Bài giảng truyền dẫn vô tuyến số _TS.Nguyễn Phạm Anh Dũng

Bài giảng truyền dẫn vô tuyến số _TS.Nguyễn Phạm Anh Dũng

open.ptit.edu.vn LI NÓI U S phát trin nhanh chóng ca công ngh thông tin vô tuyn trong nhng nm qua và d báo s bùng phát ca công ngh này trong nhng nm ti s dn ti s thiu ht ngun nhân lc có trình đ và kinh nghim cao trong lnh vc này. Các trng đi hc trên th gii đã và đang nghiên cu nhiu chng trình và bin pháp đ có th đào to các chuyên gia và các k s vô tuyn có trình đ cao. Môn hc "Truyn dn vô tuy n s" là mt trong s các môn hc liên quan đn lnh vc công ngh vô tuyn đc ging dy ti Hc vin Công ngh Bu chính Vin thông. Mc đích cu môn hc này là cung cp các kin thc c s v truyn dn vô tuyn s đ sinh viên có th hc đc các môn tip theo ca công ngh vô tuyn nh: Lý thuyt tri ph và đa truy nhp, Thông tin v tinh, Thông tin di đng, và các chuyên đ t chn. Cun sách này bao gm các bài ging v môn hc "Truyn dn vô tuyn s" đc biên son theo chng trình đi hc công ngh vin thông ca Hc vin Công ngh Bu chính Vin thông cho đi tng sinh viên đc đào to t xa. Cun sách này chia là by chng đc b cc hp lý cùng vi nhiu bài tp và đáp án c th cho tng bài tp đ sinh viên có th t  hc. Mi chng đu có phn gii thiu chung, ni dung, tng kt, câu hi và bài tp. Cui cun sách là hng dn tr li và đáp án cho các bài tp. Cun sách này đc biên son trên c s sinh viên đã hc các môn nh: Anten và truyn sóng, và các môn c s liên quan. Do hn ch ca thi lng nên cun sách này ch bao gm các phn cn bn liên quan đn các kin thc cn bn v  truyn dn vô tuyn s.  nâng cao kin thc v lnh vc này sinh viên có th tìm hiu thêm các tài liu tham kho cui sách. Tác gi TS. Nguyn Phm Anh Dng open.ptit.edu.vn 2 open.ptit.edu.vn Chng 1 . Gii thiu chung 3 CHNG 1: GII THIU CHUNG 1.1. GII THIU CHUNG 1.1.1. Các ch đ đc trình by trong chng • Vai trò ca truyn dn vô tuyn s trong mng vin thông • c đim ca truyn dn vô tuyn s • Các bin pháp khc phc đ nâng cao cht lng truyn dn vô tuyn s • S đ khi chung ca mt kênh truyn dn vô tuyn s • B cc giáo trình 1.1.2. Hng dn • Hc k các t liu đc trình by trong chng • Tham kho thêm [7] 1.1.3. Mc đích chng • Hiu vai trò ca truyn dn vô tuyn s trong vin thông • Bit u nhc và các bin phap ci tin truyn dn vô tuyn s • Hiu đc tng quan nhng vn đ s nghiên cu  các chng sau trong tài liu 1.2. VAI TRÒ CA TRUYN DN VÔ TUYN S TRONG MNG VIN THNG Các h thng vô tuyn s là các h thng thông tin vô tuyn s đc s dng trong các đng truyn dn s gia các phn t khác nhau ca mng vin thông. Các h thng vô tuyn s có th đc s dng nh là: • Các đng trung k s ni gia các tng đài s. • Các đng truyn dn ni tng đài chính vi các tng đ ài v tinh (các tng tp trung thuê bao đt xa) • Các đng truyn dn ni các thuê bao vi tng đài chính hoc tng đài v tinh. • Các b tp trung thuê bao vô tuyn. • Trong các h thng thông tin di đng đ kt ni các máy di đng vi mng vin thông. • Trong các h thng đin thoi không dây s đ kt máy cm tay vô tuyn vi tng đài ni h t. open.ptit.edu.vn Chng 1 . Gii thiu chung 4 Các h thng truyn dn vô tuyn s là các phn t quan trng cu mng vin thông. Tm quan trng này càng đc khng đnh khi các công ngh thông tin vô tuyn mi nh thông tin di đng đc đa vào s dng rng rãi trong mng vin thông. S  đ tng quát ca mng vin thông s công cng  hình 1.1 cho thy vai trò nói trên ca các h thng truyn dn vô tuyn s. T  hình 1.1 ta thy các t ng đài ni ht (LS: Local Switching Center) đc ni vi nhau trong mng liên tng đài qua tng đài quá giang (TS: Transit Switching Center) nh mng truyn dn s. Môi trng truyn dn có th là: quang, vi ba mt đt hoc v tinh. Trc ht các lung s ra t tng đài đc ghép chung thành mt lung tng tc đ cao đ tit kim kênh truyn dn, sau đó đc đa lên các thit b đu cu i quang, vô tuyn s mt đt hoc v tinh ri phát vào môi trng truyn dn tng ng. M ng ni ht là mng cho phép kt ni các máy đu cui (TE: Terminal Equipment) vi tng đài ni ht. Vic kt ni này có th thông qua mt trm tp trung thuê bao đt xa (RSC Remote Subscriber Concentrator) hay tng đài v tinh. Trc ht lu lng ti t các thuê bao đc tp trung vào các lung s, sau đó các lu ng s này đc truyn đn các tng đài ni ht LS qua các đng truyn dn: quang, vi ba mt đt hoc v tinh. Các b tp trung có th là hu tuyn hoc vô tuyn. Các b tp trung vô tuyn (Radio Concentrator) s dng các nguyên tc đa truy nhp: FDMA (Frequency Division Multiple Access: đa truy nhp phân chia theo tn s), TDMA (Time Division Multiple Access: đa truy nhp phân chia theo thi gian) và CDMA (Code Division Multiple Access): đa truy nhp phân chia theo mã) đ tp trung lu lng s t các thuê bao vào tng đài. M t dng thit b đu cui rt tin li và ngày càng ph bin trong tng lai đó là các máy vô tuyn cm tay. Các máy cm tay này có th là các thit b cm tay ca h thng di đng hoc các máy thoi không dây s ca mng ni ht. Các thit b này đc kt ni vi tng đài LS qua đng truyn dn vô tuyn s mt đt hoc v tinh nh tr m thu phát gc vô tuyn (BS: Base Station). Công ngh đc s dng đ kt ni các máy vô tuyn cm tay vi tng đài có th là FDMA, TDMA hoc CDMA. Trong tng lai các máy cm tay vô tuyn có th chim 50% các máy đu cui TE. open.ptit.edu.vn Chng 1 . Gii thiu chung 5 RSC Mạng nội hạt G h é p k ê n h G h é p k ê n h G h é p k ê n h G h é p k ê n h LS LS TS B S H T h ô n g t i n d i đ ộ n g / đ i ệ n t h o ạ i k h ô n g d â y TE TE Mạng nội hạt TE TE BS H T h ô n g t i n d i đ ộ n g / đ i ệ n t h o ạ i k h ô n g d â y Mạng liên tổng đài Ký hiệu: LS: Tổng đài nội hạt,TS: Tổng đài quá giang BS: Trạm vô tuyến gốc, H: Máy cầm tay RSC: Bộ tập trung thuê bao xa, TE: Thiết bị đầu cuối RSC Hỡnh 1.1. S tng quỏt mụ t ng dng truyn dn vụ tuyn s trong mng vin thụng S d truyn dn vụ tuyn s úng mt vai trũ rt quan trng trong mng vin thụng hin nay cng nh trong tng lai vỡ hai li th sau õy: * Linh hot v di ng. Tuy nhiờn truyn dn vụ tuyn cng cú rt nhiu nhc im m cỏc nh thit k cỏc h thng c n khc phc cú th s dng hiu qu phng thc truyn dn ny. 1.3. C IM TRUYN DN Vễ TUYN S So vi cỏc h thng truyn dn khỏc h thng truyn dn vụ tuyn s cú rt nhiu hn ch do mụi trng truyn dn l mụi trung h v bng tn hn ch. Mụi trng truyn dn h dn n nh hng sau õy khi s dng cỏc thit b vụ tuyn s: Chu nh hng rt ln vo mụi trng truyn dn : khớ h u thi tit. Chu nh hng rt ln vo a hỡnh: mt t, i nỳi, nh ca cõy ci . Suy hao trong mụi trng ln Chu nh hng ca cỏc ngun nhiu trong thiờn nhiờn: phúng in trong khớ quyn, phỏt x ca cỏc hnh tinh khỏc (khi thụng tin v tinh) . Chu nh hng nhiu cụng nghip t cỏc ng c ỏnh la bng tia la in Chu nh hng nhiu t cỏc thit b vụ tuyn khỏc. open.ptit.edu.vn Chng 1 . Gii thiu chung 6 • D b nghe trm và s dng trái phép đng truyn thông tin M t nh hng rt nguy him  các đng truyn dn vô tuyn s là pha đinh. T giáo trình truyn sóng ta đã bit phađinh là hin tng thng giáng tht thng cu cng đ đin trng  đim thu. Nguyên nhân pha đinh có th do thi tit và đa hình thay đi làm thay đi điu ki n truyn sóng. Pha đinh nguy him nht là pha đinh nhiu tia xy ra do máy thu nhn đc tín hiu không phi ch t tia đi thng mà còn t nhiu tia khác phn x t các đim khác nhau trên đng truyn dn. Các h thng truyn dn vô tuyn s phi đc trang b các h thng và thit b chng pha đinh hu hiu. Truyn dn vô tuyn s đc thc hi n  di tn t 1 GHz đn vài chc GHz, trong khi đó truyn dn quang đc thc hin  tn s vào khong 2.10 6 GHz (nu coi λ=1500 nm) vì th bng tn truyn dn vô tuyn s rt hp so vi quang.  minh ho điu này ta có th xét thí d sau. Nu coi rng bng tn truyn dn chim 5% tn s mang trung tâm thì: i vi truyn dn vô tuyn  tn s 10GHz , bng tn cho phép vào khong: 10 GHz×0,05=0,1GHz i vi truyn quang  bc sóng λ=1500 nm hay tn s f=C/λ= 3.10 8 /1500.10 -9 = 2.10 14 Hz=2.10 5 GHz, bng tn truyn dn cho phép vào khong 2.10 5 ×0,05=0,1.10 5 GHz T  thí d trên ta thy đ rông bng tn cho phép  truyn dn quang gp 10 5 ln đ rng bng tn truyn dn vô tuyn. Ngoài ra di tn s thp (t 1 đn 6 GHz) đc a s dng hn vì suy hao  vùng tn s này thp hn. iu này dn đn dung lng truyn dn ca các đng truyn dn vô tuyn s rt b hn ch. Tuy nhiên truyn dn vô tuyn s có hai u đi m tuyt vi mà không h thng truyn dn nào có th sánh đc: • Linh hot: có th trin khai h thng truyn dn s rt nhanh và khi không cn thit có th tháo g và nhanh chóng chuyn sang lp đt  v trí khác ca mng vin thông. u đim này cho phép các nhà khai thác phát trin mng vin thông nhanh chóng  các vùng c s h tng vin thông cha phát trin vi vn đu t th p nht. • Di đng: ch có truyn dn vô tuyn mi đáp ng đc thông tin mi ni mi thi đim ca các khách hàng vin thông. Nhu cu này không ngng tng  th k 21 khi nhu cu đi li ca con ngi ngày càng tng. Ngoài các u đim trên thông tin vô tuyn là phng tin thông tin duy nht cho các chuyn bay vào các hành tinh khác, thông tin đo hàng, đnh v  phát huy đc các u đim và kh c phc các nhc đim ca truyn dn vô tuyn s các nhà thit k các thit b và h thng truyn dn vô tuyn s phi s dng các bin pháp công ngh x lý s và các công ngh vô tuyn hin đi. Di đây ta s xét tng quan các công ngh này. open.ptit.edu.vn Chng 1 . Gii thiu chung 7 1.4. CÁC BIN PHÁP KHC PHC CÁC NHC IM  NÂNG CAO CHT LNG TRUYN DN VÔ TUYN S  khc phc các nh hng khác nhau lên truyn dn vô tuyn s do môi trng truyn dn h, các bin pháp k thut sau đây đc s dng: • T chc quy hoch s dng tài nguyên vô tuyn hp lý • T chc cu hình h thng hp lý • S dng các công ngh x lý s phc tp • Hoàn thin các mch đi n vô tuyn 1.4.1. T chc quy hoch s dng tài nguyên vô tuyn  các thit b vô tuyn s không gây nhiu cho nhau các thit b này không đc s dng đng thi các tài nguyên vô tuyn mà phi s dng chúng mt cách luân phiên. Ba tài nguyên vô tuyn sau đây cn đc chia s dùng chung cho các thit vô tuyn s đ chúng không gây nhiu cho nhau: tn s, thi gian và nng lng. Các h thng vô tuyn s s dng luân phiên tài nguyên tn s đc gi là phân chia theo tn s (FD: Frequency Division). Các h thng vô tuyn s s dng luân phiên tài nguyên thi gian đc gi là phân chia theo thi gian (TD: Time division). Cui cùng các h thng vô tuyn s s dng vi phân chia nng lng đc gi là thit b phân chia theo mã (CD: Code Division).  thc hin phân chia theo tn s ITU-R và các t chc vô tuyn ln khác ca quc t nh: FCC ca M (Federal Communication Commission: U ban thông tin liên bang), ARIB cu Nht (Association of Radio Industry and Bussiness: Liên hip kinh doanh và công nghip vô tuyn) đa ra các khuyn ngh quy hoch tn s. Các khuy n ngh này quy đnh các kênh tn s đc s dng, khong cách gia các kênh này, phân cc gia các kênh . Da trên các khuyn ngh này các quc gia s quy hoch tn s cho mình. Các h thng FD, TD và CD thng đc s dng trong các h thng đa truy nhp cho các mng thông tin vô tuyn s ni ht và di đng. Vic t chc hp lý TD và CD s cho phép tng đáng k dung lng ca các h thng vô tuyn s  s dng các phng thc đa truy nhp này. Do tài nguyên vô tuyn b hn ch (bng tn truyn dn hp) đ tit kim tài nguyên này các phng pháp quy hoch tài nguyên vô tuyn phi cho phép tái s dng tt nht các tài nguyên vô tuyn. Vn đ này s đc trình by c th trong giáo trình "a truy nhp vô tuyn" và các phn thit k mng thông tin vô tuyn  các giáo trình chuyên môn nh: "H thng truyn d n vô tuyn s", "Thông tin di đng" và "Thông tin v tinh". 1.4.2. T chc cu hình hp lý T  chc cu hình cho các h thng thông tin vô tuyn s đm bo hot đng ca các h thng này trong trng hp xy ra s c. Thông thng có th xy ra hai loi s c sau: • S c thit b • S c đng truyn (gây ra do phađinh) open.ptit.edu.vn Chng 1 . Gii thiu chung 8  đm bo truyn dn tin cy thông tin  h thng vô tuyn s, các h thng này đc trang b thêm các thit b hay h thng bo v. i vi trng hp s c th nht bên cnh thit b công tác đ truyn thông tin còn có thit b d phòng đ tip nhn truyn tin t thit b công tác khi thit b này b s c . i vi s c th hai mt hay nhiu đng truyn dn truyn dn d phòng đc lp cu hình bên cnh các h thng thng công tác. Khi đng truyn dn  h thng công tác b s c, thông tin  các h thng này s đc chuyn sang truyn  các đng truyn d phòng. Các đng truyn d phòng  các h thng này đc gi là các đ ng phân tp. Tn ti các phng pháp phân tp sau đây  các h thng truyn dn vô tuyn s: • Phân tp không gian • Phân tp tn s • Phân tp phân cc • Phân tp góc • Phân tp thi gian  dng phân tp th nht ngi ta coi rng xác sut xy ra đng thi phađinh  hai đim không tng quan trong không gian là rt nh. Vì th n u  phía thu ta đt hai anten thu  hai đim không tng quan trong không gian thì ta có th luôn luôn thu đc tín hiu tt và bng các kt hp (hoc chn) tín hiu gia hai đng truyn này ta s đc mt tín hiu tt.  dng phân tp th hai ngi ta coi rng xác sut xy ra đng thi phađinh  hai tn s không tng quan vi nhau là rt nh. Vì th nu  s dng hai h th ng truyn dn s  hai tn s khác thì ta có th luôn luôn thu đc tín hiu tt và bng các kt hp (hoc chn) tín hiu gia hai đng truyn này ta s đc mt tín hiu tt. Các dng phân tp th ba và bn cng s dng thêm mt h thng d phòng  phân cc và góc khác vi h thng chính đ kt hp (hoc chn) tín hiu gia hai đ ng truyn to nên mt tín hiu tt. i vi dng phân tp cui cùng, lung s cn truyn đc chia thành các khi bn tin khác nhau, các khi bn tin này đc truyn lp  mt s thi đim khác nhau đ phía thu có th chn ra các khi bn tin tt nht. 1.4.3. S dng các công ngh x lý tín hiu s phc tp  chng nh hng ca môi trng h các h thng truyn dn s s dng các công ngh x lý tín hiu s phc tp hn các h thng truyn dn hu tuyn khác. Các công ngh x lý tín hiu s sau đây thng đc s dng  các h thng truyn dn s: • Mã hoá kênh chng li • an xen • Ng u nhiên hoá • Cân bng thích ng open.ptit.edu.vn Chng 1 . Gii thiu chung 9 • Mt mã hoá tín hiu đ bo mt thông tin và chng li các k truy nhp trái phép đng truyn. Các công ngh x lý s này đc đa vào phn x lý bng tn gc ca các thit b vô tuyn s đ tng thêm tính chng phađinh và nhiu ca các thit b này.  tit kim đ rng bng tn truyn dn ngoài các bin pháp quy hoch tài nguyên vô tuyn h p lý nh đã nói  trên, cn la chn k thut điu ch thích hp. K thut điu ch kt hp mã hoá là k thut đc quan tâm nhiu nht cho mc đích này. 1.4.4. Hoàn thin các mch đin vô tuyn Các mch đin vô tuyn ngày càng hoàn thin đ hot đng có hiu qu hn và tiêu tn ít nng lng hn. Các công ngh bán dn mi đc đa vào s dng trong các mch điên siêu cao tn cho phép gim kích c thit b, tiêu thu ít nng lng, tng cng đ nhy và lc nhiu. 1.5. S  KHI CHUNG CA KÊNH TRUYN DN VÔ TUYN S S  đ khi chung ca mt kênh truyn dn vô tuyn s đc cho  hình 1.2. Vai trò ca các khi chc nng trong s đ hình 1.2 nh sau: 1.5.1. Phía phát • Khi K và giao din đng s có các chc nng sau: √ Phi kháng vi đng s √ Khuych đi và cân bng cáp đng truyn s √ Bin đi mã đng vào mã máy √ Tái sinh tín hiu s √ Khôi phc xung đng h • Khi x lý s bng gc phát: √ Ghép thêm các thông tin điu khin và qun lý đng truyn √ M t mâ hoá các thông tin quan trng √ Mã hoá kênh chng li √ Ngu nhiên hoá tín hiu s trc khi đa lên điu ch • Khi điu ch và bin đi nâng tn: √ iu ch sóng mang bng tín hiu s đ chuyn đi tín hiu s này vào vùng tn s cao thun tin cho vic truyn dn √ i vi các máy phát đi tn vi điu ch thc hin  trung tn khi bin đi nâng tn cho phép chuyn tín hiu trung tn phát vào tn s vô tuyn trc khi phát. • Khi khuych đi công sut: open.ptit.edu.vn Chng 1 . Gii thiu chung 10 √ Khuych đi công sut phát đn mc cn thit trc khi đa phát vào không trung. 1.5.2. Phía thu: • Khuych đi tp âm nh: √ Khuych đi tín hiu thu yu trong khi khuych đi rt ít tp âm • Bin đi h tn, khuych đi trung tn và gii điu ch : √ i vi máy thu đi tn trc khi gii điu ch tín hiu thu đc bin đi vào trung tn thu nh khi bin đi h tn. Trong quá trình bin đi h tn do sut hin tn s nh gng nên khi bin đi h tn thng làm thêm nhim v trit tn s nh gng. √ i vi các máy thu đi tn sau bin đi h tn là khuych đi trung tn. Nhim v ca khi chc nng này là khuych đi, lc nhiu kênh lân cn và cân bng thích ng  vùng tn s  cng nh cân bng tr nhóm  các phn t ca kênh truyn dn . √ Gii điu ch tín hiu thu đ phc hi tín hiu s • X lý s bng tn gc thu: Thc hin các chc nng ngc vi khi x lý s bng gc phát nh: √ Gii ghép xen √ Gii mã kênh √ Gii ngu nhiên √ Phân lung cho lung s chính và lung s điu khin qun lý đng truyn √ Cân bng thích ng  vùng thi gian đ gim thiu nh hng ca phađinh • Khuych đi và giao đin đng s: √ Khuych tín hiu s đn mc cn thit trc khi đa ra ngòai máy √ Bin đi mã máy vào mã đng √ Phi kháng v i đng s . các k s vô tuyn có trình đ cao. Môn hc "Truyn dn vô tuy n s" là mt trong s các môn hc liên quan đn lnh vc công ngh vô tuyn đc. truyn dn vô tuyn s.  nâng cao kin thc v lnh vc này sinh viên có th tìm hiu thêm các tài liu tham kho cui sách. Tác gi TS. Nguyn Phm Anh Dng