Tài liệu đồ án tốt nghiệp thiết kế tuyến truyền vi ba số từ thành phố vinh – thị trấn nam đàn

Đồ án tốt nghiệp LỜI NÓI ĐẦU Với xã hội hiện đại như ngày nay, các hệ thống thông tin số hiện đang phát triển rất mạnh mẽ trên toàn thế giới và đã thay thế hầu hết các hệ thống thông tin analog. Ở nước ta, có thể nói rằng hiện nay gần như tất cả các hệ thống chuyển mạch và truyền dẫn của ngành truyền thông đều được số hóa. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống thông tin khác như thông tin di động, cáp quang, thông tin vệ tinh…, thì thông tin vi ba vẫn tiếp tục đóng vai trò quan trọng và được phát triển ngày càng hoàn thiện với những công nghệ cao đáp ứng được những đòi hỏi không những về mặt kết cấu mà cả về mặt truyền dẫn, xử lý tín hiệu, bảo mật thông tin… Là một sinh viên, việc thiết kế một tuyến truyền Vi ba số sẽ giúp cho em có thêm các kỹ năng về tư duy, thực tế, từ đó củng cố và mở rộng kiến thức chuyên ngành đã được học ở trường, đặc biệt là khả năng tính toán phân tích và xử lý số liệu phù hợp với thực tế. Mặc dù bản thân em đã rất cố gắng nhưng do vốn kiến thức có hạn nên cuốn đồ án này không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định, em rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo trong khoa Điện tử và các bạn. Qua đây, em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo ThS. Nguyễn Đăng Thông đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn em hoàn thành đồ án này. Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo trong khoa Điện tử đã truyền đạt cho em nhiều kiến thức trong thời gian học tại trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Vinh. Sinh viên thực hiện Nguyễn Đình Hoành SVTH: Nguyễn Đình Hoành 1 Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................ 1 TÓM TẮT ĐỒ ÁN ......................................................................................................... 4 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................. 5 DANH SÁCH HÌNH VẼ................................................................................................ 7 DANH SÁCH BẢNG BIỂU .......................................................................................... 9 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VIBA SỐ ................................................ 10 1.1 Khái niệm ........................................................................................................... 10 1.2 Tóm tắt quá trình phát triển của hệ thống vi ba.................................................. 10 1.3 Hệ thống vi ba số ............................................................................................... 10 1.3.1 Mô hình hệ thống vi ba số .............................................................................. 10 1.3.2 Đặc điểm và ứng dụng của hệ thống vi ba số .................................................. 12 1.4 Phân loại hệ thống vi ba số ................................................................................. 12 1.5 Các mạng vi ba số ............................................................................................... 13 1.5.1 Mạng vi ba số điểm nối điểm ...................................................................... 13 1.5.2 Mạng vi ba số điểm nối nhiều điểm ............................................................ 13 1.6 Ưu, nhược điểm của hệ thống vi ba số ............................................................... 14 1.7 Kết luận chương 1 ............................................................................................. 15 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT BỊ VI BA SỐ ....................................... 16 2.1 Cơ sở truyền sóng vô tuyến trong hệ thống vi ba số .......................................... 16 2.1.1 Khái niệm .................................................................................................... 16 2.1.2 Phân chia dải tần số vô tuyến và ứng dụng cho các mục đích thông tin ..... 16 2.1.3 Các phương thức truyền lan của sóng vô tuyến .......................................... 18 2.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến sự truyền lan sóng vô tuyến ................................... 21 2.2.1 Pha đinh ....................................................................................................... 22 2.2.2 Suy hao khi truyền lan trong không gian tự do ........................................... 24 2.2.3. Suy hao do mưa .......................................................................................... 24 2.2.4 Sự can nhiễu của sóng vô tuyến .................................................................. 25 2.3 Một số kỹ thuật giảm ảnh hưởng của pha đinh .................................................. 25 2.3.1 Phân tập theo không gian ............................................................................ 25 2.3.2 Phân tập theo tần số ..................................................................................... 27 2.3.3 Chuyển mạch bảo vệ ................................................................................... 28 2.4 Các mã truyền dẫn .............................................................................................. 29 2.4.1 Mã HDB3 .................................................................................................... 29 2.4.2 Mã CMI ....................................................................................................... 30 2.5 Các chỉ tiêu kỹ thuật của vi ba số ....................................................................... 31 SVTH: Nguyễn Đình Hoành 2 Đồ án tốt nghiệp 2.5.1 Phân bố tần số luồng cao tần ...................................................................... 31 2.5.2 Công suất phát ............................................................................................. 31 2.5.3 Độ nhạy máy thu hay ngưỡng thu ............................................................... 32 2.5.5 Phương thức điều chế và giải điều chế ........................................................ 32 2.5.6 Trở kháng vào máy thu và trở kháng ra máy phát....................................... 32 2.5.7 Tốc độ ở băng tần gốc ................................................................................. 33 2.6 Các phương thức điều chế trong hệ thống vi ba số ............................................ 33 2.6.1 Các khái niệm .............................................................................................. 33 2.6.2 Phương thức điều chế QPSK ....................................................................... 35 2.6.3 Điều chế biên độ cầu phương QAM ............................................................ 37 2.6.4 Giảm độ rộng băng tần truyền bằng phương pháp điều chế nhiều mức...... 40 2.7 Thiết bị vi ba số ................................................................................................. 41 2.7.1 Sơ đồ khối trạm đầu cuối và thiết bị Thu – Phát vi ba số ........................... 41 2.7.2 Thiết bị Anten .............................................................................................. 43 2.7.3 Một số thiết bị vi ba số trên thị trường ........................................................ 45 2.8 Kết luận chương 2 ............................................................................................. 48 Chương 3. THIẾT KẾ TUYẾN VI BA SỐ TỪ TP. VINH ĐẾN TT. NAM ĐÀN ..... 49 3.1. Các quy định chung về thiết kế tuyến vi ba số .................................................. 49 3.2 Cơ sở lý thuyết thiết kế tuyến ............................................................................. 49 3.2.1 Khảo sát vị trí đặt trạm ................................................................................ 49 3.2.2 Nghiên cứu dung lượng yêu cầu .................................................................. 51 3.2.3 Chọn tần số làm việc ................................................................................... 51 3.2.4 Xác định bán kính miền Fresnel thứ nhất .................................................... 52 3.2.5 Tính chọn chiều cao của tháp anten ............................................................ 53 3.2.6 Tính toán các tham số của tuyến ................................................................. 56 3.2.7 Tính toán các tham số chất lượng của tuyến ............................................... 58 3.2.8 Các chỉ tiêu kỹ thuật đánh giá chất lượng tuyến ......................................... 60 3.2.9 Đánh giá chất lượng tuyến và lắp đặt thiết bị đưa vào hoạt động ............... 61 3.3 Thiết kế tuyến từ TP. Vinh đến thị trấn Nam Đàn ............................................. 61 3.3.1 Khảo sát vị trí đặt trạm tại TP. Vinh và thị trấn Nam Đàn .......................... 61 3.3.2 Nghiên cứu dung lượng truyền dẫn và lựa chọn thiết bị ............................. 64 3.3.3 Vẽ mặt cắt của tuyến TP. Vinh – TT. Nam Đàn và tính toán các tham số của tuyến ..................................................................................................................... 65 3.4. Kết luận chương 3 ............................................................................................. 70 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 74 SVTH: Nguyễn Đình Hoành 3 Đồ án tốt nghiệp TÓM TẮT ĐỒ ÁN Với đề tài “ Thiết kế tuyến truyền vi ba số từ Thành phố Vinh – thị trấn Nam Đàn” em đã trình bày cuốn đồ án này được trình bày thứ tự như sau: Trước hết trình bày về các khái niệm, lịch sử ra đời, đặc điểm, các loại mạng và đưa ra một số ưu nhược điểm của hệ thống vi ba số. Tiếp theo trình bày về cơ sở truyền sóng trong hệ thống vi ba số, các chỉ tiêu kỹ thuật, mã truyền dẫn để làm tiền đề cho quá trình thiết kế tuyến ở phần sau. Một vấn đề quan trọng nữa trong hệ thống vi ba sô là các phương thức điều chế và ra một số thiết bị cũng được trình bày trong cuốn đồ án này. Sau đó, từ những cơ sở lý thuyết trên thì tôi bắt đầu vào khảo sát thiết kế một tuyến vi ba số thực tế từ thành phố (TP) Vinh đến thị trấn Nam Đàn thuộc huyện Nam Đàn.Nhìn chung đồ án được thể hiện trong ba chương có cấu trúc rõ ràng : Chương 1. Tổng quan về hệ thống vi ba số Chương 2. Cơ sở lý thuyết và thiết bị vi ba số Chương 3. Thiết kế tuyến vi ba số từ TP. Vinh đến thị trấn Nam Đàn SVTH: Nguyễn Đình Hoành 4 Đồ án tốt nghiệp DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ADC (analog digital convert) Bộ biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số DAC (digital analog convert) Bộ biến đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự MUX (multiplexer) Bộ ghép kênh DEMUX (demultiplexer) Bộ tách kênh TDMA (time division multiplexer Đa truy nhập theo thòi gian access) CCIR Ủy ban tư vấn về thông tin vô tuyến quốc tế ELF (extremely low frequency) Tần số cực kì thấp VF (voice frequency) Tần số thoại VLF (very low frequency) Tần số rất thấp LF (low frequency) Tần số thấp MF (medium frequency) Tần số trung bình HF (high frequency) Tần số cao VHF (very high frequency) Tần số rất cao UHF (ultra high frequency) Tần số cực cao SHF (supper low frequency) Tần số siêu cao EHF(extremely low frequency) Tần số cực kì cao HDB3(high dennsity binary with Mã nhị phân lưỡng cực mật độ cao không quá maximum consecutive Zeros) 3 bit 0 liên tiếp CMI (code mark inversion) Mã đổi dấu CCITT (international telegraph and Hội đồng tư vấn điện thoại điện báo quốc tế telephone consultative committee) QPSK (quadrature phase shift Điều chế khóa dịch pha cầu phương keying) QAM (quadrature amplitude Điều chế biên độ cầu phương modulation) SVTH: Nguyễn Đình Hoành 5 Đồ án tốt nghiệp ASK (amplitude shift keying) Điều chế khóa dịch biên độ FSK (frequency shift keying) Điều chế khóa dịch tần số PSK (phase shift keying) Điều chế khóa dịch pha NRZ (non return to zero) Không trỏ về không BPF (filter band pass) Bộ lọc băng thông SNR (Signal-noise ratio) Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SVTH: Nguyễn Đình Hoành 6 Đồ án tốt nghiệp DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Mô hình hệ thống vi ba số ............................................................................. 11 Hình 1.2. Hệ thống vi ba số điểm nối điểm .................................................................. 13 Hình 1.3. Hệ thống vi ba số điểm nối nhiều điểm ........................................................ 14 Hình 2.1. Phổ tần số vô tuyến và ứng dụng.................................................................. 16 Hình 2.2. Các phương thức truyền sóng ....................................................................... 19 Hình 2.3. HIện tượng tia sóng cong ............................................................................. 23 Hình 2.4. Các đường sóng từ phía phát đến phía thu ................................................... 24 Hình 2.5 Phân tập theo không gian sử dụng 4 anten .................................................... 27 Hình 2.6. Phân tập không gian và tần số sử dụng 3 anten ............................................ 28 Hình 2.7. Nâng cao độ an toàn của tuyến bằng kênh dự phòng ................................... 29 Hình 2.8. Dạng sóng HDB3 ......................................................................................... 29 Hình 2.9. Mã CMI ........................................................................................................ 30 Hình 2.10. Sơ đồ mô tả quá trình điều chế và giải điều chế số .................................... 34 Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý điều chế tín hiệu QPSK ................................................... 35 Hình 2.12. Tín hiệu 4PSK ............................................................................................ 36 Hình 2.14. Sơ đồ nguyên lý giải điều chế pha QPSK .................................................. 36 Hình 2.15. Sơ đồ nguyên lý điều chế tín hiệu M-QAM ............................................... 38 Hình 2.16. Biểu đồ không gian tín hiệu 16QAM ......................................................... 38 Hình 2.17. Biểu đồ không gian tín hiệu QAM nhiều trạng thái ................................... 39 Hình 2.18. Sơ đồ sắp xếp chòm sao của các phương pháp điều chế số ....................... 39 Hình 2.19. Sơ đồ nguyên lý giải điều chế M-QAM ..................................................... 40 Hình 2.20. Sơ đồ khối cơ bản tuyến phát ..................................................................... 41 Hình 2.21. Sơ đồ khối cơ bản tuyến thu ....................................................................... 42 Hình 2.22. Sơ đồ khối cơ bản một trạm đầu cuối ...................................................... 42 Hình 2.23. Sơ đồ kích thước của một anten Parabol .................................................... 43 Hình 2.24. Biểu đồ bức xạ của anten Parabol .............................................................. 45 Hình 3.1. Mặt cắt đường truyền giữa hai trạm A và B ................................................. 50 Hình 3.2. Mặt cắt nghiêng đường truyền và miền Fresnel thứ nhất ............................. 53 SVTH: Nguyễn Đình Hoành 7 Đồ án tốt nghiệp Hình 3.3. Xác định độ cao tia B để làm hở một vật chắn ............................................. 54 Hình 3.4. Minh họa việc tính độ cao của một anten khi biết độ cao của anten kia ...... 55 Hình 3.5 Vị trí đặt trạm vi ba số tại Vinh ................................................................... 62 Hình 3.6. Vị trí trạm tại tt.Nam Đàn............................................................................. 62 Hình 3.7. Khoảng cách tuyến Vinh – TT.Nam Đàn ..................................................... 63 Hình 3.8. Địa hình của tuyến TP. Vinh – TT. Nam Đàn ............................................ 63 Hình 3.9. Vị trí của ngọn đồi tại vị trí C....................................................................... 64 Hình 3.10. Mặt cắt của tuyến TP. Vinh – TT.Nam Đàn ............................................. 65 SVTH: Nguyễn Đình Hoành 8 Đồ án tốt nghiệp DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Kí hiệu và phân chia băng tần theo CCIR...................................................... 17 Bảng 2.2. Kết quả thực nghiệm về suy hao do hơi nước – khí hậu theo tần số sóng vô tuyến của Alcatel. ........................................................................................................... 25 Bảng 2.3. Mã truyền dẫn dùng trong vi ba số ................................................................ 31 Bảng 2.4. Độ lợi của an ten theo hiệu suất và tần số (số liệu của hãng Alcatel) ........... 44 Bảng 2.5. Góc phát xạ theo đường kính anten (số liệu của hãng Alcatel) ..................... 45 Bảng 2.6 Kết quả tính toán ............................................................................................. 71 SVTH: Nguyễn Đình Hoành 9 Đồ án tốt nghiệp Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VIBA SỐ 1.1 Khái niệm Vi ba có nghĩa là sóng điện từ có bước sóng cực ngắn. Hệ thống vi ba số là hệ thống thông tin vô tuyến số được sử dụng trong các đường truyền dẫn số giữa các phần tử khác nhau của mạng vô tuyến. Từ vi ba được sử dụng chung cho các hệ thống vệ tinh, di động hay vô tuyến tiếp sức mặt đất, song ở nước ta từ vi ba đã được sử dụng từ trước để chỉ các hệ thống vô tuyến tiếp sức. Thông tin vi ba là một trong những phương tiện truyền dẫn chủ yếu hiện nay bên cạnh thông tin quang và thông tin vệ tinh. Đây là mạng thông tin vô tuyến sử dụng sóng vô tuyến có tần số từ 1 GHz đến 30 GHz và khoảng không gian làm môi trường truyền dẫn. 1.2 Tóm tắt quá trình phát triển của hệ thống vi ba Thông tin sóng cực ngắn giữa hai điểm bắt đầu xuất hiện vào những năm 30 của thế kỷ XX, tuy nhiên lúc bấy giờ do khó khăn về mặt kỹ thuật nên chỉ làm việc ở dải sóng mét do vậy ưu điểm của thông tin siêu cao tần chưa được phát huy. Năm 1935 đường thông tin vô tuyến tần số đầu tiên được thành lập ở New York và Philadenphia chuyển tiếp qua 6 địa điểm và truyền được 5 kênh thoại. Sau chiến tranh thế giới thứ hai thì thông tin vô tuyến tần số phát triển bùng nổ. Hệ thống vi ba số bắt đầu được hình thành vào những năm 50 và phát triển mạnh mẽ cùng với sự phát triển của kỹ thuật viễn thông . Tại Việt Nam, hệ thống thông tin vi ba đầu tiên được lắp đặt là RVG-950 vào cuối tháng 6 năm 1969. Đầu năm 1988 hệ thống vi ba số AWA được đưa vào nước ta. Đến năm 1990 thì hệ thống thiết bị vi ba số, vi ba nhiều kênh đã thay thế hoàn toàn hệ thống RVG-950. 1.3 Hệ thống vi ba số 1.3.1 Mô hình hệ thống vi ba số Sơ đồ tổng quát của một hệ thống truyền dẫn vi ba số SVTH: Nguyễn Đình Hoành 10 Đồ án tốt nghiệp FDM Codec Thoại tương tự ADC Bộ ghép số Máy phát Nguồn số Đường truyền FDM Codec Thoại tương tự DAC Bộ tách số Máy thu Nguồn số Hình 1.1 Mô hình hệ thống vi ba số Một hệ thống vi ba số bao gồm một loạt các khối xử lý tín hiệu. Chức năng của các khối như sau: - Khối ADC: biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số. - Bộ ghép số: tập hợp các tín hiệu số từ các nguồn khác nhau thành tín hiệu băng tần gốc. - Máy phát: xử lý tín hiệu băng tần gốc để đưa tới anten phát để bức xạ có ra không gian. - Máy thu: thu tín hiệu băng gốc từ kênh thông tin trên đường truyền vô tuyến. - Khối DAC: biến đổi tín hiệu số thành tín hiệu tương tự. - Bộ tách số: xử lý tín hiệu băng gốc và tách chúng thành các nguồn số tương ứng. SVTH: Nguyễn Đình Hoành 11 Đồ án tốt nghiệp 1.3.2 Đặc điểm và ứng dụng của hệ thống vi ba số - Hệ thống vi ba số hoạt động theo nguyên tắc tia nhìn thẳng; - Chịu tác động của các hiện tượng suy hao đường truyền, tổn hao do mưa, các vật chắn . . . - Với hệ thống dung lượng thấp thì chịu ảnh hưởng của pha đinh phẳng, còn hệ thống dung lượng cao chịu ảnh hưởng của pha đinh chọn lọc tần số. - Hệ thống vi ba số có thể được sử dụng làm: + Các đường trung kế số nối giữa các tổng đài số; + Các đường truyền dẫn nối tổng đài chính đến các tổng đài vệ tinh; + Các đường truyền dẫn nối các thuê bao với các tổng đài chính hoặc các tổng đài vệ tinh; + Các bộ tập trung thuê bao vô tuyến; + Các đường truyền dẫn trong các hệ thống thông tin di động để kết nối các máy di động với mạng viễn thông. Các hệ thống truyền dẫn vi ba số là các phần tử quan trọng của mạng viễn thông, tầm quan trọng này ngày càng được khẳng định khi các công nghệ thông tin vô tuyến mới như thông tin di động được đưa vào sử dụng rộng rãi trong mạng viễn thông. 1.4 Phân loại hệ thống vi ba số Dựa vào tín hiệu truyền dẫn mà hệ thống vi ba được chia làm hai loại là hệ thống vi ba số và hệ thống vi ba tương tự. Dựa vào tốc độ bít của tín hiệu PCM cần truyền, ta có thể phân loại hệ thống vi ba số 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; - Vi ba số băng trung bình (tốc độ trung bình): được dùng để truyền các tín hiệu có tốc độ từ (8-34) Mbit/s, tương ứng với dung lượng kênh thoại là 120 đến 480 kênh. Tần số sóng vô tuyến (2 - 6)GHz; SVTH: Nguyễn Đình Hoành 12 Đồ án tốt nghiệp - Vi ba số băng rộng (tốc độ cao): được dùng để truyền các tín hiệu có tốc độ từ (34-140) Mbit/s, tương ứng với dung lượng kênh thoại là 480 đến 1920 kênh. Tần số sóng vô tuyến 4, 6, 8, 12GHz . 1.5 Các mạng vi ba số 1.5.1 Mạng vi ba số điểm nối điểm Mô hình hệ thống vi ba số điểm nối điểm RX/TX RX/TX MUX/DEMUX MUX/DEMUX Hình 1.2. Hệ thống 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 còn các mạng quy mô nhỏ 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 thoả mãn nhu cầu của các thông tin và đặc biệt là dịch vụ truyền số liệu. Ngoài 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 thông tin di động. 1.5.2 Mạng vi ba số điểm nối nhiều điểm Mô hình hệ thống vi ba số điểm nối nhiều điểm SVTH: Nguyễn Đình Hoành 13 Đồ án tốt nghiệp MW MW MW RX/TX Trạm ngoại vi 3 MUX/ DEMUX RX/TX MUX/ DEMUX Trạm ngoại vi 1 Trạm trung tâm TX/RX RX/TX MUX/ DEMUX Trung kế Nội hạt Trạm ngoại vi 2 Hình 1.3. Hệ thống vi ba số điểm nối nhiều điểm Mạng vi ba số này trở thành phổ biến trong một số vùng ngoại ô và nông thôn. Mạng bao gồm một trạm trung tâm phát thông 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 không 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, thông tin sẽ được truyễn đến các thuê bao. Thiết bị vi ba trạm ngoại vi có thể đặt ngoài trời, trên cột v.v... mỗi trạm ngoại vi có thể được lắp đặt thiết bị cho nhiều trung kế. Khi mật độ cao có 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 sóng mang cho hệ thống hoàn 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 cách 10Km. Trạm trung tâm phát tốc độ bit khoảng 8,2Mb/s và địa chỉ mỗi trạm lại sử dụng kỹ thuật TDMA. 1.6 Ưu, nhược điểm của hệ thống vi ba số a) 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 SVTH: Nguyễn Đình Hoành 14 Đồ án tốt nghiệp 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 . b) Nhược điểm - Khi áp dụng hệ thống truyền dẫn số, phổ tần tín hiệu thoại rộng hơn so với hệ thống tương tự. - Khi các thông số đường truyền dẫn như trị số BER, S/N thay đổi không đạt giá trị cho phép thì thông tin sẽ gián đoạn, khác với hệ thống tương tự thông tin vẫn tồn tại tuy chất lượng kém; - 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. 1.7 Kết luận chương 1 Chương 1 đã trình bày tổng quan về hệ thống vi ba số, từ đây cho ta cái nhìn tổng quát về hệ thống vi ba số và cũng làm tiền đề cho việc thiết kế tuyến ở phần sau. Ngoài ra, chương này cũng trình bày đặc điểm cua hệ thống,đồng thời trình bày ưu và nhược điểm của thông tin vi ba số.Từ đó tránh được sai sót khi thiết kế sau này. SVTH: Nguyễn Đình Hoành 15 Đồ án tốt nghiệp Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT BỊ VI BA SỐ 2.1 Cơ sở truyền sóng vô tuyến trong hệ thống vi ba số 2.1.1 Khái niệm Sóng điện từ là sự lan truyền trong không gian của điện từ trường. Sóng điện từ bao gồm các loại sóng vô tuyến, tia hồng ngoại, …, tia X và tia Gamma. Sóng vô tuyến điện là sóng điện từ có tần số thấp hơn 3000 GHz . Có hai loại sóng vô tuyến thường thấy trong thực tế là sóng dọc và sóng ngang. Sóng dọc là sóng lan truyền theo phương chuyển động của nó (tiêu biểu như sóng âm thanh lan truyền trong không khí). Còn sóng ngang là sóng điện từ có vectơ cường độ điện trường và từ truờng vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng . 2.1.2 Phân chia dải tần số vô tuyến và ứng dụng cho các mục đích thông tin Ta biết rằng thông tin vô tuyến đảm bảo việc phát thông tin đi xa nhờ các sóng điện từ. Môi trường truyền sóng (khí quyển trên mặt đất, vũ trụ, nước, đôi khi là các lớp địa chất của mặt đất) là chung cho nhiều kênh thông tin vô tuyến. Dải tần số radio Hạ âm 100 Âm Siêu thanh âm 102 104 Vi ba, AM TV, Vệ tinh, radio FM rada 106 108 1010 Dải sợi quang Tia Hồng nhìn ngoại thấy 1012 1014 Cực tím 1016 Tia Tia vũ Tia X Gamma trụ 1018 1020 1022 Tần số (Hz) Hình 2.1. Phổ tần số vô tuyến và ứng dụng Việc phân kênh chủ yếu dựa vào tiêu chuẩn tần số. Phổ tần tổng cộng và miền áp dụng của chúng. Phổ này kéo dài từ các tần số dưới âm thanh (vài Hz) đến các tia vũ trụ (1022 Hz) và được chia tiếp thành các đoạn nhỏ gọi là các băng tần. Toàn bộ dải tần số vô tuyến (RF) lại được chia ra thành các băng nhỏ hơn, có tên và kí hiệu như bảng 2.1 theo Ủy ban tư vấn về Thông tin vô tuyến quốc tế CCIR. SVTH: Nguyễn Đình Hoành 16 Đồ án tốt nghiệp Bảng 2.1. Kí hiệu và phân chia băng tần theo CCIR. STT Phạm vi tần số Tên gọi 1 30 Hz ÷ 300 Hz Tần số cực kỳ thấp (ELF) 2 0.3 KHz ÷ 3 KHz Tần số thoại (VF) 3 3 KHz ÷ 30 KHz Tần số rất thấp (VLF) 4 30 KHz ÷ 300 KHz Tần số thấp (LF) 5 0.3 MHz ÷ 3 MHz Tần số trung bình (MF) 6 3 MHz ÷ 30 MHz Tần số cao (HF) 7 30 MHz ÷ 300 MHz Tần số rất cao (VHF) 8 300 MHz ÷ 3 GHz Tần số cực cao (UHF) 9 3 GHz ÷ 30 GHz Tần số siêu cao (SHF) 10 30 GHz ÷ 300 GHz Tần số cực kỳ cao (EHF) 11 0.3 THz ÷ 300 THz Hồng ngoại 12 0.3 PHz ÷ 3PHz Tia nhìn thấy 13 3 PHz ÷ 30 PHz Tia cực tím 14 30 PHz ÷ 300 PHz Tia X 15 0.3 EHz ÷ 3 EHz Tia Gamma 16 3 EHz ÷ 30 EHz Tia vũ trụ Các tần số cực kì thấp ( ELF ) là các tần số có giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷ 300 Hz, chứa cả tần số điện mạng AC và các tín hiệu đo lường từ xa tần thấp. Các tần số tiếng nói ( VF ) là các tần số có giá trị nằm trong phạm vi 300 Hz ÷ 3 KHz, chứa các tần số kênh thoại tiêu chuẩn. Các tần số rất thấp ( VLF ) là các tần số có giá trị nằm trong phạm vi 3 ÷ 30 KHz, chứa phần trên của dải nghe được của tiếng nói. Dùng cho các hệ thống an ninh, quân sự và chuyên dụng của chính phủ như là thông tin dưới nước (giữa các tàu ngầm). Các tần số thấp ( LF ) là các tần số có giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷ 300 KHz (thường gọi là sóng dài), chủ yếu dùng cho dẫn đường hàng hải và hàng không. Các tần số trung bình ( MF ) là các tần số có giá trị nằm trong phạm vi 300 KHz ÷ 3 MHz (thường gọi là sóng trung), chủ yếu dùng cho phát thanh thương mại sóng SVTH: Nguyễn Đình Hoành 17 Đồ án tốt nghiệp trung (535 đến 1605 KHz). Ngoài ra cũng sử dụng cho dẫn đường hàng hải và hàng không. Các tần số cao HF ) là các tần số có giá trị nằm trong phạm vi 3 ÷ 30 MHz (thường gọi là sóng ngắn). Phần lớn các thông tin vô tuyến 2 chiều (twoway) sử dụng dải này với mục đích thông tin ở cự ly xa xuyên lục địa, liên lạc hàng hải, hàng không, nghiệp dư, phát thanh quảng bá...v.v. Các tần số rất cao ( VHF ) là các tần số có giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷ 300 MHz (còn gọi là sóng mét), thường dùng cho vô tuyến di động, thông tin hàng hải và hàng không, phát thanh FM thương mại (88 đến 108 MHz), truyền hình thương mại (kênh 2 đến 12 với tần số từ 54 MHz đến 216 MHz). Các tần số cực cao ( UHF ) là các tần số có giá trị nằm trong phạm vi 300 MHz ÷ 3 GHz (còn gọi là sóng đề xi mét), dùng cho các kênh truyền hình thương mại 14 ÷ 83, các dịch vụ thông tin di động mặt đất, các hệ thống điện thoại tế bào, một số hệ thống rada và dẫn đường, các hệ thống vi ba và thông tin vệ tinh. Các tần số siêu cao ( SHF ) là các tần số có giá trị nằm trong phạm vi 3 ÷ 30 GHz (còn gọi là sóng cen ti mét), chủ yếu dùng cho vi ba và thông tin vệ tinh. Các tần số cực kì cao ( EHF ) là các tần sô có giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷ 300 GHz (còn gọi là sóng mi li mét), ít sử dụng cho thông tin vô tuyến. Các tần số hồng ngoại là các tần số có giá trị nằm trong phạm vi 0,3 THz ÷ 300 THz, nói chung không gọi là sóng vô tuyến. Sử dụng trong hệ thống dẫn đường tìm nhiệt, chụp ảnh điện tử và thiên văn học. Các ánh sáng nhìn thấy là các ánh sáng có giá trị nằm trong phạm vi 0,3 PHz ÷ 3 PHz, dùng trong hệ thống sợi quang. Các tia cực tím, tia X,tia gamma và tia vũ trụ.Rất ít sử dụng cho thông tin. 2.1.3 Các phương thức truyền lan của sóng vô tuyến Các sóng vô tuyến có thể được truyền từ anten phát đến anten thu bằng hai đường chính: tầng điện ly (sóng trời) hoặc đi sát mặt đất (sóng đất). SVTH: Nguyễn Đình Hoành 18 Đồ án tốt nghiệp Khí quyển trái đất Sóng trời Sóng nhìn thẳng (LOS) Anten phát Anten thu Sóng phản xạ từ đất Sóng bề mặt Bề mặt trái đất Hình 2.2. Các phương thức truyền sóng 2.1.3.1 Các loại sóng đất Sóng đất là sóng không bị thăng giáng bởi tầng điện ly, tức là sóng bề mặt và sóng không gian. a) Sóng bề mặt Sóng bề mặt là sóng truyền lan dọc theo bề mặt trái đất. Khi truyền sóng bề mặt, năng lượng sóng lướt trên bề mặt đất gần giống như sóng dọc theo đường dây. Thành phần điện trường biến đổi của sóng bề mặt sẽ cảm ứng điện áp trong bề mặt trái đất, tạo ra dòng điện chảy. Bề mặt trái đất cũng có điện trở và các tổn hao điện môi, gây nên sự suy hao sóng bề mặt khi lan truyền. Sóng bề mặt lan truyền tốt nhất trên bề mặt là chất dẫn điện tốt như nước muối, và truyền kém trên vùng sa mạc khô cằn. Tổn hao sóng bề mặt tăng nhanh theo tần số, vì thế sóng bề mặt nói chung hạn chế ở các tần số thấp hơn 2 MHz. Sóng bề mặt được dùng rộng rãi cho liên lạc tàu thủy - tàu thủy và tàu thủy - bờ. Các ưu điểm là: - Với công suất phát đủ lớn, sóng bề mặt có thể dùng để liên lạc giữa 2 điểm bất kì trên thế giới; - Sóng bề mặt ít bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi điều kiện khí quyển. Các nhược điểm của truyền lan sóng bề mặt là: SVTH: Nguyễn Đình Hoành 19 Đồ án tốt nghiệp - Yêu cầu công suất phát khá cao. - Yêu cầu anten kích thước lớn. - Tổn hao thay đổi đáng kể theo loại đất. b) Sóng không gian Sóng không gian là một loại sóng quan trọng trong thông tin VHF, UHF và SHF. Sóng truyền trong tầng đối lưu lan rộng đến 10 dặm trên bề mặt đất. Sóng truyền lan từ anten phát đến anten thu theo ba đường, đó là sóng trực tiếp, sóng phản xạ từ đất và sóng phản xạ từ tầng đối lưu. Sóng trực tiếp Sóng này phát xạ trực tiếp từ anten phát đến anten thu mà không bị phản xạ ở đâu cả. Trong các điều kiện truyền lan bình thường, nó có biên độ lớn hơn so với một sóng bất kỳ nào đến máy thu. Sóng phản xạ từ đất Sóng này đến anten thu sau khi phản xạ một vài lần từ mặt đất hoặc từ các vật thể xung quanh. Sự phản xạ không những chỉ xuất hiện trên mặt phẳng đứng mà có thể xuất hiện ở mặt phẳng ngang. Như vậy, sóng bị phản xạ từ một vật cản sẽ lệch so với đường chính. Sóng phản xạ sẽ có biên độ và pha khác với biên độ và pha của sóng trực tiếp. Nếu khoảng cách truyền lớn hơn một số lẻ bước sóng thì ở anten thu sóng phản xạ lệch pha với sóng trực tiếp một góc 1800 và kết quả là triệt tiêu tín hiệu sóng tới đến một mức độ nào đó. Mức độ đó phụ thuộc vào biên độ của sóng phản xạ . Sóng phản xạ từ tầng đối lưu Do thay đổi chỉ số khúc xạ của không khí theo độ cao so với mặt đất, nên sóng có thể bị tạp âm xạ, và tùy theo góc sóng tới có thể xảy ra phản xạ toàn phần từ tầng đối lưu. Trong trường hợp này xuất hiện một biên giới có tác dụng giống như một bề mặt phản xạ, gửi sóng trở lại mặt đất. Một số tia này sẽ đến được anten thu, ở đây có thể khử bớt sóng trực tiếp do có sự thay đổi pha và biên độ gây ra do phản xạ. 2.1.3.2 Sóng trời Các sóng điện từ có hướng bức xạ cao hơn đường chân trời (tạo thành góc khá lớn so với mặt đất) được gọi là sóng trời. Sóng trời được phản xạ hoặc khúc xạ về trái SVTH: Nguyễn Đình Hoành 20