Giáo trình Cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến

208 trang ngocly 710

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_co_so_ky_thuat_thong_tin_vo_tuyen.pdf

Nội dung text: Giáo trình Cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến

Häc viÖn kü thuËt qu©n sù bé m«n th«ng tin - khoa v« tuyÕn ®iÖn tö TrÇn V¨n KhÈn - §ç Quèc Trinh - §inh thÕ C−êng Gi¸o tr×nh c¬ së kü thuËt th«ng tin v« tuyÕn (Dïng cho ®µo t¹o kü s− §iÖn tö - ViÔn th«ng) Hµ néi - 2006
Môc lôc Mục lục 3 Ký hiệu, chữ viết tắt 7 Lời nói đầu 9 Chương 1: PHÂN CHIA DẢI TẦN SỐ VÔ TUYẾN VÀ ĐẶC TÍNH 11 KÊNH VÔ TUYẾN 1.1 Phân chia dải tần vô tuyến và ứng dụng cho các mục đích thông tin 11 1.2 Đặc điểm truyền sóng vô tuyến 13 1.2.1 Một số khái niệm cơ bản trong truyền sóng vô tuyến 14 1.2.2 Các tính chất quang học của sóng vô tuyến 16 1.2.3 Các phương thức truyền lan sóng điện từ 18 1.2.4 Một số thuật ngữ và định nghĩa truyền sóng 22 1.2.5 Đặc điểm một số dải sóng vô tuyến 26 1.3 Các đặc trưng cơ bản của hệ thống thông tin 31 1.3.1 Hệ thống thông tin - Kênh thông tin 31 1.3.2 Các tính chất của kênh thông tin vô tuyến 32 1.3.3 Các tính chất thống kê của tín hiệu vô tuyến và nhiễu trong 34 kênh thông tin vô tuyến 1.3.4 Tốc độ truyền tin tức và dung lượng kênh 35 1.3.5 Tính chống nhiễu và tính hiệu quả của các hệ thống thông tin 46 1.3.6 Các đặc trưng tổng quát của hệ thống thông tin 55 1.4 Hệ thống thông tin vô tuyến 56 1.4.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin vô tuyến 56 1.4.2 Phân loại thiết bị thông tin vô tuyến 57 Chương 2: CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG THÔNG 59 TIN VÔ TUYẾN 2.1 Những đặc tính kỹ thuật chính của hệ thống thông tin vô tuyến 59 2.1.1 Các đặc tính kỹ thuật chung cho máy thu và máy phát 59 2.1.2 Các đặc tính kỹ thuật máy phát 64 2.1.3 Các đặc tính kỹ thuật máy thu 66 2.1.4 Phương pháp hình thành tín hiệu vô tuyến 69 2.2 Cơ sở xây dựng chỉ tiêu kỹ thuật cho máy thu phát sóng ngắn công 88 suất trung bình 2.2.1 Yêu cầu chung 88 3
2.2.2 Chọn dải tần công tác của máy thu phát 88 2.2.3 Chọn dạng công tác 89 2.2.4 Chọn anten và phương thức điều khiển 89 2.3 Cơ sở xây dựng chỉ tiêu kỹ thuật cho máy thu phát sóng ngắn công 95 suất nhỏ 2.3.1 Yêu cầu chung 95 2.3.2 Chọn dải tần công tác cho máy thu phát SN/CSN 95 2.3.3 Chọn dạng công tác cơ bản 95 2.3.4 Lập luận chọn phương pháp ổn định tần số 96 2.3.5 Chọn loại an ten cho máy thu phát 97 2.3.6 Phương thức điều khiển 98 2.4 Cơ sở xây dựng chỉ tiêu cho máy thu phát sóng cực ngắn công suất 98 nhỏ 2.4.1 Yêu cầu chung 98 2.4.2 Chọn dải tần công tác cho máy thu phát 99 2.4.3 Chọn dạng công tác 99 2.4.4 Phương pháp ổn định tần số trong máy thu phát SCN/CSN 99 2.4.5 Anten của máy thu phát SCN/CSN 100 2.4.6 Phương thức điều khiển 100 Chương 3: CƠ SỞ XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI CHO HỆ THỐNG 101 THÔNG TIN VÔ TUYẾN 3.1 Cơ sở xây dựng sơ đồ khối cho máy thu phát sóng cực ngắn công 101 suất nhỏ 3.1.1 Máy thu phát cầm tay 101 3.1.2 Máy thu phát SCN/CSN dải rộng 102 3.2 Cơ sở xây dựng sơ đồ khối cho máy thu phát sóng ngắn công suất 110 nhỏ 3.2.1 Sơ đồ tuyến tín hiệu của máy thu phát SN/CSN (dải tần 1,5 ÷ 111 11 MHz) 3.2.2 Sơ đồ máy thu phát SN/CSN làm việc trong dải tần 0,03 ÷ 114 30 MHz 3.3 Cơ sở xây dựng sơ đồ cấu trúc cho máy thu phát sóng ngắn công 119 suất trung bình Chương 4: BỘ TỔNG HỢP TẦN SỐ 125 4.1 Khái quát chung về các bộ tổng hợp tần số 125 4.1.1 Vị trí và yêu cầu 125 4
4.1.2 Phân loại các phương pháp tổng hợp tần số 126 4.2 Các mạch cơ sở ứng dụng trong các bộ tổng hợp tần số 126 4.2.1 Tổng hợp tần số sử dụng các mạch nhân, chia, cộng và trừ 126 4.2.2 Các hệ thống tinh chỉnh tự động tần số trong các bộ tổng hợp 129 4.3 Các phương pháp tổng hợp tần số 137 4.3.1 Tạo mạng tần số bằng phương pháp tổng hợp trực tiếp 137 4.3.2 Tạo mạng tần số bằng phương pháp tổng hợp gián tiếp 144 4.3.3 Tổng hợp tần số số trực tiếp - DDS 150 Chương 5: CÁC MẠCH ĐIỀU CHỈNH VÀ ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG 157 TRONG CÁC MÁY THU PHÁT VÔ TUYẾN 5.1 Các mạch điều chỉnh và điều chỉnh tự động trong máy thu 157 5.1.1 Điều chỉnh bằng tay và điều chỉnh tự động hệ số khuếch đại 157 5.1.2 Mạch tự động khống chế tạp âm lối ra máy thu khi không có 162 tín hiệu 5.1.3 Điều chỉnh dải thông của máy thu 165 5.2 Các hệ thống điều chỉnh và điều chỉnh tự động trong máy phát 168 5.2.1 Mạch điều chỉnh tự động mức - ALC 168 5.2.2 Cơ sở của hệ thống tự động điều chỉnh phối hợp anten 169 5.2.3 Các hệ thống ĐCTĐ phối hợp anten 175 Chương 6: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MỚI TRONG HỆ THỐNG 187 THÔNG TIN VÔ TUYẾN 6.1 Kỹ thuật trải phổ trong thông tin vô tuyến 187 6.1.1 Giới thiệu chung 187 6.1.2 Các ưu điểm của hệ thống thông tin trải phổ 188 6.1.3 Các hệ thống thông tin trải phổ 191 6.2 Tự động thiết lập đường truyền - ALE 195 6.2.1 Tính cấp thiết của ALE 195 6.2.2 Tiêu chuẩn FED-STD-1045 196 6.3 Hệ thống trung kế vô tuyến (Radio Trunking) 198 6.3.1 Đặt vấn đề 198 6.3.2 Các hệ thống trung kế vô tuyến đơn trạm 199 6.3.3 Các hệ thống trung kế vô tuyến vùng rộng 204 Tài liệu tham khảo 209 5
KÝ HIỆU CÁC TỪ VIẾT TẮT ALC (Automatic Level Control) Điều chỉnh tự động mức AGC (Automatic Gain Control) Điều chỉnh tự động khuếch đại (TĐK) ALE (Automatic Link Establishment) Tự động thiết lập đường truyền DDS (Direct Digital Synthesizer) Tổ hợp tần số số trực tiếp PD (Phase Detector) Bộ so pha PTT (Press to Talk, Push to talk) Chuyển phát VCO (Voltage Controlled Oscillator) Dao động điều khiển bằng điện áp CS Chủ sóng CSN Công suất nhỏ CSTB Công suất trung bình ĐCTĐ Điều chỉnh tự động DĐCS Dao động chủ sóng DĐNS Dao động ngoại sai ĐKX Điều khiển xa GĐH Giản đồ hướng KĐ Khuếch đại KĐÂT Khuếch đại âm tần KĐCS Khuếch đại công suất KĐCT Khuếch đại cao tần KĐTT Khuếch đại trung tần NS Ngoại sai PTK Phần tử kháng SD Sóng dài ST Sóng trung SCN Sóng cực ngắn SN Sóng ngắn TĐF Tự động điều chỉnh tần số theo pha TĐT Tự động điều chỉnh tần số THTS Tổng hợp tần số 7
LỜI NÓI ĐẦU Thông tin vô tuyến sử dụng khoảng không gian làm môi trường truyền dẫn. Phương pháp thông tin là: phía phát bức xạ các tín hiệu thông tin bằng sóng điện từ, phía thu nhận sóng điện từ phía phát qua không gian và tách lấy tín hiệu gốc. Về lịch sử của thông tin vô tuyến, vào đầu thế kỷ này Marconi thành công trong việc liên lạc vô tuyến qua Đại Tây dương, Kenelly và Heaviside phát hiện một yếu tố là tầng điện ly hiện diện ở tầng phía trên của khí quyển có thể dùng làm vật phản xạ sóng điện từ. Những yếu tố đó đã mở ra một kỷ nguyên thông tin vô tuyến cao tần đại qui mô. Gần 40 nǎm sau Marconi, thông tin vô tuyến cao tần là phương thức thông tin vô tuyến duy nhất sử dụng phản xạ của tầng đối lưu, nhưng nó hầu như không đáp ứng nổi nhu cầu thông tin ngày càng gia tǎng. Chiến tranh thế giới lần thứ hai là một bước ngoặt trong thông tin vô tuyến. Thông tin tầm nhìn thẳng - lĩnh vực thông tin sử dụng bǎng tần số cực cao (VHF) và đã được nghiên cứu liên tục sau chiến tranh thế giới - đã trở thành hiện thực nhờ sự phát triển các linh kiện điện tử dùng cho HF và UHF, chủ yếu là để phát triển ngành rađa. Với sự gia tǎng không ngừng của lưu lượng truyền thông, tần số của thông tin vô tuyến đã vươn tới các bǎng tần siêu cao (SHF) và cực kỳ cao (EHF). Vào những nǎm 1960, phương pháp chuyển tiếp qua vệ tinh đã được thực hiện và phương pháp chuyển tiếp bằng tán xạ qua tầng đối lưu của khí quyển đã xuất hiện. Do những đặc tính ưu việt của mình, chẳng hạn như dung lượng lớn, phạm vi thu rộng, hiệu quả kinh tế cao, thông tin vô tuyến được sử dụng rất rộng rãi trong phát thanh truyền hình quảng bá, vô tuyến đạo hàng, hàng không, quân sự, quan sát khí tượng, liên lạc sóng ngắn nghiệp dư, thông tin vệ tinh - vũ trụ v.v. Tuy nhiên, can nhiễu với lĩnh vực thông tin khác là điều không tránh khỏi, bởi vì thông tin vô tuyến sử dụng chung phần không gian làm môi trường truyền dẫn. Để đối phó với vấn đề này, một loạt các cuộc Hội nghị vô tuyến Quốc tế đã được tổ chức từ nǎm 1906. Tần số vô tuyến hiện nay đã được ấn định theo "Qui chế thông tin vô tuyến (RR)" tại Hội nghị ITU (Internasional Telecommunications Union) ở Geneva nǎm 1959. Sau đó lần lượt là Hội nghị về phân bố lại dải tần số sóng ngắn để sử dụng vào nǎm 1967, Hội nghị về bổ sung qui chế tần số vô tuyến cho thông tin vũ trụ vào nǎm 1971, và Hội nghị về phân bố lại tần số vô tuyến của thông tin di động hàng hải cho mục đích kinh doanh 9
vào nǎm 1974. Tại Hội nghị của ITU nǎm 1979, dải tần số vô tuyến phân bố đã được mở rộng từ 9 kHz ÷ 400 GHz và đã xem xét lại và bổ sung cho Qui chế thông tin vô tuyến điện (RR). Để giảm bớt can nhiều của thông tin vô tuyến, ITU tiếp tục nghiên cứu những vấn đề sau đây để bổ sung vào sự sắp xếp chính xác khoảng cách giữa các sóng mang trong Qui chế thông tin vô tuyến: dùng cách che chắn thích hợp trong khi lựa chọn trạm; cải thiện hướng tính của anten; nhận dạng bằng sóng phân cực chéo; tǎng cường độ ghép kênh; chấp nhận sử dụng phương pháp điều chế chống lại can nhiễu Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống thông tin khác như thông tin di động, vi ba số, cáp quang, thông tin vệ tinh v.v, thông tin vô tuyến vẫn tiếp tục đóng vai trò quan trọng và được phát triển ngày càng hoàn thiện với những công nghệ cao đáp ứng được những đòi hỏi không những về mặt kết cấu mà cả về mặt truyền dẫn, xử lý tín hiệu, bảo mật thông tin Giáo trình "Cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến" được nhóm tác giả biên soạn với mục đích hệ thống những kiến thức về mặt cơ sở xây dựng, lựa chọn các chỉ tiêu kỹ thuật cấu trúc sơ đồ khối và việc ứng dụng các kỹ thuật mới vào việc khai thác, thiết kế các thiết bị và hệ thống thông tin vô tuyến trên các dải tần HF, V-UHF. Giáo trình được xây dựng phục vụ cho công tác đào tạo kỹ sư ngành điện tử viễn thông trong Học viện. 10
Chương 1 PHÂN CHIA DẢI TẦN SỐ VÔ TUYẾN VÀ ĐẶC TÍNH KÊNH VÔ TUYẾN 1.1 PHÂN CHIA DẢI TẦN SỐ VÔ TUYẾN VÀ ỨNG DỤNG CHO CÁC MỤC ĐÍCH THÔNG TIN Ta biết rằng thông tin vô tuyến đảm bảo việc phát thông tin đi xa nhờ các sóng điện từ. Môi trường truyền sóng (khí quyển trên mặt đất, vũ trụ, nước, đôi khi là các lớp địa chất của mặt đất) là chung cho nhiều kênh thông tin vô tuyến. Việc phân kênh chủ yếu dựa vào tiêu chuẩn tần số. Một cách tổng quát, phổ tần tổng cộng và miền áp dụng của chúng được chỉ ra trên hình 1-1. Dải tần số radio Dải sợi quang Viba, Tia Âm Siêu AM TV, vê ̣ tinh, Hồng nhi ̀n Tia Tia Hạ âm thanh âm radio FM rađa ngoại thấy Cực tím Tia X gamma vũ trụ 100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 Tâǹ số (Hz) Hình 1-1. Phổ tần số vô tuyến và ứng dụng Phổ này kéo dài từ các tần số dưới âm thanh (subsonic - vài Hz) đến các tia vũ trụ (1022 Hz) và được chia tiếp thành các đoạn nhỏ gọi là các băng tần. Toàn bộ dải tần số vô tuyến (RF) lại được chia ra thành các băng nhỏ hơn, có tên và kí hiệu như bảng 1-1 theo Ủy ban tư vấn về Thông tin vô tuyến quốc tế CCIR (Comité Consultatif Internationa des Radiocommunications - International Radio Consultative Committee). Bảng 1-1 Kí hiệu và phân chia băng tần theo CCIR STT Phạm vi tần số Tên gọi 1. 30 Hz ÷ 300 Hz Tần số cực kì thấp (ELF) 2. 0.3 kHz ÷ 3 kHz Tần số thoại (VF) 3. 3 kHz ÷ 30 kHz Tần số rất thấp (VLF) 11
4. 30 kHz ÷ 300 kHz Tần số thấp (LF) 5. 0.3 MHz ÷ 3 MHz Tần số trung bình (MF) 6. 3 MHz ÷ 30 MHz Tần số cao (HF) 7. 30 MHz ÷ 300 MHz Tần số rất cao (VHF) 8. 300 MHz ÷ 3 GHz Tần số cực cao (UHF) 9. 3 GHz ÷ 30 GHz Tần số siêu cao (SHF) 10. 30 GHz ÷ 300 GHz Tần số cực kì cao (EHF) 11. 0.3 THz ÷ 3 THz Hồng ngoại 12. 3 THz ÷ 30 THz Hồng ngoại 13. 30 THz ÷ 300 THz Hồng ngoại 14. 0.3 PHz ÷ 3 PHz Tia nhìn thấy 15. 3 PHz ÷ 30 PHz Tia cực tím 16. 30 PHz ÷ 300 PHz Tia X 17. 0.3 EHz ÷ 3 EHz Tia gamma 18. 3 EHz ÷ 30 EHz Tia vũ trụ Chú thích: 1 THz (terahertz) = 1012 Hz 1 PHz (petahertz) = 1015 Hz 1 EHz (exahertz) = 1018 Hz Các tần số cực kì thấp (ELF - Extremely Low Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷ 300 Hz, chứa cả tần số điện mạng AC và các tín hiệu đo lường từ xa tần thấp. Các tần số tiếng nói (VF - Voice Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 300 Hz ÷ 3 kHz, chứa các tần số kênh thoại tiêu chuẩn. Các tần số rất thấp (VLF - Very Low Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 3 ÷ 30 kHz, chứa phần trên của dải nghe được của tiếng nói. Dùng cho các hệ thống an ninh, quân sự và chuyên dụng của chính phủ như là thông tin dưới nước (giữa các tàu ngầm). Các tần số thấp (LF - Low Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷ 300 kHz (thường gọi là sóng dài), chủ yếu dùng cho dẫn đường hàng hải và hàng không. Các tần số trung bình (MF - Medium Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 300 kHz ÷ 3 MHz (thường gọi là sóng trung), chủ yếu dùng cho phát 12
thanh thương mại sóng trung (535 đến 1605 kHz). Ngoài ra cũng sử dụng cho dẫn đường hàng hải và hàng không. Các tần số cao (HF - High Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 3 ÷ 30 MHz (thường gọi là sóng ngắn). Phần lớn các thông tin vô tuyến 2 chiều (two- way) sử dụng dải này với mục đích thông tin ở cự ly xa xuyên lục địa, liên lạc hàng hải, hàng không, nghiệp dư, phát thanh quảng bá v.v. Các tần số rất cao (VHF - Very High Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷ 300 MHz (còn gọi là sóng mét), thường dùng cho vô tuyến di động, thông tin hàng hải và hàng không, phát thanh FM thương mại (88 đến 108 MHz), truyền hình thương mại (kênh 2 đến 12 với tần số từ 54 MHz đến 216 MHz). Các tần số cực cao (UHF - UltraHigh Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 300 MHz ÷ 3 GHz (còn gọi là sóng đề xi mét), dùng cho các kênh truyền hình thương mại 14 ÷ 83, các dịch vụ thông tin di động mặt đất, các hệ thống điện thoại tế bào, một số hệ thống rada và dẫn đường, các hệ thống vi ba và thông tin vệ tinh. Các tần số siêu cao (SHF - SuperHigh Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 3 ÷ 30 GHz (còn gọi là sóng cen ti mét), chủ yếu dùng cho vi ba và thông tin vệ tinh. Các tần số cực kì cao (EHF - Extremely High Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷ 300 GHz (còn gọi là sóng mi li mét), ít sử dụng cho thông tin vô tuyến. Các tần số hồng ngoại. Có giá trị nằm trong phạm vi 0,3 THz ÷ 300 THz, nói chung không gọi là sóng vô tuyến. Sử dụng trong hệ thống dẫn đường tìm nhiệt, chụp ảnh điện tử và thiên văn học. Các ánh sáng nhìn thấy. Có giá trị nằm trong phạm vi 0,3 PHz ÷ 3 PHz, dùng trong hệ thống sợi quang. Các tia cực tím, tia X, tia gamma và tia vũ trụ. Rất ít sử dụng cho thông tin. 1.2 ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN Tần số sử dụng cho sóng điện từ như vai trò sóng mang trong thông tin vô tuyến được gọi riêng là "tần số vô tuyến" (RF). Tần số này chiếm một dải rất rộng từ VLF (tần số cực thấp) tới sóng milimet. Mặc dù không gian tự do hàm ý 13
là chân không, sự truyền sóng qua khí quyển trái đất vẫn thường được coi là truyền sóng trong không gian tự do. Sự khác nhau chủ yếu là ở chỗ khí quyển trái đất gây nên các tổn thất đối với tín hiệu, còn trong chân không thì không có tổn thất. Không thể lý giải đầy đủ sóng vô tuyến theo lý thuyết, bởi vì nó không chỉ bị ảnh hưởng bởi tầng đối lưu và tầng điện ly mà còn bởi các thiên thể, kể cả mặt trời. Do vậy, việc đánh giá các trạng thái của các hành tinh của tầng đối lưu và điện ly và việc dự báo đường truyền sóng vô tuyến cũng như khả năng liên lạc dựa trên nhiều dữ liệu trong quá khứ là hết sức quan trọng. Các mục tiếp sau sẽ giúp bạn đọc hiểu được cơ chế truyền sóng vô tuyến theo tần số thông tin vô tuyến cùng những vấn đề khác, liên quan đến sóng vô tuyến. 1.2.1 Một số khái niệm cơ bản trong truyền sóng vô tuyến a. Phân cực của sóng điện từ Phân cực của sóng điện từ phẳng chính là sự định hướng của vectơ điện trường so với bề mặt trái đất. Nếu phân cực giữ nguyên không thay đổi, ta có phân cực tuyến tính. Phân cực ngang (điện trường di chuyển song song với bề mặt trái đất) và phân cực đứng (điện trường chuyển động vuông góc với mặt đất) là 2 dạng phân cực tuyến tính. Nếu vectơ phân cực quay 3600 khi sóng đi qua 1 bước sóng và cường độ trường như nhau tại tất cả các góc phân cực, ta có phân cực tròn. Khi cường độ trường thay đổi theo phân cực, ta có phân cực elip. b. Tia sóng và mặt sóng Các sóng điện từ là không nhìn thấy, vì vậy chúng được phân tích gián tiếp qua khái niệm tia sóng và mặt sóng. Tia sóng là đường đi dọc theo hướng truyền lan của sóng điện từ trong không gian tự do. Mặt sóng là bề mặt có pha của sóng không đổi, được tạo nên khi các điểm có cùng pha trên các tia lan truyền từ cùng nguồn hợp lại với nhau (ABCD như hình 1-2). Nguồn điểm là 1 vị trí từ đó các tia lan truyền như nhau về mọi hướng (nguồn đẳng hướng). B A Ra R Nguån b H−íng lan truyÒn Rc C Rd D Hình 1-2. Sóng phẳng 14
c. Trở kháng đặc trưng của không gian tự do Trở kháng đặc trưng của không gian tự do được tính: µ0 Zs = , (1.1) ε 0 -6 trong đó µ0 là độ từ thẩm của không gian tự do, có giá trị bằng 1,26.10 H/m, ε0 là độ điện thẩm của không gian tự do, có giá trị bằng 8,85.10-12 F/m. Thay vào ta có Zs =Ω377 . d. Mặt sóng cầu và luật bình phương nghịch Hình 1-3 là nguồn điểm bức xạ công suất với tốc độ không đổi đồng đều theo mọi hướng (gọi là bộ bức xạ đẳng hướng). Bộ bức xạ đẳng hướng tạo ra mặt sóng cầu với bán kính R. Mật độ công suất Pa tại điểm bất kì trên bề mặt sóng cầu là: 22 Prad EE Pa ===2 (1.2) 4π Ra Zs 377 trong đó: Prad là tổng công suất bức xạ (W), Ra là khoảng cách từ điểm bất kì trên bề mặt hình cầu đến nguồn. Suy ra cường độ điện trường: 30P E = rad (1.3) Ra Ta có nhận xét là mật độ công suất tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách đến 2 P ⎛⎞R nguồn (luật bình phương nghịch 21= ⎜⎟). PR12⎝⎠ Tia B Mặt sóng 2 Tia A Tia C Nguồn điểm R1 R2 Măṭ sóng 1 Hình 1-3. Mặt sóng cầu từ nguồn đẳng hướng 15
e. Suy hao và hấp thụ sóng Không gian tự do là chân không vì thế không có tổn thất năng lượng khi sóng truyền qua nó. Tuy nhiên, khi các sóng đi qua không gian tự do chúng bị trải ra, dẫn đến giảm mật độ công suất. Hiện tượng này gọi là suy hao và xảy ra trong không gian tự do cũng như trong khí quyển trái đất. Song khí quyển không phải là chân không mà chứa các hạt có thể hấp thụ năng lượng điện từ. Loại giảm công suất này được gọi là tổn hao hấp thụ. Hệ số tổn hao được tính: P1 γ a =10log (1.4) P2 Hấp thụ sóng do khí quyển tương tự với tổn thất công suất I2R. Khi đó, năng lượng bị mất mãi mãi. Suy hao sóng do hấp thụ không phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn bức xạ, mà vào tổng khoảng cách sóng đi qua. 1.2.2 Các tính chất quang học của sóng vô tuyến Các tính chất quang học của sóng vô tuyến bao gồm khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ và giao thoa. a. Khúc xạ sóng (refraction) Khúc xạ điện từ là sự thay đổi hướng của tia sóng khi nó đi chếch từ một môi trường sang môi trường khác với tốc độ truyền khác nhau. Tốc độ truyền tỉ lệ nghịch với mật độ của môi trường truyền. Vì vậy, khúc xạ xảy ra bất cứ khi nào sóng đi từ một môi trường sang môi trường khác có mật độ khác (hình 1-4). Pháp tuyến Các tia tới Mặt sóng tới B θ1 Môi trường 1 ít đặc hơn B’ Đường biên A Mặt sóng Môi trường 2 đặc hơn khúc xạ A’ θ2 Hình 1-4. Hiện tượng khúc xạ tại biên giới 2 môi trường 16
Tia A đi vào môi trường 2 trước tia B, do đó tia B lan nhanh hơn tia A (khoảng cách B-B’ dài hơn A-A’). Vì thế, mặt sóng A’B’ bị nghiêng xuống dưới (về phía pháp tuyến). Góc θ1 là góc tới, góc θ2 là góc khúc xạ. Độ nghiêng của tia phụ thuộc vào chiết suất ncv= / , với v là tốc độ ánh sáng trong chất đã cho. Định luật Snell giải thích phản ứng của sóng điện từ khi gặp đường biên hai chất khác nhau như sau: nn1122sinθ = sinθ (1.5) sinθ n ε hay: 12==r 2 (1.6) sinθ21n ε r 1 ở đây: ε12,ε là hằng số điện môi của môi trường 1 và 2. b. Phản xạ sóng (reflection) Phản xạ điện từ xảy ra khi sóng tới va đập vào biên của 2 môi trường và 1 phần hoặc toàn bộ công suất tới không đi vào môi trường 2 mà phản xạ lại. Vì sóng phản xạ vẫn ở trong môi trường 1 nên tốc độ của sóng tới và sóng phản xạ bằng nhau. Do đó, góc phản xạ bằng góc tới (θir= θ ) (hình 1-5). Hệ số phản xạ được tính như sau: Eejθr E Γ=rr = e j()θri−θ (1.7) jθi Eeii E trong đó Γ là hệ số phản xạ (không thứ nguyên), Ei = cường độ điện áp tới (vôn), Er = cường độ điện áp phản xạ (vôn), θir, θ = pha tới và pha phản xạ (độ). θi θr Mặt sóng tới Mặt sóng phản xạ Môi trường 1 Môi trường 2 Hình 1-5. Phản xạ sóng tại biên giới phẳng của 2 môi trường c. Nhiễu xạ sóng (diffraction) 17
Vật chắn Tia phản xạ Vùng bóng râm Me ́p ́ i ơ ng t ́ ng ̣ t so ă Sóng con M triệt nhau Hình 1-6. Nhiễu xạ sóng điện từ Nhiễu xạ sóng là sự phân bố lại năng lượng trong mặt sóng khi nó đi qua gần mép của vật thể không trong suốt với kích thước so sánh được với bước sóng. Nhiễu xạ là hiện tượng cho phép sóng vô tuyến đi vòng qua góc (hình 1-6). d. Sự giao thoa sóng (interference) Xảy ra khi 2 hoặc hơn các sóng điện từ kết hợp với nhau sao cho chất lượng hệ thống bị giảm đi. Sự giao thoa sóng tuân theo nguyên lí xếp chồng tuyến tính của các sóng điện từ và xảy ra bất cứ khi nào 2 hoặc nhiều hơn các sóng đồng thời chiếm cùng 1 điểm trong không gian (hình 1-7). E1 Nguồn Tia A Et X Tia B Tia B θ đã đổi hươnǵ E 2 Bề măṭ phản xạ Hình 1-7. Sự cộng tuyến tính 2 sóng có pha khác nhau và sự giao thoa sóng 1.2.3 Các phương thức truyền lan sóng điện từ Các sóng bức xạ từ điểm phát có thể đến được các điểm thu theo những đường khác nhau. Các sóng truyền lan dọc theo bề mặt quả đất gọi là sóng đất hay sóng bề mặt; các sóng đi tới các lớp riêng biệt của tầng ion và phản xạ lại gọi là sóng điện ly hay sóng trời; và sóng không gian (gồm sóng trực tiếp và sóng 18
phản xạ từ mặt đất) (hình 1-8). Khí quyển Trái đất ời tr ́ng So Sóng nhìn thăng̉ (LOS) Anten phát S Anten thu óng ph ản xạ từ đất Sóng bê ̀ mặt Bê ̀ mặt trái đất Hình 1-8. Các phương thức truyền sóng a. Sự truyền lan sóng đất Sóng đất là sóng truyền lan dọc theo bề mặt trái đất, do đó còn được gọi là sóng bề mặt. Sóng đất là sóng phân cực đứng bởi vì điện trường trong sóng phân cực ngang sẽ song song với bề mặt trái đất, và các sóng như thế sẽ bị ngắn mạch bởi sự dẫn điện của đất. Thành phần điện trường biến đổi của sóng đất sẽ cảm ứng điện áp trong bề mặt trái đất, tạo ra dòng điện chảy. Bề mặt trái đất cũng có điện trở và các tổn hao điện môi, gây nên sự suy hao sóng đất khi lan truyền. Sóng đất lan truyền tốt nhất trên bề mặt là chất dẫn điện tốt như nước muối, và truyền kém trên vùng sa mạc khô cằn. Tổn hao sóng đất tăng nhanh theo tần số, vì thế sóng đất nói chung hạn chế ở các tần số thấp hơn 2 MHz. Sóng đất được dùng rộng rãi cho liên lạc tàu thủy - tàu thủy và tàu thủy - bờ. Sóng đất được dùng tại các tần số thấp đến 15 kHz. Các nhược điểm của truyền lan sóng đất là: • Sóng đất yêu cầu công suất phát khá cao. • Sóng đất yêu cầu anten kích thước lớn. • Tổn hao thay đổi đáng kể theo loại đất. Các ưu điểm là: • Với công suất phát đủ lớn, sóng đất có thể dùng để liên lạc giữa 2 điểm bất kì trên thế giới. • Sóng đất ít bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi điều kiện khí quyển. 19
b. Sự truyền lan sóng không gian Gồm sóng trực tiếp và sóng phản xạ từ mặt đất, truyền trong vài kilomet tầng dưới của khí quyển. Sóng trực tiếp lan truyền theo đường thẳng giữa các anten phát và thu, còn gọi sóng nhìn thẳng (LOS: Line-Of-Sight). Vì thế, sóng không gian bị hạn chế bởi độ cong của trái đất. Sóng phản xạ từ đất là sóng phản xạ từ bề mặt trái đất khi lan truyền giữa anten phát và thu. Độ cong của trái đất tạo nên chân trời đối với sự truyền lan sóng không gian, thường gọi là chân trời vô tuyến. Do khúc xạ khí quyển, chân trời vô tuyến dài hơn chân trời quang học đối với khí quyển tiêu chuẩn thông thường. Chân trời vô tuyến xấp xỉ bằng 4/3 chân trời quang học. Có thể kéo dài chân trời vô tuyến bằng cách nâng cao anten phát hoặc anten thu (hay cả hai) bằng tháp hoặc đặt trên đỉnh núi (tòa nhà). Hình 1-9 chỉ ra ảnh hưởng của độ cao anten đến chân trời vô tuyến. Chân trời vô tuyến nhìn thẳng đối với một anten bằng: dh= 2 (1.8) trong đó: d = khoảng cách đến chân trời vô tuyến (dặm), h = độ cao anten so với mực nước biển (phít). Do đó, khoảng cách giữa anten phát và anten thu là: ddd=+=tr22 h t + h r (1.9) trong đó: d là tổng khoảng cách (dặm), ddtr, là chân trời vô tuyến đối với anten phát và anten thu (dặm hoặc kilomet), hhtr, độ cao anten phát và anten thu (phít hoặc mét). Khoảng cách cực đại giữa máy phát và máy thu trên đất trung bình có thể tính gần đúng theo công thức sau (đơn vị mét): dhh(max) =17+ 17 tr (1.10) Như vậy, khoảng cách truyền sóng không gian có thể tăng bằng cách tăng độ cao anten phát, anten thu hoặc cả hai. Anten phát Tia nhìn thẳng LOS Anten thu dt dr h t h d r Hình 1-9. Sóng không gian và chân trời vô tuyến 20
Do các điều kiện ở tầng dưới khí quyển hay thay đổi nên mức độ khúc xạ thay đổi theo thời gian. Trường hợp đặc biệt gọi là truyền lan trong ống sóng xảy ra khi mật độ đạt mức sao cho các sóng điện từ bị bẫy giữa tầng này và bề mặt trái đất. Các lớp khí quyển hoạt động như ống dẫn sóng và các sóng điện từ có thể lan truyền rất xa vòng theo độ cong trái đất và trong ống (hình 1-10). Sãng bÞ bÉy Không khí ấm hơn Hiêụ ứng ống sóng Không khí mát hơn Bề măṭ trái đất Hình 1-10. Hiện tượng ống sóng c. Sự truyền lan sóng trời Các sóng điện từ có hướng bức xạ cao hơn đường chân trời (tạo thành góc khá lớn so với mặt đất) được gọi là sóng trời. Sóng trời được phản xạ hoặc khúc xạ về trái đất từ tầng điện ly, vì thế còn gọi là sóng điện ly. Tầng điện ly là vùng không gian nằm cách mặt đất chừng 50 km đến 400 km. Tầng này hấp thụ một số lượng lớn năng lượng của tia cực tím và tia X bức xạ của mặt trời, làm ion hóa các phân tử không khí và tạo ra electron tự do. Khi sóng điện từ đi vào tầng điện ly, điện trường của sóng tác động lực lên các electron tự do, làm cho chúng dao động. Khi sóng chuyển động xa trái đất, sự ion hóa tăng, song lại có ít hơn phân tử khí để ion hóa. Do đó, phần trên của khí quyển có số phần trăm phân tử ion hóa cao hơn phần dưới. Mật độ ion càng cao, khúc xạ càng lớn. Nói chung, tầng điện ly được phân chia thành 3 lớp: lớp D, E, và F theo độ cao của nó; lớp F lại được phân chia thành lớp F1, F2 (hình 1-11). Độ cao và mật độ ion hóa của 3 lớp thay đổi theo giờ, mùa và theo chu kì vết đen của mặt trời (11 năm). Tầng điện ly đậm đặc nhất vào ban ngày và mùa hè. Lớp D: là lớp thấp nhất, có độ cao 50 ÷ 100 km và nằm xa mặt trời nhất, do đó có ion hóa ít nhất. Như vậy lớp D ít có ảnh hưởng đến hướng truyền lan sóng vô tuyến. Song các ion ở lớp này có thể hấp thụ đáng kể năng lượng sóng điện từ. Lớp D biến mất về đêm. Lớp này phản xạ sóng VLF và LF, hấp thụ các sóng MF và HF. Lớp E: có độ cao 100 ÷ 140 km, còn gọi là lớp Kennelly - Heaviside theo tên của hai nhà bác học khám phá ra nó. Lớp E có mật độ cực đại tại độ cao 70 dặm vào 21
giữa trưa khi mặt trời ở điểm cao nhất. Lớp E hầu như biến mất về đêm, hỗ trợ sự lan truyền sóng bề mặt MF và phản xạ sóng HF một chút về ban ngày. Phần trên của lớp E đôi khi được xét riêng và gọi là lớp E thất thường. Lớp này gây bởi hiện tượng nhật hoa và hoạt động của vết đen mặt trời. Đây là lớp mỏng có mật độ ion hoá rất cao, cho phép cải thiện không ngờ cự ly liên lạc. Km 400 F2 (th¸ng s¸u) F2 (®iÓm ph©n) F + F 300 1 2 F2 (th¸ng ch¹p) F1 + F2 F1 200 Líp F 137 Líp E 100 Líp D (chØ cã vµo ban ngµy) 50 0246810 12 14 16 18 20 22 24 Giê trong ngµy Hình 1-11. Tầng điện ly và sự thay đổi của chúng theo thời gian trong ngày Lớp F: gồm 2 lớp F1 và F2. Lớp F1 có độ cao 140 ÷ 250 km vào ban ngày. Lớp F2 có độ cao 140 ÷ 300 km về mùa đông và 250 ÷ 350 km về mùa hè. Về đêm, 2 lớp này hợp lại với nhau tạo thành một lớp. Lớp F1 hấp thụ và suy hao một số sóng HF, cho qua phần lớn các sóng để đến F2 , rồi khúc xạ ngược về trái đất. 1.2.4 Một số thuật ngữ và định nghĩa truyền sóng a. Tần số tới hạn và Góc tới hạn Các tần số cao hơn dải UHF thực tế không bị ảnh hưởng bởi tầng điện ly vì bước sóng của chúng cực kì ngắn. Tại các tần số này, khoảng cách giữa các ion là khá lớn, do đó các sóng điện từ đi qua chúng hầu như không bị ảnh hưởng. Như vậy phải tồn tại giới hạn tần số trên đối với sự truyền lan sóng trời. Tần số tới hạn là tần số cao nhất vẫn còn có thể trở về trái đất bởi tầng điện ly. Tần số tới hạn phụ thuộc vào mật độ ion và thay đổi theo giờ và mùa. Nếu góc bức xạ đứng giảm, các tần số lớn hơn hoặc bằng tần số tới hạn còn có thể khúc xạ trở lại bề mặt trái đất, vì chúng sẽ đi khoảng cách dài hơn trong tầng ion và có nhiều thời gian hơn để khúc xạ. Vì thế, tần số tới hạn chỉ được dùng làm điểm chuẩn so sánh. Mỗi tần số có góc đứng cực đại tại đó nó có thể lan truyền và còn khúc xạ 22
lại bởi tầng ion. Góc này được gọi là góc tới hạn (hình 1-12). Như vậy, góc tới hạn liên quan đến mật độ ion của tầng điện ly và tần số của tín hiệu. Góc tới hạn cao cho tần số thấp và thấp cho tần số cao. Xuyªn qua tÇng ion vµ biÕn mÊt Ph¶n x¹ liªn tiÕp n io ng TÇ Gãc tíi h¹n Khóc x¹ vÒ tr¸i ®Êt BÒ mÆt tr¸i ®Êt Anten ph¸t Hình 1-12. Góc tới hạn Một kỹ thuật đo lường gọi là thăm dò tầng điện ly bằng âm thanh (ionospheric sounding) đôi khi được sử dụng để xác định tần số tới hạn. Tín hiệu được truyền thẳng từ bề mặt đất và tăng dần tần số. Tại các tần số thấp hơn, tín hiệu sẽ bị hấp thụ hoàn toàn bởi khí quyển. Khi tần số tăng dần, một phần sẽ trở lại trái đất. Tại tần số nào đó, tín hiệu sẽ xuyên qua khí quyển, đi vào không gian xa xôi và không trở lại trái đất. Tần số cao nhất sẽ còn trở lại trái đất theo hướng thẳng đứng chính là tần số tới hạn. b. Độ cao ảo Độ cao ảo là độ cao tại đó sóng khúc xạ cũng chính là sóng phản xạ dự kiến (hình 1-13). §é cao líp t−¬ng ®−¬ng (®é cao ¶o) Tia A (sãng ph¶n x¹ dù kiÕn) TÇng ion Tia B (sãng khóc x¹) hv ha BÒ mÆt tr¸i ®Êt Hình 1-13. Độ cao ảo và độ cao thực tế 23
Sóng bức xạ được khúc xạ lại trái đất theo đường B. Độ cao cực đại thực tế mà sóng đến được là ha. Đường A là đường dự kiến sao cho sóng phản xạ sẽ đi qua và còn trở về trái đất tại cùng vị trí. Độ cao cực đại mà sóng phản xạ dự kiến này sẽ tới được chính là độ cao ảo hv. c. Tần số dùng được tối đa (MUF) MUF (Maximum Usable Frequency) là tần số cao nhất có thể dùng cho truyền lan sóng trời giữa 2 điểm cụ thể trên mặt đất. Vì thế, có bao nhiêu điểm trên trái đất thì có bấy nhiêu giá trị có thể của MUF (vô hạn). MUF giống như tần số tới hạn, là tần số hạn chế cho truyền sóng trời. Song MUF ứng với góc tới cụ thể (góc giữa sóng tới và pháp tuyến). Về toán học ta có MUF = (tần số tới hạn)/cosθ = (tần số tới hạn) x secθ ở đây θ là góc tới. Phương trình trên gọi là luật secant. Luật này coi bề mặt đất là phẳng và lớp phản xạ phẳng, tất nhiên điều này không bao giờ tồn tại. Vì thế, MUF chỉ dùng để tính toán sơ bộ. Do sự không ổn định của tầng điện ly, bằng việc nghiên cứu sự biến đổi của MUF theo ngày và theo thời gian, người ta thường sử dụng tần số thấp hơn khoảng 15% so với giá trị dự kiến trung bình của MUF trong thông tin bằng sóng trời. Tần số thấp hơn này được gọi là tần số làm việc tối ưu (OWF – Optimum Working Frequency). OWF thấp hơn MUF trong khoảng 90% tỉ lệ chiếm thời gian. d. Cự ly nhảy cách Cự ly nhảy cách là khoảng cách cực tiểu tính từ anten phát sao cho sóng trời có tần số cho trước (phải nhỏ hơn MUF) sẽ trở lại trái đất (hình 1-14). Hình 1-14a là vài tia với góc ngẩng khác nhau được bức xạ từ cùng một điểm trên trái đất. Khi tăng góc ngẩng, điểm từ đó sóng trở lại trái đất tiến gần hơn đến máy phát. Với góc ngẩng đủ cao, sóng xuyên qua tầng điện ly và hoàn toàn biến mất khỏi khí quyển. Vùng mà cả sóng trực tiếp lẫn sóng không gian đều không đạt tới được gọi là vùng nhảy. Hình 1-14b là ảnh hưởng của sự biến mất của lớp D và lớp E về ban đêm đến cự ly nhảy cách. Lúc này, trần tạo bởi tầng ion được nâng lên, cho phép về ban đêm sóng trời đi cao hơn trước khi khúc xạ lại trái đất. Khi sóng vô tuyến đi xuyên qua tầng điện ly thì nó sẽ bị suy giảm vì va chạm với các phân tử. Điều này chủ yếu xảy ra ở lớp D có mật độ điện tử cao hơn so với trong lớp E và F. Độ suy hao tỉ lệ thuận với 1/f2, do vậy về mặt chất lượng thông tin, điều đáng mong muốn là chọn được tần số cao nhất để được sử dụng có hiệu quả 24
như sóng không gian. TÇng ion B Ò m Tia khóc x¹ Cù li nh¶y c¸ch Æt tr¸ i ® Êt a) Giê ®ªm F Giê ngµy E D BÒ mÆt tr¸i ®Êt b) Hình 1-14. Cự ly nhảy cách và ảnh hưởng của giờ trong ngày đến nó e. Vùng câm Vùng câm là vùng nằm trong khoảng giới hạn giữa cự ly lớn nhất của sóng đất và cự ly nhảy cách nhỏ nhất (ứng với góc tới hạn) của sóng trời, xem hình 1-15. Như đã nêu ở trên, góc tới hạn là cao hơn cho tần số thấp và thấp hơn cho tần số cao. Tồn tại vùng câm, điều đó có nghĩa là liên lạc ở cự ly trung bình thường có một tần số giới hạn mà cao hơn liên lạc không thể thực hiện được: các tín hiệu vượt quá tần số giới hạn sẽ được phản xạ ở một góc mà khiến chúng trở về mặt đất xa hơn trạm thu mong muốn. Sãng lín h¬n gãc tíi h¹n TÇng ®iÖn ly Gãc tíi h¹n Sãng nhá h¬n gãc tíi h¹n Cù li sãng bÒ mÆt cùc ®¹i Vïng c©m Hình 1-15. Góc tới hạn và vùng câm 25
g. Tổn thất đường truyền trong không gian tự do Phương trình tổn thất như sau: 22 ⎛⎞⎛⎞44ππDfD Lp ==⎜⎟⎜⎟ (1.11) ⎝⎠⎝⎠λ c ở đây: Lp = tổn thất đường truyền không gian tự do (không thứ nguyên), D = khoảng cách (kilomet), f = tần số (Hz), λ = bước sóng (mét), c = tốc độ ánh sáng = 300.000 km/s. Chuyển sang dB ta có: 44π fD π LfD==++20log 20log 20log 20log (1.12) p(dB) cc Nếu tần số tính theo MHz và khoảng cách – km, ta có: 4π (10)63 (10) LfD=++20log 20log 20log p(dB)310× 8 (MHz) (km) (1.13) =+32.4 20logfD(MHz) + 20log (km) Với tần số theo GHz và khoảng cách là km, ta có: LfDp(dB)=+92.4 20log (GHz) + 20log (km) (1.14) 1.2.5 Đặc điểm một số dải sóng vô tuyến a. Sóng cực dài và sóng dài Có thể lan truyền như sóng đất và sóng không gian. Việc sóng đất ở băng tần này lan truyền đi hàng trăm, thậm chí hàng nghìn kilomet là do cường độ trường của các sóng này giảm theo khoảng cách khá chậm, nói cách khác là năng lượng của chúng bị mặt đất hoặc mặt nước hấp thụ ít. Bắt đầu từ khoảng cách 300 ÷ 400 Km so với máy phát xuất hiện sóng điện ly phản xạ từ lớp dưới của tầng điện ly (từ lớp D cao 60 ÷ 80 Km vào ban ngày hoặc lớp E cao 100 ÷ 130 Km). Do bước sóng lớn hơn nhiều so với chiều cao từ bề mặt trái đất lên tới tầng điện ly, cho nên mặt đất và tầng điện ly đóng vai trò như hai bức tường. Nó được gọi là chế độ ống dẫn sóng mặt đất - điện ly mà nhờ nó liên lạc toàn cầu ở các sóng này thực hiện bằng các sóng truyền lan trong ống sóng hình cầu tạo bởi mặt đất và tầng điện ly. Các sóng này có thể xuyên sâu vào nước và truyền lan trong một số loại đất. Bức xạ hiệu quả sóng dài và cực dài chỉ đạt được với các anten rất cồng kềnh, có kích thước xấp xỉ bước sóng, bởi vậy người ta thường tăng 26
công suất phát đến hàng trăm KW hoặc hơn để bù lại. • Nhược điểm cơ bản của sóng dài và cực dài là dung lượng tần số nhỏ • Miền ứng dụng thực tế: Thông tin với các đối tượng dưới nước, thông tin theo các đường trục toàn cầu và thông tin dưới mặt đất. b. Sóng trung • Tính truyền lan: Bị hấp thụ nhiều hơn sóng dài và cực dài khi truyền lan theo mặt đất, còn các sóng đến được tầng điện ly bị hấp thụ mạnh bởi lớp D (khi D tồn tại) và phản xạ tốt bởi lớp E. • Cự ly liên lạc: Về ban ngày mùa hè thì bị hạn chế (chỉ bằng sóng đất), về ban đêm mùa đông và mùa hè thì cự ly thông tin tăng rõ rệt. • Dung lượng tần số: Cao hơn nhiều sóng dài và cực dài song do có nhiều đài phát thanh công suất lớn nên gặp nhiều khó khăn trong việc tận dụng dung lượng. • Miền ứng dụng thực tế: Nhiều nhất là trong các vùng bắc cực để làm dự phòng khi thông tin sóng ngắn bị tổn hao lớn do nhiễu từ nhiễu khí quyển. • Anten: Khá hiệu quả và có kích thước chấp nhận được. c. Sóng ngắn (SN) • Tính chất truyền lan: Bao gồm cả sóng đất và sóng điện ly • Cự ly liên lạc: Với sóng đất và công suất không lớn lắm, cự ly liên lạc không vượt quá vài chục kilomet vì sóng đất bị hấp thụ mạnh trong đất (tăng theo tần số). Sóng điện ly do phản xạ một hoặc nhiều lần từ tầng điện ly có thể lan truyền xa tuỳ ý. Sóng này bị hấp thụ yếu bởi các lớp D và E, phản xạ tốt bởi các lớp trên (chủ yếu là F2 cao 300 ÷ 500 Km). Bảng 1-2 chỉ ra một cách tương đối cự ly liên lạc nhỏ nhất và lớn nhất bằng sóng trời cho một vài tần số (chỉ có tính chất tham khảo). Hiển nhiên điều kiện tốt nhất cho các tần số giữa ngày và tối sẽ khác nhau, chu kỳ vòng quanh lúc mặt trời mọc và lúc mặt trời lặn là hết sức không ổn định, với điều kiện tốt nhất cho các tần số liên lạc tăng nhanh ít giờ lúc mặt trời mọc và giảm ít giờ lúc mặt trời lặn. Đối với nguyên nhân này, một số liên lạc định kỳ trong thời gian này bao gồm một số kênh để kiểm tra độ rộng tần số khác nhau. Việc liên lạc tương tự giảm dần bắt buộc thay đổi một vài MHz cao hơn hoặc thấp hơn. 27
• Dung lượng tần số: Lớn hơn nhiều các sóng trên do đó đảm bảo sự làm việc đồng thời của số lượng lớn các máy thu phát vô tuyến. • Anten: Với kích thước nhỏ vẫn có hiệu quả khá cao và hoàn toàn áp dụng được cho các đối tượng cơ động. Bảng 1-2 Sử dụng sóng trời cho các tần số trong dải HF Tần số (MHz) Trưa (Km) Nửa đêm (Km) 2 0 ÷ 120 0 ÷ ?? 4 0 ÷ 400 0 ÷ ?? 8 0 ÷ 800 500 ÷ ?? 10 300 ÷ 1600 1000 ÷ ?? 15 800 ÷ ?? 1600 ÷ ?? 20 1200 ÷ ?? không 25 1600 ÷ ?? không 30 2000 ÷ ?? không Vì sóng ngắn chiếm vị trí đặc biệt trong thông tin vô tuyến nên ta xét kỹ hơn: ⊕ Thông tin vô tuyến bằng các sóng điện ly có thể thực hiện được nếu các tần số sử dụng nằm thấp hơn các giá trị cực đại xác định bởi mức độ ion hoá của các lớp phản xạ đối với mỗi cự ly liên lạc. Ngoài ra thông tin chỉ có thể có nếu công suất máy phát với hệ số khuếch đại của các anten được sử dụng bảo đảm cường độ trường cần thiết tại điểm thu với sự hấp thụ năng lượng đã cho ở trong tầng ion. Điều kiện đầu hạn chế giới hạn trên của tần số sử dụng, điều kiện sau - giới hạn dưới. Vì vậy thông tin SN bằng sóng điện ly chỉ có trong một khoảng tần số nhất định. Bề rộng của khoảng này phụ thuộc vào tầng điện ly, nghĩa là phụ thuộc vào thời gian của một ngày đêm, vào mùa, vào chu trình hoạt động của mặt trời. Cho nên việc dự báo trạng thái của tầng điện ly là vô cùng quan trọng đối với thông tin liên lạc sử dụng sóng trời. ⊕ Hiện tượng pha đinh trong thông tin SN: Hiện tượng này làm giảm nhiều chất lượng thông tin SN bằng sóng điện ly. Pha đinh xuất hiện do sự thay đổi cấu trúc của các lớp phản xạ ở tầng ion, do sự nhiễu loạn của tầng ion và do sự truyền sóng theo nhiều tia. Bản chất của pha đinh về cơ bản là sự 28
giao thoa của một vài tia tới điểm thu với pha thay đổi liên tục do sự thay đổi trạng thái của tầng điện ly. Nguyên nhân của một vài tia tới điểm thu cùng lúc là: - Sự phản xạ của tầng ion dưới các góc mà các tia phản xạ một số lần khác nhau từ tầng ion và mặt đất lại hội tụ tại điểm thu (hình 1-16a). - Hiện tượng khúc xạ kép dưới tác động của trường điện từ quả đất. do hiện tượng nay hai tia phản xạ từ các lớp khác nhau của tầng ion lại đến cùng một điểm thu (hình 1-16b). - Sự không đồng nhất của tầng ion dẫn tới sự phản xạ khuếch tán các sóng từ các vùng khác nhau của nó (hình 1-16c). a) b) c) Hình 1-16. Pha đinh đa đường trong thông tin sóng ngắn Pha đinh còn có thể xảy ra do sự thăng giáng phân cực các sóng khi phản xạ từ tầng điện ly, dẫn tới sự thay đổi mới quan hệ giữa các thành phần đứng và ngang của trường điện từ tại nơi thu. Pha đinh phân cực xảy ra hiếm hơn nhiều pha đinh giao thoa (10 ÷15% tổng số). ⊕ Các bão từ và bão ion có thể ảnh hưởng đáng kể đến trạng thái thông tin SN. Đây là các nhiễu loạn của tầng điện ly và của từ trường quả đất dưới tác động của các dòng hạt điện tích do mặt trời phun ra. Các dòng hạt này thường phá huỷ lớp phản xạ cơ bản F2. Các nhiễu loạn tầng ion xảy ra có chu kỳ và liên quan đến thời gian mặt trời quay quanh trục của mình (27 ngày đêm). ⊕ Các vụ nổ hạt nhân do con người thực hiện trong khí quyển có thể gây ra sự ion hoá nhân tạo tầng khí quyển và kéo theo sự ảnh hưởng tình trạng thông tin SN. d. Các sóng cực ngắn (SCN) Bao gồm một loạt các đoạn tần số có dung lượng lớn. • Tính chất truyền lan: Năng lượng SCN bị hấp thụ mạnh bởi mặt đất (nói 29
chung là tỉ lệ với bình phương của tần số), vì vậy sóng đất bị suy giảm rất nhanh. SCN không có sự phản xạ đều đặn từ tầng ion, do đó thông tin SCN chủ yếu dựa trên sóng đất và sóng trực tiếp. • Cự ly thông tin: Cự ly thông tin bằng sóng đất phụ thuộc nhiều vào bước sóng. Cự ly lớn nhất là ở các sóng mét gần với dải SN (lưu ý rằng với sự tăng tần số hiệu quả của hệ thống anten tăng lên nhờ đó bù lại tổn hao năng lượng trong đất). SCN có ý nghĩa lớn đối với thông tin trong không gian tự do, tức là trong vùng tổn hao năng lượng rất nhỏ. Cự ly thông tin giữa các thiết bị bay trang bị máy thu phát công suất nhỏ có thể đạt tới vài trăm kilomet. • Miền ứng dụng thực tế: Thông tin vũ trụ, thông tin trong mạng cơ sở dặc biệt là giữa các đối tượng cơ động. Sóng cực ngắn dùng nhiều trong thông tin điều hành nên ta xét chi tiết hơn một số đặc điểm của chúng: ⊕ Các sóng mét (SM) có tính chất nhiễu xạ, nghĩa là có thể uốn cong theo địa hình. Hiện tượng khúc xạ tầng đối lưu làm tăng cự ly thông tin SM. Sự thay đổi hệ số khúc xạ theo độ cao của khí quyển gây ảnh hưởng đến sóng không gian. Khí quyển tiêu chuẩn là một khí quyển lý tưởng có một tỉ lệ biến đổi hệ số khúc xạ theo độ cao một cách đều đặn, bởi vì nó có một hệ số thay đổi cố định của áp suất khí quyển theo độ cao, nhiệt độ và độ ẩm. Khi trạng thái của tầng đối lưu bình thường (giảm đều đặn nhiệt độ với chiều cao), tia sóng nối các máy thu phát đang liên lạc bị uốn cong về phía trên do đó bảo đảm được thông tin trên các tuyến bị che khuất (đài phát không nhìn thấy đài thu). Vì có sự biến đổi hệ số khúc xạ một cách liên tục, cho nên đường đi thực tế của sóng không gian là khác với đường trực tiếp (thẳng). Để bù lại sự khác nhau này, cự ly thông tin cực đại thực tế được tính toán theo đường trực tiếp dựa trên quy định bán kính hiệu quả của trái đất KR (K = 4/3 trong khí quyển tiêu chuẩn). Hệ số khúc xạ tầng đối lưu thay đổi theo thời gian do các thay đổi các điều kiện khí tượng, điều này dẫn tới pha đinh tín hiệu (khác với pha đinh ở SN, chúng xảy ra rất chậm và không sâu) ⊕ SM nhiều khi lan truyền rất xa. Đó là do: - Sự hình thành các đám mây ion hoá thất thường ở độ cao vài chục kilomet dưới lớp D (lớp thất thường FS) FS có thể xuất hiện vào bất kỳ thời gian nào. Đặc điểm của các đám mây này là nồng độ ion hoá rất cao, đôi khi đủ để 30
phản xạ các sóng của cả dải SCN. Lúc này cự ly giữa phát và thu có thể là 2000 ÷ 2500 km. Cường độ tín hiệu phản xạ FS rất lớn ngay cả khi công suất phát nhỏ. - Sự tồn tại thường xuyên của lớp FS trong những năm mặt trời hoạt động mạnh nhất. Cự ly liên lạc có thể đạt tới phạm vi toàn cầu. - Các vụ nổ hạt nhân ở trên cao: lúc này xuất hiện một miền phía trên (ở mức lớp FS) SM xuyên qua miền dưới, bị hấp thụ một ít, phản xạ từ miền trên và quay trở lại mặt đất. Khoảng cách bao trùm nằm trong phạm vi 100 ÷ 2500 km. Các tần số thấp nhất bị hấp thụ mạnh nhất ở các miền ion hoá phía dưới, các tần số cao nhất bị phản xạ không toàn phần từ miền trên. Như vậy, việc lan truyền của sóng vô tuyến nhờ hiệu ứng tán xạ đối lưu của khu vực khí quyển rộng lớn trong tầng đối lưu được dùng cho trên VHF. Phương pháp này có nhiều ưu điểm của thông tin bǎng rộng và ghép kênh cũng như thông tin đồng thời cho một khu vực rộng. Mặt khác nó cũng đòi hỏi công suất phát lớn và máy thu có độ nhậy cao. 1.3 CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN 1.3.1 Hệ thống thông tin - Kênh thông tin Các hệ thống thông tin dùng để truyền tin. Tin có thể là liên tục (tiếng nói, âm nhạc) hoặc rời rạc (văn bản, dữ liệu số). Trong hệ thống thông tin, tin được biến đổi thành tín hiệu phù hợp với kênh thông tin. Theo loại tin truyền đi, có thể chia các hệ thống thông tin thành hệ thống rời rạc hoặc liên tục. Các hệ thống điện thoại vô tuyến và truyền hình với điều tần hoặc điều biên có thể qui về loại hệ thống liên tục (tương tự). Đôi khi các tin liên tục được biến đổi thành tin rời rạc (lượng tử hoá) rồi truyền đi bằng các phương pháp đặc trưng cho các hệ thống rời rạc (chẳng hạn truyền tiếng nói bằng PCM). Hệ thống liên lạc điện báo là ví dụ của hệ thống rời rạc. Người ta qui ước gọi tập hợp các phương tiện kỹ thuật dùng để truyền tin từ nguồn đến người nhận tin là đường thông tin. Các phương tiện này bao gồm thiết bị phát, kênh thông tin và thiết bị thu (hình 1-17). Đường thông tin cùng với nguồn và người nhận tạo thành hệ thống thông tin. Chức năng của thiết bị phát là biến đổi tin thành tín hiệu thuận tiện nhất cho việc truyền trên đường thông tin đã cho. Tổng quát, quá trình biến đổi tin thành tín hiệu gồm 3 công đoạn: biến đổi, mã hoá và điều chế. 31
Kênh thông tin – là môi trường dùng để truyền các tín hiệu từ máy phát đến máy thu. Nó có thể là cáp, ống dẫn sóng hoặc khí quyển. TÝn hiÖu Tin TÝn hiÖu Kªnh th«ng + nhiÔu Tin Nguån tin ThiÕt bÞ ph¸t ThiÕt bÞ thu NhËn tin u(t) Au(t) tin X(t) v(t) N(t) NhiÔu Hình 1-17. Sơ đồ chức năng hệ thống thông tin Trong các hệ thống thông tin thực tế không thể tránh khỏi các nhiễu loạn làm méo tín hiệu. Các nhiễu có thể là cộng tính (nhiễu khí quyển và nhiễu công nghiệp, nhiễu từ các máy lân cận). Nhiễu này tác động vào máy thu không phụ thuộc vào tín hiệu và xảy ra ngay cả khi lối vào máy thu không có tín hiệu. Dạng nhiễu loạn phổ biến khác trong các hệ thống thông tin là nhiễu loạn gây bởi các thay đổi ngẫu nhiên các tham số của kênh (liên quan trực tiếp đến quá trình tín hiệu đi qua kênh, vì thế chỉ xuất hiện khi có tín hiệu). Ví dụ của loại này là hiện tượng pha đinh. Trong trường hợp lan truyền 1 tia và có nhiễu cộng tính và nhiễu nhân trong kênh, tín hiệu ở lối vào máy thu có thể viết ở dạng: Xt()=−µτϕ () tAt[ (),(),() t t ut] + Nt () (1.15) ở đây: µ()t - hệ số truyền đạt của kênh; A(,tu )- tín hiệu phát đi; τ ()t - thời gian trễ tín hiệu, ϕ()t - pha của tín hiệu; ut()- tin phát đi; Nt()- nhiễu cộng. Kênh thông tin có µ và τ cố định theo thời gian được gọi là kênh có tham số không đổi. Trường hợp ngược lại được gọi là kênh có tham số biến đổi. Tín hiệu nhiều tia được mô tả bằng biểu thức tương tự: k Xt()=−∑ µτϕiii () tAt[] (), t (),() t ut + Nt () (1.16) i=1 ở đây: k - là số tia, µii(),tttτϕ (), i () là các tham số tương ứng của tia thứ i. 1.3.2 Các tính chất của kênh thông tin vô tuyến a. Kênh thông tin vô tuyến có độ suy hao rất lớn, thường đạt tới 140 ÷ 160 dB. Công suất tín hiệu ở lối vào phần thu của kênh thường có giá trị nằm trong 32
khoảng 10−−10− 10 14 W , trong khi đó lại cần công suất hàng W hoặc lớn hơn ở lối ra để thiết bị cuối làm việc tin cậy. Nghĩa là thiết bị thu của kênh phải có hệ số khuếch đại theo công suất ít nhất là 1010 ÷ 1014 hay 105 ÷ 107 theo điện áp. Vấn đề khuếch đại tín hiệu không chỉ khó ở chỗ hệ số khuếch đại phải cao mà còn khó ở chỗ mức tín hiệu ở lối vào thiết bị thu so sánh được với tạp âm thăng giáng. Tạp âm thăng giáng lẫn vào tín hiệu và không thể tách riêng được. b. Độ suy hao của kênh vô tuyến thay đổi trong phạm vi rộng. Cường độ trường điện từ tại điểm thu tỉ lệ nghịch với bình phương của quãng đường mà sóng đi qua, vì vậy sự thay đổi mức tín hiệu ở lối vào phần thu của kênh trong dải cự ly thông tin cần thiết đạt tới 100 – 120 dB. Có nghĩa là việc bảo đảm mức tín hiệu ra không đổi (để thiết bị cuối hoạt động bình thường) gặp nhiều khó khăn. Độ suy hao thay đổi của kênh còn gây khó khăn cho việc thành lập các hệ thống thông tin duplex (song công), tương tự như hệ thống thông tin dây dẫn với lối ra hai dây, nếu tham số mang tin của tín hiệu cao tần là biên độ (vì khó tránh khỏi sự mất ổn định tức là tăng khả năng tự kích). Độ suy hao kênh thay đổi lớn khi tiến hành thông tin giữa các đối tượng cơ động nếu sử dụng các sóng SCN (SCN lan truyền phụ thuộc vào địa hình). Điều kiện tiến hành thông tin trở nên không thuận lợi khi trên đường hành tiến gặp phải các đối tượng phản xạ sóng vô tuyến, vì sẽ gây nên hiện tượng pha định giao thoa. c. Độ suy giảm của kênh thông tin vô tuyến biến đổi còn do sự thay đổi của các tham số khí quyển quả đất. Sự thay đổi này thấy rõ hơn ở dải sóng ngắn, khi tiến hành thông tin bằng các sóng phản xạ từ tầng ion. Trước hết do những thay đổi chậm theo ngày đêm của mức độ ion hoá các miền khác nhau của tầng khí quyển mà xuất hiện các dao động theo ngày đêm của mức tín hiệu. Ngoài ra việc thu các sóng phản xạ từ tầng ion kèm theo những pha đinh thường xuyên và khá nhanh của tín hiệu do sự giao thoa của các tia đến được điểm thu bằng những con đường khác nhau. d. Kênh thông tin, nếu hạn chế chỉ là môi trường truyền sóng, thì về mặt vật lý là chung cho tất cả các phương tiện thông tin vô tuyến đang tồn tại, các đài phát thanh, dẫn đường vô tuyến Khả năng phát đồng thời một số lượng lớn các tin trên vô tuyến dựa trên 33
cơ sở phân tách tín hiệu theo tần số. Tuy nhiên, vì việc sử dụng một cách có tổ chức dải tần mà cự ly truyền sóng không bị giới hạn (SN), là cực kỳ khó khăn, trong khi nhu cầu ở một số đoạn tần lại vượt quá dung lượng vật lý của chúng thì dễ dàng rút ra kết luận về khả năng và sự không tránh khỏi của việc gây nhiễu lẫn nhau khi phát tin, dẫn tới sự mật mát nào đó của tin tức. Tình hình lại càng tồi tệ hơn do sự không hoàn thiện về mặt kỹ thuật của thiết bị, thể hiện ở chỗ việc phát tín hiệu thường kèm theo các bức xạ phụ, còn việc thu thì lại tiếp nhận cả các nhiễu từ miền tần số lớn hơn nhiều dải tần chiếm bởi tín hiệu cần nhận, nhất là khi nguồn nhiễu ở gần ngay nơi thu. Ngoài ra các nguồn nhiễu còn là các quá trình tự nhiên, như sự phóng điện cơn giông trong khí quyển, bức xạ vô tuyến của mặt trời và thiên hà. Nguồn nhiễu còn là các thiết bị điện trong công nghiệp và sinh hoạt. Đa số các nhiễu có nguồn gốc tự nhiên và công nghiệp là các nhiễu dải rộng, bao trùm hầu hết toàn bộ dải tần. e. Kênh vô tuyến gây méo tín hiệu phát đi do sự hạn chế phổ tần của nó. Người ta hạn chế phổ rộng vô hạn của tín hiệu có độ rộng hữu hạn trong tất cả các hệ thống thông tin, vì năng lượng cơ bản của các tín hiệu chỉ tập trung trong dải tương đối hẹp. Trong các hệ thống thông tin vô tuyến, sự cần thiết phải hạn chế phổ còn do dung lượng không đủ của dải tần và giảm xác suất nhiễu lạ lọt vào dải thông của kênh. Tóm lại: Khác với kênh đường dây, kênh vô tuyến được đặc trưng bởi dải rộng của những thay đổi nhanh và chậm của độ suy hao và bởi sự tác động số lượng lớn các nhiễu từ nguồn ngoài. 1.3.3 Các tính chất thống kê của tín hiệu vô tuyến và nhiễu trong kênh thông tin vô tuyến a. Mọi kênh thông tin vô tuyến đều là kênh có tham số biến đổi. Điều này thể hiện rõ hơn ở kênh SN vì ở đây pha đinh biểu hiện rõ nhất và tình hình nhiễu cực kỳ phức tạp. Do đó ta bắt đầu từ kênh SN trước tiên. Mô hình tổng quát của tín hiệu pha đinh thoả mãn khá tốt nhiều nghiên cứu thực nghiệm là mô hình biểu diễn tín hiệu hình thành từ sóng phản xạ thường xuyên (có tham số ít thay đổi) và một loạt các sóng phản xạ không thường xuyên (có biên độ và pha thay đổi ngẫu nhiên) cùng tới điểm thu. Với mô hình này cường độ trường của tín hiệu pha đinh điều hoà tại điểm thu có thể biểu diễn như 34
sau: n eE=+++000cos(ω tϕωϕ )∑ Ekkk cos( t ) (1.17) k =1 trong đó: E000,,ω ϕ - là biên độ, tần số và pha của sóng phản xạ thường xuyên; Ekkk,,ω ϕ - là biên độ, tần số và pha của sóng phản xạ không thường xuyên. Hình 1-18 là biểu diễn vectơ của mô hình. Việc cộng vectơ của các thành phần thường xuyên và không thường xuyên của sóng tạo nên vectơ tổng có biên độ và pha thay đổi: eEt=+()cos[ωϕ0 t () t] (1.18) Mức độ thay đổi theo thời gian của biên độ và pha của vectơ tổng hợp phụ thuộc vào mối quan hệ biên độ giữa các thành phần thường xuyên và không thường xuyên. E k E Σk E0 E Hình 1-18. Biểu diễn mô hình ở dạng vectơ Khi số lượng các thành phần không thường xuyên đã đủ lớn, dao động tổng của chúng là quá trình ngẫu nhiên chuẩn, còn đường bao của quá trình này có phân bố Rơlây. Sự có mặt của thành phần thường xuyên làm cho phân bố này ứng với luật Rơlây tổng quát: 2E ⎛⎞⎛⎞EE22+ 2 EE WE()=− exp⎜⎟⎜⎟00 I (1.19 ) 222⎜⎟⎜⎟0 EEEeff⎝⎠⎝⎠ eff eff 2 trong đó: E là biên độ tổng của các dao động; Eeff là công suất trung bình của urun r sóng phản xạ không thường xuyên, được xác định bởi vec tơ EEΣkk= ∑ ; E0 là k =1 35
biên độ sóng phản xạ thường xuyên; I0 là hàm Bessen biến thể cấp không. Người ta xác định được rằng phân bố pha của quá trình có dạng sau: 1cosa ϕ Wa(ϕ )=−+− exp(222 ) exp( aFa sinϕϕ ) ( 2 cos ) (1.20) 2π π 2 E0 trong đó: a = 2 ; 2Eeff 1 α ⎛⎞t 2 Fa(2cos)ϕ =−∫ exp⎜⎟ dt là tích phân xác suất Laplace; 2π −∞ ⎝⎠2 α = 2cosa ϕ Từ biểu đồ véc tơ của tín hiệu pha đinh ta suy ra rằng độ sâu pha đinh và mức độ thay đổi pha phụ thuộc vào mối quan hệ E0 và EtΣk (). Nếu EtΣk ()= 0 thì biên độ và pha của tín hiệu sẽ không đổi, điều này ứng với trường hợp hoàn toàn không có pha đinh. Ngược lại nếu E0 triệt tiêu thì pha đinh sẽ sâu nhất, còn pha thay đổi trong phạm vi vi từ 0 đến ± π. Dễ thấy rằng lúc này hàm phân bổ tổng quát biến thành luật Rơlây: 2EE⎛⎞2 WE()= exp⎜⎟−= ; I 1 (1.21) 22⎜⎟0 EEeff⎝⎠ eff Phân bố pha khi đó trở thành đồng xác suất nghĩa là: 1 Wa()ϕ = ;= 0 (1.22) 2π Các trường hợp pha đinh Rơlây xảy ra rất thường xuyên vì vậy chúng được chú ý nhiều khi đánh giá chất lượng thông tin vô tuyến SN. Sự thay đổi biên độ các tín hiệu theo thời gian khi có pha đinh có thể đặc trưng bằng hệ số tương quan.Trong đa số các trường hợp pha đinh giao thoa, hệ số tương quan được xấp xỉ bằng đường cong Gao-xơ: ⎛⎞τ 2 R()τ =− exp⎜⎟2 (1.23) ⎝⎠2τ k Đại lượng τ k được gọi là khoảng tương quan và đặc trưng cho tốc độ pha đinh. Theo các số liệu thực nghiệm τ k nhận các giá trì từ 0.1s ở các tuyến rất dài đến 2s ở các tuyến tương đối ngắn. Chất lượng thông tin vô tuyến phụ thuộc vào mối quan hệ giữa tốc độ pha đinh và tốc độ thay đổi các tham số mang tin của tín 36
hiệu. Vừa rồi ta xét các pha đinh của dao động điều hoà. Các tín hiệu thực tế có phổ tần chiếm một dải nào đó ∆Fs - lúc này bức tranh pha đinh sẽ phức tạp. Thường có vài tia cùng đến điểm thu, song để đơn giản ta chỉ xét trường hợp có hai tia, một tia phản xạ một lần, một tia phản xạ hai lần (hình 1-19): 2 1 H Hình 1-19. Sự giao thoa của các tia Khi không có thăng giáng của tầng ion, đối với mỗi tần số của phổ, cường độ trường tại điểm thu sẽ được xác định bằng hai thành phần: eE= cosω t+−ρωτ E cos ( t ) (1.24) ở đây ρ - hệ số đặc trưng cho sự suy yếu biên độ của tia thứ hai; τ - độ trễ của tia thứ hai Kết quả của việc phách hai dao động là: eEK=+()cosω [ωψω t ()] (1.25) ở đây: K()ω =++ 1ρρωτ2 2cos - môđun hệ số truyền đạt hay là đặc tính biên độ tần số (ĐTBĐTS) của môi trường truyền sóng; ρ sinωτ ψ (ω )= arctg - pha của hệ số truyền đạt hay đặc tính pha tần số 1cos+ ρ ωτ (ĐTFTS) của môi trường truyền sóng. Khi τ 1/∆FS chỉ một số đoạn phổ bị pha đinh nghĩa là xảy ra pha đinh chọn lọc dẫn đến méo tín hiệu. 37
Ngoài các pha đinh giao thoa nhanh của tín hiệu, còn tồn tại các pha đinh chậm. Bản chất của các pha đinh này được xác định bởi các thay đổi ngẫu nhiên của tổn hao năng lượng khi sóng vô tuyến đi qua tầng điện ly. Có nghĩa là tham số của phân bố Rơlây Eeff (trong trường hợp phân bố Rơlây tổng quát có cả E0 ) thay đổi giá trị của mình theo thời gian. Để tính được độ tin cậy thông tin vô tuyến cần biết được các tham số này thay đổi như thế nào theo thời gian. Từ nay về sau ta chỉ xét phân bố Rơlây của biên độ như phân bố bất lợi nhất đối với thông tin. Nếu giá trị hiệu dụng của cường độ trường Eeff (do phạm vi biến đổi lớn của nó) được biểu diễn theo dB đối với 1 µV/m và ký hiệu là q thì ta có: qE= 20log10 eff (1.26) Vì các nghiên cứu thực nghiệm hiện tượng pha đinh được tiến hành bằng các thiết bị thu nối với một số loại anten xác định, nên người ta thường sử dụng điện áp của tín hiệu ở lối vào máy thu thay cho cường độ trường tại điểm thu. Điện áp này (Useff ) biểu diễn qua dB đối với 1 µV được ký hiệu là y, do đó: yUs= 20log10 eff (1.27) Người ta gọi giá trị hiệu dụng của điện áp lối vào máy thu biểu diễn theo dB là mức tín hiệu. Các nghiên cứu thực nghiệm chứng tỏ rằng các mức tín hiệu trong phần lớn các trường hợp đều phân bố theo luật chuẩn với mật độ xác xuất: ⎡ 2 ⎤ 1 ()yy− Wy()=− exp⎢ ⎥ (1.28) ⎢ 2 ⎥ 2πσ 2σ y y ⎣⎢ ⎦⎥ trong đó: yUs= 20log10 eff ; yUs= 20log10eff 0 - giá trị trung bình của mức tín hiệu; Useff 0 - điện áp hiệu dụng median của tín hiệu; 2 σ yeffeff=−20() log10Us log 10 Us 0 - sai lệch trung bình bình phương so với giá trị trung bình của mức tín hiệu. Phân bố các mức tín hiệu theo thời gian thoả mãn đường cong xấp xỉ: 38
⎛⎞τ 2 K ()τ =− exp⎜⎟ (1.29) y ⎜⎟2 ⎝⎠2τ y với khoảng tương quan τ y cỡ hàng chục phút. Đối với các cự ly thông tin và điều kiện truyền sóng cho trước, mức trung bình của tín hiệu y có thể tính được, còn sai lệch bình phương trung bình σ y được xác định bằng thực nghiệm. Vào những giờ trạng thái tầng điện ly tương đối ổn định, σ y là đại lượng rất ổn định. Ví dụ khi ∆FS = 1,2 kHz, trên các tuyến dài 500 ÷ 800 Km nó bằng 3 ÷ 5 dB về ban ngày và 5 ÷ 7 dB vào ban đêm. b. Trong các kênh thông tin vô tuyến ngoài các tạp âm riêng, luôn luôn có sự tác động của các nhiễu. Xét một số loại nhiễu điển hình: Theo nguồn gốc ta phân biệt các dạng nhiễu sau: từ các máy thu phát lạ, nhiễu khí quyển, nhiễu công nghiệp, nhiễu vũ trụ và tạp âm trong của chính máy thu. Theo các tính chất thống kê của nhiễu có thể chia ra làm 3 nhóm: thăng giáng, xung và tập trung. Nhiễu là các hiện tượng không có qui luật và được mô tả như các quá trình ngẫu nhiên với các đặc trưng cơ bản là hàm phân bố xác suất và phổ năng lượng. Thông thường trong các bài toán thực tế chỉ cần biết các hàm phân bố 1 chiều và 2 chiều là đủ. Từ đó có thể xác định các đặc trưng cơ bản của quá trình ngẫu nhiên như kì vọng toán học, phương sai và hàm tương quan. Quá trình ngẫu nhiên là dừng theo nghĩa rộng nếu kì vọng và phương sai không phụ thuộc vào thời gian, còn hàm tương quan chỉ phụ thuộc vào hiệu 2 thời điểm, không phụ thuộc vào từng trị cụ thể của thời gian. Đối với quá trình ngẫu nhiên dừng, có thể áp dụng định lí ergodic theo đó trung bình thống kê có thể thay bằng trung bình thời gian. 1. Nhiễu thăng giáng: Có thể hình dung nhiễu thăng giáng như là chuỗi các xung ngắn vô hạn có chiều cao ngẫu nhiên và lặp lại sau các khoảng thời gian ngẫu nhiên. Như vậy, các xung này xuất hiện thường xuyên đến nỗi các hiện tượng quá độ trong máy thu do các xung riêng gây ra xếp chồng lên nhau tạo thành quá trình ngẫu nhiên liên tục. Quá trình này là dừng. Giá trị của nhiễu tại các thời điểm riêng biệt là độc lập, tức hệ số tương quan của nhiễu bằng 1 khi τ = 0 và bằng 0 khi τ ≠ 0 . Theo định lí giới hạn Liapunop, nhiễu thăng giáng như tổng của số lượng rất lớn các dao động ngẫu nhiên độc lập sẽ có phân bố chuẩn với trung bình bằng 0 và phương sai bằng công suất trung bình của nhiễu. Mật độ xác 39
suất một chiều của các giá trị tức thời của nhiễu có dạng: 1 x2 px( )=− exp(2 ) (1.30) 2πσn 2σ n Hàm phân bố tích phân có dạng: x t2 11− Fx()==+Φ∫ e2 dt [1 ()] x (1.31) 2π −∞ 2 x t2 2 − ở đây: Φ=()x ∫ edt2 là hàm Cramp. 2π 0 Ví dụ điển hình của nhiễu thăng giáng là tạp âm trong của máy thu (ngoài ra còn có nhiễu vũ trụ và 1 số dạng nhiễu khí quyển và nhiễu công nghiệp). 2. Nhiễu xung: Gồm các nhiễu ở dạng xung đơn ngẫu nhiên lặp lại sau các khoảng thời gian sao cho các hiện tượng quá độ trong máy thu do 1 xung thực tế kịp kết thúc trước khi xung tiếp theo xuất hiện. Nhiều dạng nhiễu công nghiệp và nhiễu khí quyển thuộc về nhiễu xung. Các khái niệm nhiễu thăng giáng và nhiễu xung chỉ là tương đối: tuỳ thuộc vào tần số lặp lại của các xung mà cùng một nhiễu có thể tác động đến máy thu như nhiễu xung (nếu dải thông rộng) hoặc như nhiễu thăng giáng (nếu dải thông khá hẹp). Các nhiễu công nghiệp tạo bởi các thiết bị điện khác nhau cũng là quá trình ngẫu nhiên phức tạp. Nhiều thực nghiệm đã chỉ ra rằng phân bố xác suất biên độ các xung nhiễu công nghiệp được xấp xỉ tốt bằng luật phân bố chuẩn loga. Nếu kí hiệu biên độ xung là U, tính theo dB, thì ta có luật chuẩn loga: ()U −µ 2 − 1 3 pU()= e 2σ (1.32) 2πσ trong đó µ, σ được xác định bằng thực nghiệm 4. Nhiễu khí quyển: do phóng điện cơn giông xuất hiện ở ngay gần nơi thu cũng như ở các vùng xa. Mật độ phổ của các nhiễu khí quyển cực đại ở miền tần số âm thanh và giảm dần với sự tăng tần số. 5. Tạp âm vũ trụ: tạo ra nền tạp âm chung, chúng xuất hiện do bức xạ của thiên hà và ngoài Thiên hà. Mật đổ phổ lớn nhất của các tạp âm này nằm trong dải decimet (dm) và centimet (cm) và cần lưu ý tới trong thông tin vũ trụ. 6. Nhiễu công nghiệp: Xuất phát từ các thiết bị điện khác nhau. Mức nhiễu thường giảm theo tăng tần số. 40
7. Nhiễu tập trung: Gồm các tín hiệu từ các đài lạ, các bức xạ của các bộ dao động cao tần có nhiệm vụ khác nhau (công nghiệp, y học) v.v. Trong trường hợp tổng quát, đây là các dao động có điều chế (dao động hình sin có tham số thay đổi). Các dao động này có thể là liên tục (ví dụ tín hiệu của các đài phát thanh và truyền hình), hoặc có tính chất xung (tín hiệu các đài phát tín và các đài điều chế xung). Những thay đổi tham số dao động của nhiễu tại điểm thu không chỉ phụ thuộc vào tính chất các tín hiệu của nguồn nhiễu, mà còn vào điều kiện truyền sóng của các tín hiệu này. Khác với nhiễu thăng giáng và nhiễu xung có phổ chiếm toàn bộ dải thông máy thu, bề rộng phổ của nhiễu tập trung trong đa số các trường hợp nhỏ hơn dải thông máy thu (chính vì thế mà có tên gọi là nhiễu tập trung). Trong dải sóng ngắn, nhiễu từ các đài lạ là cơ bản và quyết định độ ổn định liên lạc. Nhiều khi trong dải thông máy thu đồng thời có đến hơn 10 đài làm việc. Mức độ nhiễu cũng thay đổi liên tục, nên nhiễu từ các đài lân cận là quá trình ngẫu nhiên. Khi thiết kế các hệ thống thông tin, người ta thường coi phân bố theo tần số của các nhiễu tập trung ngẫu nhiên là phân bố đều. Nghĩa là xác suất rơi vào dải tần tín hiệu tỉ lệ với độ rộng của dải. Kết quả tác động của số lượng lớn các nhiễu tập trung từ các nguồn ở xa tạo ra nhiễu tổng với các tính chất gần với tạp thăng giáng chuẩn. Phân bố xác suất mức của nhiễu tập trung thoả mãn luật chuẩn loga. Các tham số µ, σ được xác định bằng thực nghiệm. Mức nhiễu tập trung là giá trị hiệu dụng của điện áp nhiễu ở lối vào máy thu với một loại anten nhất định và được biểu diễn theo dB đối với 1µV nghĩa là x = 20log10 Uneff . Mức nhiễu máy thu phát tập trung là đại lượng ngẫu nhiên trên trục thời gian tại một tần số, cũng như trên trục tần số. Để minh hoạ, trên hình 1- 20 có biểu diễn biểu đồ thời gian các kết quả đo tự động theo chu kỳ của mức nhiễu. Phân bố xác suất các mức nhiễu theo các nghiên cứu thống kê cũng giống như phân bố các mức tín hiệu được xấp xỉ bằng luật chuẩn với mật độ: ⎡ 2 ⎤ 1 ()x − x Wx()=− exp⎢ ⎥ (1.33) ⎢ 2 ⎥ 2πσ 2σ x x ⎣⎢ ⎦⎥ trong đó: x = 20log10 Uneff ; x = 20log10Uneff 0 - giá trị trung bình của mức nhiễu; Useff 0 - điện áp hiệu dụng median của nhiễu; 41
2 σ xeffeff=−20() log10Un log 10 Un 0 - sai lệch trung bình bình phương so với giá trị trung bình của mức nhiễu. Đại lượng x trong phân bố này đặc trưng cho tải trọng trung bình của đoạn tần sử dụng hay là mức nhiễu trung bình trên tần số chọn ngẫu nhiên bất kỳ từ đoạn này. Tán xạ σ x đặc trưng cho sự không đồng đều của cường độ nhiễu theo dải tần hoặc theo thời gian. X (dB) 45 ∆F=1.2 kHz 5512 kHz, Xu©n 1978 T (giê) X (dB) 6801 kHz 45 T (giê) X (dB) 45 7628 kHz T (giê) 21.00 22.00 23.00 Hình 1-20. Biểu đồ thời gian mức nhiễu Các thực nghiệm chỉ ra rằng khi chuyển từ ngày sang đêm, giá trị trung bình của mức nhiễu và tán xạ của chúng tăng lên, đặc biệt là trong phần dưới của dải SN. Các đại lượng x và σ x phụ thuộc vào dải thông máy thu, x tăng với sự tăng dải thông, còn σ x thì lại giảm. Tán xạ σ x phụ thuộc vào thời gian quan sát (độ lâu), điều đó chứng tỏ về tính không dừng của quá trình biến đổi của x . Tuy nhiên khi trạng thái của tầng ion ổn định và đối với những khoảng thời gian không vượt quá hai giờ, quá trình ngẫu nhiên đang xét có thể coi là dừng. Đối với dải ∆FS = 1,2 KHz, các giá trị σ x trung bình là 5 ÷ 10 dB vào ban ngày và 10 ÷ 15 dB vào ban đêm. Hệ số tương quan của quá trình thay đổi mức nhiễu theo thời gian cũng 42
như đối với tín hiệu được xấp xỉ bằng đường cong: ⎛⎞τ 2 K x ()τ =− exp⎜⎟2 (1.34) ⎝⎠2τ x ở đây τ x là khoảng tương quan của mức nhiễu, thay đổi tuỳ thuộc vào chiều dài của tuyến trong phạm vi hàng chục phút. x §ªm Ngµy f (MHz) 10 16 Hình 1-21. Tính chất thay đổi mức nhiễu trung bình Hình 1-21 cho ta một khái niệm nào đó về tính chất thay đổi của mức nhiễu dừng trung bình trên dải tần. Từ đó ta thấy rõ ràng những điều kiện bất lợi đối với thông tin xảy ra về ban đêm, ở phần dưới của dải SN. Tóm lại: Trong dải SN, những thăng giáng chậm của các tham số tín hiệu và nhiễu do sự hấp thụ, mở và tắt các nguồn nhiễu, nhiễu loạn cục bộ tầng ion, kết hợp với các pha đinh giao thoa nhanh đặc trưng cho kênh SN như là kênh có tham số biến đổi đột ngột. c. Trong dải sóng cực ngắn. Trong dải SCN có sự khác biệt, ta đã biết rằng các mức tín hiệu khi thông tin bằng sóng đất trong dải này bị những pha đinh chậm và nhỏ do sự thay đổi theo ngày đêm của điều kiện khí tượng. Hơn nữa những thay đổi này quan sát được trên các tuyến có chiều dài lớn hơn 20 ÷ 40 Km. Các pha đinh sâu hơn quan sát được trong điều kiện tiến hành liên lạc giữa các đối tượng cơ động. Đó là do: • Những thay đổi của điều kiện truyền sóng bởi địa hình thay đổi. • Sự phản xạ sóng từ các vật tại chỗ dẫn tới giao thoa trường điện từ tại điểm thu. Về phần nhiễu tập trung thì tính chất và ảnh hưởng của chúng đến chất lượng thông tin được quyết định bởi mức độ hoàn thiện tổ chức thông tin bởi vì các vùng nhiễu lần nhau của sóng đất hạn chế. Khi có phản xạ không thường 43
xuyên từ các lớp F2 và FS và khi có ion hoá nhân tạo tầng khí quyển thì tình hình phức tạp hơn nhiều. Nếu việc đánh giá sự tác động của nhiễu trong dải SN dựa vào các nghiên cứu thống kê, cho phép tìm được quy luật phân bố các mức nhiễu theo các toạ độ mà chúng ta quan tâm (f, t) và tìm được các đặc trung số tương ứng với các quy luật đó thì khi đánh giá tác động của nhiễu trong dải SCN ta không thể dùng tới các số liệu thống kê, thậm chí không thể nhận được các số liệu đó vì nhiều khó khăn. Ta chỉ có thể giả thiết rằng trong trường hợp truyền sóng SCN bằng tầng ion, các quy luật phân bố mức tín hiệu và nhiễu cũng giống như ở SN. Tuy nhiên các đặc trưng số của chúng có thể khác đi rất nhiều. 1.3.4 Tốc độ truyền tin tức và dung lượng kênh Lượng tin tức chứa trong tin đã cho trong trường hợp tổng quát được xác định bởi mức độ bất định khi truyền tin. Độ bất định trước lúc truyền được đặc trưng bởi phân bố tiên nghiệm các tín hiệu có thể (của các tin P(APA12 ),(),,(L PAm )). Giả sử rằng giữa các tin {uk } và các tín hiệu truyền đi {Ak } tồn tại sự tương ứng đơn trị. Sau khi thu được tin, còn lại độ bất định nào đó đặc trưng bởi phân bố hậu nghiệm của các tín hiệu thu được P(AX12 /jjmj ), PAX ( / ),LL , PAX ( / ) ( j= 1,2, , m ) Khi đó lượng tin tức nhận được có thể xác định như hiệu độ bất định: 11P(/AXij ) JAX(ij , )=− log log = log (1.35) PA()iiji PA ( / X ) PA () Ở đây J (/AXij ) là lượng tin chứa trong tín hiệu thu được X j đối với tín hiệu Ai . Lượng tin tức trung bình được xác định như là kì vọng toán học J (/AXij ) theo tất cả các tín hiệu có thể A và X: mm P(/AXij ) JAX(, )= ∑∑ PX (ji , A )log (1.36) ij==11 PA()i Để ý rằng: P(,)Xji A= PAPX ()(/) i j A i= PX ()(/) j PA i X j nên ta có: J (,AX )=− HA () HAX ( / ) = HX ( ) − HX ( / A ) (1.37) m ở đây: HA()=−∑ PA (ii )log( PA ) là entropy của tín hiệu phát đi; i=1 44
mm HAX(/)=−∑∑ PX ()jijij PA (/)log(/) X PA X là entropy có điều ji==11 kiện của tín hiệu. Entropy của tín hiệu thu được HX() và của tạp âm HX(/) A= HN () được xác định bằng các hệ thức tương tự. J (,AX ) Tốc độ truyền tin tức trên kênh có tạp âm là R = bít/giây, với giả T thiết là tất cả các tín hiệu có cùng độ dài T. Suy ra dung lượng của kênh là (bít/giây): JAX(, ) 1 1 C==max R max = max[] HA ( ) − HAX ( / ) = max[] HX ( ) − HN ( ) (1.38) TT T ở đây cực đại được tìm bằng tất cả các phương pháp truyền có thể. Đối với kênh nhị phân ta có: 1 CPPPP=+[]1 log +− (1 )log(1 − ) (1.39) T 00 0 0 trong đó: P0 là xác suất thu sai tín hiệu nguyên tố. Khi truyền tín hiệu m vị trí trên kênh đối xứng thì: 1 ⎡⎤P0 CmPPP=+⎢⎥log000 log +−− (1 )log(1 ) (1.40) Tm⎣⎦−1 Từ đây suy ra rằng khi truyền tin rời rạc, dung lượng kênh hoàn toàn được 1 xác định bởi cơ số mã m, tốc độ truyền các tín hiệu nguyên tố và xác suất thu T sai các tín hiệu này P0 . Dung lượng kênh liên tục khi có nhiễu thăng giáng với phổ đều được xác định bởi công thức Shannon: ⎛⎞P CF= log⎜⎟+ 1 (1.41) ⎝⎠N P ở đây: tỉ số công suất trung bình của tín hiệu và nhiễu ở lối vào máy thu; F - N dải thông kênh, bằng dải thông tuyến cao tần máy thu. Nếu giả thiết các tin phát đi có cấu trúc thống kê của tạp âm “trắng”, thì tốc độ truyền là: ⎛⎞Pm RF= m ⎜⎟+1 (1.42) ⎝⎠Nm 45
Pm ở đây là tỉ số công suất trung bình tín hiệu và nhiễu ở lối ra máy thu; Fm dải Nm tần của tín hiệu truyền đi, thường bằng dải thông tuyến thấp tần máy thu. Sự khác nhau cơ bản giữa R và C là: C đặc trưng cho kênh, các giá trị giới hạn của nó không phụ thuộc vào hệ thống nguồn tin - nhận tin; còn R đặc trưng cho hệ thống thông tin cụ thể nào đó. Theo định lí Shannon, tồn tại các phương pháp truyền tin và các phương pháp thu tương ứng sao cho xác suất lỗi có thể nhỏ tuỳ ý nếu R ≤ C . Còn khi R > C thì không thể làm cho xác suất lỗi nhỏ tuỳ ý. Đối với kênh có tạp âm trắng cộng tính, xác suất lỗi giảm theo hàm mũ khi tăng độ dài tín hiệu (độ dài dãy mã n): Pn()< Ae−nE() R (1.43) trong đó: A là hệ số nào đó thay đổi chậm với sự tăng n, ER() là hàm của tốc độ truyền tin tức R, dương khi RC< và bằng 0 khi RC= . Trong các hệ thống thông tin thực tế, mã hoá khác với lý tưởng vì thế lỗi luôn có giá trị hữu hạn với tốc độ truyền cho trước. Giá trị của lỗi và tốc độ truyền quyết định chất lượng và số lượng của tin tức truyền đi, do đó chúng phải là các chỉ tiêu xuất phát để so sánh các hệ thống thông tin khác nhau. 1.3.5 Tính chống nhiễu và tính hiệu quả của các hệ thống thông tin Khi đánh giá chất lượng làm việc của hệ thống thông tin, ta quan tâm trước tiên đến việc hệ thống đảm bảo độ chính xác truyền tin như thế nào và có thể truyền số lượng tin tức là bao nhiêu khi đó. Thường dùng 2 tiêu chuẩn sau đây để so sánh các hệ thống thông tin: đó là tính chống nhiễu và tính hiệu quả. Hai tiêu chuẩn này mô tả khá đầy đủ hệ thống thông tin như hệ thống truyền tin. Trong hệ thống thông tin thực tế, tín hiệu bị méo dạng khi truyền và tin được khôi phục với lỗi nào đó. Các méo này phụ thuộc vào tính chất và tình trạng kỹ thuật của hệ thống, cũng như vào cường độ và tính chất của nhiễu. Các méo gây bởi hệ thống thường có tác động không đổi đến tín hiệu và về nguyên tắc luôn luôn có thể khắc phục được. Các nhiễu có tính ngẫu nhiên, vì vậy ảnh hưởng của chúng không phải bao giờ cũng khắc phục được. Trong hệ thống thông tin được thiết kế tốt, các méo tín hiệu thường chỉ do nhiễu gây nên. Tính chống nhiễu của hệ thống thông tin là khả năng của hệ thống chống lại các ảnh hưởng có hại của nhiễu đến việc truyền tin. Số đo định lượng của tính chống 46
nhiễu là mức độ phù hợp của tin nhận được với tin phát đi, nghĩa là độ chính xác của việc khôi phục tin tại điểm thu. Nếu tập tin phát đi là ut(), còn tập tin khôi phục tại điểm thu là vt(), thì hàm mật độ xác suất p(,)uv hoàn toàn xác định các tính chất của hệ thống về mặt độ chính xác khôi phục. Bất kì sự đánh giá nào về độ chính xác khôi phục đều phải là hàm của p(,)uv . Với các giả thiết rất tổng quát, hàm này có thể biểu diễn như giá trị trung bình của hàm “khoảng cách” (sai khác) nào đó ρ(,)uv giữa ut() và vt(), lấy trên tập u và v và với xác suất puv(,) r==∫∫ p(,)(,) u vρρ u v dudv ∫∫ (,)()(/) u v p u p v u dudv (1.44) Hàm ρ(,)uv xác định giá trị tương đối của lỗi (sự khác biệt giữa tin phát đi và tin nhận được). Thường hàm này được chọn sao cho nó tăng theo sự tăng của sự khác biệt giữa u và v . Lúc này ta gọi ρ là hàm tổn hao, còn r – là độ mạo hiểm trung bình. Trong các hệ thống thông tin tiêu chuẩn, độ chống nhiễu dựa trên hàm tổn hao đơn giản là tiêu chuẩn phổ biến nhất. Hàm đơn giản này có trị 0 đối với tất cả các quyết định đúng và trị 1 đối với các quyết định sai: ρ(,)uv= 1−−δ ( v u ) (1.45) Hàm tổn hao đơn giản áp dụng được cho các hệ thống có các lỗi đều không mong muốn như nhau. Song trong nhiều hệ thống, mức độ không mong muốn của lỗi lại tăng theo mức độ tăng giá trị lỗi. Khi đó, giá trị của hàm tổn hao cũng phải tăng theo lỗi. Có nhiều hàm tổn hao thỏa mãn điều kiện này, song phổ biến nhất là hàm tổn hao bậc hai: ρ(,)uv=− ( v u )2 . Độ chống nhiễu hệ thống khi đó được đánh giá bằng sai số quân phương: ε 22=−[]v() t u () t2 =−∫∫ ( v u ) p ( u , v ) dudv = r (1.46) Hiệu vt()− ut () có thể xem như “nhiễu” ở lối ra máy thu. Nếu kênh thông tin có đặc tuyến tần số lý tưởng hình Π , thì khi có nhiễu thăng giáng với phổ đều, sự khác biệt giữa u và v trên tần số fk sẽ bằng cường độ nhiễu ở lối ra máy * thu tại tần số này σ ()fk , còn sai số quân phương do tất cả các thành phần được xác định bởi công suất trung bình của nhiễu ở lối ra máy thu Nm . Sai số tương đối được xác định như tỉ số: 47
Fm σ *2 ()fdf ε 2 ∫ N E ==0 =m (1.47) P Fm P mmPfdf() ∫ m 0 trong đó: Fm là dải thông của máy thu theo tần thấp; Pm là công suất trung bình của tín hiệu ở lối ra máy thu. Như vậy, bình phương sai số quân phương hoàn toàn được xác định bởi công suất trung bình của nhiễu ở lối ra máy thu, còn sai số tương đối - bởi tỉ số công suất trung bình của nhiễu Nm và công suất trung bình của tin Pm . Để thuận tiện, thay cho đại lượng E người ta dùng số đo logarit của độ chính xác khôi phục: 1 Pm Sm ==10lg 10lg (1.48) ENm = tỉ số tín hiệu trên nhiễu ở lối ra máy thu (dB) Trong các tính toán thực tế, người ta hay dùng đại lượng “độ tăng ích hệ thống” làm tiêu chuẩn độ chống nhiễu: Pm P BS==m /: S (1.49) NNm = tỉ số công suất trung bình của tín hiệu và nhiễu ở lối ra và lối vào máy thu. Tuy nhiên, đại lượng này không phải bao giờ cũng được xác định một cách đơn trị và không cho phép so sánh một cách khách quan các hệ thống khác nhau với nhau, nếu nhiễu có phổ rộng hơn tín hiệu, đặc biệt là nếu nhiễu có thể xấp xỉ bằng tạp trắng. Nguyên nhân là công suất nhiễu ở lối vào máy thu phụ thuộc vào việc nó được đo ở dải tần nào. Có thể đo ở dải thông tuyến cao tần máy thu (trước tách sóng), song dải này khác nhau đáng kể đối với các hệ thống thông tin riêng biệt. Hơn thế nữa, đối với cùng một hệ thống thông tin ta có thể dùng các máy thu có dải thông khác nhau. Nếu mở rộng dải thông quá mức cần thiết, thì N tăng còn S giảm. Khi đó cả Sm thường cũng giảm, nhưng ở mức độ khác với S (nhờ khả năng lọc nhiễu 1 phần ở lối ra máy thu). Vì vậy B tăng mặc dù chất lượng thu kém đi. Như vậy cần so sánh các tỉ số công suất tín hiệu và mật phổ trung bình của nhiễu ở lối vào và lối ra máy thu. Ta có “độ tăng ích hệ thống tổng quát”: 48
S ' B ' = m (1.50) S ' ''Pm P trong đó: SSm ==; ; NFmm// NF F là dải tần đo công suất nhiễu N ở lối vào máy thu, Fm là dải tần đo công suất nhiễu Nm ở lối ra máy thu (thường là dải tần chiếm bởi tín hiệu). F Gọi tỉ số dải tần ở lối vào và lối ra máy thu là ν = , ta có: Fm B B' = (1.51) v Đại lượng B' đặc trưng khách quan cho độ chống nhiễu, vì với mật phổ nhiễu cho trước ở lối vào σ 2 = NF/ và với công suất cho trước của tín hiệu vào P cho phép xác định một cách đơn trị tỉ số tín / nhiễu ở lối ra. Tiêu chuẩn độ chống nhiễu nêu trên r được dùng cho các hệ thống truyền các tin liên tục ut(). Đối với các hệ thống truyền tin rời rạc, tiêu chuẩn này được xác định bởi biểu thức sau đây: mm r= ∑∑ρ( vuPuPvuji , )()( i j / i ) (1.52) ij==11 Hàm tổn hao đơn giản khi đó có dạng: ⎧1 khi ij= ρδδ(,)1vuj i=− ij ; ij =⎨ (1.53) ⎩0khiij≠ Độ mạo hiểm trung bình bằng: m rPuPvuP=−1()(/)∑ iii =0 = xác suất lỗi trung bình (1.54) i=1 Như vậy, độ chống nhiễu (độ trung thực) của hệ thống thông tin bất kì có thể đánh giá bằng giá trị của độ mạo hiểm trung bình. Khi truyền các tin liên tục, độ mạo hiểm trung bình bằng bình phương sai số quân phương (với hàm tổn hao bậc hai), còn khi truyền tin rời rạc độ mạo hiểm trung bình bằng xác suất lỗi toàn phần trung bình (với hàm tổn hao đơn giản). Giữa các hệ thống truyền tin liên tục và rời rạc có sự khác nhau quan trọng. Trong hệ thống truyền tin liên tục bất kì một tác động nào của nhiễu đến tín hiệu dù là rất nhỏ mà gây nên méo tham số bị điều chế, đều kéo theo sai số tương ứng của tin truyền đi. Trong hệ thống rời rạc, 49
lỗi chỉ xuất hiện khi tín hiệu được khôi phục không đúng; điều này chỉ xảy ra khi có các méo khá lớn (tính chất này được gọi là khả năng sửa sai). Cuối cùng ta xét tiêu chuẩn độ chống nhiễu theo tin tức, được định nghĩa như là giá trị tổn hao tương đối của tin tức trong kênh: J g = op (1.55) Jip ở đây: Jip= TR ip là lượng tin tức từ nguồn đưa đến lối vào kênh; Jop= TR op là lượng tin nhận được ở lối ra kênh. Lượng tin tạo bởi nguồn liên tục phụ thuộc vào sai số phép đo, thường được đánh giá bằng độ lệch quân phương của tin đo được ut* () với giá trị chính xác của nó ut(): 2 2*⎡ ⎤ ε0 =−⎣ut() ut ()⎦ (1.56) 2 2 Có thể coi ε0 như “tạp âm” của nguồn tin. Trong trường hợp đặc biệt, ε0 đơn giản là công suất tạp âm lượng tử trung bình và ta có: ⎛⎞Pm JTFip= m log⎜⎟2 + 1 (1.57) ⎝⎠ε 0 trong đó: Fm là bề rộng dải tần tín hiệu phát, Pm là công suất trung bình của nó. Lượng tin tức nhận được là: ⎛⎞Pm JTFop= m log⎜⎟+ 1 (1.58) ⎝⎠Nm '2 ở đây: Nm là công suất nhiễu trung bình ở lối ra máy thu, có trị là NNmm=+ε 0 , ' với Nm công suất nhiễu trung bình xếp chồng lên tín hiệu khi truyền trên kênh. Như vậy: ⎛⎞P log⎜⎟m + 1 JR N '2+ ε g ===op op ⎝⎠m 0 (1.59) JRip ip ⎛⎞Pm log⎜⎟2 + 1 ⎝⎠ε 0 ' ' Khi không có nhiễu trong kênh: Nm = 0 và g =1. Khi Nm →∞ thì g = 0 . Khi truyền tin rời rạc, Jip được xác định bởi tốc độ truyền trong kênh 50
không có tạp âm. Khi các tín hiệu là đồng xác suất Jip = log m , còn Jop lúc này bằng: P J ==TClog m + P log0 +− (1 P )log(1 − P ) (1.60) op 000m +1 Do đó, đối với kênh đối xứng rời rạc: P log 0 log(1− P ) gP=+1(1)m −1 + − P 0 (1.61) 00logmm log Tính hiệu quả của hệ thống thông tin đôi khi được đánh giá bằng tốc độ truyền tin tức R (đơn vị nhị phân trên giây) không phụ thuộc vào các tham số của kênh hoặc tín hiệu. Song việc đánh giá này là không đầy đủ. Tốc độ truyền tin tức chỉ đặc trưng cho hiệu quả sử dụng thời gian truyền. Vấn đề sử dụng dải tần và công suất tín hiệu vẫn còn để ngỏ. Để đánh giá hiệu quả hệ thống thông tin, cần sử dụng một số hệ số đặc trưng cho việc sử dụng các tham số cơ bản của kênh. Đó là: hệ số sử dụng công suất tín hiệu (hiệu quả β ): R RRB β ===2 (1.62) P /σ SF FSm và hệ số sử dụng dải tần kênh (hiệu quả γ ): R γ = (1.63) F trong đó: σ 2 là cường độ nhiễu ở lối vào máy thu (công suất nhiễu trong dải tần 1 Hz); R là tốc độ truyền tin tức (bít/giây). Hệ số β là đặc trưng quan trọng nhất của các hệ thống hạn chế công suất (thông tin vũ trụ v.v). Trong những trường hợp điều kiện hạn chế không phải là công suất trung bình mà là công suất đỉnh của tín hiệu, người ta dùng “hiệu quả β đỉnh”: R β peak = 2 (1.64) Ppeak /σ Ppeak là công suất đỉnh của tín hiệu. Trong các hệ thống hạn chế dải thông (thông tin đường dây) đặc trưng quan trọng nhất là hệ số γ . Giới hạn trên của β có thể nhận được từ công thức Shannon đối với dung 51
lượng kênh có nhiễu cộng tính ở dạng tạp âm trắng chuẩn (AWGN): ⎛⎞P RCF≤ =+log⎜⎟2 1 (1.65) ⎝⎠σ F RR⎛⎞1 Suy ra: = log⎜⎟+ 1 (1.66) FF⎝⎠β0 γ và β = (1.67) 0 21γ − 1 = giá trị giới hạn đối với xác suất lỗi nhỏ tuỳ ý. Từ đây suy ra là β = khi 0 ln 2 γ → 0 (nghĩa là F →∞). Giá trị 1/ln2 là giới hạn tuyệt đối của β và không thể vượt qua trong bất kì hệ thống nào có tạp trắng cộng tính. Một hệ số nữa là hệ số sử dụng dung lượng kênh (hiệu quả η ): R η = (1.68) C Hiệu quả này chỉ ra tốc độ truyền tiến đến dung lượng kênh đến mức nào. Đối với các hệ thống truyền tin liên tục ta có: ⎛⎞Pm Fm log⎜⎟+ 1 N η = ⎝⎠m (1.69) ⎛⎞P F log⎜⎟+ 1 ⎝⎠N Trong trường hợp tổng quát, hiệu quả η có thể viết dưới dạng tích: η =ηη12 (1.70) trong đó η1 là hiệu quả hệ thống mã hoá, η2 là hiệu quả hệ thống điều chế. Sử dụng khái niệm độ dư ta có η1122=1,−=−χη 1 χ, χ12, χ tương ứng là độ dư tin và độ dư tín hiệu. Như vậy: η =−(1χχ12 )(1 − ) =− 1 χχχχχχ ; = 1212 + − (1.71) Các hệ số liên quan với nhau bởi các biểu thức sau: P γ γβ==, η (1.72) N ⎛⎞γ log⎜⎟+ 1 ⎝⎠β Hiệu quả và độ chống nhiễu là các chỉ tiêu làm việc quan trọng nhất của hệ thống thông tin khi có nhiễu. Hệ thống có hiệu quả lớn nhất với độ chống 52
nhiễu cho trước, hoặc ngược lại có độ chống nhiễu lớn nhất với hiệu quả cho trước, được coi là hệ thống hoàn thiện nhất. Hiệu quả các hệ thống điều chế tương tự: Ta tiến hành so sánh các hệ thống điều chế theo hiệu quả của chúng. Giả sử rằng trong tất cả các hệ thống cùng truyền đi một tin. Đối với các tin liên tục ta có: log(S + 1) η = m ⎛⎞Sm ν log⎜⎟+ 1 ⎝⎠B BSlog(+ 1) β = m (1.73) vSm log(S + 1) γ = m v Bảng 1-3 Kiểu điều chế vmin B B ' AM (điều biên) 2 M 2 M 2 22v 22 Mk+ peak kMpeak + DSB (2 biên, không sóng mang) 2 v 1 SSB (đơn biên) 1 v 1 2 PM (điều chế pha) 2 m 1 3 v Φ v ~ 4k 2 2 peak 4k peak 2 FM (điều chế tần số) 2 m 3 3 3v v ~ 4k 2 2 peak 4k peak Hệ thống lý tưởng v S v−1 S v−2 Từ đây suy ra rằng với giá trị cho trước của Sm , hiệu quả liên lạc được xác định bởi 2 tham số: v và B . Giá trị của chúng đối với các hệ thống điều chế khác nhau được cho trong bảng 1-3. Bảng 1-4 là kết quả tính toán hiệu quả liên lạc với SdBm = 40 và hệ số đỉnh k peak = 2 . Trên hình vẽ 1-22 là đường cong hiệu quả η đối với AM và FM. 53
η 1,0 m=1 m=2 0,8 m=4 AM 0,6 m = 8 0,4 0,2 0 10 20 30 40 50 S , dB m Hình 1-22. Đường cong hiệu quả của AM và FM Việc phân tích các đường cong và số liệu nhận được của bảng 1-4 chỉ ra rằng trong các hệ thống thực tế thì FM có độ chống nhiễu lớn nhất. Với sự tăng chỉ số điều chế, hiệu quả β của hệ thống này tăng do sự giảm hiệu quả γ , hiệu quả η khi đó giảm không đáng kể. Các hệ thống AM, DSB và SSB đảm bảo hiệu quả η cao và sử dụng tốt dải tần kênh. Tuy nhiên chúng có độ tăng ích B nhỏ và sử dụng công suất tín hiệu kém (hiệu quả β nhỏ). Bảng 1-4 Kiểu điều chế v B η β γ AM (M-1) 2 0.67 0.48 4,4.10-4 6,6 DSB 2 1 0,50 6,6.10-4 6,6 SSB 1 1 1 13,3.10-4 13,3 -4 PM ( mΦ =1) 2 1 0,5 6,6.10 6,6 -2 PM ( mΦ =10 ) 20 1000 0,19 6,6.10 0,66 FM ( m =1) 2 3 0,57 2.10-3 6,6 FM()m =10 20 3000 0,32 0,2 0,66 Lý tưởng 2 100 1 6,6.10-2 6,6 Lý tưởng 20 6310 1 0,42 0,66 Khi dải tần kênh hẹp như nhau (v = 2) , tất cả các hệ thống được xét thực tế đều như nhau. Trong điều kiện này hiệu quả và tính chống nhiễu của các hệ 54
thống gần như nhau. Hiệu quả các hệ thống truyền tin rời rạc: Với độ chống nhiễu (xác suất lỗi P0 ) cho trước, hiệu quả các hệ thống rời rạc hoàn toàn được xác định bởi hệ số sử dụng công suất tín hiệu β và hệ số sử dụng dải tần kênh γ . Nói chung có thể chia hệ thống thông tin rời rạc thành 2 nhóm: nhóm có hiệu quả năng lượng cao (song hiệu quả tần số nhỏ) và nhóm có hiệu quả tần số cao (song hiệu quả năng lượng nhỏ). Thuộc về nhóm 1 là các hệ thống coi chỉ tiêu năng lượng có ý nghĩa hàng đầu, như hệ thống thông tin vệ tinh và vũ trụ. Nhóm 2 là hệ thống thông tin đường dây chẳng hạn, với yêu cầu hiệu quả tần số là quan trọng nhất. Nhiều khi phải dùng biện pháp dung hoà để đồng thời đạt được các giá trị khá cao của β và γ . Các biểu đồ β = f ()γ cho phép giải quyết được bài toán này. 1.3.6 Các đặc trưng tổng quát của hệ thống thông tin Có thể chia các tham số đặc trưng cho hệ thống thông tin ra làm 2 nhóm. Nhóm 1 là các tham số tin tức: độ chống nhiễu và tốc độ truyền. Nhóm 2 là các tham số kinh tế - kỹ thuật: kích thước và trọng lượng thiết bị, công suất tiêu thụ, giá thành, độ tin cậy (thời gian làm việc không hỏng trung bình). Các tham số tin tức xác định số lượng và chất lượng sản phẩm hệ thống thông tin, còn các tham số kinh tế - kỹ thuật xác định “giá” theo nghĩa rộng của sản phẩm này. Phù hợp với sự phân loại này, một cách hợp lí ta so sánh các hệ thống thông tin theo 2 đặc trưng tổng quát: đó là phẩm chất Q của hệ thống và hiệu quả kinh tế D. Sau đây ta chỉ xét phẩm chất hệ thống. Phẩm chất hệ thống Q được xác định như là tích của độ chống nhiễu tương đối g và tốc độ truyền tương đối η : Qg==η gηη12 =− g(1 χ 1 )(1 − χ 2 ) =− g (1 χ ) (1.74) Hệ thống có Q lớn nhất được coi là tốt nhất về phương diện tin tức. Khi mã hoá và điều chế, độ dư thay đổi. Việc đưa độ dư vào thường làm tăng độ chống nhiễu. Tuy nhiên cần xác định mối quan hệ tối ưu giữa độ dư và độ chống nhiễu để có Q lớn nhất. Đối với hệ rời rạc ta có: ⎡ P0 ⎤ ⎢ log ⎥ m −1 log(1− P0 ) QP=+ηη12⎢1(1) 0 +− P 0 ⎥ (1.75) ⎢ logmm log ⎥ ⎣ ⎦ 55
Còn với hệ liên tục thì: 2 ⎡⎤ ⎛⎞Pm Fm ⎢⎥log⎜⎟+ 1 ⎝⎠Nm Q = ⎣⎦ (1.76) ⎛⎞P ⎛⎞Pm F log⎜⎟+ 1 log⎜⎟2 + 1 ⎝⎠N ⎝⎠ε0 Đối với hệ thống thực tế, Q luôn nhỏ hơn 1, còn với hệ thống lý tưởng thì Q =1. 1.4 HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 1.4.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin vô tuyến Để thực tổ chức thực hiện thông tin bằng đường vô tuyến, tại đầu phát cần có thiết bị phát, tại đầu thu cần có thiết bị thu. Thông thường đối với việc tổ chức thông tin theo 2 chiều, mỗi đầu cần phải có cả thiết bị phát và thiết bị thu. Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin vô tuyến được chỉ ra trên hình 1-23. Thiết bị phát là tập hợp các phương tiện kỹ thuật, nằm giữa nguồn các tín hiệu điện sơ cấp và môi trường truyền sóng. Thiết bị thu là tập hợp các phương tiện kỹ thuật, nằm giữa môi trường truyền sóng và nguồn tiêu thụ các tín hiệu điện sơ cấp. M¸y ph¸t KhuÕch ®¹i ThiÕt bÞ Nguån tin Bé kÝch thÝch text ThiÕt bÞ c«ng suÊt phèi hîp anten-phi®¬ M¸y thu TuyÕn thu TuyÕn thu ThiÕt bÞ M«I tr−êng NhËn tin riªng chung anten-phi®¬ truyÒn sãng Hình 1-23. Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin vô tuyến Thiết bị phát bao gồm máy phát và hệ thống anten - phi đơ. Máy phát thực hiện ba chức năng cơ bản: 1. Biến đổi tín hiệu điện sơ cấp thành dạng tín hiệu cao tần phù hợp với dải tần số công tác của hệ thống, 2. Tạo dải tần công tác với số lượng tần số công tác, độ ổn định tần số và độ chính xác tần số cho trước, 56
3. Tạo ra công suất cao tần yêu cầu từ nguồn năng lượng tại chỗ. Khi tính toán công suất phải tính đến cự ly liên lạc yêu cầu, hiệu quả anten phát và thu được dùng, phương pháp tiến hành liên lạc. Máy phát thường gồm bộ kích thích, bộ khuếch đại công suất và thiết bị phối hợp anten. Bộ kích thích thực hiện biến đổi tín hiệu sơ cấp thành tín hiệu cao tần sơ cấp (tín hiệu vô tuyến), tổng hợp mạng tần số công tác trong dải tần đã cho, sau đó chuyển tín hiệu vô tuyến sơ cấp đã chọn lên tần số công tác. Bộ khuếch đại công suất bảo đảm khuếch đại tín hiệu cao tần lên đủ mức cần thiết, thường gồm nhiều tầng mắc nối tiếp. Thiết bị phối hợp bảo đảm phối hợp máy phát với thiết bị anten về mặt trở kháng để anten bức xạ công suất cực đại, biến năng lượng điện thành năng lượng của sóng điện từ. Thiết bị thu bao gồm hệ thống anten phi đơ và máy thu. Máy thu gồm có tuyến thu chung và tuyến thu riêng. Anten thu nhận năng lượng các sóng điện từ rồi nhờ phi đơ đưa tới lối vào máy thu. Trong máy thu các dạng tín hiệu được xử lý theo nguyên tắc Rộng - Hạn chế - Hẹp - Hạn chế cho phép nâng cao độ chọn lọc, độ nhạy đối với các dạng tín hiệu. Tuyến thu chung đóng vai trò Rộng - Hạn chế, tại đây tín hiệu có ích được khuếch đại, lọc dải rộng và biến đổi về thành tín hiệu điện tần số trung gian. Tuyến thu riêng đóng vai trò Hẹp - Hạn chế, tại đây các dạng tín hiệu được phân chia thành các tuyến riêng biệt tiếp tục được khuếch đại, lọc dải hẹp và biến đổi thành tín hiệu sơ cấp và đưa về dạng cần thiết cho sự hoạt động của thiết bị đầu cuối. Nguồn tin có thể là tín hiệu dạng tương tự hoặc số. Trong thông tin vô tuyến ta hay gặp dạng thiết bị thu - phát kết hợp (thường gọi là máy thu phát) trong đó máy phát và máy thu cùng chung một vỏ (tuỳ trường hợp sẽ có một số bộ phận dùng chung như anten, mạch ra máy phát kiêm mạch vào máy thu, bộ dao động chủ sóng máy phát kiêm dao động ngoại sai máy thu - bộ tổng hợp tần số, các bộ lọc trong các tuyến tần số ). . 1.4.2 Phân loại thiết bị thông tin vô tuyến Để thuận tiện cho việc nghiên cứu các nguyên tắc xây dựng và khả năng khai thác sử dụng, người ta thường phân loại thiết bị thông tin theo các tiêu chuẩn đặc trưng nhất của chúng. Đó là: 1. Công dụng: Công dụng của máy thu phát, của các thiết bị phục vụ và điều khiển quyết định phạm vi sử dụng của chúng. 2. Nguyên tắc sử dụng: Chia ra thành máy thu phát độc lập và máy thu phát 57
điều khiển tập trung. Loại đầu thường sử dụng trên các hướng thông tin độc lập, riêng biệt. Loại sau là các tổ hợp phát, tổ hợp thu và tổ hợp thu phát. Chúng hợp thành một hệ thống kỹ thuật thống nhất, có tổ chức. 3. Tính cơ động: Các máy thu phát có thể là cố định và cơ động (mang xách theo cá nhân, đặt trên xe). 4. Dải tần: Sóng cực ngắn (SCN), sóng ngắn (SN) 5. Dạng tín hiệu vô tuyến: Điện báo biên độ CW, điện báo dịch tần FSK, thoại điều tần FM, thoại điều biên AM, thoại đơn biên SSB 6. Chế độ làm việc: Đơn công (simplex), bán song công (semiduplex, half duplex) và song công (full duplex). 7. Công suất máy phát: P ≤ 100 W - công suất nhỏ (CSN); 100 1000 W - công suất lớn (CSL). 8. Mức độ tự động hóa: Có thể không tự động hóa và có tự động hóa. Trong thông tin vô tuyến, người ta thường phân loại các máy thu phát kết hợp vài tiêu chuẩn trên. Phổ biến nhất là các loại sau: • Máy thu phát sóng cực ngắn công suất nhỏ (SCN/CSN). Trong nhóm này lại chia thành: + SCN/CSN với P ≤ 1W + SCN/CSN với 1W < P ≤ 10 W + SCN/CSN với 10W < P ≤ 100 W • Máy thu phát sóng ngắn công suất nhỏ (SN/CSN). • Máy thu phát sóng ngắn công suất trung bình (SN/CSTB). Mỗi nhóm máy thu phát được sử dụng cho các mục đích thông tin và cự ly thông tin dài ngắn khác nhau. 58
Chương 2 CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 2.1 NHỮNG ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CHÍNH CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN Các máy thu phát vô tuyến được sử dụng để trao đổi thông tin giữa 2 người dùng hoặc hơn. Việc xem xét các đặc tính quan trọng nhất của máy thu phát cần cân nhắc kỹ lưỡng trước khi thực hiện khai thác hay thiết kế chúng. 2.1.1 Các đặc tính kỹ thuật chung cho máy thu và máy phát a. Dải tần công tác và bước tần Dải tần công tác là một trong những tham số đánh giá khả năng làm việc của hệ thống thông tin, đó là khoảng tần số cho phép máy thu phát làm việc tin cậy và đảm bảo các thông số chỉ tiêu kỹ thuật đặt ra. Dải tần công tác được đánh giá qua hệ số bao tần (Kf = fmax / fmin), hệ số này của các máy thu phát ngày càng có xu hướng tăng lên. Đó là do mong muốn thống nhất tốt hơn các loại máy thu phát và do có cơ sở kỹ thuật thực tế cho phép sự mở rộng đó. Hiện nay đã có máy thu phát bao trùm cả các dải tần MF, HF, VHF và đầu dải UHF đồng thời (ví dụ như máy thu phát Icom IC-706). Các dải tần hình thành nhờ bộ tổng hợp tần số (THTS) tạo ra các tần số chuẩn rời rạc, cách nhau một khoảng nhất định gọi là bước tần (còn gọi là độ phân giải tần số). Khoảng này thường chọn là 100 Hz và 10 Hz. Độ lớn của khoảng so sánh được với bề rộng phổ của dạng tín hiệu dải hẹp nhất. Đó là tín hiệu A1 - bề rộng phổ của nó trung bình bằng 100 Hz. Tuy nhiên trong phần sóng dài của dải, do dung lượng tần số nhỏ, để thu hẹp phổ tín hiệu người ta làm việc với các tốc độ rất thấp bởi vậy ở đó bước tần của mạng bằng 10 Hz là có ích và cần thiết. b. Độ chính xác và độ ổn định tần số công tác Để đảm bảo khi bắt đầu liên lạc không phải tìm kiếm và trong quá trình liên lạc không phải vi chỉnh. Ngoài ra yêu cầu này còn cần thiết với dạng tín hiệu như tín hiệu đơn biên liên tục và các tín hiệu ghép kênh. Ta đã biết độ sai khác tần số cho phép giữa máy phát và máy thu đối với tín hiệu đơn biên không được 59
vượt quá 25 ÷ 30 Hz. Nghĩa là độ không ổn định tần số của máy thu phát phải là 12,5 ÷ 15 Hz (tính đến sự lệch tần số của máy thu về phía ngược lại) và độ bất ổn định tương đối cỡ 10-6 (1ppm = 1.10-6). Độ chính xác và độ ổn định tần số của thiết bị thu phát vô tuyến được quyết định bởi độ ổn định của bộ tổng hợp tần số mà sẽ được nghiên cứu kỹ trong chương 5. c. Các dạng tín hiệu vô tuyến (mode) Trong kỹ thuật thông thông tin vô tuyến, máy thu phát được thiết kế để làm việc với các tín hiệu rời rạc và liên tục. Tín hiệu điện sơ cấp có thể biến đổi thành nhiều dạng tín hiệu vô tuyến có các ưu nhược điểm khác nhau trong các điều kiện tiến hành thông tin khác nhau. Số lượng dạng tín hiệu vô tuyến phải đủ để có thể thay đổi một cách linh hoạt, tuỳ theo từng tình huống. Các dạng tín hiệu vô tuyến phổ biến nhất là: Điện báo với các dạng ma níp khác nhau như ma níp biên độ và ma níp dịch tần (tín hiệu vô tuyến rời rạc) và điện thoại với dạng điều chế khác nhau như điều biên và điều tần (tín hiệu vô tuyến liên tục). Các dạng tín hiệu vô tuyến và ký hiệu của chúng có thể được tổng hợp lại và bao gồm các dạng như được chỉ ra trên bảng 2-1a và 2.1b. Bảng 2-1a Ký hiệu các dạng tín hiệu vô tuyến Ký hiệu Ký hiệu mới Dạng tín hiệu A0 Sóng mang không điều chế A1 A1A Điện báo biên độ (khống chế sóng mang) CW A2 A2A Điện báo biên độ (khống chế tone có sóng mang) A2A R2A Điện báo đơn biên có 1 phần sóng mang (tone điều chế) A2H H2A Điện báo đơn biên có sóng mang (khống chế tone) A2J J2A Điện báo đơn biên triệt sóng mang (khống chế tone) A3 A3E Thoại điều biên AM A3A R3E Thoại đơn biên có 1 phần sóng mang (tín hiệu lái) A3B B8E Thoại đơn biên (2 biên) độc lập ISB A3H H3E Thoại đơn biên có sóng mang (tương thích AM) A3J J3E Thoại đơn biên triệt sóng mang (SSB: USB, LSB) F1, F2 F1B Điện báo dịch tần FSK (audio điều chế) 60
J2B Điện báo dịch tần tự động (đơn biên) AFSK F3 F3E Thoại điều tần FM F4 F3C Facsimile F6 F7A Điện báo dịch tần kép F9 Điện báo pha tương đối Bảng 2-1b Tổng hợp các ký hiệu cho các dạng bức xạ vô tuyến Các ký hiệu Dạng tín hiệu AM SSB FM PM A1A J2A Báo F1B G1B A1B J2B Thoại A3E J3E F3E G3E A2D FID G1D Data (packet) J2D A1D F2D G2D RTTY A2D J2D F2D G2D Facsimile A2C J2C F2C G2F C3F FSTV J3F F3F G3F A3F J2F F2F G2F SSTV A2F J3F F3F G3F Ghi chú: Tổng hợp chung cho các ký tự của ký hiệu mới cho các dạng tín hiệu theo FCC (Federal Communications Commission): Ký hiệu thứ nhất N Sóng mang không điều chế A Gồm hai biên + toàn bộ sóng mang (DSBFC) B Biên độc lập + toàn bộ sóng mang (ISBFC) C Biên còn dư + toàn bộ sóng mang (VSB) H SSB + toàn bộ sóng mang (SSBFC) J SSB nén sóng mang (SSBSC) R SSB + một phần sóng mang (tín hiệu lái)(SSBRC) F Điều tần (FM trực tiếp) G Điều pha PM (FM gián tiếp) Ký hiệu thứ 2 0 Tín hiệu không điều chế 1 Khống chế rời rạc sóng mang 61
2 Khống chế rời rạc tone 3 Dạng tương tự (âm thanh hoặc hình ảnh) 7 2 hoặc nhiều kênh điều chế rời rạc 8 2 hoặc nhiều các kênh điều chế liên tục 9 Tương tự và số Ký hiệu thứ 3 A Báo nhân công B Báo tự động C Facsimile D Data transmission E Thoại (phổ âm tần giọng nói) F Television (video) d. Mức độ suy giảm của các dao động không cơ bản Đó là các dao động (tần số) nằm ngoài dải dành cho tín hiệu. Chúng được chia thành các dao động ngoài dải và dao động phụ. Các dao động phụ phát sinh do các quá trình phi tuyến khi tạo mạng tần số công tác và khi chuyển các tín hiệu sơ cấp thành dải tần công tác (các hài bậc cao của tần số công tác fct , các tổ hợp tần số khác nhau v.v). Mức suy giảm thường là 80 dB trong dải lệch cộng hưởng 3,5 ÷ 25 kHz; 120 dB trong dải 25 kHz ± 10% tần số thực đặt và 140 dB khi lệch lớn hơn 10 %. Các dao động ngoài dải là các tần số nằm ngay gần tín hiệu có ích. Nguyên nhân phát sinh có thể là các sườn dốc của các tín hiệu điện báo rộng hơn mức cần thiết, sự quá tải của của các phần tử biến tần và khuếch đại v.v. Các dao động ngoài dải có thể làm mở rộng đáng kể dải tần so với bề rộng dải tần cần thiết của tín hiệu (là dải đủ để truyền tín hiệu mà không bị méo). Bề rộng dải bị chiếm thực tế của tín hiệu là dải mà ngoài giới hạn của nó tiêu tán 10 % công suất. Đối với mỗi dạng tín hiệu có một định mức đối với bề rộng dải cần thiết và bị chiếm như ở bảng 2-2. Bảng 2-2 Dải thông của các dạng tín hiệu Dạng tín hiệu Ký hiệuBề rộng dải cần thiết Bề rộng dải chiếm (BΠ) cho phép (BCP) Điện báo dịch tần F1 1,3∆FSHT + 0,55.B BΠ ± B/2 khi 1.5< ∆FSHT /B <5.5 1,05∆FSHT + 1,9.B khi 5,5< ∆FSHT /B <20 62
Điện báo dịch tần kép F6 3,9∆FSHT + 2,75.B BΠ ± B Điện báo biên độ A1A (3 ÷5). B BΠ + (B/2 ÷B) Đơn biên triệt sóng mang A3J FH - FL 1,3.BΠ Đơn biên có tín hiệu lái A3A FH 1,15.BΠ Điều tần F3 2(FH + ∆Fm) BΠ ± FH ở đây: ∆FSHT - độ dịch tần; B - tốc độ tính bằng baud (số xung / phút); ∆Fm - độ di tần; FH - tần số cao nhất của tín hiệu sơ cấp; FL - tần số thấp nhất của tín hiệu sơ cấp. e. Tốc độ điều chỉnh: cho phép chuyển đổi nhanh tần số công tác (fCT), dạng tín hiệu, tốc độ phát tín hiệu rời rạc và công suất máy phát. g. Điều khiển: tuỳ theo từng cấp sử dụng mà máy thu phát vô tuyến có khả năng điều khiển tại chỗ, điều khiển xa vô tuyến, điều khiển xa theo đường dây hoặc chuyển tiếp vô tuyến. Điều khiển tại chỗ thường cho phép khai thác tối đa chức năng của thiết bị, hoàn toàn chủ động trong vấn đề lựa chọn tần số làm việc, dạng điều chế, mức công suất phát cũng như xử lý tín hiệu thu Điều khiển xa cho phép khai thác thiết bị từ xa, lúc này một số tham số của thiết bị phải được lập trình trước trên các kênh nhớ định trước. Chuyển tiếp vô tuyến cho phép tăng cự ly và chuyển hướng thông tin, chức năng này thường chỉ áp dụng đối với các thiết bị làm việc ở dải SCN, dải SN ít áp dụng. h. Nguồn cung cấp: điện mạng (1 pha hoặc 3 pha), điện máy nổ, điện lấy từ động cơ xe ô tô hoặc nguồn đổi điện AC/DC, acqui 24V hay 13,8V. Một số thiết bị loại cầm tay thường dùng nguồn pin nạp có điện áp là bội của 1,2V (Ví dụ như 3,6V; 4,8V; 7,2V; 9,6V và 12V) i. Chế độ làm việc: Trong thông tin vô tuyến khái niệm thông tin là hai chiều và chế độ làm việc được phân chia bao gồm: chế độ đơn công (simplex), bán song công (semi duplex, half duplex) và song công (full duplex). Chế độ đơn công hoặc bán song công: máy thu và máy phát không làm việc đồng thời, khi chuyển phát (PTT) máy thu bị không làm việc và ngược lại 63
muốn thu tín hiệu thì không được khống chế phát. Trong hai chế độ này cho phép trong thiết kế, tuyến thu và tuyến phát dùng chung được nhiều khối chức năng, việc chuyển đổi thông qua các chuyển mạch cao tần, điều này dẫn đến giảm đáng kể kích thước trọng lượng máy cũng như nguồn tiêu thụ. Ở chế độ đơn công, máy thu và máy phát bố trí làm việc trên cùng một tần số cho phép nhiều máy cùng làm việc đồng thời trên một kênh (chế độ hội nghị). Trong chế độ bán song công, máy thu và máy phát bố trí làm việc trên hai tần số khác nhau ít nhất vài lần dải thông của tín hiệu, chế độ này chỉ cho phép các máy lẻ làm việc một hướng với máy trung tâm và ngược lại. Khi máy trung tâm đóng vai trò là một trạm chuyển tiếp vô tuyến (Repeater), các máy lẻ có thể làm việc với nhau như giống như trong chế độ đơn công nhưng trên 2 tần số thu và phát khác nhau, đồng thời cho phép chuyển hướng cũng như tăng cự ly liên lạc. Chế độ song công về bản chất máy thu và máy phát là hai thiết bị độc lập có thể làm việc trên cùng một đường thông tin hoặc làm việc chéo giữa các đường thông tin. Chế độ song công thường thiết kế đối với các thiết bị làm việc ở dải LF, MF và HF với công suất trung bình và công suất lớn. 2.1.2 Các đặc tính kỹ thuật máy phát a. Công suất ra cao tần Công suất cao tần thường được đo trên tải tương đương thuần trở 50Ω . + Đối với máy phát điều tần FM là công suất tại trụ an ten khi không có điều chế. + Đối với máy phát điều biên AM, công suất cao tần bằng tổng công suất của sóng mang và công suất của 2 dải biên. Công suất sóng mang Pc là 2 2 (/2)/VRC hoặc VRC /2 watts (W) (2.1) Công suất của mỗi dải biên là 2 22 (/22)/mVC R hoặc mVC /8 R watts (2.2) Tổng công suất Pt là 22222 PtC=+VRmVRmVR/2 C /8 + C /8 22 =+ (VRmC / 2 )(1 / 2) (2.3) 2 =+PmC (1 / 2) watts ở đây: VC - điện áp cao tần sóng mang R - tải anten tương đương m - hệ số điều biên 64