Mô phỏng đường truyền HF trong thiết bị thu Radio
Băng sóng ngắn HF là băng sóng điện từ có tần số từ 3Mhz tới 30Mhz, nó được sử dụng chủ yếu cho phát thanh điều biên cự ly xa. Trước đây HF được dùng cho thông tin quôc tế với các dịch vụ thông tin băng hẹp như điện thoại ít kênh, điện báo, điện báo truyền ảnh , teletip...,nó còn được dùng trong thông tin hàng không, hàng hải, đài hải quân. Ngày nay, mặc dù thông tin vô tuyến băng tần HF đ• được thay thế ở một số dịch vụ bằng các hệ thống thông tin......
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. Tr íc ®©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 t îng fading.
HiÖu øng doppler.
NhiÔu.
C¸c tham sè ®a vµo m« pháng trong ch¬ng tr×nh lµ:
Suy hao ®êng truyÒn.
HiÖn t îng fading.
3-S¬ ®å khèi vµ tham sè cña kªnh truyÒn HF
Doppler Fading
NhiÔu
T¸n s¾c
M ¹ch K huyÕch Tr én IF T¸ch
Suy hao
vµo ®¹i t Çn sãng
T¹o dao
®éng
PhÇn m« pháng
H×nh.1 S¬ ®å khèi cña mét kªnh th«ng tin HF
NÕu m«i tr êng truyÒn sãng lµ lÝ t ëng 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 tr êng 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 tr êng 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
tr êng cña qu¶ ®Êt t¹o ra c¸c tia kh«ng b×nh th êng . . . 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 tr êng tæng hîp biÕn thiªn g©y nªn hiÖn t îng 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 l -
îng
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 tr êng tæng, do hiÖu sè ®êng ®i cña tia
ph¶n x¹ vµ tia tíi biÕn ®æi do ®ã cêng ®é tr êng biÕn ®æi trong mét giíi
h¹n rÊt réng
- Pha ®inh nhiÒu tia : Do sù kh«ng ®ång nhÊt cña m«i tr êng 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 tr êng 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 t îng 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 tr êng
tÝn hiÖu. Cã nhiÒu nguyªn nh©n g©y ra hiÖn t îng suy hao cña tr êng. Khi
sãng v« tuyÕn truyÒn trong mét m«i tr êng ngoµi sù suy hao do m«i tr êng
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 t îng nµy gäi lµ tæn hao
trong kh«ng gian tù do.
NÕu bøc x¹ ra m«i tr êng 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=P 1/P 2 (lÇn)
Tr ßng 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 tr êng gäi lµ hÖ sè tæn hao tù do.
L td =P 1/P 2 (lÇn)
Vµ :
L td =(4Π.r) 2/(λ 2. D 1.D 2) (lÇn)
(D 1,D 2 lµ hÖ sè ®Þnh híng cña anten thu &anten ph¸t)
Trong thùc tÕ, do t¸c ®éng cña m«i tr êng lªn qu¸ tr×nh truyÒn sãng nh ph¶n
x¹ , khóc x¹, t¸n x¹, che ch¾n...g©y nªn hiÖn t îng suy hao lµm yÕu th«ng tin.
Khi ®ã hÖ sè suy hao cña sãng trong m«i tr êng thùc sÏ lµ
L = P 1/P 2 = L td /F =(4Π.r) 2/((F λ) 2. D 1.D 2)
F lµ hÖ sè suy gi¶m do m«i tr êng (dB)
Sãng v« tuyÕn khi truyÒn lan trong tÇng ®èi lu ngoµi c¸c hiÖn t îng 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 t -
îng cña tõng vïng vµ ph¬ng cña tia sãng, gåm :
a) 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
b) 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 tr êng 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 λ thay ®æi .
Thùc vËy ,ta biÕt r»ng sãng truyÒn trong kh«ng gian th× tuÇn hoµn víi
chu kú b»ng bíc sãng λ ,tøc lµ hai sãng liªn tiÕp ph¸t ra c¸ch nhau mét
λ
kho¶ng thêi gian T th× sÏ c¸ch nhau mét ®o¹n λ=v.T .
u>0 u’>0
A B
u.T λ’
b b’ a
NÕu nguån A ®øng yªn th× sau mét kho¶ng thêi gian T , sãng a ®i c¸ch
nguån mét ®o¹n λ hay chÝnh x¸c th× nã c¸ch sãng b võa ®îc ph¸t ra lµ λ ,
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 λ’=λ+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)/ (λ+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 tr íc ®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 N c(t),N n (t) ta cã:
Sr (t) = Sv(t).N n (t) + N c(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 tr êng .
.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 tr êng.
§Ó gi¶m ¶nh hëng cña nhiÔu lªn tin tøc ®Õn møc tèi thiÓu th× ngêi ta
th êng 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 t ëng ) , do ®ã , khi
tÝn hiÖu nµy mang th«ng tin ®i qua m«i tr êng 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 t îng 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 tr êng 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 tr êng, 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.
