ cấp + Q trình sóng truyền lan, mặt sóng tạo đóng vai trò nguồn xạ thứ cấp tạo mặt sóng tiếp sau BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN 4.3 Kênh truyền sóng vơ tuyến Mối quan hệ thời đoạn tương hỗ Tc độ rộng bít tín hiệu Ts • Fading biến đổi nhanh - Fast Fading • Fading biến đổi chậm - Slow Fading 71 BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN 4.3 Kênh truyền sóng vơ tuyến Giải pháp phading • • • • • • • Thay đổi bite rate > f_dropler Sử dụng feedback (bù) tần số để đồng phát-thu Sử dụng pilot sóng mang để đồng ước lượng kênh Theo dõi liên tục tín hiệu thu Điều khiển cơng suất phát/thu Thay đổi vị trí đặt trạm BTS 72 BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN 4.3 Kênh truyền sóng vơ tuyến  Phân loại kênh vơ tuyến • Theo phạm vi không gian + - + Phadinh phạm vi rộng Khoảng cách đánh giá kênh lớn (vài km), phađinh xảy thời gian dài Phadinh phạm vi hẹp - Khoảng cách đánh giá kênh nhỏ, phađinh xảy thời gian ngắn (phađinh nhanh, tượng đa đường) • Theo đặc tính kênh + + Phân tập khơng gian: Đặc tính kênh thay đổi theo không gian (phadinh chọn lọc không gian) Phân tập tần số: Đặc tính kênh thay đổi theo tần số (phadinh chọn lọc tần số) + Phân tập thời gian: Đặc tính kênh thay đổi theo thời gian (phadinh chọn lọc thời gian) 73 BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN 4.3 Kênh truyền sóng vơ tuyến 74 BÀI GIẢNG MƠN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN 4.3 Kênh truyền sóng vơ tuyến S 4.3.3 Kênh miền tần số • Điều biến tần số + Gây hiệu ứng Doppler: Dịch tần số doppler, f + Tín hiệu đa đường từ phương khác làm tăng độ rộng băng tần tín α A hiệu, gọi trải phổ doppler • Chọn lọc tần số + v Một số đoạn phổ tín hiệu qua kênh chọn lọc tần số bị ảnh hưởng nhiều Hình 3.4 Hiệu ứng Doppler (thay đổi theo tần số) + B Phadinh chon lọc tần số làm méo tín hiệu 75 BÀI GIẢNG MƠN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN 4.3 Kênh truyền sóng vô tuyến 4.3.4 Kênh miền thời gian  Miền thời gian + Các kênh vô tuyến thay đổi theo thời gian (phadinh chọn lọc thời gian) + Biểu diễn tín hiệu thu (3.4) ∞ y (t ) = ∫ x (τ) h(t ,τ) dτ = x (t ) ∗ h(t ,τ) −∞ x(t): Tín hiệu phát h(t,τ): Đáp ứng xung kim kênh vô tuyến với trễ + τ: Trễ đa đường τ Ảnh hưởng đa đường kênh vô tuyến trải trễ (phân tán thời gian), nghiêm trọng với hệ thống tốc độ cao "1" Hình 3.5 Ảnh hưởng trải trễ "0" "0" "1" 76 BÀI GIẢNG MƠN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN 4.3 Kênh truyền sóng vô tuyến 4.3.4 Kênh miền thời gian  Miền thời gian • Trải trễ trung bình qn phương, RDS (Root mean square Delay Spread) P(τk): Cơng suất trung bình đa đường với trễ τk + RDS biểu thị trễ so với đường đến sớm (LOS – Line Of Sight) + RDS đánh giá ảnh hưởng ISI (InterSymbol Interference) 77 BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN 4.3 Kênh truyền sóng vơ tuyến 4.3.4 Kênh miền thời gian  Miền thời gian • Trễ trội cực đại + Trễ trội cực đại tại, X dB, trễ thời gian mà lượng đa đường giảm X dB so với lượng cực đại • Thời gian quán, Tc + Là thời gian kênh tương quan mạnh với tín hiệu thu + Tc xác định tính tĩnh kênh, ký hiệu truyền qua kênh chịu ảnh hưởng phadinh (không phụ thuộc thời gian; kênh phadinh chậm) 78 BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN 4.3 Kênh truyền sóng vơ tuyến Đặc tính kênh miền  Quan hệ thông số miền khác • Băng thơng qn trải trễ trung bình qn phương + Băng thơng qn, Bc, dải tần mà kênh có đặc tính tĩnh theo tần số, tác động kênh lên thành phần phổ dải tần + Với tương quan tần số 0,5 B (3.8) c • Thời gian quán trải doppler (3.9) TC ≈ fd 79 BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN 4.3 Kênh truyền sóng vơ tuyến 4.3.5 Quan hệ thơng số miền khác • Mơ hình Rayleigh • Mơ hình Rice 80 BÀI GIẢNG MƠN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN 4.3 Kênh truyền sóng vơ tuyến Phân tập  Phân tập • Thơng tin truyền đồng thời nhiều đường độc lập để đạt độ tin cậy truyền dẫn cao (các đường truyền không tương quan nhau) + Phân tập thời gian: Các ký hiệu truyền phân tán khoảng thời gian khác đảm bảo tính độc lập (mã hóa đan xen) + Phân tập tần số: Các ký hiệu phát hai tần số độc lập (cách khoảng độ rộng băng tần quán) + Phân tập phân cực: Các ký hiệu phát hai phân cực chéo đảm bảo tính độc lập + Phân tập không gian: Các ký hiệu đến điểm thu theo đường độc lập (sử dụng nhiều anten phát thu đặt khoảng cách đủ xa) • SIMO: Single Input Multiple Output MISO: Multiple Input Single Output MIMO: Multiple Input Multiple Output 81 BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN 4.3 Kênh truyền sóng vơ tuyến Phân tập • Phân tập khơng gian + Sử dụng hai anten trở lên cho thu phát - Bố trí cách > 5λ theo phương thẳng đứng Khoảng cách đảm bảo tín hiệu hai kênh không tương quan + Đồng thời truyền tín hiệu hai kênh - Do hai kênh độc lập nên không bị phadinh đồng thời  Kết hợp tín hiệu từ anten để nhận tín hiệu tốt Là phương pháp sử dụng phổ biến, chống phadinh phẳng phadinh lựa chọn, thường sử dụng phân tập không gian thu Rx f Kết hợp Số liệu vào Rx Tx f 82 BÀI GIẢNG MƠN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN 4.3 Kênh truyền sóng vơ tuyến Phân tập • Phân tập tần số + Sử dụng hai cặp máy thu/phát làm việc hai tần số khác - Các tần số phải có khoảng cách đảm bảo không tương quan phadinh với Tạo nên hai kênh vô tuyến độc lập - + Đồng thời truyền tín hiệu hai kênh - Do hai kênh độc lập nên không bị phadinh đồng thời  Kết hợp tín hiệu từ máy thu để nhận tín hiệu tốt Là phương pháp sử dụng không hiệu tần số, phức tạp cấu hình, hiệu chống phadinh lựa chọn tần số Tx1 Rx1 SW f1 Số liệu vào Số liệu Tx2 f2 Rx2 Hình 3.8 Phân tập tần số 83 BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN 4.3 Kênh truyền sóng vơ tuyến Phân tập • Phân tập thời gian - + Phadinh sâu xảy thời gian ngắn gây lỗi cụm Phân tán thời gian tín hiệu phát để khắc phục lỗi cụm - Phân tán lỗi khoảng thời gian rộng  Duy trì chất lượng tuyền dẫn trung bình giá trị đảm bảo yêu cầu + Thực kỹ thuật đan xen tín hiệu trước phát Là phương pháp hiệu việc chống lỗi khối, sử dụng phổ biến Hình 3.9 Phân tập thời gian 84 BÀI GIẢNG MƠN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN Bài tập • •  Cho tuyến xuống băng Ku hệ thống thông tin vệ tinh Vinasat_1 có thơng số sau: Tần số tuyến xuống 12GHz Tổn hao mưa pha đinh toàn tuyến 10dB Bỏ qua tổn hao ghép nối khuếch đại anten (cả vệ tinh trạm mặt đất) • Vệ tinh: Cơng suất khuếch đại phát P = 60W, anten parabol có hệ số tăng ích G T = 38dB Trạm mặt đất thành phố Hà Nội: Khoảng cách từ vệ tinh Vinasat_1 đến trạm mặt đất Hà Nội R = 37.000km Anten parabol có hiệu suất = 0.6 Độ nhạy máy thu – 100dBm • Yêu cầu: a Tính cơng suất xạ đẳng hướng tương đương vệ tinh b Tính tổn hao khơng gian tự sóng lan truyền từ vệ tinh xuống trạm mặt đất c Tính đường kính anten thu trạm mặt đất để đảm bảo thu tốt 85 ... ANTEN Chương IV: Kỹ thuật truyền sóng 4. 1 vấn đề chung truyền sóng  Phân cực sóng BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN Chương IV: Kỹ thuật truyền sóng 4. 1 vấn đề chung truyền sóng  Phân chia sóng. .. ANTEN Chương IV: Kỹ thuật truyền sóng 4. 1.1 Các phương pháp truyền lan sóng điện từ  Sóng tầng điện ly (sóng trời) • Ngun lý + Lợi dụng đặc tính phản xạ sóng tầng điện ly với băng sóng ngắn + Sóng. .. EìH Sóng điện từ ngang, TEM Hình 1.3 Sóng TEM ) = E m H m = Em 2.Z ( ) W/m BÀI GIẢNG MÔN: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ VÀ ANTEN Chương IV: Kỹ thuật truyền sóng 4. 1 vấn đề chung truyền sóng  Mặt sóng + Sóng