Tài liệu Thiết kế mô hình thông tin vô tuyến chuyển tiếp sóng cực ngắn

MỤC LỤC Trang SVTH: Trần Thị Minh Hoa -1- LỜI MỞ ĐẦU š@&?› Quá trình phân tích thiết kế một mô hình thông tin, ta phải tính toán đến khả năng thực hiện khép kín một cuộc thông tin thành công, nhờ vào thiết bị đầu cuối, mỗi một kênh thông tin gồm các thiết bị thu phát đặt ở các đầu cuối, tin tức được mang đi nhờ vào sóng điện từ lan truyền trong môi trường vật lý trung gian và ta thường gọi là môi trường truyền sóng. Việc nghiên cứu thiết lập một kênh thông tin nhất là mô hình chuyển tiếp buộc ta phải quan tâm đến hai yếu tố chính cần nghiên cứu đó là các vấn đề về truyền sóng và thiết bị thông tin đầu cuối phù hợp. Đặt vấn đề nghiên cứu truyền sóng là tính đến khả năng phủ sóng của thiết bị dựa trên các tiêu chuẩn sản xuất mà tại đó, các yếu tố địa lý, các tác động môi trường truyền sóng như lớp khí quyển, mặt đất…sẽ có tác động lên sóng lan truyền đó, đó là tác động làm giảm yếu biên độ của sóng và tác động làm méo dạng tín hiệu (nếu là tín hiệu tương tự) và gây lỗi đối với tín hiệu số, do nhiễu.Vì vậy, khi nghiên cứu về truyền sóng chính là ta đang phải nghiên cứu những vấn đề chính như sau: - Xác định cường độ trường tại điểm thu khi biết các thông số của máy phát và xác định điều kiện để thu được trường tốt nhất. - Nghiên cứu sự phát sinh dạng méo tín hiệu gây lỗi trong quá trình truyền sóng và tìm biện pháp để làm giảm méo đến mức cực tiểu. Tìm hiểu thiết bị đầu cuối sẽ giúp ta chọn được thiết bị phù hợp nhất mà tại địa bàn triển khai sẽ đáp ứng tốt nhất những yêu cầu đặt ra cho quá trình nghiên cứu một mô hình thông tin phù hợp thông qua thiết bị đã được chọn. Tỉnh Ninh Bình là một tỉnh thường xuyên phải gánh chịu thiên tai khắc nghiệt như bão, lũ. Công tác chỉ huy, chỉ đạo phòng chống lụt bão, tìm kiếm cứu nạn diễn ra thường xuyên. Nghiên cứu mô hình thông tin chuyển tiếp, Em hy vọng phần nào giúp công tác chỉ huy phòng chống lụt bão, tìm kiếm cứu nạn được thuận lợi hơn, hạn chế thấp nhất hậu quả xấu do thiên tai gây ra. SVTH: Trần Thị Minh Hoa -2- Với mục đích đó em đã chọn đề tài tốt nghiệp của mình là “Thiết kế mô hình thông tin vô tuyến chuyển tiếp sóng cực ngắn”.Cuốn đồ án tốt nghiệp được hoàn thành với nội dung chính gồm 5 chương: Chương 1: Các vấn đề lý thuyết chung Chương 2: Những ảnh hưởng đến quá trình truyền sóng vô tuyến điện Chương 3: Truyền sóng Chương 4: Thiết kế mô hình thông tin vô tuyến chuyển tiếp sóng cực ngắn Chương 5 : Khai thác và bảo dưỡng mô hình chuyển tiếp Từ việc học đến việc sử dụng những kiến thức đó vào thực tiễn một cách hiệu quả là cả một quá trình lâu dài và liên tục. Việc ứng dụng kiến thức sao có hiệu quả trong công tác sau này chính là lòng biết ơn mà em mong muốn được gửi tới các thầy, cô đã dày công chỉ bảo. Đặc biệt em xin gửi lời cám ơn chân thành tới sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Đình Luyện và sự hướng dẫn của Trung tá Trần Mạnh Huế -phòng thông tin công an tỉnh Ninh Bình- đã cung cấp một số tài liệu về công tác phòng chống bão lụt ở địa phương giúp em hoàn thành đồ án này. Cảm ơn bạn bè và người thân đã luôn ủng hộ và động viên em trong suốt thời gian học tập tại trường Đại học Qui Nhơn. Đề tài mà em báo cáo, đó chỉ là những hiểu biết ít ỏi được thu lượm từ những bài giảng trên lớp, những chỉ bảo tận tình của thầy, cô. Thông qua đề tài này, em hi vọng trong thời gian sắp tới, với công tác thông tin em sẽ đạt được những kết quả tốt nhất. Tuy vậy, vì những kiến thức còn hạn chế, những khó khăn trong quá trình thực hiện đề tài và hơn nữa là thiếu kinh nghiệm thực tế nên không tránh khỏi những sai sót, những hạn chế của cá nhân. Do vậy, em mong muốn tiếp tục nhận được những chỉ bảo của thầy, cô để đề tài của em có tính thực tế hơn và giúp em ngày càng hoàn thiện bản thân. Em xin chân thành cảm ơn! Qui Nhơn, tháng 6 năm 2010 Sinh viên Trần Thị Minh Hoa SVTH: Trần Thị Minh Hoa -3- CHƯƠNG 1: CÁC VẤN ĐỀ LÝ THUYẾT CHUNG š@&?› 1.1.Một số khái niệm cơ bản. Kể từ những năm 1970, sự thâm nhập lẫn nhau của hai lĩnh vực máy tính và truyền thông đã làm thay đổi sâu sắc các lĩnh vực công nghệ và sản xuất, và một kết quả tất yếu là một ngành công nghiệp máy tính - truyền thông (Computer – Communication ) ra đời. Chính nhờ sự hòa trộn mang tính cách mạng này, rất nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ đã có những cơ sở để phát triển mạnh mẽ. Trong bối cảnh của sự phát triển bùng nổ này, những hiểu biết về lý thuyết thông tin (Information Theory), về truyền thông ngày càng quan trọng và cần được xem xét trong hoàn cảnh mới. 1.1.1.Thông tin và hệ thống truyền tin. Thông tin (tiếng Anh là “Information”, còn được gọi là tin tức) là vật liệu đầu tiên được gia công trong một hệ thống truyền tin. Hiện nay chưa có một định nghĩa đầy đủ và súc tích cho khái niệm thông tin. Chúng ta tạm sử dụng khái niệm sau làm định nghĩa về thông tin: Thông tin là sự cảm hiểu của con người về thế giới xung quanh (thông qua sự tiếp xúc với nó). Như vậy, thông tin là hiểu biết của con người và càng tiếp xúc với môi trường xung quanh con người càng hiểu biết và làm tăng lượng thông tin thu nhận được. Phân loại thông tin. - Thông tin thoại. - Thông tin hình. - Thông tin báo. - Thông tin số liệu. - Thông tin điều khiển. Trong cuộc sống, con người luôn có nhu cầu trao đổi thông tin với nhau, có nghĩa là có nhu cầu truyền tin (Communication) với nhau. Những thông tin khi truyền được mang dưới dạng năng lượng khác nhau như âm điện, sóng điện từ, sóng ánh sáng…. Những dạng năng lượng được dùng để mang tin này được gọi là vật SVTH: Trần Thị Minh Hoa -4- mang (carrier). Nó là một quá trình vật lý cụ thể. Vật mang đã chứa thông tin trong nó là một đại diện của thông tin và nó được gọi là tín hiệu (Signal). Cho nên trước đây khi khái niệm “thông tin” chưa được xác định cụ thể như hiện nay, người ta vẫn nghiên cứu định lượng các hệ thống truyền tin bằng cách tính toán và thực nghiệm trên sự biến đổi năng lượng mang tin trong các hệ thống đó. Trên quan điểm năng lượng, lý thuyết tín hiệu đã giải quyết những vấn đề tổng quát về phân tích và tổng hợp mạch và tín hiệu, và nhờ đó kỹ thuật truyền tin đã có những bước phát triển khá dài. Nhưng cùng với sự phát triển mạnh mẽ của mình, ngành kỹ thuật truyền tin đã nảy sinh nhiều vấn đề mà những lý thuyết xây dựng trên quan điểm năng lượng không giải thích được trọn vẹn, như vấn đề mối liên hệ cơ bản giữa các hệ thống truyền tin sử dụng những năng lượng khác nhau, như vấn đề bảo tồn thông tin trong các hệ thống thông tin vũ trụ trong đó năng lượng tải tin rất nhỏ bé, như vấn đề đảm bảo tốc độ truyền tin nhanh và chính xác trong các hệ thống truyền số liệu, như gia công thông tin trong các thiết bị tính toán điều khiển… Nói cách khác phải xây dựng những tiêu chuẩn chung để có thể đánh giá và so sánh các hệ thống truyền tin, giải quyết những vấn đề cơ bản của truyền tin là: tốc độ truyền tin và khả năng chống nhiễu của hệ thống, thiết lập những mô hình hệ thống truyền tin thực chỉ ra các phương hướng cải tiến có hiệu quả. Những hệ thống truyền tin cụ thể mà con người đã sử dụng và khai thác có rất nhiều dạng và khi phân loại chúng, người ta cũng có thể dựa trên nhiều cơ sở khác nhau.Ví dụ trên cơ sở năng lượng mang tin người ta có thể phân hệ thống truyền tin thành các loại; - Hệ thống điện tín dùng năng lượng điện một chiều. - Hệ thống thông tin vô tuyến điện dùng năng lượng sóng điện từ. - Hệ thống thông tin quang năng (hệ thống báo hiệu, thông tin hồng ngoại, laser, cáp quang…) - Hệ thống thông tin dùng sóng âm, siêu âm, năng lượng cơ học… SVTH: Trần Thị Minh Hoa -5- Chúng ta cũng có thể phân loại hệ thống thông tin dựa trên cơ sở biểu hiện bên ngoài của thông tin như: - Hệ thống truyền số liệu. - Hệ thống truyền hình. - Hệ thống thông tin thoại… Những phương pháp phân loại trên dưa theo nhu cầu kỹ thuật, giúp cán bộ kỹ thuật nhận thức vấn đề một cách cụ thể và tìm hiểu khai thác các loại hệ thống được dễ dàng. Sự phân loại như vậy đã được ứng dụng rộng rãi và gần như thống nhất trong các tài liệu và sách kỹ thuật. Nhưng ở đây, để đảm bảo tính logic của vấn đề được trình bày, chúng ta căn cứ vào đặc điểm cuả thông tin dựa vào kênh để phân loại các hệ thống truyền tin và như vậy chúng ta phân làm hai loại hệ thống truyền tin: - Hệ thống truyền tin rời rạc. - Hệ thống truyền tin liên tục. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống truyền tin : IS Ch ID IS (Information Soucer) : Nguồn tin ID(Information Destination): Điểm nhận tin Ch (Channel): kênh tin 1.1.2.Truyền sóng vô tuyến điện và anten. 1.1.2.1.Cơ sở truyền sóng vô tuyến điện. Sóng vô tuyến điện là sóng điện từ truyền lan trong không gian và mang tin tức. Sóng vô tuyến điện có tần số nằm trong khoảng 3.103 ÷ 1016Hz. Nghiên cứu truyền sóng vô tuyến điện tức là tính cường độ trường tại một điểm nào đấy khi biết được công suất của máy phát, tần số công tác, cự li và độ cao của SVTH: Trần Thị Minh Hoa -6- anten, thiết lập được một tuyến thông tin vô tuyến điện khi đã có cự li và tần số công tác. Sóng vô tuyến điện khi truyền lan trong không gian ở các đoạn tần số khác nhau truyền theo các phương thức khác nhau, có nghĩa là đường đi khác nhau dẫn đến trường dẫn điện đến điểm khảo sát khác nhau. Theo phân loại trước đây, những sóng điện từ nằm trong dải tần số có giới hạn dưới là f = 103Hz (tương ứng với bước sóng λ = 300Km) và giới hạn trên f = 1012Hz (tương ứng với bước sóng λ = 0,3mm) đều gọi là sóng vô tuyến hay sóng radio. Nhưng trong nghiên cứu thông tin vô tuyến thì nên phân theo phương thức truyền lan của sóng. Có các dải sóng chính như sau: - Sóng cực dài: bước sóng λ > 10km (tần số f < 30 KHz) - Sóng dài: bước sóng 10km >λ > 1km ( 30KHz λ > 100m ( 300 KHz < f < 3 MHz) - Sóng ngắn bước sóng 100m > λ > 10m ( 3MHz < f < 30 MHz) - Sóng cực ngắn: bước sóng 10m > λ > 1mm ( 30MHz < f < 300 GHz) 1.1.2.2.Truyền sóng trong dải sóng ngắn và cực ngắn. Sóng ngắn được sử dụng nhiều trong thông tin. Trong lĩnh vực viễn thông hiện nay thông tin sóng ngắn là hệ thông thông tin dự phòng T3 của quốc gia (cáp quang – vi ba sóng ngắn). - Bước sóng: 100m > λ > 10m ( 3MHz < f < 30 MHz) - Truyền lan: bằng sóng đất, sóng điện ly. Nhờ có truyền lan bằng sóng tầng điện ly nên có khả năng truyền lan được xa khi công suất máy phát bé. - Giới hạn của dải tần số công tác: + Ban ngày: bước sóng 10m đến 35m. + Ban đêm: bước sóng 35m đến 100m. Sóng cực ngắn truyền lan trong tầm nhìn thẳng (anten phát và anten thu nhìn thấy nhau). Tín hiệu thu được ổn định, độ tin cậy cao, cự li thông tin gần. Hầu hết trong lĩnh vực thông tin đều nằm trong dải sóng cực ngắn (phát thanh FM, truyền hình, hệ thống rada, vi ba…) SVTH: Trần Thị Minh Hoa -7- - Bước sóng: 10m > λ > 1mm ( 30MHz < f < 300 GHz) - Chia thành 4 băng : - Sóng mét: bước sóng từ 10m đến 1m ( f = 30 ÷ 300MHz) - Sóng đềcimét: bước sóng từ 1m đến 10cm ( f = 300 ÷ 3000MHz) - Sóng centimet: bước sóng từ 10cm đến 1cm ( f = 3GHz ÷ 30GHz) - Sóng milimet: bước sóng ngắn hơn 1 cm (f cao hơn 30 GHz). 1.1.2.3.Anten. Anten và môi trường truyền sóng thay thế cho đường truyền để khép kín giữa nguồn và tải. Anten làm việc ở chế độ phát: là một thiết bị dùng để biến đổi sóng điện từ ràng buộc trong các hệ định hướng thành các sóng điện từ tự do trong không gian. Chế độ thu thì ngược lại, anten là thiết bị biến đổi từ sóng điện từ lan truyền tự do trong không gian thành sóng điện từ ràng buộc để đưa đầu vào thiết bị thu. Yêu cầu đặt ra là làm thế nào để sau khi biến đổi tín hiệu không bị méo dạng. Phân loại anten: phụ thuộc vào phương pháp phân loại mà chia thành nhiều loại khác nhau như sau: - Phân loại theo dải tần công tác có: anten sóng trung, anten sóng ngắn, anten sóng cực ngắn.. - Phân loại theo kết cấu: anten dây, anten chấn tử, anten bức xạ mặt… - Phân loại theo sử dụng: anten phát thanh, truyền hình, rađa, viba, vệ tinh… 1.1.3.Tín hiệu. Tín hiệu là dạng vật lý của thông tin, tín hiệu có thể là không khí, âm thanh.. Hoặc tín hiệu là một dạng vật chất có một đại lượng vật lý biến đổi theo quy luật tuyến tính. - Tín hiệu âm thanh: là sự thay đổi của áp suất không khí đưa thông tin đến tai chúng ta. - Tín hiệu hình ảnh: là sự thay đổi cường độ ánh sáng đưa thông tin đến mắt chúng ta. Có hai loại tín hiệu tổng quát: SVTH: Trần Thị Minh Hoa -8- - Tín hiệu liên tục: nếu một tín hiệu có sự biểu diễn toán học có biến liên tục theo thời gian thì tín hiệu đó là tín hiệu liên tục theo thời gian. Liên tục ở đây là liên tục theo biến số. Nếu xét về hàm số thì có hai loại tín hiệu: + Tín hiệu tương tự: nếu hàm của tín hiệu liên tục lấy các giá trị liên tục thì tín hiệu đó gọi là tín hiệu tương tự (liên tục theo thời gian của cả biến số và hàm số) + Tín hiệu lượng tử: nếu hàm của tín hiệu rời rạc lấy các giá trị rời rạc thì tín hiệu đó gọi là tín hiệu lượng tử. - Tín hiệu rời rạc: nếu tín hiệu được biểu diễn bởi hàm của các biến rời rạc thì tín hiệu đó còn gọi là tín hiệu rời rạc. Rời rạc ở đây là rời rạc theo biến số. Nếu xét hàm số thì ta có hai loại tín hiệu: + Tín hiệu lấy mẫu: nếu hàm của tín hiệu rời rạc lấy các giá trị liên tục thì tín hiệu đó gọi là tín hiệu lấy mẫu. + Tín hiệu số: nếu hàm của tín hiệu rời rạc lấy các giá trị rời rạc thì tín hiệu đó gọi là tín hiệu số. 1.2.Khái niệm về sóng vô tuyến điện và phân dải sóng vô tuyến điện 1.2.1.Khái niệm. Các sóng vô tuyến điện (VTĐ) dùng trong kỹ thuật thông tin, tia hồng ngoại mà chúng ta cảm nhận được hiệu ứng nhiệt trên da hoặc ánh sáng thấy được từ màu tím đến màu đỏ, hay tia tử ngoại, tia X, tia Gama phát từ các chất phóng xạ…đều là những sóng có tần số khác nhau của bức xạ từ. Bức xạ điện từ còn gọi là sóng điện từ, nó có thể chuyển đổi lẫn nhau trong không gian truyền dẫn từ dạng điện trường sang dạng từ trường và ngược lại. Sóng điện từ lan truyền trong không gian với vận tốc 3.108 m/s. Nếu gọi c là vận tốc truyền sóng f là tần số (Hz) λ là bước sóng của bức xạ Ta có : f = c/λ Trong kỹ thuật thông tin vô tuyến điện có bước sóng λ tính bằng mét (m) hay centimet (cm). SVTH: Trần Thị Minh Hoa -9- 1.2.2.Phân dải sóng vô tuyến điện. Trong các tài liệu khác nhau thì phân dải sóng vô tuyến điện khác nhau. Theo phân loại trước đây, những sóng điện từ nằm trong dải tần số có giới hạn dưới là f = 103Hz (tương ứng với bước sóng λ = 300Km) và giới hạn trên f = 1012Hz (tương ứng với bước sóng λ = 0,3mm) đều gọi là sóng vô tuyến hay sóng radio. Nhưng trong nghiên cứu thông tin vô tuyến thì nên phân theo phương thức truyền lan của sóng. Có các dải sóng chính : o Dải sóng cực dài λ > 10km (f < 30 KHz) o Dải sóng dài 10km >λ > 1km ( 30KHz λ > 100m ( 300 KHz < f < 3 MHz) o Dải sóng ngắn 100m > λ > 10m ( 3MHz < f < 30 MHz) o Dải sóng cực ngắn 10m > λ > 1mm ( 30MHz < f < 300 GHz) - Dải sóng cực dài và dải sóng dài : mặt đất gần với môi trường điện dẫn nên sóng truyền lan chủ yếu là sóng bề mặt – sóng đất. λ lớn nên có khả năng nhiễu xạ qua các chướng ngại vật lớn →người ta sử dụng trong thông tin hàng không và hàng hải (ít sử dụng). - Dải sóng trung : truyền lan được cả sóng bề mặt và cả sóng tầng điện li (sóng trời). Đặc điểm sóng tầng điện li chỉ truyền lan được vào ban đêm, ban ngày tầng điện li hấp thụ. Sóng trung hiện nay chỉ khai thác ở phát AM quảng bá. - Dải sóng ngắn : mặt đất là môi trường bán dẫn điện nên hệ số suy hao α = σµω lớn, truyền lan sóng bề mặt, đi được cự li gần nên truyền lan chủ yếu là 2 truyền sóng tầng điện li (sóng trời). Nhờ có truyền lan sóng tầng điện li nên có khả năng truyền lan được xa khi công suất máy phát bé. Sóng ngắn được sử dụng nhiều trong thông tin. Trong lĩnh vực viễn thông hiện nay thông tin sóng ngắn là hệ thống thông tin dự phòng T3 của quốc gia (cáp quang – viba – sóng ngắn). - Dải sóng cực ngắn : truyền lan trong tầm nhìn thẳng (anten phát và thu nhìn thấy nhau). Ưu điểm : tín hiệu thu được ổn định, độ tin cậy cao, cự li thông tin gần. SVTH: Trần Thị Minh Hoa - 10 - Hầu hết các lĩnh vực thông tin đều nằm ở dải sóng cực ngắn (phát thanh FM, truyền hình, hệ thống ra đa vi ba, di động….) Việc sử dụng những sóng ngắn nằm ngoài dải tần số phân theo băng sóng người ta gọi trực tiếp tên theo bước sóng hay tần số của nó. Ví dụ : thiết bị làm việc ở dải sóng µm ; nm (10-6 →10-9) Dải cực ngắn còn được gọi là dải siêu cao (viba). Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh của khoa học công nghệ, đặc biệt là một số lĩnh vự công nghệ mới đã sử dụng những sóng điện từ có tần số vượt quá giới hạn của dải tần đã nêu ở trên. Do đó khái niệm về giới hạn của dải tần vô tuyến điện cũng cần được mở rộng hơn. Ngày nay, sóng vô tuyến điện được coi là những sóng điện từ có giới hạn dưới của dải tần số xuống tới 3.10 -3 Hz (sóng miliHec), tương ứng với bước sóng 1011 m và gới hạn trên lên tới 1016 Hz, ứng với bước sóng 3.10-8 (sóng ánh sáng). Mỗi băng sóng có đặc điểm truyền lan riêng. Tuy nhiên giữa hai băng sóng gần nhau thì sự biến đổi đặc tính truyền lan của chúng thường là không rõ rệt. Trong môi trường đồng nhất, sóng truyền lan với vận tốc không đổi. Sự phân loại như trên là thích hợp cho việc nghiên cứu về sóng. Tuy nhiên để thuận tiện cho việc phân định tần số sử dụng cho các lĩnh vực hoạt động khác nhau, người ta chia nhỏ hơn 5 băng sóng trên thành 11 tần số, lấy khoảng từ 30 ÷ 300 GHz, tên các băng tần, phạm vi tần số và lĩnh vực cụ thể theo bảng (1.1) sau : SVTH: Trần Thị Minh Hoa - 11 - Bảng 1.1: Bảng phân băng tần số vô tuyến Tên băng tần Tần số cực kỳ Tên viết tắt Phạm vi tần số ULF 30→ 300Hz Tần số cực thấp ELF 300Hz →3KHz Tần số rất thấp VLF 3KHz →30KHz Tần số thấp LF 30 →300KHz Tần số trung bình MF 300→ 3000KHz Tần số cao HF 3MHz→ 30MHz Tần số rất cao VHF 30 →300MHz Tần số cực cao UHF 300 →3000MHz Tần số siêu cao SHF 3→ 30GHz thấp Tần số vô cùng cao Dưới milimet Lĩnh vực sử dụng Vật lý Thông tin dưới nước và trong lòng đất Vô tuyến đạo hàng thông tin di động trên biển Vô tuyến đạo hàng thông tin di động trên không Phát thanh, thông tin hàng hải, vô tuyến đạo hàng Phát thanh sóng ngắn, thông tin di động các loại, thông tin quốc tế Truyền hình và phát thanh sóng FM Truyền hình các loại thông tin di động, các loại thông tin cố định Thông tin vệ tinh ra đa, viễn thông công cộng, vô tuyến thiên văn Vô tuyến thiên văn, ra đa sóng EHF Sub milimet 30 →300GHz 300 →3000GHz milimet, thông tin vệ tinh nghiên cứu và thí nghiệm Nghiên cứu và thí nghiệm 1.2.3.Cơ sở đặt vấn đề nghiên cứu lý thuyết Tìm hiểu việc truyền sóng chính là chúng ta phải khảo sát về sự lan truyền tự do của sóng điện từ ở dải tần số vô tuyến điện. Nhờ các sóng này mà ta có thể thiết lập các kênh thông tin vô tuyến với các cự ly thông tin rất lớn, không kể là trên mặt đất hay trong khoảng không vũ trụ. Mỗi kênh thông tin gồm có các thiết bị thu phát đặt ở các trạm đầu cuối, tin tức mang đi nhờ sóng điện từ lan truyền trong môi trường truyền sóng hay nói cách khác là việc thực hiện khép kín một kênh thông tin SVTH: Trần Thị Minh Hoa - 12 - phải có môi trường truyền sóng. Chính vì vậy, môi trường truyền sóng chính là một bộ phận của kênh thông tin. Để đảm bảo chất lượng một kênh thông tin vô tuyến chúng ta phải đặc biệt quan tâm đến môi trường truyền sóng và khả năng đáp ứng của thiết bị đầu cuối một cách hợp lý nhất cho yêu cầu đặt ra, hay nói cách khác là ta phải lựa chọn thiết bị sao cho phù hợp về công suất phát, tần số làm việc sao cho phù hợp phương thức truyền sóng đúng đắn nhất mới có hiệu quả. Môi trường truyền sóng vô tuyến như lớp khí quyển, mặt đất.. sẽ có hai tác động lên sóng lan truyền trên đó. Tác động thứ nhất là làm giảm biên độ của sóng; tác động thứ hai là làm méo dạng tín hiệu (nếu là tín hiệu tương tự) và gây lỗi đối với tín hiệu dạng số do nhiễu. Vì vậy, khi nghiên cứu truyền sóng vô tuyến ta sẽ tập trung vào hai nhiệm vụ cụ thể như sau: - Xác định cường độ trường tại đểm thu khi biết các thông số của máy phát và xác định điều kiện để thu được cường độ trường lớn nhất. - Nghiên cứu sự phát sinh dạng méo tín hiệu hoặc gây lỗi trong quá trình truyền sóng và tìm biện pháp để làm giảm thiểu các lỗi đó. Ở đây vấn đề giảm yếu của sóng trong quá trình truyền lan bao gồm sự giảm yếu cường độ trường do bị sự phân tán tất yếu của năng lượng khi bức xạ và truyền lan, sự giảm yếu do sự hấp thụ của môi trường, giảm yếu khi sóng nhiễu xạ quanh các vật thể gặp phải trên đường truyền lan, hoặc bởi vật cản, sự khuếch tán các vật thể trong môi trường …. Vấn đề trước hết ta khảo sát tác dụng làm giảm yếu trường do sự phân tán tất yếu của năng lượng khi bức xạ truyền lan. Tìm ra phương thức truyền sóng tốt nhất (tín hiệu ảnh hưởng, đảm bảo sự trung thực và biên độ cho phía thu). 1.3.Công thức truyền sóng lý tưởng. Giả sử chúng ta có một không gian đồng nhất rộng vô hạn, trong khoảng không gian đó, chúng ta đặt một nguồn bức xạ đẳng hướng (là một anten chuẩn bức xạ năng lượng sóng điện từ về mọi phía là như nhau). SVTH: Trần Thị Minh Hoa - 13 - P là công suất phát của nguồn (w) Nhiệm vụ của bài toán đặt ra là phải tính được giá trị trường ở một điểm thu M cách nguồn một khoảng là r (m). Qua M chúng ta vẽ một mặt cầu, tâm là nguồn phát (anten), bán kính r. Mật độ công suất bức xạ(trên một đơn vị diện tích) P 4π r 2 S= (W/m2) (1.1) Hình 1.1: Mật độ công suất bức xạ trên một đơn vị diện tích Nếu biểu thị cường độ bằng vol/met (V/m) còn từ trường bằng ampe/met (A/m) thì ta sẽ có : S = Eh Hh (W/m) (1.2) Eh và Hh là giá trị hiệu dụng của cường độ điện trường và từ trường. Các đại lượng này quan hệ nhau bằng hệ thức : H = E/ Zo (A/m) (1.3) Zo là trở kháng sóng của môi trường. Đối với môi trường là không khí thì : Zo = µo =120п (Ω) εo (1.4)  Khi sóng lan truyền trong không gian tự do : Eh = 173. P ( Kw).D (l ) r ( Km) [mV/m] (1.5) P : công suất máy phát (Kw) D : hệ số định hướng của anten (lần) r : khoảng cách từ anten phát đến điểm xác định E (Km) Emax = Eh . 2  Khi kể đến ảnh hưởng của mặt đất : SVTH: Trần Thị Minh Hoa - 14 - Eh = 245. Emax = Eh . P ( Kw).D (l ) r ( Km) 2 [mV/m] (1.6) (1.7) 1.4.Các phương thức truyền sóng. Mỗi băng sóng có phương thức truyền lan riêng, nhưng giữa hai băng sóng gần nhau sự biến đổi đặc tính truyền lan giữa chúng là không rõ rệt. Trong môi trường đồng nhất, sóng sẽ truyền lan theo đường thẳng với vận tốc không đổi. Khi sóng truyền lan gần mặt đất, sự có mặt của mặt đất bán dẫn điện, một mặt gây phản xạ sóng từ mặt đất, làm biến dạng cấu trúc của sóng và gây ra hấp thụ sóng trong đất; mặt khác, do mặt đất có dạng hình cầu, sóng truyền lan trên đó sẽ có hiện tượng nhiễu xạ. Nhưng ta biết hiện tượng nhiễu xạ chỉ xảy ra rõ rệt đối với những trường hợp khi kích thước của vật chướng ngại có thể so sánh được với bước sóng. Vì vậy, chỉ những sóng dài hoặc cực dài có bước sóng hàng trăm hoặc hàng nghìn mét thì mới thỏa mãn điều kiện nhiễu xạ quanh mặt đất và dễ dàng phát sinh hiện tượng này. Tuy nhiên, cần chú ý rằng sự nhiễu xạ của sóng chỉ có thể xảy ra trên một phần mặt cong của trái đất và cả trong những điều kiện thuận lợi nhất (bước sóng dài nhất) sóng nhiễu xạ cũng không thể truyền lan vượt quá cự ly 300 - 400 km. Có các phương thức truyền sóng như sau : 1.4.1.Sóng đất. Khi sóng truyền lan gần mặt đất, sóng thường bị nhiễu xạ do cấu trúc vật lý của bề mặt trái đất. Sự có mặt của mặt đất bán dẫn điện, một mặt gây phản xạ sóng, mặt khác nó lại hấp thụ sóng, làm biến dạng cấu trúc của sóng,mặt khác bề mặt trái đất là một mặt cầu có cấu trúc địa lý gồ ghề, nhiều chướng ngại cho sự truyền lan của sóng. Những sóng vô tuyến điện truyền lan ở gần mặt đất theo đường thẳng hoặc bị phản xạ từ mặt đất, hoặc bị uốn cong đi theo độ cong mặt đất do hiện tượng nhiễu xạ gọi là sóng đất. 1.4.2.Sóng tầng đối lưu. SVTH: Trần Thị Minh Hoa - 15 - Tầng đối lưu là tầng khí quyển thấp, có độ cao khoảng 10 đến 15km tính từ bề mặt trái đất. Đây là môi trường không đồng nhất, tính không đồng nhất của tầng đối lưu có nhiều dạng. Một dạng gây ra sự uốn cong quĩ đạo của tia sóng khi truyền trong đó và tạo khả năng để sóng có thể truyền đi xa trên mặt đất cong. Một dạng không đồng nhất khác gây ra sự khuếch tán sóng và những sóng khuếch tán đó có thể đạt tới khoảng cách 1000km kể từ mặt đất. Ảnh hưởng của hiện tượng khuếch tán chỉ biểu hiện rõ ở những sóng ngắn hơn 10m. Ảnh hưởng của sự uốn cong quĩ đạo sóng do tầng đối lưu biểu hiện ở những sóng có bước sóng dài hơn. Ngoài ra, trong một số trường hợp, với điều kiện khí tượng thích hợp thì tầng đối lưu lại truyền sóng theo kiểu “ ống sóng” và tại đó nó cho phép những sóng có bước sóng ngắn hơn (khoảng λ = 3m) truyền lan xa tới những cự ly 800 đến 1000km. Những sóng vô tuyến điện truyền đi tới các cự ly xa trên bề mặt đất do khuếch tán trong tầng đối lưu hoăc do tác dụng của “ống dẫn sóng” của tầng đối lưu được gọi là sóng tầng đối lưu. 1.4.3.Sóng tầng điện ly. Tầng điện ly là miền khí quyển có độ cao từ 60 đến 600km bao quanh trái đất. Do tầng khí quyển ngoài cùng nên tầng điện ly chịu ảnh hưởng trực tiếp của bức xạ năng lượng mặt trời, của các hạt vũ trụ và các tác động khác làm cho khí quyển bị ion hóa, tạo nên một số lớn điện tử tự do ( khoảng 10 2 →106 điện tử trong một cm3). Đối với sóng vô tuyến điện thì tầng điện ly có thể xem là môi trường bán dẫn điện và sóng có thể phản xạ từ đó. Qua tính toán và thực nghiệm cho thấy rằng tầng điện ly chỉ có thể phản xạ được những sóng có bước sóng dài hơn 10m, với những sóng có bước sóng ngắn hơn thì tầng điện ly được coi là môi trường “trong suốt”. Do được phản xạ một hay nhiều lần mà sóng có thể truyền đi được tới những cự ly rất xa. Bên cạnh khả năng phản xạ sóng vô tuyến điện, do tầng điện ly có các miền không đồng nhất, nó có SVTH: Trần Thị Minh Hoa - 16 - khả năng khuếch tán các sóng khi truyền tới. Vì vậy, những sóng có tần số rất cao có thể không phản xạ được ở tầng điện ly, nhưng do khuếch tán ở các lớp ion hóa nó vẫn có thể truyền tới những cự ly rất xa. Những sóng vô tuyến điện truyền tới những cự ly xa do phản xạ( một hoặc nhiều lần) hoặc do khuếch tán từ tầng điện ly được gọi là sóng tầng điện ly. 1.4.4.Sóng vũ trụ. Những sóng vô tuyến điện truyền lan giữa các trạm mặt đất và các vệ tinh bay quanh trái đất, hoặc với các con tàu trong khoảng không vũ trụ là những sóng không bị tầng điện ly cản trở bởi các hiệu ứng phản xạ, hoặc khuếch tán. Trong quá trình truyền lan, nó chỉ bị hấp thụ qua các vật cản như các đám mây mưa. Tần số càng cao sự suy giảm càng lớn, hay các đám mưa càng lớn thì sự suy hao càng nhiều. Những sóng truyền lan trực tiếp ( sóng thẳng) giữa mặt đất và các đối tượng khác ngoài vũ trụ được gọi là sóng vũ trụ. Chỉ những sóng có tần số cao từ 1GHz trở kên mới thích hợp với điều kiện truyền lan của sóng vũ trụ. 1.5.Nguyên lý Huyghen và miền Fresnel. 1.5.1.Nguyên lý. Để hiểu rõ một số đặc điểm truyền lan của sóng trên mặt đất cần biết những khái niệm về miền Fresnel. Việc biểu thị miền Fresnel lại dựa trên nguyên lý Huyghen. Ta coi mỗi mặt sóng bất kỳ bao quanh nguồn thực là tập hợp của vô số nguồn bức xạ thứ cấp (hay nguyên tố Huyghen), mỗi năng lượng bức xạ thứ cấp này lại tạo ra những mặt sóng mới. Trường nhận được ở điểm thu là kết quả giao thoa của những mặt sóng mới. M SVTH: Trần Thị Minh Hoa - 17 - Hình 1.2: Sự giao thoa của các mặt sóng Theo nguyên lý Huyghen, người ta có thể tính được giá trị trường ở điểm thu bất kỳ trong không gian khi đã biết được trường trên một bề mặt nào đó. Giả sử nguồn của sóng sơ cấp đặt ở điểm A ( Hình 1.3) , kí hiệu S chỉ một mặt kín bao quanh A. M là một điểm bất kỳ nằm ngoài mặt kín. Giả sử ta đã có các trị số đã biết của trường trên mặt S. Đặt Ψ là kí hiệu của thành phần trường tại M. Ψs là trị số của thành phần ấy trên S. Khoảng cách từ S→M là r. M A X Hình 1.3: Trường ở điểm thu bất kỳ trong không gian Theo nguyên lý Huyghen, trường thứ cấp tạo ra bởi một số nguyên tố bề mặt tại điểm dS tại điểm M sẽ tỷ lệ với diện tích của mặt nguyên tố. Qua nghiên cứu tính toán người ta đã tìm được công thức áp dụng cho trường hợp mặt S là một mặt có hình dạng bất kỳ. Công thức Huyghen có dạng tổng quát như sau: −1 φ = 4π  ∂  e− ikr  e −ikr ∂ ϕ s  ∫  ϕ ∂n  r ÷ − r * ∂n  * dS (1.8) Trên cơ sở công thức tổng quát, nhờ nguyên lý Huyghen người ta có thể tính được giá trị trường ở điểm thu bất kỳ mà không cần biết chính xác sự phân bố của nguồn thực. Tuy nhiên đây là một việc rất khó, nhưng qua nghiên cứu vấn đề này, nguyên lý Huyghen cho người ta xác định được các miền Fresnel mà trong đó miền SVTH: Trần Thị Minh Hoa - 18 - Fresnel thứ nhất là rất quan trọng vì nó có ảnh hưởng rất lớn đến việc truyền sóng, vấn đề mà ta đang nghiên cứu. 1.5.2.Miền Fresnel. Giả sử có một đài phát tại A với bước sóng làm việc là λ. Để khảo sát ta vẽ một mặt cầu tâm A, bán kính l1 . Từ điểm thu M hạ một họ đường thẳng l cắt mặt cầu một đường tròn f1. Tiếp theo đó hạ một họ đường thẳng nữa có độ dài là l 2 + 2 λ/2. Họ đường thẳng này lại cắt mặt cầu theo một đường tròn nữa f 2. Tiếp tục như vậy, với độ dài đoạn thẳng hạ xuống mặt cầu ( từ M) có độ dài là : l2 + 3 λ/2 ; l2 +4 λ/2 ; … l2 +n λ/2 l2 + Fn l2 λ 2 M f0 l1 A Hình 1.4: Miền Fresnel Các đường này chia hết mặt cầu thành các miền vành khăn và hai chỏm cầu. Các miền này theo thứ tự được gọi là miền Fresnel thứ nhất, thứ hai,…thứ n. Bán kính của các vòng tròn F1, F2,…., Fn được gọi là bán kính của các miền Fresnel thứ nhất…., thứ n. Năng lượng trường phát ra từ A đến M theo nguyên lý Huyghen sẽ bằng năng lượng trường tạo bởi tất cảcác miền Fresnel thứ nhất, thứ hai…., thứ n đưa đến điểm thu M. Qua nghiên cứu người ta thấy các miền Fresnel có đặc điểm: hai miền kề nhau có khoảng cách thu chênh nhau 0,5λ thì trường do chúng tạo ra ngược pha nhau, do vậy chúng triệt tiêu nhau. SVTH: Trần Thị Minh Hoa - 19 - Như vậy người ta tính toán được rằng năng lượng thực sự đưa đến điểm thu M chỉ tương đương với năng lượng do nửa miền Fresnel thứ nhất tạo ra. Do vậy, ta phải xác định được bán kính miền Fresnel này. Để thuận tiện ta chọn bề mặt để lập miền Fresnel là mặt phẳng So, mặt phẳng này vuông góc với AM (hình 1.5) Nn So A l1 l2 bn M Hình 1.5: Xác định bán kính miền Fresnel ANn + NnM = 11 + 12 + n ANn = l12 + bn2 ≈ l1 + λ 2 bn2 2l1 NnM = l12 + bn2 = l2 + (1.9) (1.10) bn2 2l 2 (1.11) Ta có bán kính miền Fresnel thứ n (tính gần đúng) là : bn = l1l2 ∗ nλ l1 + l2 (1.12) Giả sử mặt phẳng So dịch chuyển theo đường lan truyền từ A →M. Giới hạn dịch chuyển sẽ vẽ nên quĩ tích cho một mặt phẳng ellipsoit. A SVTH: Trần Thị Minh Hoa M