zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Kĩ thuật Viễn thông

Bài giảng HỆ THỐNG VIỄN THÔNG - Chương 2

Chia sẻ: Gray Swan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:16

Báo xấu

208
lượt xem 39
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chương 2: Môi trường truyền thông MÔI TRƯỜNG TRUYỀN THÔNG 2.1. Đặc tính chung của đường truyền bằng dây dẫn Dữ liệu truyền giữa thiết bị phát và thiết bị thu thông qua môi trường truyền Môi trường truyền có 2 loại: hữu tuyến hay vô tuyến Phương thức truyền đơn công (simplex ), bán song công ( half duplex), song công (duplex) Sự suy giảm chất lượng của tín hiệu truyền thường do: • Suy yếu và dẫn đến méo dạng • Bị làm trễ • Bị nhiễu Sự suy giảm và dẫn đến méo dạng • Sự suy giảm phụ...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng HỆ THỐNG VIỄN THÔNG - Chương 2

Chương 2: Môi trường truyền thông Chương 2 MÔI TRƯỜNG TRUYỀN THÔNG 2.1. Đặc tính chung của đường truyền bằng dây dẫn Dữ liệu truyền giữa thiết bị phát và thiết bị thu thông qua môi trường truyền Môi trường truyền có 2 loại: hữu tuyến hay vô tuyến Phương thức truyền đơn công (simplex ), bán song công ( half duplex), song công (duplex) Sự suy giảm chất lượng của tín hiệu truyền thường do: • Suy yếu và dẫn đến méo dạng • Bị làm trễ • Bị nhiễu Sự suy giảm và dẫn đến méo dạng • Sự suy giảm phụ thuộc vào tần số • Sự suy giảm làm cho máy thu khó khôi phục lại tín hiệu ban đầu • Tín hiệu thu không đủ lớn để đảm bảo tỷ số S/N ( Tín hiệu / tạp âm ) , dễ sinh ra sai số. Người ta khắc phục ảnh hưởng trên bằng cách dùng bộ khuếch đại hay bộ lặp tín hiệu ( Repeater ) Sự làm trễ tín hiệu • Sự làm trễ tín hiệu phụ thuộc vào tần số của tín hiệu • Các tín hiệu tần số khác nhau sẽ đến máy thu tại các thời điểm khác nhau • Đặc biệt với các tín hiệu số sự làm trễ càng rõ ràng hơn Bị tác động của nhiễu Tại máy thu , tín hiệu nhận được luôn bị đính kèm với 1 tín hiệu không mong muốn . Tín hiệu không mong muốn này được gọi là nhiễu Có 4 loại nhiễu chính • Nhiễu nhiệt độ • Tạp âm nội bộ ( phách các tần số bên trong ) • Nhiễu xung 26
Chương 2: Môi trường truyền thông • Xuyên âm ( Xuyên kênh ) Hình 2.1. Nhiễu xuyên kênh 2.1.1. Các thông số phân bố của dây song hành Do ảnh hưởng của đường truyền ở cao tần, tạo ra các thông số phân bố trên từng đoạn vi phân của đường truyền, gây ra suy hao và lệch pha tín hiệu. Dây song hành gồm 2 dây đặt song song xoắn lại nhau. Thông thường có hàng trăm cặp dây đặt chung nhau trong 1 cáp . Các cặp dây đặt cách ly để tránh ảnh hưởng điện từ với nhau Nó được dùng để truyền tín hiệu Analog hay tín hiệu số , dùng truyền tín hiệu thoại trên mỗi nhà và cũng có thể dùng cho các luồng số 2 Mbps hoặc ở các mạng LAN Nó có thể truyền tín hiệu analog xa 5-6Km Hình 2.2. Các dòng điện do nhiễu gây sẽ tự khử với nhau khi dây được xoắn lại Chú ý: Sự suy giảm tín hiệu trên dây song hành rất mạnh theo tần số và dễ chịu tác động của nhiễu điện từ trường Dây song hành đối xứng là hệ 2 dây giống hệt nhau , có cùng đặc tính điện (Kể cả các thông số ký sinh ) so với điểm đất. 27
Chương 2: Môi trường truyền thông Trong cáp điện thoại gồm nhiều đôi dây song hành xoắn lại với nhau để chống sự ghép ký sinh , ngoài ra , ở bên ngoài còn bọc lớp võ chống nhiễu nữa. Cách quấn dây: Nếu trong mỗi cặp dây được quấn theo 1chiều , thì 2 cặp sẽ được quấn theo chiều ngược lại , tạo thành một “quad” Lõi thường làm bằng đồng vì dẫn điện tốt , dễ hàn nối Võ bọc chống nhiễu bên ngoài có thể dùng kim loại chì , nhôm , đồng Nguồn phát (Transmitter) Truyền dẫn sóng bằng dây song hành dx R'dx L'dx IN1 OUT1 G'dx C'dx IN2 OUT2 Hình 2.3. Truyền dẫn sóng bằng dây song hành ♦ Ở cao tần, một đoạn vi phân dx của đường dây được tương đương hóa bằng một mạch điện có các thông số phân bố như hình trên. R'+ jωL' ♦ Trở kháng đặc tính của đường truyền là Z C = G '+ jωC ' ♦ Hằng số truyền sóng là γ = α + jβ = ( R'+ jωL' )(G '+ jωC ' ) α là hệ số suy hao trên một đơn vị chiều dài β là độ di pha trên một đơn vị chiều dài ♦ Vận tốc truyền pha là vận tốc lan truyền sóng trên đường dây ω Vϕ = β ♦ Điều kiện truyền không méo : các thành phần tần số được truyền đi với cùng 1 vận tốc pha( Vf = hằng ) ♦ Trở kháng đầu vào khi đầu cuối kết thúc bằng tải ZL là Z L + Z C th(γ .l ) Z in = Z C Z C + Z L th(γ .l ) Trong đó l là chiều dài của đường dây, γ Hằng số truyền sóng 28
Chương 2: Môi trường truyền thông 2.1.2. Hiệu ứng bề mặt (skin effect) Cáp đồng trục cấu tạo từ 2 dây kim loại đồng trục , phân cách nhau bằng vật liệu cách điện. Lõi thường làm bằng đồng , võ nối đất thường bằng các dãi đồng hay nhôm xoắn lại theo chiều dài . Lớp điện môi ε được phân bố hơi khác nhau nhằm tối ưu các thông số cáp. Trở kháng đặc tính thực tế Zc thường có giá trị 75 Ω hay 50 Ω Hình 2.3. Cấu tạo cáp đồng trục Khi truyền dẫn tín hiệu tần số cao, dòng điện trên dây dẫn có khuynh hướng dồn ra bề mặt, được gọi là hiệu ứng da (skin effect), ảnh hưởng đến trở kháng đặc tính của đường truyền. Hình 2.4. Minh hoạ hiệu ứng da (skin effect) Nhận xét: Khi tần số càng cao thì trở kháng của dây càng lớn. Do đó khi truyền công suất lớn, để giảm tổn hao, người ta dùng cáp đồng trục có bán kính lõi lớn (rỗng ruột) hay ống dẫn sóng 29
Chương 2: Môi trường truyền thông Khi tần số lớn hơn 3GHz, sự suy hao trở nên đáng kể trên lõi cáp và cả trong lớp điện môi bao quanh lõi, người ta nghĩ đến việc truyền sóng trong ống dẫn sóng . Ống thường có dạng ống chữ nhật. Người ta cố gắng để trường điện E vuông góc thành ống , nếu trường điện E tiếp tuyến với thành ống thì về độ lớn, nó phải cực tiểu, như thế dòng điện cảm ứng trên thành ống sẽ rất bé. Hơn nữa thành ống cũng cần rộng phẳng để giảm điện trở thì suy hao do dòng điện cảm ứng càng bé hơn. Hình 2.5. Sóng điện từ truyền trong ống dẫn sóng Tính trở kháng của 1 đơn vị dài dây dẫn phụ thuộc hiệu ứng da hiệu ứng da (Skin effect ) xảy ra khi mật độ dòng điện sẽ tăng dọc theo chiều tăng bán kính . Ở tần số cao dòng điện sẽ tập trung tại bề mặt của dây. Lúc đó , tiết diện hiệu dụng của dây giảm , khi R tăng δ (m) e ☻Dây dẫn cao tần Hình 2.6. Độ dày của bề mặt dẫn điện 2 δ= μωσ Độ dày của bề mặt dẫn điện được tính bởi công thức: Trong đó: σ = 1/ρ là độ dẫn điện của vật liệu [Simen.m] μ = μ 0 μT là độ từ thẩm của vật liệu [H/m] μ0 = 4π×10-7 [H/m] 30
Chương 2: Môi trường truyền thông Hình 2.7. Độ dày của bề mặt dẫn điện của các vật liệu phụ thuộc tần số f 60 Hz 10 kHz 100 kHz 1 MHz 10 MHz d 8.47 mm 0.66 mm 0.21 mm 66 µm 21 µm Hình 2.8. Độ dày của bề mặt dẫn điện của đồng phụ thuộc tần số Vậy Trở kháng của 1 đơn vị dài dây dẫn sẽ thay đổi theo tần số tín hiệu truyền 1 ρ μ1 1 =σ = R( f ) = = ×× f A A σ .π .d .δ πσ d Trong đó A = π.d.δ là diện tích tiết diện truyền dẫn của dây, d là đường kính dây 2.1.3. Phối hợp trở kháng Để đưa tối đa công suất từ nguồn ra tải cần điều kiện phối hợp trở kháng ( trở kháng nguồn bằng trở kháng tải ) : Zsource = ZLoad 31
Chương 2: Môi trường truyền thông Hình 2.9. Sự phối hợp trở kháng tốt Nếu không có sự phối hợp trở kháng , sẽ xuất hiện sóng phản xạ về , gây ra hiện tượng sóng dừng . Trên đường dây sẽ có những điểm có biên độ dao động rất lớn Trong trường hợp nguồn tín hiệu phát công suất lớn, các linh kiện thiết bị có thể bị phá huỷ do sự mất sự phối hợp trở kháng. Để khắc phục , ta phải thiết kế thêm các mạch phối hợp trở kháng ở ngõ vào ra của đường truyền. Ví dụ dùng dây phối hợp trở kháng l/4 có trở kháng đặc tính Z0 thỏa Hình 2.10. Dây phối hợp trở kháng l/4 32
Chương 2: Môi trường truyền thông 2.2. Đặc tính chung của môi trường truyền vô tuyến Sóng có thể truyền theo nhiều phương thức khác nhau như : Sóng đất (truyền sát mặt đất ), sóng trời ( phản xạ qua các tầng điện ly ), sóng truyền thẳng . Ngoài ra , do sự giao thoa giữa các phương thức truyền , mà tại nơi thu có thể bị nhiễu hoặc Fading Hình 2.11. Sóng truyền theo nhiều phương thức khác nhau Môi trường truyền sóng cho tín hiệu vô tuyến có cấu trúc tương đối phức tạp. Vùng khí quyển truyền sóng có thể chia thành 3 vùng cơ bản : • Tầng đối lưu ( troposphere ) độ cao dưới 15 Km , có nhiều gió , mây . Nhiệt độ và mật độ không khí giảm nhanh theo độ cao . Nó có tác dụng giống như chiết suất giảm dần , dẫn đến tác động uốn cong đường truyền sóng điện từ hướng về mặt đất . • Tầng bình lưu (Stratosphere ) độ cao từ 15 40 Km, có nhiều hơi nước. Nhiệt độ tăng theo độ cao rồi ổn định tại một mức. • Tầng điện ly (Ionosphere ) độ cao từ 40 500 Km, có nhiều ion , có mật độ thay đổi theo điều kiện thời tiết, theo mùa và tác động ngoài không gian. Đây là vùng tán xạ , phản xạ , hấp thụ sóng điện từ. Hình 2.12. Sóng trời ( phản xạ qua các tầng điện ly ) 33
Chương 2: Môi trường truyền thông Hình 2.13. Phương thức truyền phụ thuộc vào bước sóng 2.2.1 Các thông số môi trường không gian tự do ♦ Vận tốc lan truyền sóng trong không gian tự do: 1 Vϕ = C = = 3.108 m / s ε 0 μ0 10 −9 ♦ Hệ số điện thẩm tuyệt đối: ε 0 = [ F / m] 36π μ 0 = 4π .10 −7 [ H / m ] ♦ Hệ số từ thẩm tuyệt đối: μ0 = 120π = 377Ω ♦ Trở kháng sóng truyền: Z 0 = ε0 2.2.2 Suy hao của sóng điện từ trong môi trường không gian tự do ♦ Suy giảm công suất thu so với công suất phát tại điểm cách nguồn phát khoảng cách d, của sóng mang có tần số f là: 4π d 4 π .d . f 2 Ls = ( )2 = ( ) λ c Ls ~ ( d.f )2 Nhận xét: Suy hao công suất của sóng trong không gian tự do tỷ lệ thuận với bình phương tần số và khoảng cách lan truyền của sóng. 34
Chương 2: Môi trường truyền thông 2.2.3. Cự ly truyền sóng Công suất máy phát tăng cự ly truyền sóng tăng Độ nhạy máy thu tăng cự ly truyền sóng tăng Suy hao giảm cự ly truyền sóng tăng Tuy nhiên, cự ly truyền sóng không thể tăng mãi được Sóng truyền thẳng có cự ly bị hạn chế bởi độ cong trái đất . Do bán kính trái đất r = 6,37.106 m . Gọi h1 [m] và h2 [m] là 2 độ cao anten thì cự ly thông tin tối đa cho tuyến vi ba là d [Km] d = 3, 57( h1 + h2 )[Km ] Nếu tính đến sự uốn cong quĩ đạo sóng do khúc xạ trong khí quyển thì bán kính tương đương của trái đất là 4r/3 = 8500 Km, thì d = 4, 12( h1 + h2 )[Km ] Hình 2.14. Phương thức truyền thẳng có cự ly bị hạn chế bởi độ cong trái đất Bảng phân chia các băng tần cho các hệ thống viễn thông Băng tần Ký hiệu Đặc tính lan truyền Ứng dụng 3÷30KHz Tần số rất Sóng siêu âm Thông tin dưới nước thấp(VLF) 30÷300KHz Tần số rất Sóng siêu âm Thông tin hàng hải thấp(VLF) 300÷3MHz Tần số trung Sóng lan truyền theo TT vô tuyến, định vị bình (MF) mặt đất, suy hao thấp hàng hải, tt quảng bá, vào ban đêm và cao vào cứu hộ AM. ban ngày, nhiểu tạp khí quyển ảnh hưởng đáng kể. 3÷30MHz Tần số cao Phản xạ tầng điện ly, Vô tuyến nghiệp dư, suy hao thay đổi theo phát sóng quốc tế, 35
Chương 2: Môi trường truyền thông (HF) thời tiết, ngày, đêm, .. thông tin quân sự, hàng hải,.. 30÷300MHz Tần số rất cao Lan truyền theo tầm truyền hình VHF, phát (VHF) nhìn thẳng, ảnh hưởng thanh một phần AM, tán xạ bởi nhiệt độ, tạp và FM, … nhiểu vũ trụ. 0.3÷3GHz Tần số cực Lan truyền theo tầm truyền hình UHF, cao (UHF) nhìn thẳng, tạp nhiểu vũ Radar, thông tin vi ba trụ. 3÷30GHz Tần số siêu Lan truyền theo tầm Thông tin vi ba và vệ cao (SHF) nhìn thẳng, suy hao theo tinh. độ ẩm, khói, .. 30÷300GHz Tần số siêu Lan truyền theo tầm Thông tin vi ba và vệ cao (SHF) nhìn thẳng, suy hao tinh thử nghiệm. manh theo độ ẩm, khói.. 103÷107GHz Hồng ngoại, Lan truyền theo tầm Thông tin quang ánh sáng nhìn thằng trắng, tia cực tím 2.2.4. Bức xạ của anten Một dây dẫn điện bức xạ chủ yếu do dòng điện biến đổi theo thời gian. Nếu không có sự chuyển động của các điện tích trong một dây dẫn thì không xảy ra sự bức xạ bởi vì không có dòng điện. Bức xạ cũng không xảy ra ngay cả khi các điện tích chuyển động với vận tốc đồng nhất dọc theo một dây thẳng. Tuy nhiên, khi các điện tích chuyển động với vận tốc đồng nhất qua các đoạn dây dẫn cong hoặc bị bẽ cong sẽ sinh ra bức xạ. Nếu điện tích dao động theo thời gian, sự bức xạ xảy ra nay cả khi di chuyển dọc theo dây thẳng. Sự bức xạ từ một anten có thể minh hoạ như sau 36
Chương 2: Môi trường truyền thông Hình 2.15. Sự bức xạ từ một anten Phân cực sóng Phương phân cực là phương của vector điện trường E. Sóng phân cực thẳng có phương vector điện trường E không đổi. Người ta tạo ra sóng phân cực thẳng bằng cách bằng cách dẫn tín hiệu từ ống dẫn sóng đến anten loa. Hình 2.16. Anten loa Sóng phân cực tròn có phương vector điện trường E xoay tròn trên mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng. Người ta tạo ra sóng phân cực tròn bằng cách kết hợp 2 sóng phân cực thẳng lệch pha 900 và có phương vuông góc với nhau Với f > 3 GHz truyền sóng dọc theo cáp bị suy hao nhiều trên phần điện môi giữa lõi và võ cáp. Sóng điện từ có thể truyền trong ống kim loại , gọi là ống dẫn sóng ( thường 37
Chương 2: Môi trường truyền thông là ống hình chữ nhật). Do hiệu ứng da , dòng điện tập trung ở sát bề mặt phía trong thành ống , nên cố gắng làm phẳng để giảm điện trở. Nếu bỏ qua suy hao thành ống, có thể xem ống dẫn sóng là vật dẫn lý tưởng để truyền các công suất lớn. Có nhiều loại anten Anten parabol có lõi feed-horn đặt tại tiêu điểm Anten Cassegrain , có thêm 1 gương phản xạ phụ đặt tại tiêu điểm Anten lệch (offset) có lõi feed-horn đặt lệch 1 ít để gương nầy không chặn đường đi của sóng, cải thiện các búp sóng phụ Hình 2.17. Các loại anten Đồ thị bức xạ ( radiation pattern ) của anten: Dạng bức xạ của anten đặc trưng bởi “hướng”(directivity) “hay độ lợi” (gain) của anten 38
Chương 2: Môi trường truyền thông Anten thường có búp sóng chính (main lobe hay beam) có hướng ứng với độ lợi lớn nhất, và minor lobe ( còn gọi là side lobe hay back lobe, tuỳ thuộc vào hướng của minor lobe so với main lobe). Các nhà sản xuất thường mô tả anten bằng độ lợi của búp sóng chính (main lobe), họ cũng thường xác định thêm độ rộng búp sóng (beam-width ) của anten Độ rộng búp sóng nửa công suất HPBW half-power beamwidth được định nghĩa là góc giữa 2 hướng, mà trên hướng đó công suất bức xạ chỉ bằng một nửa của giá trị tối đa ( giảm 3 dB). Hình 2.18. Đồ thị bức xạ của anten FNBW (First Null Beam Width) Độ rộng búp sóng chính HPBW (Half Power Beam Width) Độ rộng búp sóng nửa công suất Các tính chất về điện : η là hiệu suất của anten . Thông thường η = 0,5 0,7 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power) bằng hệ số tăng ích của anten nhân với công suất máy phát 39
Chương 2: Môi trường truyền thông Sự phối hợp trở kháng (impedance) Hình 2.19. Dẫn tín hiệu từ ống dẫn sóng đến anten Khi anten được kết nối với một đoạn cable, nếu trở kháng đầu vào của anten bằng với trở kháng của cable và đường truyền thì tổng công suất được truyền từ cable đến anten là tối đa. Tuy nhiên, nếu trở kháng không giống nhau thì một số năng lượng sẽ bị phản xạ ngược trở lại nguồn và số còn lại sẽ được truyền đi đến anten bức xạ ra không gian. Sóng phản xạ kết hợp sóng tới tạo ra sóng đứng trên cable. Khi đó biên độ tín hiệu tuy không đổi nhưng độ lớn lại phụ thuộc vào vị trí mỗi điểm trên đường dây Gọi Vmax là biên độ lớn nhất, Vmin là biên độ nhỏ nhất Tỷ số sóng đứng điện áp (VSWR = Voltage Standing Wave Ratio) được định nghĩa VSWR = Vmax / Vmin 1+ r VSWR = 1− r Trong đó r : hệ số phản xạ , r = Vr / Vi Vr : độ lớn sóng phản xạ Vi : độ lớn sóng tới Vmax = |Vi |+ |Vr| Vmin = |Vi | - |Vr| Nếu như không có phản xạ thì VSWR sẽ bằng 1. Khi VSWR tăng lên thì sự phản xạ sẽ càng nhiều. Nếu VSWR cao và công suất cao thì có thể gây ra tình huống nguy hiểm như khi ta sử dụng điện áp cao trong đường truyền, trong trường hợp tồi tệ nhất, nó có thể bắn ra tia lửa điện. Tuy nhiên, tình huống này sẽ không xảy ra nếu sử dụng công suất thấp . 40
Chương 2: Môi trường truyền thông VSWR về cơ bản thể hiện sự mất phối hợp trở kháng giữa bộ phát và anten VSWR càng lớn thì càng mất phối hợp trở kháng. Giá trị VSWR cực tiểu ( tương ứng với phối hợp hoàn hảo) bằng 1. Một anten thực tế thường có trở kháng vào 50 Ω , 75 Ω , hoặc 300 Ω bởi vì đa số các thiết bị vô tuyến đều được sản xuất theo tiêu chuẩn này. Bandwidth Bandwidth của anten là vùng tần số được định nghĩa bởi tần số giới hạn trên hay tần số tối đa và tần số giới hạn dưới hay tần số tối thiểu, trong trường hợp các đặc điểm của anten như dạng bức xạ và trở kháng đầu vào không bị thay đổi khi hoạt động trong dãy tần số đó. Một số anten được xem như là broadband (băng rộng) trong đó tỷ số giữa tần số lớn nhất và tần số nhỏ nhất là lớn hơn 2. Tuy nhiên, bởi vì anten băng rộng thường có hiệu năng kém fH BWbroadband = fL ⎡ f − fL ⎤ BWnarrowband (%) = ⎢ H ⎥ 100 % ⎣ fc ⎦ f H : upper frequency f L : lower frequency f c : center frequency 41

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2431 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.