Đồ án Thiết kế và thi công mạch điều khiển thiết bị bằng máy tính dùng sóng vô tuyến

Chương 5 TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN V.1 Giới thiệu: Truyền thông bằng sóng vô tuyến được thực hiện bằng sóng điện từ truyền qua bầu khí quyển của trái đất hay vào không gian trên một khoảng cách xa mà không cần dùng dây. Sóng điện từ có tần số từ 100 Hz trong dải tần ELF (Extremely Low Frequency) cho đến 300 GHz trong dải tần EHF(Extremely High Frequency) được dùng cho mục đích truyền thông. Gần đây người ta dùng đến dải tần nằm gần các bước sóng ánh sáng thấy được có tần số xấp xỉ 1015 Hz. Một số tính chất cơ bản sóng điện từ ngang TEM (Transverse Electro Magnetic). Mặc dù trong thực tế trường điện và trường từ tồn tại đồng thời,các Anten được thiết kế để chỉ làm việc với một hai loại trường trên. Về cơ bản, để phát ra một sóng điện từ vào không gian, một điện tích phải tăng tốc, điều này có nghĩa là dòng điện trong các thành phần phát xạ phải thay đổi theo thời gian. V.2 Quá trình truyền trong không gian tự do: V.2.1 Các chế độ truyền: Xét công suất trung bình PT, giả sử là được phát theo mọi hướng (đẳng hướng – Isotropic). Điều này có nghĩa là phân bố đều trên mặt cầu tất cả các sóng được phát ra từ nguồn, vì vậy ở cự ly d, mật độ công suất sóng hay công suất trên một đơn vị diện tích là: [W/m2] (V.1) Với : là diện tích bề mặt của quả cầu bán kính d, có tâm là nguồn phát sóng. PDi : đặc trưng cho mật độ công suất đẳng hướng. Ta thấy hầu như tất cả các Anten đều có một đặc tính hướng tính riêng là, nó phát xạ nhiều công suất hơn trong một số hướng có độ rộng kém hơn các hướng còn lại. Độ lợi hướng tính là tỷ số của mật độ công suất thật sự doc theo trục phát xạ của Anten với thành phần công suất được tạo ra bởi Anten đẳng hướng tại cùng một cự ly và có cùng công suất nguồn đầu vào. Cho: GT là độ lợi hướng tính cực đại của Anten phát, mật độ công suất theo hướng phát xạ cực đại là: PD = PDiGT = (V.2) Anten thu có thể được điều chỉnh vị trí để nó có thể nhận được công suât cực đại từ sóng. Khi ở vị trí này, cho PR công suất tiêu tán trên tải của Anten dưới điều kiện tương thích; thì Anten có thể xem như có một diện tích hiệu dụng (Effective Area) hay khẩu độ (Aperture) là Aeff, trong đó: PR = PDAeff = (V.3) Như vậy tỷ số hướng tính cực đại trên diện tích hiệu dụng của bất kỳ Anten là : (V.4) Trong đó: l là bước sóng của sóng được phát. Cho GR là độ lợi hướng tính cực đại của Anten thu, thì phương trình (V.3) và (V.4) sẽ có: (V.5) Đây là phương trình cơ bản cho quá trình truyền sóng trong không gian tự do. Thông thường nó biểu diễn theo tần số f tính theo MHz và d tính theo Km. Ta có: c = lf thay vào phương trình (V.5) => (V.6) Nếu ta biểu diễn dưới dạng dB (Decibel) thì phương trình (V.6) được viết lại như sau: (V.7) Thành phần chính là suy hao tính theo dB, nó là kết quả của quá trình phân tán sóng trong khi truyền ra xa nguồn và được gọi là hệ số suy hao đường truyền L. Như vậy: L = (V.8) Trong đó: d tính theo Km f tính theo MHz Phương trình (V.7) sẽ trở thành: (V.9) V.2.2 Các hệ thống vi ba: Các sóng điện từ viba hoạt động trên dải tần trên 1GHz, chủ yếu theo phương truyền thẳng (Line of Sight) hay trong chế độ không gian tự do, cả trên mặt đất hay trong các hệ thống vệ tinh. Từ năm 1950, các hệ thống viba trở nên phổ biến cho các hệ thống truyền thông thoại theo khoảng cách xa. Các hệ thống này này cung cấp băng thông cần thiết và độ tin cậy để cho phép hàng ngàn kênh thoại cũng như trên truyền hình được truyền đi trên cùng một đường đi và qua cùng các thiết bị. Tần số sóng mang só dải tần từ 3 ÷ 12 GHz. Vì sóng viba được truyền theo phương truyền thẳng, cho nên cần phải có các trạm lặp trong vòng 50Km. Điều này làm cho giá thành thiết bị rất cao, nhưng dễ tăng dung lượng kênh. Công suất phát thấp (có thể thấp hơn 1W) vì nó dùng các Anten có độ lợi hướng tính cao. V.3 Truyền sóng trong tầng đối lưu (Tropospheric Propagation): V.3.1 Các mode truyền sóng: Tầng đối lưu là vùng khí quyển nằm kế cận bề mặt trái đất và có độ cao hàng chục Km. Trong vùng này các điều kiện truyền sóng trong không gian tự do bị thay đổi do bề mặt cong của trái đất và do bầu khí quyển của trái đất. V.3.2 Đường chân trời vô tuyến (Radio Horizon): Độ cong của mặt đất có ảnh hưởng rất quan trọng đối với việc giới hạn cự ly phát sóng. Cự ly này lớn hơn tầm nhìn thấy, do ảnh hưởng của bầu khí quyển làm bẻ cong tia sóng điện từ, từ đó nó truyền đi xa hơn tầm nhìn thấy. V.3.3 Bản đồ cong: Tất cả các kết quả tìm được đều rất khác xa với điều kiện thực tế (có nghĩa là truyền trên mặt nước hay truyền trên mặt đất phẳng). Những nơi trên trái đất mà đường cong của bề mặt trái đất được cho là nhấp nhô, một bản đồ biến thiên được vẽ để cho phép giả thuyết các đường truyền. Một đồ thị được vẽ với mục đích đặc biệt này, với các đường hoành độ là các đường cong theo các bán kính hiệu dụng a’ = 4/3a với a là bán kính thực của trái đất, và đồ thị có thể được vẽ với d tính theo miles và độ cao tính theo feet (hoặc d tính theo Km và độ cao tính theo m). Hình 5.1 cho thấy ví dụ về bản đồ biến thiên. Hình 5.1 – Ví dụ về bản đồ đồng mức cho các phương thức truyền sóng Đồng thời xuất hiện vấn đề là tồn tại các vùng cao, trong đó có các công trình xây dựng và các kiến trúc có thể gây ra nhiều phản xạ và cản trở, đặc biệt là có ảnh hưởng nhiều đến các thiết bị vô tuyến di động. Cách giải quyết tốt vấn đề này là tiến hành đo đạt thử nghiệm kết quả trường để xác định vị trí thích hợp cho trạm chính. V.3.4 Siêu khúc xạ và khúc xạ phụ (Superrefraction and subrefraction): Tính chất bất thường của bầu khí quyển tác động đến quá trình truyền sóng trong tầng đối lưu. Siêu khúc xạ xảy ra khi chỉ số khúc xạ giảm theo độ cao với mức độ nhanh hơn bình thường. Sóng điện từ có thể phản xạ trở lại mặt đất hình thành đường truyền như trong hình 5.2 . Trong trường hợp này, cự ly thông tin tăng đáng kể. Tuy nhiên có điều bất lợi là kết quả không đủ tin cậy để có thể sử dụng trong các hệ thống truyền thông thương mại, nó thường gặp trong một số hiện tượng xuyên nhiễu ở khoảng cách xa bất thường tại dải tần VHF. (a) (b) (c) Hình 5.2 – (a) Siêu khúc xạ (b) Khúc xạ phụ (c) Truyền tán xạ trong tần đối lưu Khi nhiệt độ tăng theo độ cao (được gọi là đảo nhiệt), nó sẽ làm tăng hiện tượng siêu khúc xạ, cũng như tăng độ ẩm theo độ cao. Gần như có thể thấy rõ là cả 2 có ảnh hưởng lẫn nhau. Vùng mà trong đó hiện tượng siêu khúc xạ xảy ra được gọi là ống dẫn (duct), nó có thể tồn tại trên mặt đất hay cả trên một tầng khí quyển ở một độ cao nào đó, giống như hình 5.2a. Có một hiện tượng khác có ảnh hưởng trái ngược với hiện tượng trên được gọi là hiện tượng khúc xạ phụ, trong đó tia sóng bị bẻ cong đi lên, hình 5.2b cho thấy điều này. Sự không đồng nhất của tầng khí quyển cũng có thể làm tăng tán xạ các tín hiệu điện từ, và bằng cách dùng các Anten có độ lợi đủ cao, công suất phát lớn, có thể thiết lập một cách tin cậy các đường truyền thông với cự ly xa hình 5.2c. Phương pháp này gọi là truyền các tán xạ trong tầng đối lưu (Tropospheric Scatter Propagation); cự ly có thể tăng lên đến 400 miles, trong khoảng tần số từ 40 cho đến 400MHz. V.3.5 Suy hao trong tầng khí quyển (Atmospheric Attenuation): Các sóng không gian bị ảnh hưởng mạnh bởi các điều kiện khí quyển, nhưng chỉ ảnh hưởng mạnh trong phạm vi sóng siêu cao tần trong đó nó có tầm trên 10GHz. Mưa nặng hạt tại các vùng nhiệt đới làm suy hao nghiêm trọng các sóng điện từ trên 10GHz, trong khi mưa vừa, mây và sương mù sẽ ảnh hưởng suy hao nghiêm trọng đến các sóng điện từ có tần số trên 30GHz. Mưa đá có ảnh hưởng ít, ngoại trừ các tần số siêu cao (trên 100GHz), và ảnh hưởng của tuyết không đáng kể tại tất cả các tần số. Các phân tử khí trong không khí cũng có thể làm suy hao sóng điện từ. Các dao động cộng hưởng của phân tử nước làm hấp thụ mạnh các sóng có bước sóng từ 1,35 mm và 1,7mm. Tương tự các phần tử O2 hấp thụ mạnh tại các bước sóng 5mm và 2,5mm. Rõ ràng cần tránh các tần số xảy ra cộng hưởng trong quá trình truyền sóng không gian. V.4 Sóng mặt (Surface wave): V.4.1 Các chế độ truyền sóng: Quá trình truyền sóng gần với bề mặt trái đất sẽ theo một đường cong của bề mặt trái đất do ảnh hưởng của một hiện tượng gọi là nhiễu xạ. Ảnh hưởng nhiễu xạ phụ thuộc vào bước sóng trong đó quan hệ đến kích thước của vật thể, mà nó lớn hơn các bước sóng dài. Trong trường hợp sóng điện từ, vật thể được bao quanh bởi sóng là trái đất, và sóng mặt là thành phần quang trọng tại tần số dưới 2MHz. Độ điện dẫn và hằng số điện môi của bề mặt là các thành phần quang trọng trong quá trình truyền sóng mặt, các sóng sẽ tạo ra cả dòng điện dẫn và dòng điện dịch trong bề mặt. Các dòng này có thể đi sâu 1 m cho các tần số cao nhất đến hàng chục mét tại các tần số thấp nhất, vì thế trong thực tế độ cao của các bề mặt là không quan trọng. Các suy hao trên bề mặt xảy ra khi sóng đi ngang qua nó. Các suy hao tăng khi tần số tăng, là yếu tố giới hạn sử dụng tần số sóng mặt dưới 2MHz. Trong thực tế, sóng mặt luôn là sóng phân cực đứng, điện dẫn của đất có tác dụng làm ngắn mạch bất kỳ thành phần trường điện ngang nào. V.4.2 Sóng đất (Ground wave): Với các tần số đủ nhỏ, thì độ cao của Anten trên mặt đất so với bước sóng đủ nhỏ, thành phần sóng tới trực tiếp và sóng phản xạ từ đất triệt tiêu lẫn nhau, chỉ còn có thành phần sóng mặt. Tại các tần số cao hơn, các Anten có độ cao để sóng không gian có thể so sánh với sóng mặt, kết quả là tổng các vector pha. Như vậy cuối cùng nó hình thành sóng đất. Hình 5.3b minh họa cho vấn đề này. Thông thường cường độ trường của sóng đất lớn hơn cường độ của sóng bề mặt, và điều này được tính bằng cách đưa ra một hệ số nhân được gọi là hệ số độ lợi theo độ cao (Heigh Gain) trong phương trình sau: Hệ số độ lợi theo độ cao phụ thuộc vào chiều cao vật lý của Anten phát và Anten thu và đồng thời phụ thuộc vào hệ số để xác định hệ số suy hao A. Giống như A hệ số độ lợi theo độ cao được vẽ sẵn trong các đồ thị cho một dải rộng các điều kiện thực tế. V.4.3 Vùng Fading trong hệ thống phát thanh vô tuyến: Các dịch vụ phát thanh bằng sóng trung (550 cho đến 1600KHz) thông thường dùng sóng mặt. Tuy nhiên, một số năng lượng sẽ được truyền qua tầng điện ly trong suốt thời gian ban ngày nó hầu như bị hấp thụ bởi lớp D. Suốt thời gian ban đêm, một phần thích hợp của sóng trong tần điện ly sẽ được phản hồi về trái đất, mở rộng tầm dịch vụ của trạm ra xa hơn vùng được bao phủ bởi sóng mặt. Cũng có vùng trong đó cả sóng mặt và sóng trong tầng điện ly có biên độ gần như nhau và cường độ tín hiệu cuối cùng là tổng vector của hai thành phần. Một nhược điểm là các thay đổi bất thường trong tầng điện ly sẽ tạo ra các thay đổi bất thường về pha của sóng phản xạ so với sóng bề mặt, kết quả là Fading nghiêm trọng xảy ra trong sóng tổng hợp. Vùng mà trong đó xảy ra hiện tượng này được gọi là vùng Fading trong hệ thống phát thanh vô tuyến, nó được mô tả trong hình 5.3c. V.5 Truyền sóng với tầng số thấp (Low Frequency) và tần số rất thấp (Very Low Frequency): Tại tầng số thấp khoảng 300KHz, để tiện lợi, xét quá trình truyền sóng thành 2 dải: 3 đến 30KHz, được gọi là dải tần rất thấp VLF (Very Low Frequency), và từ 30 đến 300KHz được gọi là dải tần số thấp LF (Low Frequency). Tại các tần số của các dải này, quá trình truyền bằng sóng mặt đạt đến khoảng cách 1000Km; xa hơn nữa, sóng trời thể hiện tầm quang trọng nhiều hơn. Sóng trời được truyền bằng nhiều quãng đường truyền giữa tầng điện ly và bề mặt trái đất. Trong phần LF của dải, các tính toán lý thuyết dựa vào quá trình truyền nhiều quãng đường cho sóng TEM đáp ứng được các yêu cầu, trong khi trong dải VLF, quá trình truyền tốt nhất xảy ra với mode sóng TM trong mode sóng ống dẫn sóng, tầng điện ly và mặt đất hình thành hai thành ống cho ống dẫn sóng cong. Do tầng số sóng mang thấp và băng thông thích hợp hẹp, các kênh truyền thông bị giới hạn ở tốc độ dữ liệu thấp. Có các dịch vụ phát thanh vô tuyến cho các tần số chuẩn và các giờ phát thanh khác nhau ở các quốc gia khác nhau. Đặc trưng chính của các tần số thấp và rất thấp là nó có thể cung cấp một đường kết nối thông tin có độ tin cậy cao. Tất nhiên, cấu trúc Anten phải rất lớn, và đây là điều bất lợi gây ra tính kém hiệu quả của hệ thống. V.6 Truyền sóng với tầng số cực thấp (Extremely Low Frequency): Tần số cực thấp ELF (Extremely Low Frequency) được dùng khi cần xuyên qua các độ sâu qua mặt đất và đại dương. Động lực để hệ thống này phát triển là các nhu cầu truyền thông giữa các tàu ngầm, đặc biệt là từ hệ thống phòng thủ hạt nhân. Dải ELF mở rộng từ 30Hz cho đến 300Hz, tương ứng với tầm bước sóng là 10000 Km (6210 miles) cho đến 1000Km (621 miles). Các hiệu quả bức xạ của sóng điện từ đòi hỏi kích thước Anten gần với bước sóng được phát xạ, và điều kiện này có thể thực hiện trong dải ELF. Như đã chỉ ra thành phần truyền sóng VLF, quá trình truyền sóng trên mặt đất có thể xem như là quá trình truyền sóng trong ống dẫn sóng, trái đất và tầng điện ly hình thành các thành ống dẫn sóng. Do bước sóng rất dài, các Anten phát phải đặt chìm trên mặt phẳng. Chiều dài của Anten cũng rất kém hơn rất nhiều so với chiều dài bước sóng. Người ta thấy là thành phần trường xa chứa thành phần từ trường ngang và thành phần điện trường đứng, và quá trình truyền trong ống dẫn sóng mặt đất. Khi đó cũng xảy ra rò rĩ trường, hướng đi vào bề mặt trái đất, và mặt phụ của quá trình truyền thông sử dụng thành phần rò rĩ này. Thành phần trường rò rĩ là mặt phẳng sóng TEM trong đó cho phép truyền tương tự như phương trình: ( Vs là độ lớn của điện áp ở đầu vào hay đầu phát của đường dây; ) cho điện áp trên đường dây truyền dẫn. Một đặc điểm quang trọng của quá trình truyền sóng ELF là nhiễu tại bề mặt sẽ đồng thời giảm khi nó đi vào trái đất, cho nên tỷ số tín hiệu trên nhiễu khi nó được truyền có thể xem như là độc lập với độ sâu. Đồng thời, nhiễu trong bầu khí quyển cũng hầu như giảm bớt và chứa các đỉnh nhọn mà có thể dễ dàng loại trừ bằng cách đơn giản là giới hạn các đỉnh tại đầu thu. Nước biển làm phẳng các đỉnh, và để cho các giới hạn nhiễu hoàn toàn có hiệu quả cần thiết phải gộp chung một bộ lọc biển nghịch đảo (Inverse Ocean Filter) trong đầu thu của bộ giới hạn. Tất nhiên, khi cộng với nhiễu khí quyển, nhiễu sẽ được phát ra tại đầu thu, điều này sẽ tạo một giới hạn trên độ nhạy của đầu thu. Quá trình truyền ELF chỉ thích hợp cho các tín hiệu một chiều, từ các trạm mặt đất công suất cao đến các trạm thu trên bề mặt phụ. Các khó khăn trong thực tế là cần các Anten phát lớn và công suất lớn tại bề mặt phụ ngăn cản quá trình truyền qua bề mặt. Đồng thời, nhiễu khí quyển, trong đó suy hao theo đường truyền xuống, tăng theo bề mặt, tất cả các yếu tố đó tạo nên khó khăn khi thiết kế đường truyền 2 chiều.