Đề tài Tổng quan về vi ba số

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VI BA SỐ. 1.1. Giới thiệu chung. Hệ thống truyền dẫn là 1 hệ thống bao gồm các thiết bị, phương tịên dùng để truyền tín hiệu từ nơi này đến nơi khác. Ngày nay, theo phương tiện truyền dẫn, các HTTT bao gồm các loại hệ thống chủ yếu sau: + HTTT dùng cáp đồng trục, trong đó môi trường truyền dẫn là cáp đồng trục (coaxial cable) Các hệ thống sử dụng cáp đồng trục có dung lượng không cao, cự ly khoảng lặp ngắn và khả năng cơ động kém. Các hệ thống loại này đang dần được thay thế và được sử dụng chỉ trong những tình huống cụ thể nhất định. + HTTT sóng cực ngắn (microwave) với môi trường truyền dẫn vô tuyến trên giải sóng cực ngắn, bao gồm các loại hệ thống thông tin vệ tinh, thông tin vô tuyến tiếp sức (radio-relay) và thông tin di động; Các hệ thống thông tin vệ tinh có dung lượng trung bình song bù lại có cự ly liên lạc từ lớn đến rất lớn. Các hệ thống này được sử dụng làm trục xuyên lục địa hoặc phục vụ cho các tuyến khó triển khai các loại hình liên lạc khác (như tuyến liên lạc đất liền-hải đảo, đất liền-các giàn khoan dầu, đất liền-các tàu viễn dương...). Ngoài ra, các hệ thống vệ tinh địa tĩnh còn được sử dụng cho các hệ thống phát quảng bá truyền hình. Trong tương lai gần, khi hệ thống các vệ tinh quỹ đạo thấp và trung bình được triển khai, các hệ thống vệ tinh có thể được sử dụng cho cả thông tin di động phủ sóng toàn cầu. Các hệ thống thông tin di động phục vụ các đầu cuối di động, nói chung có dung lượng thấp. Khả năng di động là ưu thế lớn nhất của các hệ thống này. Các hệ thống vô tuyến tiếp sức mặt đất (terrestrial radio-relay) có dung lượng từ thấp tới cao, có khả năng thay thế tốt các tuyến cáp đồng trục trong các mạng nội hạt lẫn đường trục. Với thời gian triển khai tương đối thấp, tính cơ động của các hệ thống vô tuyến tiếp sức mặt đất hơn hẳn một số loại hệ thống khác. Một ưu điểm nữa của các hệ thống này là rất dễ triển khai, ngay cả trong các điều kiện địa hình gây nhiều trở ngại cho việc triển khai các loại hệ thống dung lượng cao khác như trong các đô thị, hoặc qua các vùng có địa hình rừng núi với cự ly chặng liên lạc lên đến 70 km, trung bình là từ 40 dến 45 km. + HTTT quang sợi (fiber-optic) với môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang học (gọi tắt là cáp quang). Hệ thống cáp quang có dung lượng lớn nhất, giá rẻ (theo chi phí tính trên kênh thoại) do đó thường được sử dụng làm đường trục quốc gia, xuyên quốc gia, xuyên lục địa. Nhược điểm cơ bản của HTTT cáp quang là khả năng cơ động hệ thống kém, chi phí lắp đặt ban đầu khá cao, vì vậy trong một số trường hợp cụ thể thì việc triển khai được xem là rất khó khăn. + HTTT vô tuyến làm việc trong giải tần số từ 60MHz trở xuống. Hệ thống thông tin vi ba Từ tiếng Anh microwave có nghĩa là sóng cực ngắn hay vi ba theo cách dịch qua tiếng Trung Quốc. 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 chỉ để chỉ các hệ thống vô tuyến tiếp sức. Do đó, hiện nay trong các tài liệu kỹ thuật của ta, nói vi ba là nói tới hệ thống vô tuyến tiếp sức mặt đất. Thông tin sóng cực ngắn giữa hai điểm bắt đầu xuất hiện vào những năm 30 của thế kỷ trước 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 đương thông tin VTTS đầu tiên được thành lập ở Newyooc và Philadenphi chuyển tiếp qua 6 địa điểm và chuyền được 5 kênh thoại. Và TTVTTS bùng nổ sau chiến tranh thế giới lần thứ hai. Hệ thống vi ba số bắt đầu hình thành từ đầu những năm 50 và phát triển mạnh mẽ cùng với sự phát triển của kỹ thuật viễn thông. Mô hình của một hệ thống thông tin vi ba 1.2.1. Giải tần số của các hệ thống vi ba: Tổng quan về phân chia các băng tần Băng tần Ký hiệu Đặc tính lan truyền Phạm vi ứng dụng 3-30KHz (Chục km) Tần số rất thấp (VLF) - Sóng mặt đất - Lan truyền cự ly xa - Mức tạp nhiễu khí quyển lớn ứng dụng nhiều cho thông tin dưới nước (solar) 30-300KHz (Km) Tần số thấp (LF) - Tương tự như VLF nhưng bị hấp thụ vào ban ngày Vô tuyến hàng hải 300-3000KHz (Trăm mét) Tần số trung bình (MF) - Sóng mặt đất và sóng trời ban đêm - Suy hao thấp ban đêm cao vào ban ngày - Tạp khí quyển Vô tuyến và định vị hàng hải, các tần số cho cứu hộ và vô tuyến quảng bá AM 3-30MHz (Chục mét) Tần số cao (HF) Phản xạ tầng điện ly thay đổi theo thời gian trong ngày, mùa và tấn số Vô tuyến nghiệp dư; phát sóng quốc tế; thông tin quân sự, hàng không đường dài. 30-300MHz (mét) Tần số rất cao (VHF) Lan truyền theo tần nhìn thẳng (LoS) Truyền hình VHF, phát thanh FM, thông tin đạo hàng AM, thông tin vi ba 0,3-3GHz (dm) Tần số cực cao (ultrahigh frequency-UHF) Lan truyền theo tầm nhìn thẳng Truyền hình UHF, radar, thông tin vi ba 3-30GHz (cm) Tần số siêu cao (superhigh frequency-SHF) Lan truyền Los, suy hao nhanh theo lượng mưa, suy hao khí quyền do ôxi và hơi nước, hấp thụ hơi nước cao ở 22GHz. Thông tin vệ tinh, thông tin vi ba. 30-300GHz (mm) Tần số siêu siêu cao (Extremely High Frequency EHF) LoS, hấp thụ hơi nước tại 183GHz và hấp thụ ô xi tại 60 và 119GHz Rada, vệ tinh thử nghiệm. 103-107GHz Hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy và tia cực tím LoS Thông tin quang Thông tin siêu cao tần làm việc ở dải sóng cực ngắn dùng để truyền tín hiệu có dải tần rộng. Về lý thuyết, giải sóng dùng cho các hệ thống vi ba là từ 60MHz cho tới 60/80GHz. Trong thực tế, đối với các hệ thống vi ba ở dạng thương phẩm thường làm việc trên giải sóng từ 60MHz đến 20 GHz, các hệ thống công tác với giải tần số cao hơn (60á80 GHz) hiện vẫn đang còn trong giai đoạn thử nghiệm. Hệ thống thông tin siêu cao tần làm việc ở dải tấn số: 60 MHz ¸ 80 GHz do có dải tần làm việc rất rộng và cao so với thông tin cao tần vì vậy được sử dụng làm phương tiện truyền dẫn chính trong viễn thông công cộng siêu ngắn Gọi là Viba Trong hệ thống thông tin siêu cao tần bao gồm: + Hệ thống thông tin vi ba là hệ thống thông tin siêu cao tần các trạm chuyển tiếp được đặt trên mặt đất. + Hệ thống thông tin vệ tinh là hệ thống thông tin siêu cao tần các trạm chuyển tiếp được đặt trên vệ tinh nằm ngoài quả đất. + Thông tin di động là giao tiếp viễn thông giữa máy di động MS với trạm thu phát gốc BTS cũng làm việc ở dải sóng siêu cao tần. 1.2.2. Đặc điểm + Do làm việc ở dải sóng siêu cao tần nên đảm bảo được việc truyền những tín hiệu dải rộng. + Độ rộng dải tần siêu cao khoảng 30GHz do đó nhiều đài có thể làm việc đồng thời. + Hầu như không bị can nhiễu khí quyển và công nghiệp + Trong dải sóng SCT dễ dàng tạo ra các hệ thống anten có tính định hướng cao, búp sóng hẹp nhờ vậy máy phát có thể giảm công suất và trên cùng một phạm vi ta có thể triển khai nhiều hệ thống cùng làm việc mà không gây nhiễu lẫn nhau. + Triển khai nhanh và giá thành rẻ hơn so với các hệ thống thông tin dùng cáp (cáp quang hoặc cáp đồng trục) vì việc triển khai hệ thống cáp là rất tốn kém và trong khu vực đông dân cư có nhiều công trình xây dựng thì việc triển khai một hệ thống cáp là rất khó khăn. + Dễ dàng quản lý vì hệ thống vi ba chỉ giới hạn quản lý trong phạm vi của trạm vô tuyến dọc theo trục (trong khi đó hệ thống cáp phải quản lý toàn bộ tuyến cáp và đặcbiệt phải đối đầu với nguy cơ đứt cáp). + Dải sóng SCT có nhược điểm là chỉ truyền được chắc chắn trong tầm nhìn thẳng cự ly không quá 50 km. Vì vậy khi muốn thông tin đi xa cần thực hiện chuyển tiếp nhiều lần. + Có tốc độ nhỏ hơn nhiều so với hệ thống cáp quang và hiện nay ở đường trục chỉ còn sử dụng ở những khu vực chưa kéo được cáp quang do địa hình phức tạp. + Chịu tác động của đường truyền: hấp thụ do hơi nước và ôxi, suy hao do mưa và hiện tượng pha đinh đặc biệt đối với các hệ thống băng rộng phải chịu tác động của pha đinh đa đường chọn lọc theo tần số. Phân loại - Có nhiều phương pháp, căn cứ để phân loại: Theo dung lượng (tốc độ bít tổng cộng B ở đầu vào) các hệ thống vi ba số được phân thành: Các hệ thống dung lượng thấp: B<10 Mb/s; Các hệ thống dung lượng trung bình: B ẻ(10á100 Mb/s); Các hệ thống dung lượng cao: B>100 Mb/s. Theo cự ly liên lạc (haul) Tuyến dài (cự ly liên lạc lớn hon 400km): thường là những đường trục có dung lượng lớn so sánh được với cáp quang. Dải tần được sử dụng rộng rãi từ 4 đến 6 GHz. Tuyến ngắn (cự ly liên lạc dưới 400km): dung lượng thấp, thông thường 1DS1, 4DS1, 1E1, 4E1 dùng để nối các trung tâm chuyển mạch di động. Dải tần thường sử dụng khoảng 15 GHz vì ở dải tần này cho phép thu gọn kích thước của an ten và thiết bị. Do chặng ngắn nên không cần phân tập để chống lại hiện tượng pha đing. Nguyên nhân gây gián đoạn liên lạc chủ yếu gây do mưa nên cần có hệ số khuyếch đại lớn và chặng ngắn. Với chặng lớn hơn thường sử dụng dải tần L6GHz, U6GHz hoặc 11GHz dung lượng thấp. Dải tần này không chịu ảnh hưởng pha đing do mưa nên có thể bảo đảm cự ly liên lạc xa hơn. - Căn cứ phân loại theo mục đích sử dụng: + Hệ thống viễn thông riêng ( nội bộ ) là mạng thông tin phục vụ cho thông tin riêng, nội bộ của các cơ quan, đơn vị không dùng để kinh doanh. + Hệ thống viễn thông công cộng: là hệ thống giành cho mọi đối tượng sử dụng và sử dụng để kinh doanh, yêu cầu chất lượng cao, thuận tiện, đơn giản, dễ sử dụng. - Căn cứ phân loại theo quy mô của mạng: + Mạng nội hạt: phục vụ cho 1 khu vực địa lý, khu vực dân cư ( tỉnh, thành phố) + Mạng quốc gia ( mạng liên tỉnh) phục vụ thông tin giữa các vùng, các khu vực, các tỉnh thành. + Mạng quốc tế: dùng để phục vụ thông tin giữa các nước. - Căn cứ phân loại theo địa lý: + Mạng viễn thông nông thôn: mật độ thưa, không tập trung. + Mạng viễn thông thành phố: mật độ dày đặc, tập trung nhiều. - Căn cứ phân loại theo phương pháp xử lý truyền dẫn tín hiệu: + Hệ thống viễn thông tương tự + Hệ thống viễn thông số. Chủ yếu đi vào viễn thông công cộng, viễn thông số. 1.4. Các chỉ tiêu chất lượng cơ bản của hệ thống vi ba: Đối với các hệ thống thông tin số hiện tại, các tín hiệu số là các tín hiệu nhận giá trị trong tập hữu hạn các giá trị có thể có và có thời gian tồn tại hữu hạn. Khi tập các giá trị có thể có của tín hiệu gồm hai phần tử 0 và 1 thì hệ thống được gọi là nhị phân và tín hiệu khi đó được gọi là bít. Gọi giá trị của bít thứ k là Dk và thời gian tồn tại của nó là Tk (Tk =T và là hằng số với mọi k). Ở đầu thu tín hiệu khôi phục lại là và có độ rộng là k, nếu kạ Dk thì tín hiệu thứ k được gọi là bị lỗi, nếu kạ T tín hiệu thứ k được gọi là có jitter. Cũng như các hệ thống truyền dẫn số khác, chỉ tiêu chất lượng cơ bản của hệ thống vi ba số là xác suất bít lỗi và jitter (rung pha hay còn được gọi là trượt trong một số tài liệu). Xác suất lỗi bít BER (Bit-Error Ratio) được định nghĩa là: BER=P{kạ Dk}, với P{.} là xác suất (1.1) Khi k= T+dT thì được gọi là jitter (1.2) Tuỳ từng loại dịch vụ mà các hệ thống có các đòi hỏi khác nhau về BER và jitter. Đối với các hệ thống truyền thoại, yêu cầu BER<10-6 và do thoại ít nhạy với jitter nên có thể cho phép jitter khá cao. Đối với tín hiệu truyền hình, nếu sử dụng điều chế xung mã (PCM) thường thì BER đòi hỏi cũng như đối với thoại song cần lưu ý là tốc độ truyền với truyền hình là khá cao. Khi sử dụng ADPCM (Adaptive Differential Pulse Coded Modulation: Điều chế xung mã vi sai tự thích nghi) để truyền hình thì yêu cầu BER<10-9, thậm chí còn yêu cầu tới BER<10-12. Nói chung các tín hiệu truyền hình rất nhạy cảm với jitter. Nhìn chung khi BER³10-3 thì hệ thống được xem như gián đoạn liên lạc. Jitter được xem là lớn nếu lớn hơn 0.05T (giá trị đỉnh-đỉnh). Thực tế người ta còn sử dụng một số thông số chất lượng dẫn xuất khác như các giây không lỗi, các giây bị lỗi, các giây bị lỗi trầm trọng, các phút suy giảm chất lượng... để đánh giá hệ thống vi ba số. Giây bị lỗi (Errored Second) là những khoảng 1s mà trong đó có ít nhất một bít lỗi Tỷ số giây bị lỗi (Errored Second Ratio) = Giây bị lỗi trầm trọng (Severely Errored Second) là những khoảng 1s mà BER>10-3 Tỷ số giây bị lỗi trầm trọng (Severely Errored Second Ratio) = Các phút suy giảm chất lượng là những khoảng thời gian 1 phút trong đó BER > 10-6 Tính không khả dụng của hệ thống là khoảng thời gian không thể làm việc được, bắt đầu khi BER >10-3 trong mỗi giây và kéo dài 10 s liên tiếp (10 s này là khoảng thời gian không làm việc được). Thời gian không làm việc được kết thúc khi BER <10-3 trong mỗi giây và kéo dài liên tiếp trong 10s. Tiêu chuẩn với hệ thống thực Đối với tuyến có cự ly L<280 km Phút suy giảm chất lượng < 0,045% thời gian 1 tháng bất kỳ Giây lỗi trầm trọng < 0,006% thời gian của tháng bất kỳ Đối với tuyến có cự ly 280km<L<2500 km Phút suy giảm chất lượng < (L/2500)x 0,4% thời gian 1 tháng bất kỳ Giây bị lỗi trầm trọng < (L/2500)x 0,054 % thời gian của 1 tháng bất kỳ Chỉ tiêu về độ khả dụng của hệ thống L < 600 km là 0,06. (L/600) % Ch­¬ng 2 CÊu tróc HÖ thèng viba sè I. Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống vi ba số: 1. Sơ đồ khối của một trạm đầu cuối thực tế: Sơ đồ khối cơ bản tuyến phát: Nhiệm vụ: Biến đổi tín hiệu băng gốc thành tín hiệu dạng sóng Chuyển đổi tín hiệu lên băng tần công tác Khuếch đại tín hiệu, hạn chế phổ tín hiệu và bức xạ qua an ten. Hình 1. Sơ đồ khối cơ bản tuyến phát. Chức năng: Đối với hệ thống viba số tín hiệu vào tuyến phát bao gồm dữ liệu dưới dạng số được đưa đến từ tổng đài hoặc từ trạm viba số khác. - Mã hoá: Mã hoá kênh nhằm sửa lỗi bằng cách đưa vào một lượngthông tin dư. - Khối điều chế ánh xạ từ tín hiệu số băng gốc thành tín hiệu dạng sóng: Các dạng điều chế cơ bản FSK, PSK, QAM. Z FSK : + Không nhạy cảm với méo biên độ + Thiết bị đơn giản. + Hiệu quả phổ thấp PSK và QAM hiệu quả phổ phụ thuộc vào mức điều chế M Hiệu quả phổ tăng k=log2(M) lần Khi M=4 thì 4-PSK và 4-QAM như nhau Khi M=8 thường sử dụng 8-PSK Khi M>8 thường sử dụng M-QAM Các bộ lọc phát được lắp ngay sau bộ điều chế quyết định phổ tần của kênh. Thông thường là bộ lọc cosine nâng với hệ số uốn lọc a từ 0.2 đến 0.7. - Bộ trộn tần nhằm đưa tín hiệu lên băng tần công tác. Tuỳ thuộc tần số công tác mà hệ thống có thể thực hiện trộn nhiều lần hoặc thực hiện điều chế ngay ở cao tần. Tuy sơ đồ điều chế trực tiếp từ cao tần nhưng chỉ được sử dụng ở những thiết bị có tần số công tác thấp khoảng 1 GHz vàđiều chế FSK do nhược điểm của sơ đồ này là khó đạt được một đặc tuyến điều chế tuyến tính và hơn nữa tần số trung tâm của máy phát không ổn định. Khi điều chế ở trung tần yêu cầu đối với tần số trung tần là ftt > 3Rb (Rb là tốc độ của luồng số liệu) - Khuếch đại công suất: Có thể dùng đèn sóng chạy (TWT) hoặc bán dẫn Gallium-Arsenide (GaAs FET) cho ra công suất khoảng vài W. Thông thường sau bộ khuếch đại công suất thường lắp một mạch lọc phụ nhằm hạn chế sự mở rộng phổ do tính phi tuyến của bộ khuếch đại. - Hệ thống an ten phidơ được sử dụng để dẫn sóng và bức xạ sóng điện từ vào môi trường. Dây phi đơ thường gây ra một lượng tổn hao nhất định tỷ lệ với độ dài của phiđơ. An ten thường có dạng parabol có tính định hướng cao và độ tăng ích lớn khoảng vài chục dBi. H×nh 2. S¬ ®å khèi c¬ b¶n tuyÕn thu. TuyÕn thu NhiÖm vô: - Thu nhËn vµ chuyÓn ®æi tÝn hiÖu thu ®­îc vÒ trung tÇn - ChuyÓn ®æi thµnh tÝn hiÖu b¨ng gèc - Kh«i phôc xung clock Chøc n¨ng: ë tuyÕn thu, tÝn hiÖu thu ®­îc ®­a ®Õn m¸y thu ®Ó chuyÓn ®æi tÝn hiÖu thu ®­îc vÒ tÇn sè trung tÇn. M¸y thu thùc chÊt lµ mét thiÕt bÞ xö lý tÝn hiÖu cao tÇn bao gåm mét khèi khuÕch ®¹i cao tÇn vµ c¸c bé trén tÇn. Bé khuÕch ®¹i tÝn hiÖu cao tÇn cã t¸c dông t¨ng ®é nh¹y m¸y thu. (Gi¶i thÝch) C¸c bé trén tÇn kÕt hîp víi c¸c bé läc th«ng gi¶i biÕn ®æi tÝn hiÖu siªu cao tÇn thu ®­îc vÒ tÇn sè trung tÇn. Tuú theo yªu cÇu chÊt l­îng vµ d¶i tÇn c«ng t¸c m¸y thu cã thÓ thùc hiÖn ®æi tÇn 1 lÇn hoÆc nhiÒu lÇn nh»m lo¹i bá c¸c tÇn sè nhiÔu ¶nh, nhiÔu trung gian vµ nhiÔu l©n cËn (Gi¶i thÝch) TÝn hiÖu trung tÇn sÏ ®­îc ®­a vµo bé gi¶i ®iÒu chÕ ®Ó chuyÓn tõ tÝn hiÖu d¹ng sãng vÒ tÝn hiÖu sè. Trªn c¬ së cña chuçi tÝn hiÖu sè b¨ng gèc sau khèi gi¶i ®iÒu chÕ, tÝn hiÖu xung clock ®­îc kh«i phôc vµ cung cÊp cho c¸c khèi t¸i t¹o xung vµ khèi gi¶i m· ®Ó thu ®­îc d÷ liÖu nh­ ®· ph¸t ®i ë ®Çu ph¸t. S¬ ®å khèi cña mét tr¹m ®Çu cuèi thùc tÕ: H×nh 3. S¬ ®« khèi tuyÕn thu ph¸t cña tr¹m ®Çu cuèi. Mét tr¹m ®Çu cuèi bao gåm c¸c thµnh phÇn: phÇn xö lý tÝn hiÖu b¨ng gèc, phÇn v« tuyÕn, phÇn nghiÖp vô vµ phÇn hÖ thèng phi-®¬/¨ng-ten nh­ trªn (h×nh 2.15). TÝn hiÖu nghiÖp vô ®­îc truyÒn ®i b»ng viÖc thªm vµo chøc n¨ng ®iÒu chÕ tÇn sè vµo bé t¹o dao ®éng chñ sãng phÇn ph¸t. PhÝa thu sÏ thùc hiÖn gi¶i ®iÒu chÕ tÇn sè ®Ó thu ®­îc tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn xa. Nhê hÖ thèng ®iÓu khiÓn ra lÖnh tõ xa cho phÐp c¸c tr¹m ®Çu cuèi cã thÓ ®iÒu khiÓn ®­îc c¸c tr¹m trung gian mµ ë ®ã kh«ng cã ng­êi phôc vô. Khèi chuyÓn m¹ch dù phßng nhËn tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn chuyÓn m¹ch tõ khèi ®iÒu khiÓn chÊt l­îng. Khi chÊt l­îng hÖ thèng gi¶m xuèng qu¸ mét ng­ìng cho phÐp hoÆc gi¸n ®o¹n liªn l¹c th× hÖ thèng ®­îc ®iÒu khiÓn ®Ó chuyÓn sang kªnh dù phßng nh»m t¨ng ®é kh¶ dông cña hÖ thèng. 2. Sơ đồ khối trạm trung gian: Nhiệm vụ của trạm trung gian Khuếch đại tín hiệu nhằm bù lại những tiêu hao trên đường truyền Dịch tần số nhằm tránh hiện tượng tự kích (tín hiệu phát lọt vào đầu thu) Tái tạo tín hiệu số băng gốc, loại bỏ tạp âm tích luỹ. Chức năng này không nhất thiết phải có ở tất cả các trạm trung gian. Có những sơ đồ của trạm trung gian như sau: Máy thu và máy phát thực hiện chuyển đổi tần số, tín hiệu cao tần được chuyển đổi về tần số trung tần ở máy thu. Tín hiệu được giải điều chế để chuyển tín hiệu thu được thành tín hiệu số băng gốc sau đó được đưa đên khối tái tạo xung nhằm gạt bỏ tạp âm tích luỹ. Tín hiệu đầu ra của khối tái tạo xung được đưa được đưa vào khối điều chế để chuyển tín hiệu băng gốc thành tín hiệu dạng sóng. Tại máy phát sẽ thực hiện việc chuyển đổi tín hiệu trung tần thành tín hiệu cao tần và bức xạ ra anten. Đây là sơ đồ trạm trung gian phổ biến sử dụng cho những hệ thống có dung lượng trung bình và cao. H×nh 4. M¸y thu ph¸t ®æi tÇn víi bé t¸i t¹o tÝn hiÖu trung tÇn M¸y thu thùc hiÖn chuyÓn ®æi tÇn sè cao tÇn thµnh tÝn hiÖu trung tÇn vµ gi¶i ®iÒu chÕ nh»m thu ®­îc tÝn hiÖu tÝn hiÖu sè b¨ng gèc. T¹i m¸y ph¸t thùc hiÖn ®iÒu chÕ trùc tiÕp t¹i cao tÇn vµ ph¸t ra an ten. S¬ ®å tr¹m trung gian ®­îc thÓ hiÖn trªn h×nh vÏ 3.1. th­êng ®­îc ¸p dông cho nh÷ng hÖ thèng dung l­îng nhá vµ lµm viÖc ë tÇn sè cao h¬n. H×nh 5. M¸y thu ®æi tÇn víi bé t¸i t¹o tÝn hiÖu trung tÇn/b¨ng gèc vµ m¸y ph¸t ®iÒu chÕ trùc tiÕp T¹i tr¹m trung gian kh«ng thùc hiÖn viÖc t¸i t¹o xung, gi¶i ®iÒu chÕ vµ ®iÒu chÕ. M¸y thu thùc hiÖn viÖc chuyÓn ®æi tÝn hiÖu vÒ trung tÇn vµ chuyÓn sang m¸y ph¸t. T¹i m¸y ph¸t l¹i chuyÓn ®æi tÇn sè tÝn hiÖu trung tÇn lªn tÇn sè tÇn sè cao tÇn t­¬ng øng víi ph©n ho¹ch tÇn sè. víi viÖc sö dông tr¹m trung gian theo s¬ ®å h×nh 3.1. hÖ thèng th«ng tin cho phÐp sö dông chung kªnh dù phßng víi hÖ thèng v« tuyÕn t­¬ng tù vµ c¾t gi¶m nh÷ng thiÕt bÞ cÇn thiÕt. H×nh 6. Tr¹m trung gian dÞch chuyÓn tÇn sè, kh«ng cã bé t¸i t¹o tÝn hiÖu Tr¹m trung gian kh«ng thùc hiÖn t¸i t¹o tÝn hiÖu vµ dÞch chuyÓn tÇn sè. VÒ b¶n chÊt tr¹m trung gian nh­ h×nh vÏ 3. lµ mét bé khuÕch ®¹i tÝn hiÖu cao tÇn cã b¨ng tÇn giíi h¹n cho mçi h­íng truyÒn dÉn. H×nh 7. Tr¹m trung gian kh«ng cã bé t¸i t¹o tÝn hiÖu vµ kh«ng dÞch chuyÓn tÇn sè II. Các phương án tần số: Kế hoạch bố trí tần số cho các trạm đa luồng vô tuyến Phương án luân phiên: Mỗi 1 kênh cao tần sử dụng phương án 2 tần số. Toàn bộ hệ thống bao gồm các tần số thu và phát xen kẽ nhau. Ví dụ: Hệ thống 3 kênh cao tần phải sử dụng 6 tần số Kênh cao tần 1 sử dụng f1, f2. Kênh cao tần 1 sử dụng f3, f4. Kênh cao tần 1 sử dụng f5, f6. Các tần số f1, f3, f5 là các tần số thu hoặc phát Các tần số f2, f4, f6 là các tần số phát hoặc thu. + Kế hoạch luân phiên (Interleaved Plan) Hình 8. Kế hoạch tần số luân phiên. + Kế hoạch tái dụng tần số (Co-channel Plan) Hình 9. Kế hoạch có tái dụng tần số. Trong kế hoạch tái sử dụng tần số mỗi kênh được sử dụng hai lần nhờ sự phân biệt phân cực chéo giữa hai phân cực. Trong kế hoạch luân phiên tần số các kênh được thêm vào giữa các kênh cùng phân cực. Kế hoạch luân phiên tần số thuận lợi hơn khi thiết kế các bộ lọc phân biệt độ phân cực chéo. Khoảng cách giữa các kênh XS là khoảng cách giữa các kênh lân cận cùng phân cực. S là tốc độ symbol và X là khoảng cách kênh được chuẩn hoá theo tốc độ symbol. Tương ứng như vậy Y và Z là băng tần bảo vệ trung tâm và ở hai đầu băng tần được chuẩn hoá. Việc lựa chọn kế hoạch tần số nào hoàn toàn phụ thuộc vào độ nhạy của hệ thống với nhiễu. Nhìn chung kế hoạch tái sử dụng tần số có hiệu quả sử dụng phổ cao hơn nhưng việc việc sử dụng kế hoạch tái sử dụng tần số thường được sử dụng rộng rãi trong những hệ thống các chặng ngắn (20-30km) với những dạng điều chế đơn giản như QPSK (đây là dạng điều chế có tính chống nhiễu cao). Tuy nhiên việc sử dụng kế hoạch tái sử dụng tần số ở những chặng dài hơn và những dạng điều chế phức tạp là không khả thi. Nhận xét: Các tần số phát và các tần số thu xen kẽ nhau Các tần số phát có công suất lớn, các tần số thu có công suất nhỏ cho nên không thể sử dụng 1 ănten để thu và phát tín hiệu theo 1 hướng vì như vậy tín hiệu phát sẽ ảnh hưởng đến tín hiệu thu. Mà mỗi 1 hướng tải sử dụng 2 anten để phát và thu riêng biệt. Tại trạm trung gian lúc này phải sử dụng 4 anten. 4 anten này thì phải dùng bộ lọc để ghép các máy thu vào 1 anten và các máy phát vào 1 anten - Ưu điểm: yêu cầu với bộ lọc ghép đơn giản ( các tần số ở xa nhau sẽ dễ lọc hơn các tần số ở xa nhau) - Nhược điểm: Số anten sử dụng nhiều, 1 trạm trung gian phải có 4 anten nên hiệu quả kinh tế thấp. Phương án phân nhóm: Mỗi 1 kênh cao tần sử dụng phương án 2 tần số. Toàn bộ hệ thống được chia thành 2 nhóm tần số để thu và phát riêng biệt. Ví dụ: Hệ thống 3 kênh tần sử dụng 6 tần số. Kênh cao tần 1 sử dụng f1, f4. Kênh cao tần 2 sử dụng f2, f5. Kênh cao tần 3 sử dụng f3, f6. Các tần số f1, f2, f3 là nhóm các tần số thu hoặc phát. Các tần số f4, f5, f6 là nhóm các tần số phát hoặc thu. Toàn bộ hệ thống được chia thành 2 nhóm tần số để sử dụng thu và phát riêng biệt. Khoảng cách giữa 2 nhóm tần số chọn cách xa nhau. Vì vậy tại trạm trung gian theo 1 hướng cho phép sử dụng 1 anten để thu và phát ( cho 2 hướng) ® số anten giảm đi 1 nửa. Ưu điểm: Số anten sử dụng ít, hiệu quả kinh tế cao Nhược điểm: Yêu cầu với bộ lọc phát phức tạp vì khoảng cách giữa các tần số thu và tần số phát gần nhau. ® Phương án này thường được sử dụng ở các tuyến thông tin có cự ly dài , tiết kiệm được rất nhiều anten. 2. Bố trí tần số cho trạm lặp: + Kế hoạch 2 tần số: Tại một trạm lặp (A) sử dụng 2 tần số sóng mang cho liên lạc hai hướng. Máy thu trên cả hai hướng cùng làm việc trên tần số f1, trong khi đó máy phát trên cả hai hướng công tác trên cùng tần số f2 (xem hình 1.7). Hình 10. Phương án bố trí 2 tần số. + Kế hoạch 4 tần số: Tại một trạm lặp (A), theo một hướng thu trên tần số f1 phát trên tần số f2, theo hướng ngược lại thu trên tần số f3 phát trên tần số f4 (xem h1.8). Hình 11. Phương án bố trí 4 tần số. Đối với phương án bố trí 4 tần số thì thiết bị trạm phức tạp hơn do phải làm việc trên 4 tần số song bù lại xuyên nhiễu giữa các hướng thu-phát rất nhỏ. III. Hiệu quả phổ của hệ thống viba số: Khái niệm hiệu quả phổ của hệ thống vi ba số được phân biệt với độ rộng băng tần mà trên đó là sóng mang đã được điều chế không tính đến ảnh hưởng của các can nhiễu nội bộ hệ thống và nhiễu giữa các hệ thống. Thông thường được xác định qua tỷ số giữa tốc độ truyền dẫn và độ rộng băng tần. E=R/B [bit/s/Hz] Trong đó R là dung lượng truyền dẫn tính theo bit/s B là độ rộng băng tần 1. Hiệu quả phổ với các trạm đa luồng Tuy nhiên trong trường hợp đối với các trạm đa luồng có kế hoạch tần số gồm có N kênh “go” và N kênh “return”, khoảng cách kênh là XS, và đô rộng băng tần tổng cộng là B thì hiệu quả sử dụng phổ phải tính đến tổn hao do các băng tần bảo vệ: Trong đó A- tốc độ số liệu truyền trong mỗi kênh b - độ rộng băng tần của kênh đó k1 cho ta thấy độ lấp đầy trên băng tần và k2 thể hiện sự tổn hao hiệu quả phổ do băng tần bảo vệ. Ta có thể viết lại như sau RN la tốc độ truyền thông tin tổng cộng của hệ thống trên một hướng và 0.5B là độ rộng băng tần đã sử dụng tương ứng. 2. Hiệu quả phổ của kênh vô tuyến số: Tốc dộ của hệ thống viba số được chuẩn hóa theo những khuyến nghị G.702, G.703 và G.704 cho hệ thống phân cấp số cận đồng bộ và khuyến nghị G.707, G.708 và G.709 cho hệ thống phân cấp số đồng bộ (SDH hoặc SONET). Tốc dộ bít fb bao gồm DS1 (1,544 Mbps) DS3 (44.736 Mbps), E1 (2,048 Mbps) và E3 (34,368 Mbps), STS1 hoặc Sub-STM1 (51,84 Mbps) và STM-1 (155,52Mbps). Tốc độ bít được truyền thực tế fbr qua hệ thống viba số thường cao hơn khoảng 6% (fbr= 1.06 fb) so với tốc độ chuẩn hóa do sự thêm vào các bít thông tin phục vụ cho mã sửa sai và những thông tin phụ trợ khác phục vụ cho công tác quản trị nội bộ hoặc để thực hiện ghép kênh vô tuyến theo chuẩn riêng. Để tăng hiệu quả sử dụng băng tần thường dùng những dạng điều chế nhiều mức. Dạng điều chế thông dụng nhất là điều chế M-QAM trong đó M là số mức điều chế hay số trạng thái của dạng điều chế trên mặt phẳng Constellation của tín hiệu. Giả thiết bộ lọc cosin nâng có hệ số uốn lọc là ỏ (0<ỏ<1) chúng ta có thể tính toán độ rộng băng tần cần thiết như sau: Khi đó hiệu quả sử dụng phổ của kênh được biểu diển theo công thức sau: Thông thường yêu cầu hiệu suất của kênh là 2b/s/Hz IV. Can nhiễu: Xác suất lỗi của một hệ thống số bị ảnh hưởng của tạp âm và can nhiễu. Tín hiệu thu được có thể viết dưới dạng tổng quát như sau: Trong đó s là tín hiệu; n là tạp âm; ik là can nhiễu thứ k; Khi tồn tại song song các hệ thống vô tuyến tương tự và vô tuyến số sẽ gây ra vấn đề can nhiễu giữa các hệ thống: + Can nhiễu số đến số. + Can nhiễu tương tự đến số + Can nhiễu số đến tương tự. Một hệ thống số có tính chất chống nhiễu từ các nguồn khác cao hơn hệ thống tương tự cùng tính năng. Yêu cầu tỷ số sóng mang trên nhiễu C/I (carrier to interference ratio) từ 15 đến 20 dB tuỳ thuộc vào dạng điều chế. Những loại điều chế chống nhiễu cao nhất 2-PSK, 4-PSK. Còn O-QPSK nhạy cảm với nhiễu hơn hệ thống FM, 8-PSK, 16-QAM, … và nó yêu cầu C/I lớn hơn. Phân loại nhiễu: +Nhiễu đồng kênh +Nhiễu kênh lân cận Nhiễu đồng kênh: Nhiễu đồng kênh gây ra bởi kênh phân cực chéo, mà sự phân biệt phân cực chéo (XPD) bị suy hao do pha dinh nhiều đường hoặc do mưa. Kênh phân cực chéo có cùng tần số được sử dụng để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần và kênh phân cực chéo có thể hiểu như là việc sử dụng lại tần số. Trong điều kiện truyền sóng bình thường, sự phân biệt phân cực chéo thoả mãn tiêu chuẩn nhưng khi bị suy yếu thì mức nhiễu đồng kênh sẽ tăng lên Định nghĩa độ phân biệt phân cực chéo (XPD) là tỷ số giữa công suất thu được trên một phân cực khi phát trên cùng phân cực đó và công suất thu được trên phân cực đối diện. [dB] Nhiễu đồng kênh gây ra bởi việc thu tần số của một chặng tiếp phát cùng tần số. +Bức xạ vòng +Bức xạ vượt chặng +Bức xạ vòng vượt chặng Nhiễu kênh lân cận Nhiễu kênh lân cận là nhiễu từ các kênh cao tần có cùng phân cực nhưng ở tần số lân cận. Nhiễu này có quan hệ chặt chẽ đến việc chọn khoảng cách giữa các kênh. Nhiễu kênh lân cận cũng có thể gây ra bởi các hệ thống số và tương tự khác như hệ thống vi ba tương tự, thông tin vệ tinh: CHƯƠNG 3: LAN TRUYỀN SÓNG VÀ HIỆN TƯỢNG PHA ĐINH I. Ảnh hưởng của khí quyển tới việc truyền sóng cực ngắn. 1. Truyền sóng trong không gian tự do. Đường truyền vô tuyến tầm nhìn thẳng ở dải sóng SCT bị ảnh hưởng bởi khí quyển và khoảng cách giữa hai trạm. Không gian tự do là môi trường truyền sóng lý tưởng. Trong thực tế không tồn tại môi trường truyền sóng là không gian tự do. Chỉ có các kênh thông tin giữa các vệ tinh có thể coi như là gần với không gian tự do. Tuy vậy các kết quả nghiên cứu truyền sóng trong không gian tự do là cơ sở để phát triển nghiên cứu truyền sóng trong tầng khí quyển gần mặt đất. Tổn hao truyền dẫn cơ bản trong không gian tự do là tổn hao truyền dẫn nếu an ten được thay bằng anten đẳng hướng, đặt trong một môi trường điện môi hoàn hảo đòng nhất đẳng hướng và vô hạn với các khoảng cách giữa các anten giữ nguyên. Khi đó tổn hao truyền dẫn sóng vô tuyến từ điểm phát đến điểm thu trong không gian tự do được tính theo công thức sau: (2.1) ở đây d và l tương ứng là độ dài tia và độ dài bước sóng được tính cùng một loại đơn vị. L thông thường được diễn đạt bằng dB dưới dạng: L = 32,4 + 20 lg (fMHz . dkm) (2.2) Không gian giới hạn năng lượng truyền từ ăng-ten phát tới ăng-ten thu là các đới Fresnel có dạng elipsoid như trên hình vẽ 2.1. F1 F2 d+2l/2 d+l/2 d Đường Đường biên củađới biên của đới Fresnel thứ hai Fresnel thứ nhất Hình1: Các đới Fresnel Đới fresnel thứ nhất chứa tất cả các điểm định nghĩa bởi hai đoạn có độ dài hợp lại lớn hơn độ dài của tia thẳng một khoảng nhỏ hơn l/2, giới hạn của đới fresnel thứ nhất là elipsoid. Các đới còn lại được định nghĩa theo kiểu tương tự. Đới fresnel thứ 2 chứa tất cả các điểm định nghĩa bởi hai đoạn có độ dài hợp lại lớn hơn đường thẳng một khoảng lớn hơn l/2 nhưng nhỏ hơn 2l/2. Kể từ đây các fresnel có dạng tổ chim gọi là vỏ elipsoid, việc xác định đới fresnel giúp cho việc tính toán khoảng hở khi thiết kế tuyến vi ba. 2. Sự truyền dẫn sóng cực ngắn qua khí quyển trộn đều (well-mixed) a. Hiện tượng khúc xạ Đối với vi ba LOS, tia sóng truyền dẫn xuyên qua các thành phần dày đặc của không khí và chịu ảnh hưởng bởi sự thay đổi chỉ số chiết suất không khí dọc theo tia. Chỉ số chiết suất là tỷ số của vận tốc ánh sáng trong không gian tự do với vận tốc của ánh sáng trong môi trường. Sự thay đổi chỉ số chiết suất trong khí quyển phụ thuộc vào các hiện tượng khí tượng, khi mà độ rộng khoảng không so sánh được với độ dài của chặng vô tuyến, đặc biệt phải tính đến sự thay đổi chiết suất theo chiều thẳng đứng. Đây là một yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến đặc tính lan truyền của tia sóng. Sự thay chỉ số chiết suất gây ra hiện tượng khúc xạ sóng như trên hình 2, làm tia sóng bị cong đi. Sự thay đổi chỉ số khúc xạ n của không khí rất gần 1 và chỉ cần thay đổi vài phần triệu cũng có thể gây ảnh hưởng tới sự lan truyền sóng vô tuyến. Để đặc trưng cho sự thay đổi chiết suất theo độ cao người ta đưa ra tính khúc xạ (refractivity) N để thay thế cho chỉ số khúc xạ n (index of refraction) [7]: N(h) = [n (h) - 1] x 106 Ở đây n(h) là chiết suất tại độ cao h (h tính bằng km). Sự khúc xạ phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, độ ẩm của không khí, điển hình có giá trị bề mặt từ 200 đến 500 (đơn vị N). Theo quy định của CCIR khí quyển tham chiếu là một môi trường có tính khúc xạ cho bởi: N(h) = 315 exp (- 0,136h) Ở đây h là độ cao (tính bằng km) so với mức nước biển. Biểu thức trên diễn tả tính khúc xạ giảm theo hàm mũ trong mặt cắt nghiêng. Đây là giá trị mà chúng ta mong muốn tính được trong ngày và trong điều kiện nhiệt độ khí hậu khi mà khí quyển là gần mặt đất. Tính khúc xạ của khí quyển cũng bị thay đổi theo thời gian trong ngày và thay đổi từ vị trí này sang vị trí khác và cũng có thể thay đổi theo mùa trong năm [7]. Mặt phân cách n2 n1 (n1 > n2) n1 Hình 2: Sự khúc xạ sóng h dN/dh= - 40/km 300 N h dN/dh= - 40/km 300 N h dM/dh= 117/km 300 M a. b. c. Hình 3: Truyền dẫn qua khí quyển tiêu chuẩn. a. Biểu đồ trái đất tiêu chuẩn. b. Biểu đồ tia truyền thẳng. c. Biểu đồ trái đất phẳng. Việc tính toán sự thay đổi của tính khúc xạ là một bước quan trọng của quá trình thiết kế tuyến. Sự ảnh hưởng của Gradient tính khúc xạ trong mặt cắt nghiêng là cơ sở để bàn về hiện tượng pha đinh đa đường. Tia sóng truyền ngang qua khí quyển không đồng nhất có độ cong cho bởi: 1/ r = - dn/dh=-dN/dh.106 Ở đây r là bán kính của tia đã bị uốn cong. Giá trị tham chiếu của dN/dh là - 40 đơn vị N/km tương ứng với bán kính của đường cong bằng 4a; (a = 6,37. 106m là bán kính trái đất). Hình 3 a) biểu diễn một tia như vậy (với một cung 1/r) ở trên mặt đất có độ cong là 1/a. Ở đây trong điều kiện khí quyển tiêu chuẩn tia trực tiếp từ ăng-ten phát đến ăng-ten thu đã bị uốn cong. Nếu ta chuyển trục toạ độ sao cho loại bỏ độ cong của tia sóng thì độ cong biểu kiến của trái đất sẽ là (). Hình 3 b) biểu thị độ cong biểu kiến của mặt đất khi tia truyền là thẳng, Như vậy giả thiết tia sóng thẳng thì trái đất như được nhô lên với bán kính ka: và trong đó k là hệ số bán kính của trái đất tương đương thường gọi là hệ số k. Thay a = 6,37.103km ta có: Đối với khí quyển tiêu chuẩn thì dn/dh=-1/(4a) và giá trị tiêu chuẩn của k = 4/3. Điều này có nghĩa là việc lan truyền trên mặt đất qua khí quyển tiêu chuẩn tương đương với việc lan truyền trên một mặt đất nhô lên qua môi trường không có khí quyển. Chỗ lồi của quả đất tại một điểm trên đường vô tuyến được cho bởi: (m) Trong đó x là khoảng cách từ điềm đang xét đến đầu cuối Sự thay đổi của điều kiện khúc xạ trong khí quyển gây ra sự thay đổi bán kính hiệu dụng của quả đất hay hệ số k quanh giá trị trung bình của nó. Do giá trị của k thay đổi tức thời theo các điểm dọc theo tia sóng nên để thuận tiện cho việc tính toán đưa ra một hệ số ke hiệu dụng. Hệ số hiệu dụng ke được xác định từ những phép đo đường truyền và nó biểu diễn cho giá trị trung bình của không gian truyền dẫn. Giá trị ke sẽ có phương sai nhỏ hơn so với giá trị k đo tại mỗi điểm dọc theo đường truyền của tia sóng và giá trị phương sai càng nhỏ theo sự tăng của độ dài chặng. Đối với một đường vô tuyến tiếp sức cần xác định được giá trị nhỏ nhất của ke. Giá trị này được định nghĩa là giá trị vượt trội trong 99,9% thời gian và có thể xác định được theo những bước sau: Bước 1: xác định phân bố của gradient tính khúc xạ Ge theo vị trí quan trọng và đánh giá kỳ vọng và phương sai μ, ú Giá trị ú được xác định từ phân bố của G quanh giá trị trung bình. Trong trường hợp tổng quát thì G có phân bố không chuẩn, để thuận tiện cho việc xác đinh ú ta giả thiết G có phân bố chuẩn. Bước 2: Phân bố của G được giả thiết là như nhau dọc theo đường truyền của sóng vô tuyến. Một giá trị gradient hiệu dụng được đưa ra để giảm sự biến đổi của G trên đường truyền của tia sóng vô tuyến. Từ Ge có thể xác định ke như sau: Bước 3: giá trị gradient hiệu dụng Ge có thể được xem như là giá trị trung bình của G dọc theo chặng. Phân bố của Ge gần đúng có thể xem như một phân bố chuẩn và tăng dần theo độ dài của chặng. Giá trị kỳ vọng và phương sai μ, ú có thể được tính toán như sau: , Trong đó d0=13,5 km Mô hình trên đúng với d>20 km còn với d<20 km thì phân bố của dNe/dh gần trùng với phân bố của dN/dh tại điểm bất kỳ dọc tuyến. Bước 4: Giá trị dNe/dh chấp nhận được trong 99,9% thời gian được xác định theo công thức sau: dNe/dh= μe + 3,1 úe Quá trình trên cho phép ta xác định được giá trị ke cực tiểu với độ đà chặng đã cho. Hình 4. cho phép ta xác định được giá trị ke chấp nhận được trong 99,9% thời gian phụ thuộc vào độ dài chặng. Hình 4. Giá trị ke là một hàm của độ dài chặng. Chúng ta có thể chuyển biểu đồ hình 3.a thành dạng biểu đồ tương đương với mặt đất phẳng hình 3c). Với biểu đồ mặt đất phẳng thì coi như lúc này tia sóng là một đường lòng chảo. Điều kiện lan truyền cho mặt đất phẳng có thể được mô tả ngắn gọn bằng việc đưa ra một chỉ số khúc xạ sửa đổi. Đối với một độ cao cho trước, chỉ số khúc xạ sửa đổi được tính bằng tổng của chỉ số khúc xạ không khí với tỷ số giữa độ cao và bán kính trái đất. Chỉ số khúc xạ sửa đổi M còn được là modul khúc xạ (refractive modulus) M = N + (h/a) 106 Độ cong của tia truyền là: dM/dh = dN/dh + (106/a) Khí quyển tiêu chuẩn có dN/dh = - 40 đơn vị N/km. Giá trị của dM/dh là khoảng 117 đơn vị M/km bởi vì độ cong của trái đất được lấy là 157 đơn vị N hoặc M/km. Hệ số k với khúc xạ chuẩn là: Bất kỳ biểu đồ nào trong hình 3 đều có thể được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của sự thay đổi tính khúc xạ lên khoảng hở của tia sóng vô tuyến (Khi phân tích thường giả thiết rằng gradient của tính khúc xạlà không đổi). Biểu đồ hình 3.a không thuận tiện nhất cho việc tính toán do hệ toạ độ là không trực tuyến. Biểu đồ 3.b có nhược điểm là khi gradient của tính khúc xạ thay đổi thì thuộc tính của tía sóng cũng thay đổi theo độ dài của đường truyền. Tuy nhiên biểu đồ này cũng thường được sử dụng để mô tả hiện tượng lan truyền sóng. Biểu đồ mặt đất phẳng hình 3.c được sử dụng rộng rãi nhất cho việc nghiên cứu tia sóng trên cơ sở của tham số khúc xạ sửa đổi M. Trong một chừng mực nào đó sự khúc xạ cũng là một kế quả có lợi, ví dụ sự uốn cong tia sóng có thể làm tăng cự ly liên lạc. Hiện tượng thiểu khúc xạ và siêu khúc xạ: Giá trị tiêu chuẩn của K = 4/3, nhưng tuỳ thuộc vào từng vùng khác nhau gía trị của K cũng khác nhau. Theo số liệu thống kê cho thấy: K 4/3 ở những vùng khí hậu nóng ẩm, trường hợp này gọi là siêu khúc xạ, đặc biệt khi dM/dh tiến gần đến 0, dN/dh gần đến - 157 đơn vị N/km thì các tia hầu như song song bề mặt trái đất, năng lượng có thể truyền đi xa. Hiện tượng này có thể dẫn đến pha-đing do nhiễu xạ. Trong thiết kế tuyến vô tuyến tiếp sức thường chọn K trong khoảng [1,1 - 1,6] tuỳ thuộc vào điều kiện địa lý. Trong những điều kiện cá biệt giá trị k có thể nhỏ hơn 1 hoặc k đƠ, tuy nhiên điều kiện này ít khi xẩy ra, nếu có thì thời gian xuất hiện không đáng kể. Dạng hình học của tia sóng với các giá trị khác nhau của k cho trong hình vẽ 5. Hiện tượng ống sóng Đây là một trường hợp đặc biệt của khúc xạ sóng. Trong một điều kiện nào đó, giữa hai lớp khí có mật độ không khí như nhau, hình thành ở giữa hai lớp đó một lớp khí có mật độ không khí khác hẳn. Điều này tương tự như hình thành một ống dẫn sóng mà tia sóng khi phát ra với một góc tới nào đó chỉ truyền dẫn trong "ống sóng", làm cho tia sóng bị đi lạc theo hướng khác mà không đến được điểm thu. Ống sóng thường xẩy ra tại các vùng có vĩ độ thấp, mật độ không khí cao, các vị trí gần mặt nước và có nhiệt độ thay đổi thường xuyên với tốc độ thay đổi khá nhanh. Hiện tượng này chỉ ra trên hình 6. n0 nv Tia LOS n0 Hình 6. Hiện tượng ống dẫn sóng b. Hiện tượng nhiễu xạ (difraction) Hiện tượng nhiễu xạ là hiện tượng sóng vô tuyến bị uốn cong quanh các vật cản như là các vật cản có đỉnh nhọn hay các bề mặt có dạng hình cầu. Tính chất nhiễu xạ sẽ phụ thuộc vào kích thước của chướng ngại vật và bước sóng vô tuyến và chúng gây ra một tiêu hao gọi là tiêu hao nhiễu xạ Như đã biết miền Fresnel thứ nhất chứa hầu hết công suất tín hiệu đến máy thu. Nếu tồn tại một vật thể ở rìa miền Fresnel thứ nhất thì tia phản xạ sẽ ngược pha với tia trực tiếp tại điểm thu và gây ra một sự suy giảm tín hiệu tại điểm thu. Trong thực tế nếu không có vật cản nào trong miền Fresnel thứ nhất thì sẽ không có bất cứ một tiêu hao tạp âm xạ nào. Các miền Fresnel thứ 2, 3, … ít ảnh hưởng đến việc tạo ra tiêu hao nhiễu xạ vì công suất chứa trong miền đó là không đáng kể. Bán kính của họ elip xung quanh đường trực tiếp thay đổi dọc theo đường truyền được biểu diễn theo công thức: [m] n = 1,2,3 ... Trong đó: f: Là tần số công tác, tính bằng (GHz) d1: Là khoảng cách từ điểm phản xạ tới điểm đầu (cuối), tính bằng (km). d2: Là khoảng cách từ điểm phản xạ tới điểm cuối (đầu) tính bằng (km). d: Là khoảng cách từ ăng-ten phát tới ăng-ten thu tính bằng (km). Đối với mỗi loại địa hình khác nhau có thể chắn miền Fresnel thứ nhất sẽ có các tổn hao nhiễu xạ khác nhau. Các loại địa hình này có thể là mặt đất phẳng, hình nêm, hình tròn… Hình 7: Điểm đặc biệt của địa hình nằm trong không gian truyền sóng Đới Fresnel 2 Đới Fresnel1 d F1 tia LOS d1 H0 d2 Hình 8. Sự phụ thuộc của tổn hao nhiễu xạ theo khoảng hở của đường truyền. Hình vẽ chỉ ra sự phụ thuộc của tổn hao nhiễu xạ theo khoảng hở ta thây rằng nêu khoảng hở thoả mãn điều kiện tối thiểu 0,6F1 thì có thể coi đường truyền là không gian tự do. Có nghĩa là tổn hao nhiễu xạ bằng không. Tổn hao nhiễu xạ do lướt trên mặt đất phẳng: Các tham số đặc tính điện của một môi trường bất kỳ bao gồm: Độ từ thẩm ỡ (Henry/mét - H/m) Hằng số điện môi ồ (Farad/mét - F/m) Điện dẫn ú (Siemen/ mét - S/m) Độ từ thẩm của đất và biển thông thường có thể coi bằng độ từ thẩm của không gian tự do vì vậy các bài toán thực tế chỉ xét đến hằng số điện môi và độ dẫn điện. Thông thường sử dụng hằng số điện môi tương đối ồr so với không gian tự do. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi tương đối và độ dẫn điện được chỉ ra trên hình 9. Trong thực tế đôi khi có thể sử dụng các biểu thức kinh nghiệm để tính toán hằng số điện môi tương đối ồr dựa trên điện dẫn ú Hình 9. Hằng số điện môi tương đối và điện dẫn là hàm của tần số. Để xác định tổn hao nhiễu xạ đường vô tuyến bị chắn bởi mặt đất phẳng cần xác định dẫn nạp bề mặt K theo sóng phân cực ngang và đứng. Trong đó k là hệ số bán kính hiệu dụng thường được xác định theo hệ số k cực tiểu; f là tần số tính theo đơn vị GHz. Nếu K < 10-3 thì hoàn toàn có thể bỏ qua các đặc tính điện của mặt đất. Nếu K> 10-3 khi đó tiêu hao nhiễu xạ do mặt đất phẳng có thể được tính gần đúng như sau: Trong đó F và G là hàm của X và Y X là độ dài đường truyền đã được chuẩn hoá đượctính theo công thức d là độ dài tia sóng tính theo km, f tính theo GHz Với phân cực ngang tại tất cả các tần số và đối với phân cực đứng f > 20MHz trên đất liền hoặc f> 300 MHz trên biển có thể lấy õ =1 Độ cao của các anten chuẩn hoá có thể được xác định theo công thức sau: h là độ cao anten tính theo mét G là một hàm của Y được xác định theo công thức sau: Bài tập: Xác định tổn hao nhiễu xạ gây ra cho một tuyến có phân cực đứng độ dài tuyến là 70km với địa hình trên mực nước biển (nồng độ trung bình và ở 200C) độ cao của các an ten là 80 m. Tần số sóng mang là 4GHz. Trong một số trường hợp có thể tính tổn hao nhiễu xạ trên địa hình bằng phẳng một cách gần đúng như sau: Dựa trên các tham số về dộ dài tuyến, các thông số về khí hậu và vị trí địa lý ta xác định hệ số hiệu dụng bán kính trái đất ke. Xác định các tham số độ lồi của trái đất qua đó xác định được khoảng hở chuẩn hoá F/F1 Tổn hao nhiễu xạ có thể được tính gần đúng theo công thức sau: Tổn hao nhiễu xạ do vật chắn hình nêm Với một vật chắn được lý tưởng hoá giống như một chiếc nêm có đầu nhọn (hình 4.6) ta có thể tính toán tổn hao nhiễu xạ gần đúng như sau: Hình 10. Vật chắn hình nêm. Tất cả các tham số hình học được gộp lại thành một tham số không thứ nguyên duy nhất . Tham số này có thể hỉểu là một tham số đặc trưng cho cho các tham số hình học đã lựa chọn và có thể được xác định theo một trong các phương trình sau Trong đó h là độ cao của đỉnh vật chắn so với đường nằm ngang của tia sóng nối hai điểm đầu cuối. Nếu vật chắn ở dưới hình này thì h âm d1, d2 là các khoảng cách đến hai đầu cuối đường truyền tính từ vật chắn. d là độ dài đường truyền d=d1+d2 θ là góc nhiễu xạ tính bằng radian dấu cũng như dấu của h a1, a2 là góc được xác định như hình 10 và có dấu theo dấu của h Tất cả các tham số h d ở được biểu thị cùng ở một đơn vị. Với tham số γ >-1 thì tổn hao nhiễu xạ gây ra bởi vật chắn hình nêm có thể được tính gần đúng theo một trong hai công thức sau: chính xác hơn có thể xác định tổn hao nhiễu xạ theo công thức: Bài tập: Cho một đường truyền dẫn vi ba có độ dài 50 km. Một dãy núi cắt ngang đường truyền (có thể coi gần đúng là một vật cản hình nêm) nằm cách một trạm 30 km và có độ cao 100m so với mặt nước biển. Tính tổn hao nhiễu xạ gây ra bởi dãy núi. Độ cao của hai an ten là 70m so với mực nước biển. Hệ số bán kính trái đất hiệu dụng k=4/3. Tổn hao nhiễu xạ gây ra bởi vật chắn tròn duy nhất Hình 11. Vật chắn hình tròn duy nhất trên đường truyền. L(γ) được xác định giống như vật chắn hình nêm với hệ số Các tham số được xác định như hình vẽ 11 T(ủ) là tổn hao trên mặt cong của vật chắn Q(X) là tổn hao được tính theo công thức nếu Tổn hao nhiễu xạ với địa hình trung bình Tổn hao nhiễu xạ gây ra bởi địa hình trung bình có thể được xác định theo công thức sau: Đây là công thức được thiết lập dựa trên kinh nghiệm khi thiết kế trong đó F1 là bán kính của miền Fresnel thứ nhất. Đại lượng F/F1 là khoảng hở được chuẩn hoá. 3. Hấp thụ của các phân tử khí Khí quyển gần mặt đất được cấu thành từ các phân tử khí như ôxi, nitơ, hơi nước ..., dải tần vi ba do có bước sóng nhỏ nên các phần tử khí trong khí quyển hấp thụ một phần đáng kể năng lượng sóng điện từ. Khí ôxi hấp thụ một phần năng lượng sóng vi ba, sự hấp thụ này tương đối nhỏ và phụ thuộc vào tần số. Hơi nước và mù cũng hấp thụ một phần đáng kể năng lượng sóng điện từ, nhất là sóng có tần số cỡ 20GHz trở lên. Hình 12 Sự hấp thụ của ôxy và mưa với sóng vô tuyến Việc xác định các tiêu hao đặc trưng có thể xác định được dựa trên biểu đồ hình 12. Tiêu hao gây ra bởi õy và hơi nước được xác định theo công thức sau: d là độ dài đường truyền (km). óo , ów là tiêu hao đặc trưng của ôxy và hơi nước (dB/km). Bài tập: Tính tiêu hao gây ra bởi các chất khí và hơi nước của một tuyến vi ba có độ dài 50 km làm việc tại tần số 15 GHz. (A = 0,03.50=1,5 dB) 4. Sự phản xạ sóng điện từ Các ăng-ten làm việc trong hệ thống vi ba đều có khả năng định hướng cao. Tuy nhiên chùm tia bức xạ từ ăng-ten cũng chỉ ở dạng hình nón tròn xoay với một góc mở trên giản đồ hướng nào đó. Giả sử với các góc mở hẹp từ 10 - 20, với cự ly liên lạc một chặng từ 40 - 50 km, thì tại điểm thu năng lượng chùm tia sóng điện từ cũng trải ra khá rộng (cỡ từ 0,7 - 1,4 km) và độ cao của tháp là rất nhỏ so với phạm vi trải rộng của năng lượng điện từ. Vì vậy trong quá trình truyền dẫn sóng từ điểm phát tới điểm thu, một phần năng lượng sóng vô tuyến sẽ gặp mặt trái đất và do mặt đất có tính chất phản xạ sóng, nên trong các tia phản xạ sẽ có tia đến được điểm thu. Trong trường hợp tia phản xạ này có cùng pha với tia trực tiếp, thì tín hiệu thu được tăng cường. Tuy nhiên khi tia phản xạ có pha sai khác pha tín hiệu của tia trực tiếp, thì tín hiệu thu sẽ bị suy yếu. Trong trường hợp tia phản xạ là ngược pha với tia trực tiếp, thì tín hiệu thu thậm trí có thể bị triệt tiêu. Sự phản xạ cũng có thể xẩy ra ở các vùng khí quyển bất đồng nhất (vùng đối lưu), tuy nhiên trong hệ thống vi ba LOS, do truyền sóng thẳng nên chúng ta không cần phải xét đến trường hợp này. Sự phản xạ sóng từ mặt đất xẩy ra ở khoảng giữa tuyến hoặc ở những chỗ địa hình có cấu trúc đặc biệt chỉ ra trên hình 13. Hình 13. Hiện tượng phản xạ sóng từ mặt đất Tín hiệu đến điểm thu là tổng tín hiệu tia trực tiếp và tia phản xạ Tín hiệu của tia phản xạ sẽ bị chậm pha so với tia trực tiếp một lượng trong đó là sự chênh lệch quãng đường giữa tia trực tiếp và tia phản xạ tín hiệu phản xạ tại điểm thu có thể được tính theo công thức sau: Trong đó R là hệ số phản xạ của bề mặt Như vậy tín hiệu tại điểm thu có thể được viết lại như sau: Thông thường người ta biểu diễn độ lệch pha giữa tia trực tiếp và tia phản xạ giống như sự giữ chậm về thời gian ụ. Nếu như tần số góc của sóng mang là w thì có thể biễu diễn góc lệch pha như sau: Hàm truyền đạt của kênh vô tuyến có thể biểu diễn sơ bộ như sau: Các giá trị của thay đổi thăng giáng theo thời gian do sự thay đổi bề mặt hoặc các điều kiện khí hậu. Đồ thị của H(w) sẽ có một chỗ trũng ở 1800. Độ sâu của chỗ trũng phụ thuộc vào giá trị . Nếu =1 thì tại 1800 tia trực tiếp sẽ bị khử hoàn toàn và ta có pha ding sâu. Trong trường hợp giữ nguyên ta thấy rằng H(w) phụ thuộc tần số và do đó kênh vô tuyến có đặc tính phụ thuộc tần số. Đối với một mặt đất gồ ghề thì tín hiệu tại điểm thu sẽ là tổng của tất cả các thành phần phản chiếu. Hiện tượng phản xạ cũng là một trong các nguyên nhân gây ra hiện tượng thăng giáng tín hiệu tại điểm thu hay còn gọi là hiện tượng pha đing. II. Hiện tượng Pha đinh Pha đing là hiện tượng thay đổi tín hiệu vô tuyến một cách bất thường tại điểm thu do sự tác động của môi trường truyền dẫn. Các yếu tố gây ra hiện tượng pha đing bao gồm: Sự hấp thụ của các chất khí hơi nước, mưa …. đây là những yếu tố chủ yếu đối với những tần số lớn hơn 10 GHz. Pha đing do hiện tượng lan truyền đa đường: Sự thay đổi gradient chỉ số khúc xạ theo thời gian cũng gây ra hiện tượng thăng giáng tín hiệu tại điểm thu. Trường hợp cực đoan có thể gây ra hiện tượng ống sóng làm tia sóng không đến được điểm thu. Hiện tượng này thường xảy ra tại những nơi có vĩ độ thấp và gần bề mặt nước và có nhiệt độ thay đổi nhanh. Trong trường hợp gradient thay đổi lớn thì đây là nguyên nhân chủ yếu gây ra hiện tượng truyền lan đa đường. Hiện tượng này thường xảy ra ở những giờ giữa trưa khi đó không khí bị xáo trộn hoàn toàn do các dòng đối lưu và gió. Khi gần tối và đặc biệt trong những tháng mùa hè, lượng gió giảm, nhiệt độ và độ ẩm phân bố không đều, tạo nên các gradient chỉ số khúc xạ biến đổi Sự phản xạ sóng từ bề mặt trái đất, đặc biệt là từ bề mặt nước và sự phản xạ từ những bất đồng trong khí quyển sự nhiễu xạ bởi những vật cản trên đường truyền cũng là những nguyên nhân gây ra hiện tượng lan truyền đa đường. Suy hao đường truyền trong hệ thống vi ba mặt đất bao gồm hai thành phần: Thành phần L đặc trưng cho suy hao truyền sóng trong không gian tự do và thành phần A(t.f) đặc trưng cho yếu tố ảnh hưởng của môi trường. Như vậy suy hao của hệ thống vi ba mặt đất trong trường hợp này có thể viết: a(t,f) = L . S(t,f) L là tổn hao gây ra khi lan truyền trong không gian tự do và S(t,f) được gọi là hệ số suy hao do pha-đing. Nói chung S(t, f) là không thể lấy giá trị trung bình được, mà nó được xem như một quá trình ngẫu nhiên với hai biến độc lập. Xét một cách chặt chẽ quá trình này không dừng. Nhưng để thuận tiện cho việc khảo sát trong thực tế ta giả thiết S(t,f) là quá trình dừng. Hệ số suy hao do pha-đing S(t,f) là hàm của biến thời gian t và tần số f. Trong một số trường hợp sự phụ thuộc của pha-đing vào tần số là không đáng kể. Trong trường hợp này suy hao do pha-đing hầu như không đổi trong cả băng tần . Đối với các hệ thống có băng tần hẹp (hệ thống dung lượng nhỏ), khi đó pha-đing được gọi là pha-đing phẳng. Đối với các hệ thống băng rộng (dung lượng cao), giá trị S(t,f) thay đổi rất khác nhau ở các tần số khác nhau trong băng tần, trường hợp này pha-đing được gọi là chọn lọc theo tần số. 1. Pha đinh phẳng: a. Pha đinh phẳng do truyền dẫn đa đường: Trong thông tin vô tuyến vấn đề truyền dẫn nhiều tia được đề cập nghiên cứu từ nhiều thập kỷ trước và những mô hình toán học về kênh nhiều tia đã được đề xuất. Mô hình truyền dẫn nhiều tia với số lượng tia lớn thì áp dụng định lý giới hạn trung tâm để khảo sát, theo định lý này với số lượng tia đủ lớn thì cường độ trường thu có phân bố Gauss, biên độ trường thu sẽ có phân bố Rayleigh. Trong mô hình khảo sát nếu một tia lớn hơn các tia còn lại thì phân bố này chuyển về phân bố Rice hoặc Nakagami. Trong hệ thống vi ba tần số làm việc cao, truyền sóng thẳng nên số lượng tia trong kênh là không nhiều, do đó tính động của kênh thông tin nhỏ hơn so với các kênh ứngvới phân bố Rayleigh, Rice và Nakagami. Để xác định độ dự trữ pha đing có hai phương pháp: Phương pháp Majoli Hệ số xuất hiện pha đinh phẳng nhiều tia cho tháng xấu nhất P0 phụ thuộc vào các tham số của tuyến như tần số công tác, độ dài của chặng, khí hậu, độ gồ ghề của địa hình. Theo phương pháp Majoli P0 được xác định theo công thức sau: trong đó: d là độ dài khoảng tuyến (km) f là tần số cao tần (GHz) c là hằng số địa hình. c = 1; 4; 0,25 tương ứng với điều kiện địa hình trung bình khí hậu ôn đới khí hậu ẩm ướt hoặc mặt nước, khí hậu miền núi khô. Để thích ứng với sự gồ ghề của địa hình, Majoli đưa vào công thức một hệ số đặc trưng cho sự gồ ghề của địa hình a là hệ số đặc trưng cho độ ghồ ghề của địa hình có thể xác định như sau: Trong các hệ thống băng hẹp thì sự thay đổi suy hao pha đinh trong băng tín hiệu là khá nhỏ và có thể xem như là pha đinh phẳng. Để khắc phục phađing phẳng có thể thực hiện được nhờ sử dụng một lượng dự trữ công suất thích hợp gọi là dự trữ pha đinh phẳng (flat fading margin). Có thể hiểu dự trữ pha đinh phẳng là sự chênh lệch giữa mức tín hiệu thu được khi không có pha đinh PR và ngưỡng làm việc của máy thu RX tương ứng với BER cho trước. Thông thường độ sâu pha đing phẳng nhiều tia phân bố theo hàm logarit do vậy xác suất để pha đing nhiều tia đạt ngưỡng dự trữ pha đing phẳng FM được xác định như sau: Khi công suất thu được tại may thu nhỏ hơn mức ngưỡng RX thì hệ thống gián đoạn liên lạc. Xác suất gián đoạn liên lạc có thể được xác định là tích của xác suất xuất hiện pha đinh phẳng và xác suất pha đinh vượt độ dự trữ pha đinh phẳng FM như sau: Một số tiêu chuẩn áp dụng hệ thống thông tin như sau: Với L10-6 trong tối đa 0,045% của tháng bất kỳ (thời gian hợp thành là 1 phút) và BER>10-3 trong tối đa 0,006% của tháng bất kỳ (thời gian hợp thành là1 giây). Với 28010-6 trong tối đa 0,4.(L/2500)% của tháng bất kỳ (thời gian hợp thành 1 phút) và BER>10-3 trong tối đa 0,054.(L/2500)% của tháng bất kỳ (khoảng thời gian hợp thành là 1 giây) Tỷ lệ thời gian gián đoạn thông tin (%) trong tháng xấu nhất do pha đing nhiều tia là: để thoả mãn các tiêu chuẩn cho một hệ thống thông tin như đã nêu trên cần xác định được độ dự trữ pha đing tối thiểu: Với L<280 km [dB] Với 280 km < L <2500 km [dB] Phương pháp CCIR Theo báo cáo 338-5 của CCIR hệ số xuất hiện pha đing nhiều tia được xác định theo công thức sau: Các tham số KQ, B, C được xác định qua thống kê theo bảng 8.3 (viba số T2) Bài tập 1: một tuyến có độ dài 50 km trong khí hậu ôn đới qua địa hình đồi núi gồ ghề 50m và hoạt động ở tần số 7GHz. Xác định độ dự trữ pha đinh tối thiểu chỉ với ảnh hưởng của pha đinh nhiều tia. Bai tập 2: sử dụng số liệu như trên nhưng cho tuyến giả thiết ỏ Anh và dụng phương pháp CCIR. b. Pha đinh phẳng do mưa Suy hao do mưa: Các hạt mưa là nguyên nhân hấp thụ năng lượng sóng vô tuyến. Lượng mưa càng lớn thì sự hấp thụ này càng cao, tổn hao do mưa cũng là đại lượng thay đổi theo tần số. Tổn hao do mưa đặc biệt nguy hiểm với các sóng có tần số lớn hơn 10GHz vì khi đó kích thước của hạt mưa có thể so sánh với bước sóng điện từ. Kích thước của hạt mưa còn bị phụ thuộc vào cường độ mưa (thường được tính theo đơn vị mm/h). Thực tế hạt mưa không có dạng hình cầu. Trong quá trình rơi xuống hạt mưa có dạng bẹt hơn do vậy tổn hao do mưa còn phụ thuộc cả vào phân cực sóng. Kích thước giọt mưa theo chiều dọc nhỏ hơn kích thước theo chiều ngang nên các sóng phân cực ngang bị tổn hao mạnh hơn. Đối với mưa không những làm suy hao mà còn làm xoay pha sóng điện từ và gây ra hiện tượng tán xạ, đây cũng là nguyên nhân làm giảm độ tin cậy của hệ thống. Thông thường tiêu hao do mưa ở tần số dưới 7 GHz có thể bỏ qua ngay cả khi cự ly chặng tiếp phát lớn hơn 50km. Trên 15GHz khi có tiêu hao do mưa để bảo đảm chất lượng hệ thống cần giảm cự ly xuống dưới 20 km và khi đó pha đinh phẳng gây bởi pha đing nhiểu tia giảm và không đóng vai trò quan trọng. Ở tần số từ 7 đến 15 GHz cần xác định được đặc tính tiêu hao của cả pha đinh do mưa và pha đinh phẳng nhiều tia. Tóm lại với tần số thấp cự ly chặng lặp dài thì pha đinh nhiều tia là chủ yếu và trong trường hợp ngược lại khi tần số cao, cự ly chặng lặp ngắn thì tiêu hao do mưa là ảnh hưởng chủ yếu. Phương pháp xác định trực tiếp tổn hao do mưa như sau: Mục tiêu xác định lượng tiêu hao gây ra do mưa vượt 0.01% thời gian Bước 1: Cần biết được cường độ mưa vượt 0.01 % theo thời gian (thời gian hợp thành 1 phút) –R (mm/h). Tham số này có thể nhận được từ những số liệu thống kê tại địa phương hoặc có thể tra gần đúng theo những báo cáo của CCIR Bước 2: trên cơ sở đó xác định tiêu hao đặc trưng Trong ®ã θ: gãc ngÈng cña anten. τ: lµ gãc nghiªng ph©n cùc ®èi víi ph©n cùc ngang τ=450 ®èi víi ph©n cùc vßng. τ=00 ®èi víi ph©n cùc ngang. τ=900 ®èi víi ph©n cùc ®øng. Bảng 2. các hệ số qui đổi để tính toán tiêu hao đặc trưng Tần số (GHz) kH kV aH aV 1 0,0000387 0,0000352 0,912 0,880 2 0,000154 0,000138 0,963 0,923 4 0,000650 0,000591 1,121 1,075 6 0,00175 0,00155 1,308 1,265 7 0,00301 0,00265 1,332 1,312 8 0,00454 0,00395 1,327 1,310 10 0,0101 0,00887 1,276 1,264 12 0,0188 0,0168 1,217 1,200 15 0,0367 0,0335 1,154 1,128 20 0,0751 0,0691 1,099 1,065 25 0,124 0,113 1,061 1,030 30 0,187 0,167 1,021 1,000 35 0,263 0,233 0,979 0,963 40 0,350 0,310 0,939 0,929 Bước 3: Tính độ dài đường truyền hiệu dụng với với Bước 4: Đánh giá tiêu hao đường truyền vượt trong 0,01% thời gian Bước 5: Xác đinh tiêu hao vượt trong p % thời gian Và rõ ràng xác suất gián đoạn liên lạc sẽ là p% khi Ap=FM Bài tập: Xác định tiêu hao do mưa chỉ vượt trong khoảng 0,0001 % thời gian đối với chặng tiếp phát dài 53 km hoạt động ở tần số 12GHz với phân cực ngang. Giả sử rằng lượng mưa vượt trong 0,01 % thời gian là 30 mm/h. 2. Pha-đing nhiễu tia chọn lọc tần số trong hệ thống vi ba số băng rộng a. Các mô hình pha-đing nhiều tia chọn lọc tần số đã được đề xuất Để nghiên cứu vấn đề này trước hết chúng ta giả thiết rằng hệ thống được thiết kế theo đúng tiêu chuẩn thiết kế tuyến, tức là khoảng hở đường truyền lớn hơn cho phép. Hệ thống được giả thiết như vậy sẽ không bị ảnh hưởng pha-đing do nhiễu xạ. Pha-đing xảy ra có nguyên nhân là truyền dẫn nhiều tia, gồm tia tới trực tiếp, tia khúc xạ từ khí quyển và các tia phản xạ từ mặt đất truyền đến ăng-ten thu. Kết quả sóng vô tuyến tới ăng-ten thu theo nhiều đường khác nhau, hiện tượng này được gọi là truyền dẫn nhiều tia, chỉ ra trên hình vẽ 14 Hình 14. Dạng truyền dẫn nhiều tia Khi nghiên cứu hiện tượng kênh nhiều tia và vấn đề pha-đing chọn lọc theo tần số có khá nhiều mô hình kênh nhiều tia được đưa ra như: Mô hình ba tia, mô hình ba tia đơn giản hoá, mô hình hai tia, mô hình đa thức. Trong đó mô hình ba tia đơn giản hoá của Rummler được coi là hay nhất và nó đã trở thành mô hình lý thuyết cho việc nghiên cứu hiện tượng này. Mô hình này đã được kiểm nghiệm bằng đo lường thực tế và đã được thông báo rộng rãi là chính xác. Khi kênh đã được xác định là truyền dẫn nhiều tia thì việc mô tả các mô hình hàm truyền dẫn pha-đing của kênh là công việc hết sức quan trọng từ đó ta mới có thể đề xuất các biện pháp khắc phục. Xuất phát điểm để khảo sát là các phản ứng xung và phản ứng tần số của kênh, các phản ứng này không kể đến độ suy lạc do pha-đing. Với việc giả thiết đây là quá trình dừng và không kể đến độ suy lạc do pha-đing thì phản ứng xung của kênh được mô tả như là tổng trọng số các hàm Delta. Tương ứng phản ứng tần số có dạng: Trong đó an và tn tương ứng là hệ số suy hao và độ trễ của tia thứ n; N là số tia trong kênh nhiều tia. Bằng các kết quả nghiên cứu qua đo lường thực tế người ta đã đưa ra một số mô hình kênh nhiều tia như sau: Mô hình ba tia tổng quát: Mô hình này mặc nhận rằng, trong một chặng vi ba số luôn tồn tại ba tia truyền lan từ đầu phát đến đầu thu. Tia trực tiếp (tia LOS) Tia có biên độ nhỏ đi gần và ở bên dưới tia LOS (tức chính là tia phản xạ bề mặt) có biên độ nhỏ vì bị mặt đất, các hạt khí và hơi nước hấp thụ một phần năng lượng. Một tia có biên độ lớn hơn cách xa tia LOS hơn là tia khúc xạ. Hàm truyền của kênh trong trường hợp này có dạng: Trong đó số hạng thứ nhất mô tả tia trực tiếp và lấy làm tham chiếu, số hạng thứ hai và thứ ba mô tả hai tia còn lại của kênh nhiều tia. a1 , a2 là các giá trị biên độ tham chiếu đặc trưng do suy hao biên độ, t1 và t2 là các độ giữ chậm của hai tia tương ứng. Thực tế t1 có giá trị rất nhỏ và vec tơ [a1 e -j2Pft] có độ lệch pha so với vec tơ tín hiệu tia trực tiếp là rất nhỏ. Mặt khác thực tế cho thấy giá trị biên độ của vec tơ này cũng không lớn nên ảnh hưởng của thành phần này đến trường thu là có thể bỏ qua được. Mô hình 3 tia tổng quát này đặc biệt ý nghĩa khi truyền sóng qua vùng có bề mặt nước. Tuy vậy mô hình ba tia tổng quát lại không đưa ra được dạng toán học đầy đủ của mô hình kênh. Mô hình 3 tia tổng quát chứa quá nhiều tham số nên việc khảo sát theo mô hình này là rất khó khăn. Mô hình được xem là đại diện cho kênh nhiều tia lại là mô hình ba tia đơn giản hoá của Rummler đưa ra, mô hình này phù hợp hơn với các số hiệu quan trắc và đo lường. Mô hình hai tia Ảnh hưởng của tia phản xạ do đi gần tia trực tiếp, năng lượng thấp, nên có độ lệch pha nhỏ và trong trường hợp đặc biệt thì có thể bỏ qua được. Mô hình hai tia đưa ra giả thiết kênh thông tin chỉ truyền dưới dạng hai tia, không kể đến tia phản xạ bề mặt. Nó gần giống mô hình 3 tia đơn giản hoá nhưng lại không kể đến bất kỳ ảnh hưởng nào của tia gần tia LOS và hàm truyền của kênh có dạng: Với mô hình này chứa 3 tham số f, t, a. Người ta đã tiến hành áp dụng mô hình này để khảo sát kênh thông tin thực tế, các phép đo lường trong băng tần 55MHz cho thấy 3 tham số của mô hình là độc lập thống kê và a có phân bố đều. Khi đơn giản hoá, mô hình này chỉ còn chứa 2 tham số (f,a) nên việc tính toán khảo sát đơn giản hơn nhiều. Đây được xem là mô hình đơn giản nhất để khảo sát hệ thống pha-đing nhiều tia chọn lọc tần số. Tuy nhiên mô hình này lại không khái quát đầy đủ dạng truyền lan nhiều tia thực tế của kênh. Mô hình đa thức: Người ta biểu diễn biên độ và thời gian trễ nhóm là một hàm của tần số dưới dạng một đa thức tổng quát như sau: Điều này tương đương với việc mô tả hàm truyền của kênh dưới dạng một đa thức phức như sau: f là tần số cao tần, được đo lường từ tần số trung tâm băng tần của kênh, A là hệ số đặc trưng cho tổn hao trung bình của tia thứ n, Bn đặc trưng cho khe pha-đing thứ n. Với N = 1 thì đa thức triển khai khá phù hợp với sô liệu đo lường từ kênh có độ rộng băng 26,4 MHz, RF = 6GHz, d = 42,5 km. Mô hình này cũng đưa ra quá nhiều tham số với N = 1 mà đã có tới 5 tham số. Do đó việc khảo sát theo mô hình này cũng rất khó khăn. Mô hình ba tia đơn giản hoá của Rummler Mô hình được xây dựng từ rất nhiều số liệu quan trắc trên một chặng vi ba LOS tiêu chuẩn, với RF = 6GHz, trên chặng 42,5 km từ Atlanta tới Palmetto bang Georgia (Hoa kỳ). Các số liệu đo lường được Rummler thực hiện cho trên hình 15 Hình 15 - Đặc tính biên độ và trễ nhóm trên kênh RF = 6GHz từ thí nghiệm của Rummler [7]. (mô hình đơn tia) Các số liệu này được thu được từ các đo lường với các thiết bị đo lường đặc biệt có độ chính xác rất cao . Hình 15 mô tả đặc tính biên độ và pha đo lường được của kênh nhiều tia, công tác tại giản tần 6GHz tốc độ 140Mb/s, điều chế 64 QAM do Rummler thực hiện. Cơ sở để khảo sát phát triển dạng mô hình ba tia đơn giản hoá là phương trình hàm truyền với mô hình ba tia tổng quát, với giả thiết là B.t1<< 1, trong đó B là độ rộng của băng tần hiệu dụng của kênh. Như vậy ta có thể bỏ qua sự sai pha của véc tơ {a1}và như vậy phương trình có thể viết dưới dạng: Từ phương trình trên nếu đặt a = 1+a1, b = - a2 /(1 + a1) ta sẽ có phương trình: Thực tế ta chỉ quan tâm đến hàm truyền C(f) tại các giá trị tần số quanh tần số khe pha-đing fo, nên trong phương trình trên tần số f được thay bằng fc- fo khi đó ta có: Nếu giả thiết fc là tần số sóng mang cố định thì fc chỉ lệch so với fo chút ít và khoảng biến thiên của tần số là fc- f0. Trong phương trình trên, a là hệ số suy hao toàn tuyến, b là tham số định dạng đặc trưng cho độ sâu khe pha-đing, fo là tần số khe pha-đing, t là trễ truyền dẫn nhóm. Trong mô hình này ta thấy tồn tại bốn tham số a, b, fo,t. Mô hình này gần giống mô hình hai tia đơn giản và thực chất véc tơ{} chỉ thể hiện suy hao là hằng số a1 trên biểu thức của hàm truyền. Do đó có thể coi đây là dạng mô hình hai tia và có thể áp dụng tính toán cho mô hình hai tia chính xác. Bốn tham số của mô hình đều được xem là tự do, nghĩa là trong phạm vi sai số đo lường người ta không thể xác định duy nhất cả bốn tham số trên từ một quan trắc phản ứng kênh đã cho. Để tránh khó khăn người ta cố định giá trị của t tương đối tuỳ ý, miễn là chu kỳ của C(f) đủ lớn sao cho mô hình cuối cùng là tốt, tức là phù hợp với các số liệu đo lường. Rummler đã đề xuất chọn t = 6,3 ns bằng nghịch đảo của 6 độ rộng băng tần quan trắc (1/6B). Giá trị t = 6,3 ns được nhiều nhà khoa học coi như một tiêu chuẩn trong khi một số nhà khoa học khác thì áp dụng quy tắc chọn t = 1/6B. Thực tế cho thấy rằng theo quy tắc này thì 3 tham số còn lại có thể làm khớp rất tốt (theo lối kinh nghiệm) với phản ứng xung đo được của kênh. Triển khai dưới dạng hàm biên độ và pha có phản ứng của kênh có thể được biểu diễn dưới dạng sau Tương ứng hàm suy hao A(f) đo bằng dB và hàm trễ nhóm D(f) là đạo hàm của đặc tính pha có dạng: Trong đó giá trị bình phương biên độ và hàm trễ nhóm cho bởi: Một thí dụ tiêu biểu của A(f) và D(f) của kênh được cho trên hình. Hàm truyền kênh theo mô hình Rummler có dạng tuần hoàn, chu kỳ 1/t và có các khe pha-đing nhiều tia tại tần số khe f0. Trong thực tế hàm truyền của kênh thông tin không hoàn toàn tuần hoàn, như đã nêu trên hình 16. Phản ứng của kênh do đó sẽ không mô tả hoàn toàn chính xác theo (*) trên toàn bộ trục tần số mà chỉ đúng trong giải tần công tác của hệ thống, tức là chỉ đúng trong dải tần Nyquist hoặc trong dải tần lớn hơn đôi chút. Ngoài ra phản ứng của kênh cũng không thể biểu diễn hoàn toàn chính xác theo (*) nếu độ rộng của kênh quá lớn (> 1/t), do tính chu kỳ đã nêu. Tuy nhiên đây là một mô hình khá nổi tiếng được sử dụng rộng rãi và chính xác trong các điều kiện thực tế. Mô hình này cũng được sử dụng làm mô hình chuẩn cho các phần mềm mô phỏng hệ thống thông tin. Trong trường hợp b <1 thì hàm truyền là dạng pha-đing có pha cực tiểu (minimum - phase), do hàm truyền có các điểm không nằm ở nửa bên trái mặt phẳng phức (mặt phẳng S). Khi b³1 kênh pha-đing có pha không cực tiểu (non - minimum - phase) do các điểm không của hàm truyền nằm ở nửa bên phải của mặt phẳng S. Các tham số trong mô hình Rummler ngoại trừ t được chọn cố định, còn lại đều là các biến ngẫu nhiên và phân bố xác suất của chúng được xác định theo lối kinh nghiệm. Đối với trường hợp pha cực tiểu, các tham số còn lại của mô hình bao gồm: A1 = - 20 loga[dB] biểu thị một lượng tổn hao phẳng trên toàn bộ băng sóng, B1 = - 20log (1-b)[dB] biểu thị độ sâu khe pha-đing tại tần số khe f0. Đối với trường hợp pha-đing không cực tiểu ta viết hàm truyền dưới dạng: Các tham số tương ứng là A2 = - 20 logab [dB], B2 = - 20 log (1- 1/b)[dB] và tần số khe pha-đing f0. B1, B2 đều có phân bố mũ với kỳ vọng MB = 3,8 dB, A1, A2 có phân bố chuẩn (Gauss) với độ lệch quân phương d = 5dB và có kỳ vọng xác định theo công thức: Nói chung xác suất của A co phụ thuộc chút ít vào tham số B và hàm mật độ phân phối xác suất pdf của các tham số tính theo các phương trình sau: Trong đó: d = 5dB là độ lệch quân phương. A: là độ dự trữ pha-đing phẳng. B: là độ sâu pha-đing nhiều tia chọn lọc tần số. Tần số khe f0 theo mô hình Rummler ban đầu được công bố là có phân bố đều trong dải tần quan tâm. Các nghiên cứu chi tiết hơn nữa cho thấy f0 có phân bố nhảy bậc với với pdf như sau: pdf (f0) çf0 - fe ê 1/2t0 1/4t0 Hình 17 - Dạng phân bố xác suất của f0 theo mô hình của Rummler 0 Với t0 = 6,3 ns. Điều này có nghĩa là xác suất lớn gấp 5 lần xác suất Các trường hợp pha-đing cực tiểu với b 1 dẫn đến các công thức tính khác nhau, do đó không thuận tiện cho tính toán. Theo Rummler, có thể định nghĩa pha-đing cực tiểu khi t > 0 và pha-đing không cực tiểu khi t < 0 với b <1 cho cả hai trường hợp. Khi này các công thức tính toán cho cả hai trường hợp giống nhau, ngoại trừ dấu của t. Các tham số chỉ còn là A = - 20 loga [dB], B = 20 log(1 - b) [dB] và f0 với đặc tính thống kê như đã nêu ở trên. Dấu của t đòi hỏi phải xét riêng. Có thể thấy rằng tổn hao của kênh L(f) = không phụ thuộc vào dấu của t. Trong khi đó dấu của giữ chậm nhóm D(f) lại thay đổi theo dấu của t. Điều này rất có ý nghĩa cho các mạch san bằng thích nghi trong miền thời gian (ATDE). Dù sao việc xác định t bằng thực nghiệm và mô tả thống kê nó là rất khó khăn, vì không thể thực hiện bằng cách đo lường tổn hao. Do vậy người ta đành phải chấp nhận rằng xác suất t dương và xác suất t âm là như nhau. Như vậy mật độ xác suất của t, do t được mặc nhận là có giá trị bằng hằng số t0 có thể biểu diễn được theo. P (t) = 0,5 [d (t-t0) +d (t + t0 )] Trên đây là trình bầy chi tiết mô hình ba tia đơn giản của Rummler với chú ý rằng mô hình kênh Rummler được cho bằng mô hình tĩnh (như ta đã giả thiết từ đầu) mà không có một ít thông tin nào về độ suy lạc do pha-đing. b. Phản ứng của thiết bị với pha-đing nhiều tia chọn lọc tần số Pha-đing nhiều tia chọn lọc tần số làm suy giảm chất lượng hệ thống, ISI tăng lên do méo tuyến tính do pha-đing và có thể dẫn đến gián đoạn liên lạc tại một mức tạp âm nhỏ hơn bình thường, thậm chí ngay cả khi không có tạp âm. Tuy nhiên sự suy giảm chất lượng hệ thống phụ thuộc vào dạng thực tế của đặc tính đường truyền (đặc tính tổn hao do pha-đing nhiều tia chọn lọc tần số). Theo mô hình Rummler, đặc tính đường truyền có bốn tham số là (A, B, f0, t), trong đó chỉ có t được chọn cố định (t = 6,3 ns) ba tham số còn lại (A, B, f0) được coi là tự do, các tham số này là các biến ngẫu nhiên với đặc tính thống kê như đã trình bày ở trên. Phản ứng của thiết bị với pha-đing nhiều tia chọn lọc tần số được đánh giá qua các tham số này. Theo mô hình Rummler tham số B đặc trưng sự suy hao lớn nhất do pha-đing tại tần số tương ứng gọi là tần số khe pha-đing và B được gọi là độ sâu pha-đing tại tần số khe đó. Đặc trưng cho mức độ nhạy cảm của thiết bị với sự ảnh hưởng của pha-đing nhiều tia chọn lọc tần số người ta đưa ra khái niệm “Signature” của hệ thống. Vậy “Signature” là gì: Với giả thiết không có tạp âm và B là độ sâu suy hao lớn nhất tại các tần số khác nhau của băng tần, mà ứng với B thì hệ thống bắt đầu gián đoạn. Tập hợp các điểm cho bởi các giá trị B làm cho hệ thống bị gián đoạn do pha-đing trong cả giải tần gọi là đường cong “Signature”. Vậy “Signature” của hệ thống là quỹ tích các điểm trên mặt phẳng B - f0 ứng với trạng thái gián đoạn thông tin gây bởi pha-đing trên hệ thống trong điều kiện không có tạp âm. Thông thường hệ thống được coi là gián đoạn khi tỉ lệ lỗi bít lớn hơn hoặc bằng 10 -3 (khi đó hệ thống không truyền được thông tin cho một dịch vụ nào). (f0-fc)*Ts b) (f0 - fe) 0 2 1 -1 2 a) 0,5 0,5 1 0 -1 Hình 18 - Đường cong signature theo mô phỏng ASTRAS: a. Cho hệ thống 16 QAM b. Cho hệ thống 64 QAM *Ts Trên hình 18 do chúng ta chỉ quan tâm đến tần số lân cận sóng mang fc nên biến tần số f0 được thay bằng (f0 - fc). Từ đường cong signature cho thấy: tại một tần số khe pha-đing f0 cho trước, nếu B nhận một giá trị đúng với đường cong signature, thì lỗi bít của hệ thống là BER = 10-3, nếu B lớn hơn giá trị giới hạn thì hệ thống bị gián đoạn. So sánh đường cong signature của hệ thống 16 QAM và 64 QAM ta thấy khi độ rộng băng tần càng lớn thì giá trị B thay đổi càng nhiều và rõ ràng là miền gián đoạn thông tin do pha-đing càng lớn. Điều này chứng tỏ pha-đing đối với hệ thống vi ba băng rộng là pha-đing chọn lọc tần số và mức độ nguy hại của nó lớn hơn rất nhiều so với pha-đing phẳng Kết luận: - Đường cong signature của hệ thống có hình M hay W tuỳ thuộc vào vẽ đồ thị hướng lên trên hay quay xuống dưới - Đường cong signature càng thấp và càng rộng thì khả năng chịu đựng pha đing của hệ thống càng tồi. - Đường cong signature của hệ thống đo được càng mất đối xứng thì đặc tính lọc của hệ thống càng mất đối xứng c. Phương pháp xác định xác suất gián đoạn liên lạc do pha đinh nhiều tia chọn lọc theo tần số: Đường cong signature là quĩ tích các điểm trên mặt phẳng B-f0 ứng với trạng thái gián đoạn liên lạc của hệ thống, chia mặt phẳng B-f0 thành hai phần ứng với trạng thái gián đoạn liên lạc do pha đinh nửa trên và không gián đoạn liên lạc nửa dưới. Như vậy ta hoàn toàn có thể xác định được xác suất gián đoạn của hệ thống nhờ sử dụng đường cong Signature. Xác suất gián đoạn liên lạc của hệ thống là tích của xác suất xảy ra pha đinh reyleigh h và xác suất gián đoạn liên lạc do pha đinh nhiều tia Pos. Xác suất xảy ra pha đing đa đường liên quan đến lượng tổn hao gây ra bởi pha đinh phẳng Xác suất gián đoạn liên lạc là xác suất sự kiện thông số B vượt quá giá trị của đường cong signature và được tính theo công thức sau Trong đó: là hàm số đường cong signature của hệ thống. MB là giá trị kỳ vọng của độ sâu khe pha đing theo mô hình Rumler thì MB=3.8 dB p(f0) là hàm mật độ xác suất của tần số khe pha đing fc là tần số sóng mang Như vậy xác suất gián đoạn liên lạc do pha đing nhiều tia gây ra là Việc xác định xác suất gián đoạn liênlạc theo phương pháp trên hoàn toàn phụ thuộc vào đường cong signature đo được nhờ các thiết bị chuyên dụng. Phương pháp 2: Phương pháp tính thô. Giả thiết phân bố thời gian trễ tương đối của tia gián tiếp là hàm mũ (giá trị trung bình là ụ0 ) và phân bố đối với cả biên độ đương đối của tia gián tiếp và độ dịch tần của khe là phân bố đều thì xác suất gián đoạn liên lạc do pha đinh nhiều tia chọn lọc theo tần số sẽ được xác định như sau: Trong đó [ns] d là độ dài của tuyến tính theo km Nếu tốc độ của đường truyền là rb (Mbit/s), M là số mức điều chế thí xác suất gián đoạn thông tin gây ra bởi pha đinh nhiều tia chọn lọc theo tần số sẽ là Như đã biết xác xuất suất xuất hiện pha đinh nhiều tia sẽ là P0=hPR , trong đó PR là xác suất pha đinh Reyleigh và h được hiểu như hệ số hoạt động của pha đinh nhiều tia Reyleigh Tỷ lệ (%) thời gian gián đoạn thông tin do pha đinh nhiều tia chọn lọc tần số được tính như sau: (%) Ưu điểm của phương pháp này là cho số liệu một cách nhanh chóng và không cần đường cong signature. Bài tập 1: Tính thời gian gián đoạn thông tin liên lạc do pha đinh nhiều tia chọn lọc tần số với một chặng 45 km sử dụng thiết bị viba số 8-PSK, tần số 6 GHz tốc độ 34Mb/s ở vùng khí hậu nhiệt đới độ gồ ghề 50m. Bài tập 2: Tính thời gian gián đoạn liên lạc do pha đinh nhiều tia chọn lọc tần số với chặng dài 70 km địa hình gồ ghề 20 m khí hậu mặt nước biển sử dụng thiết bị 8 PSK dung lượng 34Mb/s. Chương 4 CÁC BIỆN PHÁP CHỐNG PHA-ĐING Khi truyền sóng trên đường truyền vi ba mặt đất LOS (Line-Of-Sight), thì ảnh hưởng của pha-đing là một tất yếu không thể tránh khỏi nhất là đối với hệ thống vi ba số băng rộng. Vấn đề là chúng ta phải làm sao để giảm đến mức tối thiểu ảnh hưởng của nó và nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Để chống pha-đing phẳng (đối với vi ba băng hẹp, tác động của pha-đing trên toàn bộ băng tần công tác được coi là như nhau) chúng ta chỉ cần tăng công suất máy phát đến mức độ đủ lớn là được, hoặc bằng cách khác chúng ta có thể giảm cự ly liên lạc của chặng xuống dưới cự ly danh định. Tuy nhiên đối với hệ thống vi ba số băng rộng như đã xét ở chương 2, hiện tượng pha-đing là nhiều tia chọn lọc theo tần số. Tức là ảnh hưởng của pha-đing khác nhau tại các tần số khác nhau của băng tần . Để chống pha-đing trong trường hợp này chúng ta xem xét cơ chế gây hại của hiện tượng pha-đing chọn lọc là làm gia tăng ISI tín hiệu thu do các nguyên nhân: - Méo tuyến tính hàm truyền của kênh thông tin. - Sự mất đối xứng qua tần số sóng mang của hàm truyền kênh thông tin với các hệ thống điều chế hai chiều QAM, PSK. Trong chương này căn cứ vào tác nhân gây hại mà đề xuất các biện pháp chống pha-đing có hiệu quả. Nguyên tắc của các phép chống pha-đing là đưa giá trị ISI có trong tín hiệu thu trước mạch quyết định của hệ thống về giá trị không. Do đó có thể phân các biện pháp chống pha-đing thành các dạng sau đây: * Sử dụng mạch san bằng thích nghi: ta chấp nhận sự truyền dẫn nhiều tia của kênh thông tin. Căn cứ vào mô hình kênh nhiều tia đã đưa ra và cơ chế gây hại của hiện tượng pha-đing để thiết kế các mạch san bằng thích nghi cả về mặt thời gian và tần số, để đưa vào kênh như một quá trình ngược lại với quá trình do pha-đing gây ra. * Sử dụng các biện pháp phân tập: nhằm giảm xác suất gián đoạn của hệ thống bằng cách cấu trúc kênh theo kiểu song song. * Dùng mã sửa lỗi. * Truyền dẫn đa sóng mang 1. Điều chỉnh công suất máy phát thích nghi: (Adaptive transmitter power control) Để chống lại pha đinh phẳng ta cần có một lượng dự trữ pha đing bằng cách tăng công suất máy phát, hoặc giảm cự ly liên lạc. Tuy nhiên việc tạo ra một lượng dự trữ pha đing cố định lớn như vậy làm tiêu tốn một lượng công suất lớn ngay cả khi không có hiện tượng pha đing. Thêm vào đó việc duy trì một công suất lớn ở máy phát có thể làm tăng tính phi tuyến của bộ khuếch đại công suất và dẫn tới làm giảm chất lượng đường truyền hậu quả làm BER tăng nhanh đặc biệt đối với các loại điều chế nhạy cảm với méo phi tuyến QAM. Vì vậy giải pháp điều chỉnh công suất máy phát tự động theo sự thay đổi của tiêu hao đường truyền xem ra là một giải pháp hiệu quả khi thiết kế hệ thống thông tin vi ba số. Trong quá trình làm việc công suất máy phát sẽ thay đổi từ Pmin đến Pmax. Công suất cực đại Pmax chỉ đạt được trong điều kiện pha đing khắc nghiệt làm cho công suất tín hiệu tại đầu vào máy thu quá nhỏ. Tuy nhiên để hình thành một vòng phản hồi khép kín để điều chỉnh công suất máy phát theo tín hiệu thu được tại máy thu cần có một kênh nghiệp vụ đảm bảo truyền những thông tin phản hồi ngược từ máy thu về máy phát. Việc sử dụng ATPC mang lại những ưu điểm sau: Làm tăng độ khả dụng của hệ thống trong miền ứng với xác suất lỗi bít cao và trung bình (10-6 < BER< 10-3) do việc giảm BO chỉ thực hiện trong điều kiện fa đing mạnh, Tiết kiệm được nguồn nuôi Loại bỏ được hiện tượng quá điều chỉnh ở máy thu trong trường hợp công suất vào quá lớn Cải thiện chỉ tiêu gián đoạn liên lạc do giảm được ảnh hưởng của xuyên nhiễu kênh lân cận (ACI) Dễ dàng hơn trong việc bố trí tần số ở những trạm đa luồng do mức tín hiệu thu chuẩn hóa được giảm nhỏ Hình1 sơ đồ khối vòng lặp điều chỉnh thích nghi công suất máy phát. 2. Sử dụng mạch san bằng thích nghi để chống pha-đing nhiều tia chọn lọc tần số trong vi ba băng rộng Pha-đing nhiều tia làm méo dạng hàm truyền, san bằng là biện pháp khôi phục lại hàm truyền như mong muốn. Để thực hiện được điều đó người ta sử dụng các mạch san bằng thích nghi về tần số và thích nghi về thời gian. a. San bằng thích nghi về tần số Hình 2. sơ đồ khối cơ bản của một kênh truyền với bộ san bằng Mạch này thường dùng sửa méo hàm truyền tại trung tần thu. Hàm truyền pha-đing nhiều tia chọn lọc tần số C(f), theo mô hình Rummler có dạng tuần hoàn chứa khe tần số (trong đó t = 6,3 ns). Độ rộng băng sóng dải thông trung tần (khoảng 30 MHz). Trong trường hợp này hàm truyền tổng cộng của kênh thông tin tại trung tần cho bởi: H (f) ùB(IF) = Rc(f) . C (f)ùB (IF) (3.1) Rc(f) là hàm Raised – Cosine (Côsin tăng). Điều này có nghĩa là phổ của tín hiệu trung tần sẽ có dạng là một phần của đường cong tuần hoàn F (f) như hình 3 Trường hợp a): fc nằm tại vị trí C(f) cực đại thì hàm truyền của băng thông trung tần có dạng gần giống lý tưởng, hàm truyền lúc đó hầu như bằng phẳng trong băng. Trường hợp b) là trường hợp giá trị của hàm truyền thay đổi trong băng, gây méo lớn và có thể gây gián đoạn. Trong thực tế hàm C(f) không phải là tuần hoàn như mô tả trong mô hình của Rummler. Vì vậy vị trí khe pha-đing thay đổi dẫn đến biên độ hàm truyền trong băng thông trung tần thay đổi: H (f) =Rc(f) C(fc - f0) C(fc - f0) là lượng thay đổi. San bằng là biện pháp đưa vào trung tần của kênh một mạng 4 cực có hàm truyền E(f)=C -1(fc - f0) ngược với hàm truyền do pha-đing gây ra, sao cho trong đoạn băng thông trung tần, hàm truyền tổng cộng có giá trị hằng số tức là: C (f) = C (fc - f0). C -1(fc - f0) = 1 (*) 1/t (f - f0) fc B Sự liên hệ tần số- MH3 b) Biên độ 1/t (f - f0) + fc B Sự liên hệ tần số- MHz 150 0 a) -50 Biên độ Hình 3 - Dạng hàm Pha-đing C (f) và các vị trí tương đối của băng thông trung tần thu B a. Trường hợp lý tưởng. b. Trường hợp gây hại lớn. Để xây dựng được một bộ san bằng có hàm truyền E(f)=C -1(fc - f0) buộc chúng phải xác định được phổ của tín hiệu phát đi, hay nói cách khác cần phải ước lượng sơ bộ được hàm truyền. Khả năng bù méo gây ra do hiện tượng pha đing phụ thuộc rất lớn vào độ chính xác của việc ước lượng kênh. Do sự thay đổi giá trị của hàm truyền là ngẫu nhiên, nên mạch san bằng thích nghi phải có tính mềm dẻo thích nghi với sự thay đổi của kênh truyền. Có hai phương pháp xây dựng một bộ san bằng thích nghi trong miền tần số ở trung tần: Phương pháp 1: Phân chia phổ tín hiệu thu được thành nhiều băng tần nhỏ và mỗi phần sử dụng một bộ khuyếch đại có hệ số khuyếch đại điều chỉnh được để bù lại lượng tiêu hao trong mỗi băng tần con. Sau đó thực hiện một bộ tổ hợp để kết hợp tín hiệu sau khi san bằng. Bộ san bằng theo phương pháp này phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của việc khôi phục tín hiệu méo trước và số lượng các bộ khuyếch đại. Phương pháp còn có một nhược điểm cơ bản là không sửa được méo pha. Hình 4. FDE theo phương pháp phân chia tín hiệu thành các bang tần con Phương pháp 2: Sửa khe pha đing - Một bộ sửa dốc: thực chất đây là một bộ khuyếch đại với hệ số đủ bù lại lượng suy hao do pha-đing gây ra. - Một bộ sửa khe pha đing: thực chất là một bộ khuếch đại dải hẹp bù lại những vị trí có tồn tại khe pha-đing. Để phát hiện ra khe pha đing cần dùng một mạch đo lường với những bộ lọc dải thông kết hợp với các bộ tách sóng. Bộ đo lường sẽ phát hiện ra tần số khe pha đing và điều chỉnh tần số cộng hưởng của bộ sửa khe về đúng tần số của khe pha đing. Sơ đồ khối mạch san bằng thích nghi trong miền tần số chỉ ra trên (hình 5). Bù dốc Sửa khe Điều khiển Bộ lọc giải Bộ lọc giải Bộ lọc giải IF vào IF ra Hình 5 - Sơ đồ khối hoạt động của bộ san bằng thích nghi IF miền tần số. Phương pháp này cũng chỉ sửa được méo pha trong trường hợp pha cực tiểu còn trong trường hợp pha không cực tiểu thì méo trễ nhóm sẽ bị tăng lên gấp đôi. Mạch san bằng trên miền tần số chỉ có thể sửa được méo dạng hàm truyền mà không sửa được hiện tượng xuyên âm cross - talk cũng do pha-đing gây ra. Để khắc phục hiện tượng cross - talk người ta sử dụng mạch san bằng thích nghi về thời gian. b. San bằng thích nghi trong miền thời gian ATDE Theo phương pháp này là dựa trên phản ứng xung của tín hiệu nhận được như trên hình 6: Hình 6 a. Tín hiệu không méo, có phản ứng xung bằng 0 tại các thời điểm nTs b. Tín hiệu méo, có phản ứng xung không bằng 0 tại các thời điểm nTs Áp dụng thuật toán này thì một ATDE thường được thực hiện bằng một dãy các mắt giữ chậm, có thời gian giữ chậm 1 chu kỳ symbol và được gọi là bộ lọc giàn ngang (Transversal filter ) như hình 7. Hình 7. Cấu trúc của bộ san bằng ATDE. Bản chất bộ san bằng là tăng số chiều cho không gian tín hiệu đầu vào qua đó làm tăng khoảng cách Ơcơlit giữa các điểm tín hiệu trong không gian tín hiệu n chiều và nhờ vậy dễ dàng tách các cụm điểm. Tuy nhiên việc làm tăng số chiều trong không gian tín hiệu cũng đồng nghĩa với việc làm tăng mức độ phức tạp trong tính toán. Tín hiệu tại đầu vào bộ san bằng có thể viết như sau trong đó {Ik} là chuỗi tín hiệu được phát đi; {fk} là hệ số của kênh tương đương bao gồm bộ lọc thu, bộ lọc phát và kênh pha đing. Khi đó tín hiệu ở đầu ra bộ san bằng có dạng Nhiệm vụ của bộ san bằng là phải tìm ra được các trọng số {ck} sao cho {ẻk} ~ {Ik} Quá trình làm việc của bộ san bằng gồm hai giai đoạn: Giai đoạn huấn luyện: Khởi tạo trọng số theo giá trị ngẫu nhiên. Khi bắt đầu làm việc bên phát và thu sẽ thống nhất với nhau một chuỗi qui định trước gọi là chuỗi huấn luyện. Thuật toán huấn luyện sẽ điều chỉnh các trọng số {ck} sao cho {ẻk} ~ {Ik}, khi sai số nhỏ hơn một giá trị cho phép thì quá trình huấn luyện sẽ kết thúc. Khi đó bộ san bằng có một giá trị {ck} xác định gọi là giá trị hội tụ ứng với BER nhỏ Giai đoạn thích nghi: Khi kết thúc chuỗi huấn luyện hệ thống có BER rất nhỏ khi đó tín hiệu sau bộ quyết định {Ĩk} hoàn toàn có khả năng đóng vai trò là chuỗi huấn luyện cho thuật toán. Trong thực tế khi BER<10-3 thì hệ thống làm việc bình thường, đảm bảo điều chỉnh các trọng số thích nghi theo sự thay đổi của đường truyền. Mạch san bằng thích nghi trong miền thời gian là sử dụng biện pháp cưỡng ép phản ứng xung tại các thời điểm nTs phải về 0 bằng một thuật toán xác định gọi là thuật toán ZF (Zero Forcing) hoặc thuật toán bình phương tối thiểu (LSE - Least Square Error). Thuật toán ZF: Trong chế độ huấn luyện các trọng số được điều chỉnh theo thuật toán sau Trong đó Ä là bước huấn luyện thông thường được chọn theo kinh nghiệm. Các ma trận Ck, Ik và ồk Khi chuyển sang chế độ thích nghi chuỗi {Ĩk} sau bộ quyết định sẽ thay thế cho chuỗi tín hiệu {Ik}. Khi đó các trọng số của bộ san bằng sẽ được thích nghi theo thuật toán sau Trong đó Hình 8. Sơ đồ thuật toán ZF Thuật toán LMS Trong chế độ huấn luyện các trọng số được điều chỉnh theo thuật toán sau Trong đó Ä là bước huấn luyện thông thường được chọn theo kinh nghiệm. Các ma trận Ck, Ik và ồk Khi chuyển sang chế độ thích nghi chuỗi {Ĩk} sau bộ quyết định sẽ thay thế cho chuỗi tín hiệu {Ik}. Khi đó các trọng số của bộ san bằng sẽ được thích nghi theo thuật toán sau Trong đó Hình 9. Thuật toán LMS Khi sử dụng mạch san bằng thích nghi thì đường cong signature và đặc tính lỗi bít của hệ thống được cải thiện đáng kể. Trên hình 10 ta thấy rõ chất lượng tín hiệu đã được cải thiện đáng kể nhờ hệ thống san bằng thích nghi. Hình 10 - Đặc tuyến lỗi bít phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên tạp âm. BER 0 10 20 30 40 ES/N0 [dB] 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 Không có san bằng Có san bằng 3. Các biện pháp phân tập chống pha-đing trong hệ thống vi ba băng rộng Để chống lại pha-đing nhiều tia nhiều tia chọn lọc tần số trong hệ thống vi ba băng rộng người ta còn dùng các biện pháp phân tập như sau: - Phân tập không gian SD (Space Diversity). - Phân tập góc AD (Angle Diversity). - Phân tập tần số FD (Frequency Diversity). Ngoài ra còn có phân tập theo phân cực và phân tập theo thời gian nhưng các biện pháp này thường ít được sử dụng, vì vậy trong phạm vi chương trình môn học chỉ trình bày 3 phương pháp phân tập đã nêu ở trên. a). Phân tập không gian SD (Space Diversity) * Nguyên tắc cơ bản Theo phương pháp này sử dụng hai hoặc nhiều ăng-ten cùng với hai hoặc nhiều máy thu để thu nhận cùng một tín hiệu. Thông thường người ta sử dụng hai ăng-ten cùng với các máy thu vô tuyến và một bộ kết hợp trước hoặc sau tách sóng. Như trên hình 11 chỉ ra cấu trúc của phân tập không gian. Trong thực tế hệ thống phân tập không gian thường có cấu trúc 1 + 1 như trên (hình vẽ 11) hai ăng-ten được lắp trên cùng một tháp cùng quay về một hướng và cùng thu một tín hiệu. Khoảng cách độ cao giữa hai ăng-ten (từ tâm đến tâm) thường trong phạm vi (5 - 15) mét. Như vậy trong phương pháp phân tập này, một thông tin được truyền đồng thời trên hai kênh song song nhau và nếu khoảng cách độ cao giữa 2 ăng-ten đủ lớn thì có thể coi cả hai kênh độc lập thống kê với nhau. Lúc này xác suất xuất hiện pha-đing đồng thời trên cả hai ăng-ten sẽ giảm và độ tin cậy thông tin sẽ cao hơn so với không phân tập. Hình 11. Cấu trúc hệ thống phân tập theo không gian. Hình 12. Cấu trúc phân tập không gian phân loại theo tần số * Các phương pháp tổ hợp tín hiệu phân tập Phương pháp kết hợp: Hệ thống kết hợp tín hiệu phân tập theo không gian được phân loại theo ba dạng tương ứng với băng tần: tần số cao tần, tần số trung tần và tín hiệu băng gốc. Phương pháp kết hợp tín hiệu cao tần: thể hiện trên hình 12 a) với cấu hình đơn giản chỉ dùng một máy thu. Các thiết bị quay pha được thiết kế làm việc ở tần số cao thường là ống dẫn sóng kết hợp với các thiết bị cơ khí nên đòi hỏi độ chính xác rất cao. Phương pháp này thường có chất lượng không cao và độ tin cậy thấp. Phương pháp kết hợp tín hiệu trung tần: (hình 12 b) bao gồm hai máy thu để chuyển đổi kênh phân tập về tần số trung tần. Bộ quay pha làm việc ở tần số trung tần nên có độ tin cậy cao hơn so với bộ quay pha làm việc ở cao tần. Nhìn chung các phương pháp kết hợp phân tập trước tách sóng (Hình 12 a và b) đòi hỏi chức năng đồng pha tín hiệu, vì vậy rất khó áp dụng cho trường hợp pha-đing thay đổi nhanh. Phương pháp kết hợp tín hiệu băng gốc phải dùng tới hai máy thu và hai bộ giải điều chế nên phức tạp hơn và giá thành thiết bị đắt hơn. Tuy nhiên phương pháp kết hợp tín hiệu băng gốc không đòi hỏi sự đồng pha tín hiệu, mà tuỳ thuộc vào độ lớn về biên độ và pha của tín hiệu mà bộ kết hợp có thể lựa chọn tín hiệu cho phép đưa tới đầu ra. Trong hệ thống vô tuyến số các bộ kết hợp dùng trong phân tập không gian thường được thực hiện tại trung tần máy thu. Sự kết hợp thường dựa trên hai nguyên tắc sau: kết hợp phân tập theo nguyên tắc công suất cực đại và kết hợp phân tập theo nguyên tắc phân tán tối thiểu, có sơ đồ khối như trên hình vẽ 13 và 14 So sánh pha Dịch pha TF1 vào TF2 vào TF1 ra Hình 13 - Bộ kết hợp phân tập công suất cực đại Trên hình 13 tín hiệu trung tần từ 2 máy thu khác nhau sẽ được khuếch đại và so sánh pha với nhau, sau đó sự khác pha của tín hiệu trung tần kênh thứ 2 sẽ được bù pha từ bộ dịch pha liên tục, hai tín hiệu trung tần đồng pha sẽ được cộng lại và cho ra tín hiệu trung tần có công suất lớn nhất. Bộ kết hợp theo nguyên lý phân tán tối thiểu hình 14, với giả thiết IF2 bị méo thì qua hệ thống hồi tiếp đo lường và sửa méo tín hiệu đã được sửa méo, sau đó cộng với tín hiệu trên kênh thứ nhất cho ra tín hiệu trungg tần không méo. Điều khiển Bộ lọc giải Bộ lọc giải Bộ lọc giải IF2 vào IF ra Hình 14: Bộ kết hợp theo nguyên lý phân tán tối thiểu [8] IF1 vào F Khi sử dụng phân tập không gian hệ thống sẽ giảm xác suất gián đoạn gây ra do pha đing. Hệ số cải thiện phân tập không gian đặc trưng cho chất lượng của hệ thống phân tập không gian được xác định theo công thức: trong đó: S [m] khoảng cách từ tâm đến tâm giữa hai anten tính theo chiều dọc F [GHz] tần số sóng mang D [km] cự ly liên lạc - độ dài chặng là hệ số khuếch đại điện áp tương đối của an ten phân tập so với an ten chính Ad [dBi] là độ tăng ích của an ten phân tập Am [dBi] là độ tăng ích của anten chính FM [dB] là lượng dự trữ pha đing phẳng Khi đó xác suất gián đoạn của hệ thống khi sử dụng phân tập không gian được tính theo công thức: Khi sử dụng phân tập theo không gian kết hợp với các bộ san bằng có hệ số cải thiện là Ie thì hệ số cải thiện của cả hệ thống là Với những hệ thống băng rộng thường xuất hiện pha đinh chọn lọc theo tần số. Khi đó xác suất gián đoạn liên lạc do pha-đing chọn lọc tần số khi có sử dụng phân tạp không gian cấu trúc (1+ 1), như trong (hình vẽ 11) xác định theo biểu thức: d là độ dài của tuyến tính theo km rb (Mbit/s) là tốc độ của đường truyền M là số mức điều chế b. Phân tập tần số (FD) Phân tập tần số (Frequency Diversity) là sử dụng một hoặc hai kênh để bảo vệ cho N kênh làm việc. Bộ chuyển mạch SW thực hiện nguyên lý không trùng hợp, trên cơ sở độ mở mẫu mắt hoặc BER chọn ra kênh có chất lượng thấp nhất để thực hiện phân tập tần số. Trường hợp phân tập tần số có cấu trúc (1 + 1), tức là biện pháp truyền đồng thời hai kênh tần số từ trạm phát đến trạm thu sử dụng hai máy phát, hai máy thu có khoảng cách tần số khác nhau, sử dụng ăng-ten dải rộng. Tại đầu thu sẽ có một bộ kết hợp giống như trong phân tập không gian dùng để so sánh biên độ và pha tín hiệu đầu ra máy thu, nhằm lựa chọn tín hiệu đầu ra là tốt nhất. Tx 1 Tx 2 Input Rx 1 Rx 2 Out put SW Hình 15 - Sơ đồ khối hệ thống phân tập tần số Khi khoảng cách tần số trong hai kênh đủ lớn để hệ số tương quan giữa hai kênh là có thể bỏ qua được, thì hai kênh được coi là độc lập thống kê. Khi đó hệ số cải thiện phân tập theo tần số sẽ được tính theo công thức. Trong đó f [GHz] là tần số sóng mang Äf / f là khoảng cách tần số tương đối d [km] là độ dài chặng F là độ sâu khe pha đing Khi mà kênh phân tập tần số chỉ có một, mà số kênh làm việc cần phải có phân tập tăng lên, thì sự cải thiện được quan tâm đến tất cả các kênh sẽ giảm xuống. Tuy nhiên chúng ta sẽ dung hoà được sự ưu tiên cho kênh làm việc. Vì rằng một kênh sẽ được bảo vệ tốt, nếu có cấu trúc phân tập (1+1). Như vậy độ phòng vệ từ kênh có ưu tiên cao sẽ được tăng lên, độ phòng vệ từ kênh có ưu tiên thấp sẽ bị giảm xuống. Sơ đồ khối một trạm lặp có dự phòng nóng kết hợp tại băng gốc cho trên hình vẽ 16 Vào RX1 Giám sát lỗi Điều khiển chuyển mạch RX2 Giám sát lỗi Chuyểnmạch băng gốc Bộ chia công suất Điều khiển chuyển mạch Phát MOD - RF MOD - RF RF-SW Ra Hình 16 - Bộ lặp vi ba số có dự phòng và phân tập tần số tại băng gốc [17]. Kênh dự phòng Máy phát dự phòng Trong hình 16 nếu máy phát chính bị suy giảm thì bộ chuyển mạch RF sẽ không nối đầu ra với máy phát bị suy giảm mà sẽ nối với máy phát dự phòng. Việc đánh giá độ suy giảm của máy phát bằng việc giám sát lỗi tại luồng bít băng gốc thu. Hệ thống dự phòng (n + 1) có thể kết hợp với phân tập không gian rất có hiệu quả. c. Phân tập góc (AD): Mặc dầu vấn đề phân tập góc cho đường vi ba LOS đã được quan tâm nhiều năm về trước, nhưng trong kỹ thuật mới chỉ sử dụng cho đường thông tin đối lưu. Điều này cũng có lý do của nó, có lẽ vì những năm trước đây vi ba số băng rộng chưa phát triển, pha-đing xẩy ra chủ yếu là pha-đing phẳng do vậy các biện pháp khắc phục có phần đơn giản hơn. Gần đây, tính toán phân tập góc trên các đường vi ba mặt đất LOS đã được hồi sinh, do yêu cầu của kỹ thuật trong việc tính toán pha-đing cho đường vô tuyến số [2,14], tuy nhiên để phân biệt hai trường hợp này chúng ta cần lưu ý. Thông tin đối lưu việc truyền sóng dựa vào sự bất đồng nhất của khí quyển ở vùng đối lưu. Vùng này có đặc điểm tán xạ sóng, các tia sóng được phát ra từ ăng-ten phát không trực tiếp đến điểm thu mà đi tới vùng đối lưu, ở đó các tia sóng lại tán xạ đi nhiều hướng khác nhau. Trong số những tia sóng tán xạ từ vùng đối lưu có những tia đến được điểm thu. Thông tin đối lưu phân tập theo góc ngẩng của ăng-ten chỉ ra trên hình 17 Hình 17 - Truyền sóng trong thông tin đối lưu Trong đường vi ba mặt đất LOS phương pháp truyền sóng là trực tiếp, ăng-ten nhìn thấy nhau. Tuy nhiên theo mô hình Rummler tại điểm thu, sóng tới không chỉ là tia trực tiếp mà còn có tia khúc xạ qua khí quyển và tia phản xạ từ mặt đất. Các tia sóng này đến điểm thu cũng bị uốn cong và có biên độ và góc pha khác nhau. Phân tập góc với ý tưởng định hướng ăng-ten theo độ uốn cong của tia sóng đã được thực hiện. Theo phương pháp này người ta thường sử dụng 2 ăng-ten để thu một tín hiệu từ một ăng-ten phát. Hai ăng-ten đặt cùng độ cao trên tháp cùng định hướng về một phía. Trong đó ăng-ten chính được định hướng thẳng theo đường thẳng nối giữa ăng-ten phát và ăng-ten thu, còn ăng-ten phân tập được định hướng lệch đi một góc nhỏ chừng (1 á 2) độ. Các ăng-ten thường có dạng Parabol với phần phát xạ đặt tại tiêu điểm Parabol kiểu lắp đặt ăng-ten có dạng như hình 18. Loa Parabol phản xạ Bộ phát xạ Hình 18: a) ăng-ten phân tập góc nhìn vào từ phía lòng chảo b) ăng-ten phân tập góc nhìn vào từ bên cạnh a) b) Về cấu trúc thiết bị thì cũng tương tự như trong phân tập không gian. Phân tập góc cũng sử dụng hai máy thu và sử dụng kết hợp trước hoặc sau tách sóng như trên hình 19. Kết hợp Bộ tách sóng Ra a. Phân tập góc kết hợp trước tách sóng Bộ tách sóng máy thu I Bộ tách sóng máy thu II Bộ kết hợp Ra b. Phân tập góc kết hợp sau tách sóng Hình 19: Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống phân tập góc. Hệ thống phân tập góc trong thực tế thường sử dụng phương pháp phân tập góc kết hợp sau tách sóng như hình 3.15b, sơ đồ 3.15a ít dùng. 4. Truyền dẫn đa sóng mang (Multi-Carrier Transmssion) Hình 20. Cấu hình của hệ thống truyền dẫn đa sóng mang Truyền dẫn đa sóng mang được áp dụng lần đầu tiên vào năm 1983 cho một hệ thống có cự ly xa qua biển ở Yoshida - Nhật Bản. Trong đó hệ thống dung lượng cao được truyền trên những sóng mang con có dung lượng thấp hơn mà phổ tần số của chúng được ấn định trong băng tần có độ rộng tương đương. Nhờ việc truyền dẫn tốc độ thấp trên những băng tần hẹp hơn nên có thể giảm được hiện tượng pha đing trong các băng tần con, nói cách khác giảm được sự không đồng đều của kênh truyền theo tần số do vậy cấu trúc của các bộ san bằng cũng đơn giản hơn. Hệ thống yêu cầu nhiều hơn các bộ điều chế và giải điều chế do vậy thiết bị cũng phức tạp hơn. Ngoài ra khi phân bố tần số cũng yêu cầu giữa các băng tần con cần có một khoảng tần số bảo vệ (Guard Band) nhằm tránh xuyên nhiễu giữa các hệ thống sóng mang con và tránh méo xuyên điều chế do vây hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống truyền dẫn đa sóng mang không cao và thường chỉ sử dụng trong điều kiện truyền sóng qua biển cự ly lớn và dung lượng cao. 5. Mã chống nhiễu Ngoài ra để chống pha-đing người ta còn dùng mã sửa lỗi theo nguyên tắc C (n,k) trong đó có k bít thông tin và r = n-k bít dùng để kiểm tra phát hiện sai và sửa, được Hamming và Shannon đề xuất. Thông thường cho các hệ thống điều chế có số mức lớn hơn 64 thì người ta thường dùng mã dịch vòng mã khối hoặc mã BCH (Bose - Chaudhuri and Hocquenghem) là rất có hiệu quả. Ví dụ tỉ lệ độ thừa 18/19 mã hoá cho hệ thống vô tuyến 64QAM bảo đảm tăng ích mã hoá khoảng 3dB, tại tỉ lệ lỗi bít BER = 10-6. Hoặc với tỉ lệ 247/255 mã khối cho hệ thống vô tuyến 256 QAM, kết quả tăng ích mã hoá là 3,4dB tại BER = 10-6. 3.3. Kết luận: Qua phần trình bày trong chương 4 chúng ta rút ra một số kết luận như sau: * Ảnh hưởng của pha-đing nhiều tia nhiều tia chọn lọc tần số trong hệ thống vi ba băng rộng là không thể tránh khỏi vì vậy tiếp túc thúc đẩy việc nghiên cứu các biện pháp chống pha-đing là một yêu cầu cần thiết. * Các biện pháp chống pha-đing hiện tại đang được thực hiện như đã nêu ở trên gồm: - Các biện pháp san bằng thích nghi về tần số và thời gian. - Các biện pháp phân tập - Sử dụng mã sửa lỗi * Các biện pháp san bằng thích nghi và mã sửa lỗi thường được thực hiện cùng với cấu hình của máy trong quá trình sản xuất, hay nói cách khác nó là khả năng kỹ thuật của thiết bị. * Các biện pháp phân tập ngoài yếu tố khả năng kỹ thuật của thiết bị nêu trên, còn có một yếu tố đặc biệt quan trọng khi triển khai khai thác, đó là khả năng hiểu biết của con người trong vai trò tính toán thiết kế tuyến sao cho đạt được các yêu cầu về độ khả dụng, độ tin cậy của hệ thống, hiệu quả kinh tế v.v... Trong chương IV chúng ta sẽ xem xét khả năng cải thiện của các biện pháp phân tập. Ch­¬ng 5 ThiÕt kÕ tuyÕn vi ba Tính toán đường truyền Dựng mặt cắt nghiêng của đường truyền Căn cứ trên bản đồ địa chính, đánh dấu điểm cần xây dựng trạm A, B và dựng mặt cắt nghiêng của đường truyền bằng cách: Kẻ một đường thẳng trên bản đồ nối hai điểm AB Xác định độ cao của điểm cắt giữa đường AB và đường bình địa Dựng mặt cắt nghiêng của đường truyền theo số liệu nhận được + độ lồi của trái đất tại các điểm cắt. (Bỏ qua các sai số – tham khảo số liệu ) Lưu ý: Yêu cầu tính chính xác giá trị độ cao của các điểm cao + độ lồi trái đất Xác định độ cao anten thỏa mãn tiêu chuẩn khoảng hở C Các bước tính toán đường truyền Trước khi tính toán đường truyền cần xác định các tham số sau: Bản đồ địa chính +Khảo sát Vị trí các trạm Độ cao của các anten Tần số hoạt động của hệ thống Loại thiết bị và các tham số của nó Các loại bộ phối hợp và rẽ nhánh Mô tả tuyến Mô tả tuyến Trạm A Trạm B Số chặng tiếp phát Loại thiết bị RMD-1504 RMD-1504 Tên trạm Tần số (GHz) 1.770 1.830 Trung tâm băng: 1.8 Phân cực Ngang Dung lượng kênh (Mbps) 4Mbps Loại điều chế của máy phát QPSK Tham khảo sơ đồ đo đạc Độ nâng vị trí (m) Vĩ độ / kinh độ (độ, phút, giây) Độ dài đường truyền dẫn (km) Độ cao của an ten (m) Độ cao của an ten phân tập (m) Tính toán các tổn hao Các tổn hao Tổn hao đường truyền dẫn của không gian tự do (dB) A0 = 32,4 + 20 lg (fMHz . dkm) Loại phi đơ WC109 (γf=5dB/100m) WC109 (5dB/100m) Độ dài phi đơ lf = 1.5 độ cao an ten Tổn hao phi đơ (dB) Af=lf. γf Tổn hao rẽ nhánh (dB) Ab = 4.1 4.7 Tổn hao của bộ phối hợp và bộ nối (dB) 0.7 0.7 Tổn hao của suy giảm vật chắn (dB) Tổn hao hấp thụ khí quyển (dB) Tổng tổn hao của tất cả các cột (dB) Tăng ích Tăng ích của anten so với an ten đẳng hướng (dBi) 40 40 Máy phát (dBm) 37 37 Tổng các tăng ích (dBm) (23)+(24) Tổng suy giảm (dB) (22)-(23) Mức vào máy thu (dBm) Pr=(24)-(26) Mức ngưỡng thu được RXa (dBm) -94 Mức ngưỡng thu được RXb (dBm) -91 Độ suy giảm RFI (dB) Độ suy giảm do giao thoa tần số vô tuyến (0dB) Độ dự trữ pha đing phẳng FMa (dB) Fma=Pr-RXa Độ dự trữ pha đing phẳng FMb (dB) Fmb=Pr-RXb Tính toán ảnh hưởng của pha đing phẳng Hệ số xuất hiện pha đ