Đề tài Mô phỏng đường truyền HF trong thiết bị thu Radio

m« pháng ®­êng truyÒn hf trong thiÕt bÞ thu radio 1. Lý do chän h­íng nghiªn cøu Sãng v« tuyÕn ®· vµ ®ang lµm nªn nh÷ng thay ®æi thÇn kú trong mäi lÜnh vùc cña ®êi sèng vµ ®¨c biÖt lµ trong th«ng tin liªn l¹c. Trong øng dông th«ng tin liªn l¹c, sãng v« tuyÕn ®iÖn tõ chia ra thµnh nhiÒu b¨ng sãng, mçi b¨ng sãng ®ã cã nh÷ng øng dông cho c¸c hÖ thèng th«ng tin kh¸c nhau. B¨ng sãng ng¾n HF lµ b¨ng sãng ®iÖn tõ cã tÇn sè tõ 3Mhz tíi 30Mhz, nã ®­îc sö dông chñ yÕu cho ph¸t thanh ®iÒu biªn cù ly xa. Tr­íc ®©y HF ®­îc dïng cho th«ng tin qu«c tÕ víi c¸c dÞch vô th«ng tin b¨ng hÑp nh­ ®iÖn tho¹i Ýt kªnh, ®iÖn b¸o, ®iÖn b¸o truyÒn ¶nh , teletip...,nã cßn ®­îc dïng trong th«ng tin hµng kh«ng, hµng h¶i, ®µi h¶i qu©n. Ngµy nay, mÆc dï th«ng tin v« tuyÕn b¨ng tÇn HF ®· ®­îc thay thÕ ë mét sè dÞch vô b»ng c¸c hÖ thèng th«ng tin vÖ tinh, c¸p biÓn nh­ng nã vÉn lµ mét ph­¬ng tiÖn kh«ng thÓ thiÕu trong ph¸t thanh cù ly xa vµ mét sè d¹ng th«ng tin ®Æc biÖt sö dông trong an ninh quèc phßng, mét l·nh vùc øng dông v« cïng quan träng . Vµ ng­êi ta ®· vµ ®ang nh×n thÊy nh÷ng triÓn väng më réng øng dông cña b¨ng tÇn sãng ng¾n trong nhiÒu l·nh vùc h¬n. Tuy nhiªn, mét vÊn ®Ò vÊp ph¶i ë ®©y lµ muèn sö dông cã hiÖu qu¶ h¬n n÷a b¨ng tÇn HF nµy ta ph¶i kh¾c phôc triÖt ®Ó nh÷ng ¶nh h­ëng cña nhiÔu lªn th«ng tin sãng ng¾n. Nh÷ng ¶nh h­ëng cña c¸c hiÖn t­îng suy hao, t¸n x¹, fading nµy ®· lµm gi¶m ®i rÊt nhiÒu chÊt l­îng cña th«ng tin thËm chÝ nã cã thÓ lµm cho th«ng tin kh«ng thÓ nhËn d¹ng ®­îc. ChÝnh v× vËy mµ viÖc nghiªn cøu vÒ ®­êng truyÒn HF sÏ høa hÑn nhiÒu øng dông thiÕt thùc trong th«ng tin liªn l¹c nh»m n©ng cao h¬n n÷a chÊt l­îng, ph¹m vi øng dông cña b¨ng tÇn sãng ng¾n vµ ®em l¹i nh÷ng hiÖu qu¶ lín h¬n n÷a cho c¸c vÊn ®Ò thùc tÕ. 2. C¸ch thøc nghiªn cøu vµ ph¹m vi nghiªn cøu §Ó nghiªn cøu mét c¸ch trùc quan , thÓ hiÖn vÊn ®Ò mét c¸ch sinh ®éng, nhãm nghiªn cøu chóng t«i quyÕt ®Þnh sö dông ph­¬ng thøc m« pháng b»ng phÇn mÒm §­êng truyÒn HF bao gåm c¸c giai ®o¹n tõ anten ph¸t tíi anten thu qua xö lý t¸ch sãng vµ tíi ®Çu ra m¸y thu. Tuy nhiªn, do h¹n hÑp vÒ mÆt thêi gian, do nh÷ng h¹n chÕ vÒ kiÕn thøc chuyªn m«n nªn chóng t«i chØ nghiªn cøu ®­êng truyÒn HF trong ph¹m vi tõ anten ph¸t qua anten m¸y thu cho tíi ®Çu vµo khèi trén tÇn cña m¸y thu. C¸c tham sè chÝnh ®­îc ®­a vµo ®Ó nghiªn cøu lµ : Suy hao ®­êng truyÒn. T¸n s¾c ®­êng truyÒn HiÖn t­îng fading. HiÖu øng doppler. NhiÔu. C¸c tham sè ®­a vµo m« pháng trong ch­¬ng tr×nh lµ: Suy hao ®­êng truyÒn. HiÖn t­îng fading. 3-S¬ ®å khèi vµ tham sè cña kªnh truyÒn HF PhÇn m« pháng Doppler Fading Suy hao T¸n s¾c NhiÔu M¹ch vµo KhuyÕch ®¹i Trén tÇn IF T¹o dao ®éng T¸ch sãng H×nh.1 S¬ ®å khèi cña mét kªnh th«ng tin HF NÕu m«i tr­êng truyÒn sãng lµ lÝ t­ëng th× c¸c yÕu tè t¸c ®éng vµo kªnh th«ng tin nh­ fading, nhiÔu, hiÖu øng Doppler, t¸n s¾c...lµ b»ng kh«ng.Trong m«i tr­êng thùc ®iÒu nµy lµ kh«ng thÓ, kªnh th«ng tin lu«n bÞ chÌn Ðp bëi c¸c yÕu tè kh«ng mong muèn. Sau ®©y chóng t«i sÏ tr×nh bµy mét c¸ch kh¸i qu¸t vÒ tõng tham sè trªn. 4. C¸c tham sè 4.1- Pha ®inh Pha ®inh lµ sù biÕn thiªn c­êng ®é ®iÖn tr­êng tÝn hiÖu t¹i ®iÓm thu do sù ph¶n x¹ sãng tõ c¸c líp kh«ng ®ång nhÊt trong tÇng ®èi l­u, tÇng ®iÖn ly còng nh­ ph¶n x¹ tõ mÆt ®Êt , do t¸n x¹ , ph¶n x¹ nhiÒu lÇn, do ¶nh h­ëng tõ tr­êng cña qu¶ ®Êt t¹o ra c¸c tia kh«ng b×nh th­êng . . . C¸c tia nµy cïng ®Õn ®iÓm thu víi ®o¹n ®­êng ®i kh¸c nhau. Do mËt ®é ®iÖn tö lu«n biÕn ®æi, líp khÝ quyÓn ë d­íi kh«ng ®ång nhÊt vµ lu«n lu«n biÕn ®æi lµm cho chiÒu dµi cña c¸c tia sãng biÕn thiªn liªn tôc, dÉn ®Õn sai pha cña chóng thay ®æi, lµm cho c­êng ®é tr­êng tæng hîp biÕn thiªn g©y nªn hiÖn t­îng pha ®inh m¹nh lµm xÊu chÊt l­îng tÝn hiÖu thËm chÝ mÊt liªn l¹c . Tuú theo tõng gãc ®é ®¸nh gi¸ mµ ng­êi ta cã thÓ ph©n lo¹i thµnh: Pha ®inh nhanh : Thêi gian biÕn ®æi nhanh theo gi©y, theo phót ,giê Pha ®inh chËm : Thêi gian biÕn ®æi chËm theo ngµy, theo tõng th¸ng,theo c¸c mïa trong n¨m Pha ®inh ph¼ng : ¶nh h­ëng chñ yÕu ®Õn c¸c hÖ thèng vi ba sè tèc ®é thÊp Pha ®inh lùa chän : ¶nh h­ëng chñ yÕu ®Õn c¸c hÖ thèng vi ba sè dung l­îng cao. Pha ®inh ph¶n x¹ tõ mÆt ®Êt : T¹i ®iÓm thu sãng ph¶n x¹ sÏ giao thoa víi sãng tíi t¹o ra c­êng ®é ®iÖn tr­êng tæng, do hiÖu sè ®­êng ®i cña tia ph¶n x¹ vµ tia tíi biÕn ®æi do ®ã c­êng ®é tr­êng biÕn ®æi trong mét giíi h¹n rÊt réng Pha ®inh nhiÒu tia : Do sù kh«ng ®ång nhÊt cña m«i tr­êng truyÒn lan sãng ®Õn ®iÓm thu ngoµi sãng ph¶n x¹ tõ mÆt ®Êt cßn cã sãng ph¶n x¹ tõ c¸c líp kh«ng ®ång nhÊt cña khÝ quyÓn , g©y ra pha ®inh s©u do sù giao thoa cña nhiÒu tia sãng ®Õn ®iÓm thu theo c¸c ®­êng kh¸c nhau, do ®ã c­êng ®é tr­êng thay ®æi nhiÒu . . . C¸c lo¹i pha ®inh nµy cã thÓ xuÊt hiÖn ®éc lËp víi nhau hoÆc xuÊt hiÖn ®ång thêi vµ ®Òu ®Òu ¶nh h­ëng ®Õn th«ng tin sãng ng¾n. Sau ®©y lµ mét sè biÖn ph¸p kh¸c nhau nh»m kh¾c phôc hiÖn t­îng pha ®inh : Dïng ¨ng ten cã ®é réng bóp sãng hÑp ( tÝnh h­íng cao) Sö dông c¸c ph­¬ng ph¸p thu ph©n tËp nh­ Ph©n tËp kh«ng gian, ph©n tËp tÇn sè ph©n tËp ph©n cùc §Ó chèng pha ®inh trong nhiÒu tuyÕn th«ng tin vi ba ng­êi ta cßn sö dông hÖ thèng anten cña c¶ hai tr¹m thu vµ ph¸t cã c¸c d¹ng ph©n cùc kh¸c nhau nh­ ph©n cùc ngang, ph©n cùc th¼ng ®øng, ph©n cùc trßn bªn tr¸i, ph©n cùc trßn bªn ph¶i . 4.2-Suy hao Suy hao sãng lµ mét trong nh÷ng yÕu tè t¸c déng ®Õn c­êng ®é cña tr­êng tÝn hiÖu. Cã nhiÒu nguyªn nh©n g©y ra hiÖn t­îng suy hao cña tr­êng. Khi sãng v« tuyÕn truyÒn trong mét m«i tr­êng ngoµi sù suy hao do m«i tr­êng g©y ra nh­ bÞ hÊp thô trong c¸c ph©n tö khÝ, trong h¬i n­íc..., tæn hao do m©y, m­a, do vËt ch¾n sãng...th× sù tæn hao lín nhÊt chÝnh lµ do sù khuÕch t¸n tÊt yÕu cña sãng ra mäi ph­¬ng, hiÖn t­îng nµy gäi lµ tæn hao trong kh«ng gian tù do. NÕu bøc x¹ ra m«i tr­êng mét c«ng suÊt P1 , ë anten thu chØ nhËn ®­îc mét c«ng suÊt lµ P2 th× hÖ sè tæn hao truyÒn sãng lµ : L=P1/P2 (lÇn) Tr­ßng hîp sãng truyÒn trong kh«ng gian tù do, sù tæn hao chØ do sù khuÕch t¸n tÊt yÕu cña sãng theo mäi ph­¬ng g©y ra mµ kh«ng cã sù hÊp thô cña m«i tr­êng gäi lµ hÖ sè tæn hao tù do. Ltd=P1/P2 (lÇn) Vµ : Ltd=(4P.r)2/(l2. D1.D2) (lÇn) (D1,D2 lµ hÖ sè ®Þnh h­íng cña anten thu &anten ph¸t) Trong thùc tÕ, do t¸c ®éng cña m«i tr­êng lªn qu¸ tr×nh truyÒn sãng nh­ ph¶n x¹ , khóc x¹, t¸n x¹, che ch¾n...g©y nªn hiÖn t­îng suy hao lµm yÕu th«ng tin. Khi ®ã hÖ sè suy hao cña sãng trong m«i tr­êng thùc sÏ lµ L = P1/P2 = Ltd/F =(4P.r)2/((Fl)2. D1.D2) F lµ hÖ sè suy gi¶m do m«i tr­êng (dB) Sãng v« tuyÕn khi truyÒn lan trong tÇng ®èi l­u ngoµi c¸c hiÖn t­îng khóc x¹ , ph¶n x¹ cßn bÞ suy hao do hÊp thô cña c¸c phÇn tö do m©y m­a, hÊp thô do s­¬ng mï, tuyÕt. C¸c hÊp thô nµy phô thuéc vµo tÇn sè ®iÒu kiÖn khÝ t­îng cña tõng vïng vµ ph­¬ng cña tia sãng, gåm : HÊp thô ph©n tö HÊp thô ph©n tö trong tÇng ®èi l­u do ph©n tö h¬i n­íc vµ oxi . HÊp thô ph©n tö phô thuéc vµo tÇn sè , khi tÇn sè f < 10 Ghz th× cã thÓ bá qua do ®ã ®ãi víi sãng HF hÊp thô ph©n tö coi nh­ b»ng kh«ng HÊp thô trong m­a vµ s­¬ng mï HÊp thô sãng trong m­a phô thuéc vµo c­ßng ®é m­a tÝch luü ( ®¬n vÞ mm/h ) 4.3-HiÖu øng Doppler Mét nguån A ph¸t ra sãng cã tÇn sè f truyÒn tíi mét m¸y thu B . nÕu nguån A hay m¸y thu B chuyÓn ®éng th× tÇn sè sãng ®iÖn tõ do m¸y A ph¸t ra sÏ kh¸c víi tÇn sè do nguån B thu ®­îc , ®ã chÝnh lµ hiÖu øng doppler. Gi¶ sö m¸y ph¸t A chuyÓn ®éng lïi xa m¸y thu B víi vËn tèc u, m¸y thu B ®ång thêi chuyÓn ®éng xa m¸y ph¸t A víi vËn tèc u’, vËn tèc truyÒn sãng râ rµng chØ phô thuéc m«i tr­êng truyÒn sãng mµ kh«ng hÒ phô thuéc vµo sù chuyÓn ®éng cña nguån ph¸t do vËy mµ khi nguån ph¸t chuyÓn ®éng th× v kh«ng thay ®æi mµ chØ cã b­¬c sãng l thay ®æi . l l’ u.T A B u’>0 u>0 b b’ a Thùc vËy ,ta biÕt r»ng sãng truyÒn trong kh«ng gian th× tuÇn hoµn víi chu kú b»ng b­íc sãng l ,tøc lµ hai sãng liªn tiÕp ph¸t ra c¸ch nhau mét kho¶ng thêi gian T th× sÏ c¸ch nhau mét ®o¹n l=v.T . NÕu nguån A ®øng yªn th× sau mét kho¶ng thêi gian T , sãng a ®i c¸ch nguån mét ®o¹n l hay chÝnh x¸c th× nã c¸ch sãng b võa ®­îc ph¸t ra lµ l , tuy nhiªn , ë ®©y th× nguån ph¸t l¹i chuyÓn ®éng nªn sau mét thêi gian T th× sãng a chØ cßn c¸nh sãng b lµ l’=l+u.T ®iÒu nay t­¬ng øng víi viÖc coi r»ng b­íc sãng do nguån ph¸t ra ®· bÞ kÐo dµi thªm mét ®o¹n u.T . Khi ®ã th× tÇn sè t­¬ng ®­¬ng cña nã lµ : f=(v-u)/ (l+uT) = f.(v-u)/(v+u) C«ng thøc nµy chøng tá r»ng khi cã sù chuyÓn ®éng t­¬ng ®èi gi÷a m¸y ph¸t vµ m¸y thu th× tÇn sè sãng ®iÖn tõ sÏ bÞ thay ®æi : NÕu chuyÓn ®éng l¹i gÇn nhau th× tÇn sè sÏ cao lªn , nÕu chuyÓn ®éng ra xa nhau th× tÇn sè sÏ thÊp ®i . VÊn ®Ò nay ®Æc biÖt lµm ¶nh h­ëng tíi chÊt l­îng th«ng tin trong hÖ thèng th«ng tin di ®éng cã sö dông b¨ng tÇn HF : Nã lµm thay ®æi tÇn sè sãng mang khiÕn thay ®æi d¹ng cña tÝn hiÖu ®iÒu chÕ vµ kÕt qu¶ lµ lµm mÐo d¹ng tÝn hiÖu. 4.4. NhiÔu trong th«ng tin NhiÔu lµ c¸c tÝn hiÖu ngÉu nhiªn vµ kh«ng dù ®o¸n tr­íc ®­îc. Nã ®­îc t¹o ra bëi c¸c qu¸ tr×nh tù nhiªn c¶ bªn trong vµ bªn ngoµi hÖ thèng truyÒn tin. NhiÔu t¸c ®éng lµm gi¶m tÝnh chÝnh x¸c cña tin tøc vµ nã t¸c ®éng vµo tin tøc theo 2 ph­¬ng thøc lµ ”céng” vµ ”nh©n”. Gäi tÝn hiÖu vµo lµ Sv(t), tÝn hiÖu ra lµ Sr(t),nhiÔu céng vµ nhiÔu nh©n lÇn l­ît lµ Nc(t),Nn(t) ta cã: Sr(t) = Sv(t).Nn(t) + Nc(t) .NhiÔu céng sinh ra tõ c¸c nguån nhiÔu c«ng nghiÖp vµ vò trô vµ nã lu«n lu«n tån t¹i trong m«i tr­êng . .NhiÔu nh©n sinh ra do c¸c ph­¬ng thøc truyÒn tÝn hiÖu hay sù thay ®æi c¸c th«ng sè vËt lý cña m«i tr­êng. §Ó gi¶m ¶nh h­ëng cña nhiÔu lªn tin tøc ®Õn møc tèi thiÓu th× ng­êi ta th­êng sö dông mét sè ph­¬ng ph¸p nh­ : Lµm cho c«ng suÊt tÝn hiÖu t¨ng lªn ®Ó tr¸nh sù chÌn Ðp cña nhiÔu, tuy nhiªn ph­¬ng ph¸p nµy cã nhiÒu khã kh¨n v× c«ng suÊt cña m¸y ph¸t còng chØ cã mét giíi h¹n nhÊt ®Þnh Dïng c¸c bé läc nhiÔu nh­ : .Bé läc nhiÔu thÝch nghi .Bé läc phï hîp tù thÝch nghi. Ngµy nay, víi sù ra ®êi cña kü thuËt sè th× vÊn ®Ò vÒ nhiÔu c¬ b¶n ®­îc gi¶i quyÕt. Trong ph¹m vi ®Ò tµi nµy chóng t«i kh«ng cã ý ®Þnh ®i s©u vµo nghiªn cøu nhiÔu mµ chØ tr×nh bµy s¬ qua vÒ c¸c yÕu tè t¸c ®éng ®Õn tÝn hiÖu trong hÖ thèng th«ng tin 4.5- HiÖn t­îng t¸n s¾c Trªn thùc tÕ , tÝn hiÖu sãng mang bao gåm mét nhãm tÇn sè( chø kh«ng ph¶i lµ mét tÇn sè riªng lÎ nh­ tÝn hiÖu lÝ t­ëng ) , do ®ã , khi tÝn hiÖu nµy mang th«ng tin ®i qua m«i tr­êng kh«ng gian tù do cã chiÕt suÊt thay ®æi theo kh«ng gian vµ thêi gian th× nã bÞ ph©n t¸n tÇn sè (V× vËy mµ ta cßn hay gÆp thuËt ng÷ ‘hiÖn t­îng t¸n tÇn’). §iÒu nay khiÕn cho th«ng tin ë phÝa thu bÞ mÐo d¹ng. 5- §¸nh gi¸ chung ViÖc nghiªn cøu m« pháng kªnh truyÒn HF hiÖn nay ®ang lµ mét vÊn ®Ò mang tÝnh thêi sù. Nh÷ng vÊn ®Ò vÒ n©ng cao chÊt l­îng kªnh truyÒn , t¨ng sè l­îng kªnh cÇn ph¶i ®­îc chó träng h¬n n÷a khi nghiªn cøu vÒ sãng ng¾n . C«ng tr×nh nghiªn cøu khoa häc sinh viªn lÇn nµy cña chóng t«i tËp trung vµo nh÷ng ¶nh h­ëng kh«ng tèt cña m«i tr­êng cña ®­êng truyÒn trong c¸c thiÕt bÞ thu tíi kªnh truyÒn HF ®Ó tõ ®ã cã thÓ t×m ra nh÷ng biÖn ph¸p kh¾c phôc c¸c ¶nh h­ëng ®ã n©ng cao chÊt l­îng kªnh truyÒn. Trªn c¬ së nghiªn cøu lÇn nµy chóng t«i ®· vµ ®ang më réng thªm kiÕn thøc chuyªn m«n nh»m cã thÓ nghiªn cøu s©u h¬n n÷a vÒ vÊn ®Ò nµy nh­ xÐt kÜ h¬n c¸c ¶nh h­ëng cña m«i tr­êng, cña c¸c thiÕt bÞ truyÒn dÉn , më réng ph¹m vi nghiªn cøu ,®­a ra c¸c ph­¬ng ¸n gi¶i quyÕt mang tÝnh kh¶ thi h¬n vµ hi väng r»ng chóng ta sÏ cßn tiÕp tôc nghiªn cøu vÒ vÊn ®Ò nµy ë møc ®é s©u s¾c h¬n n÷a.