Bài giảng Chương 2: Môi trường truyền sóng và các yếu tố ảnh hưởng

TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 1 CHƯƠNG 2 Môi trường truyền sóng và Các yếu tố ảnh hưởng (4 tiết LT + 1 tiết BT + 1 tiết TL) TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 2 Nội dung chương 2 (4 tiết) 1 Các giải pháp nâng cao chất lượng ñường truyền dẫn vô tuyến số 2.4 1 Pha ñinh và các biện pháp khắc phục2.3 1 Các thông số ñặc trưng cho môi trường truyền sóng2.2 1 Lý thuyết chung về truyền sóng vô tuyến2.1 TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 3 Nội dung chương 2 (4 tiết) 1 Các giải pháp nâng cao chất lượng ñường truyền dẫn vô tuyến số 2.4 1 Pha ñinh và các biện pháp khắc phục2.3 1 Các thông số ñặc trưng cho môi trường truyền sóng2.2 1 Lý thuyết chung về truyền sóng vô tuyến2.1 TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 4 Truyền sóng vô tuyến
Sóng ñiện từ là quá trình lan truyền trong không gian của ñiện từ trường biến thiên tuần hoàn trong không gian theo thời gian
Sóng ñiện từ có hai thành phần là ñiện (E) và từ (B)
Các thành phần E và B vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng.
Cường ñộ sóng ñiện từ tại khoảng cách d = E×B ∝ 1/d2
Là một mặt cầu có tâm là máy phát
Sóng vô tuyến là sóng ñiện từ có tần số từ 30 KHz ñến 300GHz. TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 5 Truyền sóng vô tuyến TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 6 Truyền sóng vô tuyến
Có hai tham số chính ảnh hương ñến tín hiệu tại máy thu
Khoảng cách ⇒ suy hao ñường truyền
ða ñường ⇒ Gây ra sự khác nhau về phase Hai tín hiệu lệch phase λ/2 khi tới máy thu, nên tín hiệu thu ñược sẽ khác. Với 2.4 GHz, λ (wavelength) =12.5cm. TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 7 Nội dung chương 2 (4 tiết) 1 Các giải pháp nâng cao chất lượng ñường truyền dẫn vô tuyến số 2.4 1 Pha ñinh và các biện pháp khắc phục2.3 1 Các thông số ñặc trưng cho môi trường truyền sóng2.2 1 Lý thuyết chung về truyền sóng vô tuyến2.1 TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 8 Truyền sóng trong không gian tự do
Khi sóng ñiện từ lan truyền trong không gian, năng lượng của nó bị suy giảm, gọi là suy hao trong không gian tự do:
Pt = Công suất tín hiệu tại Anten phát
Pr = Công suất tín hiệu tại Anten thu
λ = Bước sóng của sóng ñiện từ
d = Khoảng cách giữa 2 anten
c = vận tốc ánh sáng (≈ 3 x 108 m/s)
Trong ñó d và λ ñươc ño cung ñơn vị (ví du: met) ( ) ( ) 2 2 2 2 44 c fdd P P r t π λ π == TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 9 Suy hao trong không gian tự do
Suy hao trong không gian tự do tính theo dB:      == λ πd P P L r t dB 4 log20log10 ( ) ( ) dB 98.21log20log20 ++−= dλ ( ) ( ) dB 56.147log20log204log20 −+=     = df c fdπ TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 10 Suy hao trong không gian tự do
Nếu khoảng cách tính theo Km, tần số tính theo GHz thì suy hao trong không gian tự do tính theo dB là: ( ) ( )dB log20log204,92 dfLdB ++= TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 11 Suy hao trong khoâng gian tự do
Ví du 1: Nếu khoảng cách là 10 Km, tần số là 10 GHz tính suy hao trong không gian tự do theo dB:
Ldb = 92,4 + 20 + 20 = 132,4 dB ( ) ( )dB log20log204,92 dfLdB ++= TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 12 Suy hao trong khoâng gian tự do
Ví dụ 2: Nếu khoảng cách là 60 Km, tần số là 4 GHz tính suy hao trong không gian tự do theo dB:
Ldb = TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 13 Ảnh hưởng của khí quyển
Sự hấp thụ của khí quyển
Sự khúc xạ
Hiệu ứng ống dẫn TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 14 Sự hấp thụ của khí quyển
Trong khí quyển có các thành phần: N2 , O2, CO2 và H2O
Các thành phần N2 , O2, CO2 có mức ñộ hấp thụ năng lượng ñiện từ không ñáng kể.
Mức ñộ hấp thụ của nước tùy thuộc vào ñiều kiện cụ thể
và tăng dần khi lượng nước trong không khí tăng lên.
ðặc biệt, khi trời mưa rất to, sự hấp thụ có thể gây gián ñoạn thông tin. TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 15 Sự khúc xạ Tín hiệu truyền thẳng Tín hiệu khúc xạ TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 16 Sự khúc xạ
Không khí càng lên cao càng loãng (chiết suất giảm), nên sóng ñiện từ có xu hướng bẻ cong về mặt ñất.
ðiều này làm cho ñường truyền thực xa hơn tầm nhìn thẳng.
Có thể gây ra hiện tượng Fading nhiều ñường. TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 17 Hiệu ứng ống dẫn Không khí loãng Không khí loãng Không khí ñặc TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 18 Hiệu ứng ống dẫn
Hiệu ứng ống dẫn xuất hiện khi sóng ñiện từ rơi vào vùng không khí ñặc nằm giữa hai vùng không khí loãng.
Lúc này xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần và sóng ñiện từ không tới ñược anten thu TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 19 Ảnh hưởng của ñịa hình
Sự phản xạ (reflection) và các miền fresnel
Hiện tượng tán xạ (scattering)
Hiện tượng nhiễu xạ (diffraction) và suy hao vật chắn TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 20 Sự phản xạ
Sự phản xạ xảy ra khi sóng ñiện từ ñang truyền tác ñộng ñến một ñối tượng có kích thước lớn so với bước sóng của sóng ñược truyền . Tín hiệu truyền thẳng Tín hiệu phản xạ TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 21 Sự phản xạ
Sự phản xạ xảy ra từ bề mặt trái ñất, các tòa nhà, tường và từ nhiều vật cản khác.
Nếu bề mặt trơn phẳng thì tín hiệu bị phản xạ vẫn không bị ảnh hưởng mặc dù vẫn bị suy hao do sự hấp thụ và tán xạ.
Hiện tượng ña ñường xảy ra: gây ảnh hưởng ñến tín hiệu thu TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 22 Miền Fresnel sạch Tín hiệu truyền thẳng Tín hiệu phản xạ TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 23 Miền Fresnel sạch
Miền Fresnel sạch là khu vực tối thiểu không có vật chắn ñể sóng ñiện từ có thể truyền qua.
Hiện tượng phản xạ hoặc suy hao vật chắn sẽ xảy ra nếu miền fresnel không sạch. TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 24 Miền Fresnel sạch
Khi vật chắn nằm ngoài miền Fresnel (miền Fresnel sạch),
năng lượng phản xạ về anten thu là bé so với năng lượng trực tiếp.
Hiện tượng ña ñường ảnh hưởng là không ñáng kể. TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 25 Miền Fresnel không sạch Tín hiệu bình thường Tín hiệu phản xạ TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 26 Miền Fresnel không sạch
Khi vật chắn nằm ngay ñường biên miền Fresnel (miền Fresnel không sạch),
năng lượng phản xạ về anten thu là lớn và ngược pha so với năng lượng trực tiếp.
Hiện tượng ña ñường xảy ra là ñáng kể.
Miền Fresnel ccó ảnh hưởng lớn ñến hệ thống LOS, ñặc biệt là Vi ba TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 27 Tính toán miền Fresnel sạch D = D1 + D2 (km) f : taàn soá soùng ñieän töø, GHz TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 28 Ví dụ 1:
Một hop dài 60 Km, tần số f = 6 GHz. Tìm bán kính miền Fresnel thứ nhất tại ñiểm A là ñiểm giữa hop.
ðáp số:
F = 17.3*(30*30/6/60)^(1/2) = 27.3537 (m) TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 29 Ví dụ 2:
Một hop dài 50 Km, tần số f = 4 GHz. Tìm bán kính miền Fresnel thứ nhất tại ñiểm A nằm giữa hai trạm của hop, cách trạm thứ nhất 30 Km.
ðáp số :
F = 17.3*(30*20/4/50)^(1/2) = 29.9645 (m) TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 30 Ví dụ 3:
Một hop dài 60 Km, tần số f = 4 GHz. ðộ cao so với mặt nước biển của hai trạm (anten) là 10m. Có bốn ñiểm cao trên hop với khoảng cách với trạm thứ nhất là 10km, 20km, 35km và 48km. ðộ cao của các ñiểm cao này lần lượt là: 8m, 7m, 6m, 7.5m. Các ñiểm cao này có rơi vào miền Fresnel thứ nhất hay không?
ðáp số : TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 31 Hiện tượng tán xạ
Sự tán xạ xảy ra khi:
môi trường truyền dẫn mà sóng ñi qua tồn tại các ñối tượng có kích thước nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu
và số lượng các vật cản trên một ñơn vị thể tích là lớn.
Sóng bị tán xạ xuất phát từ các bề mặt gồ ghề, các ñối tượng kích thước nhỏ hoặc các thành phần gây trở ngại trên ñường truyền tín hiệu.
Ví dụ: những ñối tượng có thể gây phân tán sóng cho hệ thống truyền thông di ñộng như cây cối,
Có hai dạng tán xạ: TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 32 Hiện tượng tán xạ
Sự tán xạ có thể xảy ra khi sóng va phải một bề mặt không phẳng và bị phản xạ lại ñồng thời theo nhiều hướng, tán xạ dạng này tạo ra nhiều tín hiệu phản xạ biên ñộ nhỏ dẫn ñến tiêu hủy tín hiệu chính ban ñầu.
Tín hiệu bị mất có thể xảy ra khi sóng vô tuyến bị phản xạ từ bề mặt ñất, ñá, hay các bề mặt răng cưa.
Khi bị tán xạ theo dạng này, sẽ xảy ra tình trạng suy giảm tín hiệu dẫn ñến truyền thông gián ñoạn và có thể dẫn ñến mất tín hiệu hoàn toàn. TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 33 Hiện tượng tán xạ
Sự tán xạ có thể xảy ra khi tín hiệu ñi qua môi trường truyền dẫn có tỷ trọng lớn, trong trường hợp này sóng bị phản xạ riêng lẻ trên từng phần tử. TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 34 Hiện tượng nhiễu xạ
Sự nhiễu xạ xảy ra khi ñường sóng vô tuyến giữa trạm truyền và trạm nhận bị che khuất bởi bề mặt không bằng phẳng.
Với tần số cao, sự nhiễu xạ giống như khúc xạ, tùy thuộc vào:
dạng hình học của ñối tượng che khuất
cùng với biên ñộ, pha và ñộ phân cực của sóng tại ñiểm xảy ra nhiễu xạ. TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 35 Hiện tượng nhiễu xạ
Nhiễu xạ thường không rõ ràng và dễ nhầm lẫn với khúc xạ.
Nhiễu xạ mô tả sóng bị uốn cong quanh vật cản trong khi khúc xạ mô tả sóng ñổi hướng ñi qua môi trường.
Nhiễu xạ là sự chậm lại của sóng vô tuyến trước ñiểm mà tại ñó sóng gặp phải chướng ngại vật, trong khi những phần còn lại của sóng không bị cản tiếp tục duy trì tốc ñộ như tốc ñộ truyền sóng.
Nhiễu xạ là kết quả của sự xoay chiều hay uốn cong của sóng quanh vật cản. TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 36 Hiện tượng nhiễu xạ và suy hao vật chắn hình nêm
Trong trường hợp có vật chắn hình nêm rơi vào miền Fresnel, sóng ñiện từ vẫn có thể tới ñược Anten thu bằng cách “lướt” trên bề mặt vật chắn.
Khi ñó năng lượng bị suy hao một lượng ñáng kể gọi là suy hao vật chắn hình nêm. TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 37 Truyền sóng qua vật chắn hình nêm Tín hiệu nhiễu xạ TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 38 Ảnh hưởng của ñịa hình TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 39 Ảnh hưởng của ñịa hình TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 40 Nội dung chương 2 (4 tiết) 1 Các giải pháp nâng cao chất lượng ñường truyền dẫn vô tuyến số 2.4 1 Pha ñinh và các biện pháp khắc phục2.3 1 Các thông số ñặc trưng cho môi trường truyền sóng2.2 1 Lý thuyết chung về truyền sóng vô tuyến2.1 TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 41 Hiện tượng Fading
Fading là hiện tượng biến thiên năng lượng ñiện từ tại anten thu do môi trường truyền sóng gây ra.
Phân loại Fading:
Fading phẳng
Fading lựa chọn tần số
Fading nhanh
Fading chậm TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 42 Hiện tượng Fading: Fading phẳng
Fading phẳng: là loại fading xảy ra với tất cả các kênh tần số.
Các hiện tượng gây ra Fading phẳng: nước trong không khí, hiệu ứng ống dẫn. TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 43 Hiện tượng Fading: Fading lựa chọn tần số
Fading lựa chọn tần số: chỉ xảy ra với một kênh tần số mà không xảy ra với các kênh lân cận.
Các hiện tượng gây ra Fading lựa chọn tần số: hiện tượng ña ñường TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 44 Hiện tượng Fading: Fading nhanh
Còn gọi là hiệu ứng Doppler
Gây ra bởi sự di chuyển tương ñối của máy thu, máy phát và sự di chuyển của các ñối tượng trong kênh truyền vô tuyến di ñộng.
Khi sự di chuyển tương ñối này càng nhanh thì tần số Doppler càng lớn, và do ñó tốc ñộ thay ñổi của kênh truyền càng nhanh. TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 45 Hiện tượng Fading: Fading chậm
Còn gọi là Hiệu ứng bóng râm, Hiệu ứng che khuất (shadowing)
Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên ñường truyền.
VD: tòa nhà cao tầng, ngọn núi, ñồilàm cho biên ñộ tín hiệu suy giảm.
Hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc ñộ biến ñổi chậm. TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 46 Khắc phục hiện tượng Fading
Sử dụng ñộ dự trữ Fading: máy phát phát một lượng công suất dư ñể bù cho hiện tượng fading khi xảy ra
Lượng công suất phát dư gọi là ñộ dự trữ fading
Áp dụng: Fading phẳng, Fading chậm, Fading nhanh.
Sử dụng kỹ thuật phân tập:
Áp dụng: Fading lựa chọn tần số. TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 47 Khắc phục hiện tượng Fading
Với Fading phẳng:máy phát phát một lượng công suất dư ñể bù cho hiện tượng fading khi xảy ra.
Lượng công suất phát dư gọi là ñộ dự trữ fading
Với Fading lựa chọn tần số: Sử dụng kỹ thuật phân tập. TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 48 Kỹ thuật phân tập (Diversity)
Phân tập không gian (Space Diversity)
Phân tập tần số (Frequency Diversity) TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 49 Phân tập không gian Transmitter Receiver Tx Rx Rx C TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 50 Phân tập không gian
Sử dụng 1 anten phát, một máy phát và 2 anten thu, hai máy thu.
2 Anten thu ñặt cách nhau một khoảng ñủ lớn về ñộ cao.
Nếu hiện tượng fading lựa chọn tần số xảy ra tại 1 anten thì không xảy ra tại anten còn lại.
Do ñó ta có ñược ít nhất một tín hiệu không fading. TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 51 Phân tập tần số Receiver Tx1 f1 Tx2 f2 Rx1 f1 Rx2 f2 Transmitter TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 52 Phân tập tần số
Sử dụng 1 anten phát, 2 máy phát ở 2 tần số khác nhau và 1 anten thu, hai máy thu ở hai tấn số ñó.
2 tần số cách nhau một khoảng ñủ lớn.
Nếu hiện tượng fading lựa chọn tần số xảy ra tại 1 tần số thì không xảy ra tại tần số còn lại.
Do ñó ta có ñược ít nhất một tín hiệu không fading. TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 53 Nội dung chương 2 (4 tiết) 1 Các giải pháp nâng cao chất lượng ñường truyền dẫn vô tuyến số 2.4 1 Pha ñinh và các biện pháp khắc phục2.3 1 Các thông số ñặc trưng cho môi trường truyền sóng2.2 1 Lý thuyết chung về truyền sóng vô tuyến2.1 TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 54 Biện pháp nâng cao chất lượng
Tổ chức quy hoạch sử dụng tài nguyên vô tuyến hợp lý: FD, TD,CD,SD
Tổ chức cấu hình hệ thống hợp lý
Sự cố thiết bị: Hệ thống dự phòng
Sự cố ñường truyền: Phân tập không gian, phân tập tần số, phân tập phân cực, phân tập góc, phân tập thời gian TS.Võ Trường Sơn Bài giảng môn Truyền dẫn vô tuyến số 55
Sử dụng các công nghệ xử lý số phức tạp:
Mã hoá kênh chống lỗi
ðan xen
Ngẫu nhiên hoá
Cân bằng thích ứng
Mật mã hoá tín hiệu ñể bảo mật thông tin và chống lại các kẻ truy nhập trái phép ñường truyền.
Hoàn thiện các mạch ñiện vô tuyến Biện pháp nâng cao chất lượng