quá trình truyền lan sóng trong không gian tự do [tuyền dẫn vô tuyến]

Truyền lan sóng trong không gian tự do Phương Hùng – Hồng Nhân
LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm vừa qua hệ thống thông tin vô tuyến đã được sử dụng rộng rãi
trên phạm vi toàn thế giới đặc biệt là trong ngành viễn thông và truyền dữ liệu. Bên
cạnh đó cuộc sống ngày càng nâng cao thì nhu cầu của con người về trao đổi thông tin
ngày càng nhanh và phải đạt hiệu quả cao. Để đáp ứng những nhu cầu đó,đòi hỏi mạnh
lưới viễn thông phải có tốc độ cao, dung lượng lớn. Bên cạnh đó một tuyến truyền dẫn
vô tuyến khi tuyến làm phương pháp truyền dẫn tín hiệu, đem lại phương thức truyền
dẫn, thiết kế phù hợp với những thông số và công thức chính xác. Mở rộng dung lượng
là công nghệ truyền dẫn siêu lớn, suy hao truyền dẫn nhỏ,bảo mật tốt nhưng dễ bị ảnh
hưởng trong quá trình truyền lan song trong các môi trường. Chính vì thế em đã chọn
đề tài:”quá trình truyền lan sóng trong không gian tự do “ .
Tuy nhiên quá trình làm đồ án không tránh khỏi thiếu xót, rất mong nhận được sự
đóng góp ý của thầy cô và các bạn. Và em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận
tình của thầy giáo bộ môn Nguyễn Vũ Anh Quang.
GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Trang 1
Truyền lan sóng trong không gian tự do Phương Hùng – Hồng Nhân
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU 1
MỤC LỤC 2
DANH MỤC HÌNH VẼ: 4
CHƯƠNG 1 QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG 5
TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO 5
1.1 Cơ sở lí thuyết về truyền lan sóng: 5
1.1.1 Kênh truyền sóng trong môi trường không gian: 5
1.1.2 Khái niệm về sóng điện từ: 5
1.1.3 Các phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực: 5
1.1.3.1 Truyền lan sóng bề mặt: 5
1.1.3.2 Truyền lan sóng không gian: 6
1.1.3.3 Truyền lan sóng trời: 7
1.1.3.4 Truyền lan sóng tự do: 7

1.1.4 Công thức truyền lan sóng trong không gian tự do: 8
1.1.4.1 Mật độ thông lượng công suất, cường độ điện trường: 8
1.1.5 Các hiện tường xảy ra trong truyền lan sóng: 10
1.1.5.1 Phản xạ: 10
1.1.5.2 Khúc xạ: 10
1.1.5.3 Nhiễu xạ: 10
1.1.5.4 Fading: 11
1.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng truyền lan sóng trong không
gian tự do: 12
1.2.1 Hiện tượng đa đường (Multipath) : 12
1.2.2 Hiệu ứng Doppler: 12
1.2.3 Suy hao trên đường truyền: 14
1.2.4 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing): 14
CHƯƠNG 2 GIẢI BĂNG TẦN 15
2.1 Định nghĩa băng tần: 15
2.2 Phân loại và ứng dụng băng tần: 15
2.3 Khảo sát một số loại băng tần: 16
2.3.1 Băng tần 700 MHz: 16
2.3.2 Băng tần 900 MHz: 16
2.3.4 Băng tần 1800 MHz: 16
GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Trang 2
Truyền lan sóng trong không gian tự do Phương Hùng – Hồng Nhân
2.3.5 Băng tần 2100 MHz: 17
Chương III MIỀN FRESNEL 18
3.1 Công thức huyghen: 18
3.2 Miền fresnel: 20
CHƯƠNG 4 TỔN HAO TRONG TRUYỀN SÓNG 24
VÀ BIỆN PHÁP PHÒNG CHỐNG 24
4.1 Truyền lan sóng phẳng trong môi trường vô tuyến Fadinh di động: 24
24

4.1.1 Ảnh hưởng phạm vi rộng 26
4.2.2 Ảnh hưởng phạm vi hẹp 26
4.2 Kênh tần số trong miền không gian: 27
4.2 Kênh truyền sóng trong miền tần số: 28
4.3 Kênh truyền sóng trong miền không gian: 29
4.4 Các loại phađinh hẹp: 30
CHƯƠNG 5 KHẢO SÁT TỔN HAO KHI TRUYỀN SÓNG TRONG KHÔNG
GIAN TỰ DO BẰNG MATLAB 31
TÀI LIỆU THAM KHẢO 34
GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Trang 3
Truyền lan sóng trong không gian tự do Phương Hùng – Hồng Nhân
DANH MỤC HÌNH VẼ:
Hình 1.1: Quá trình truyền lan sóng bề mặt 5
Hình 1.2: Truyền lan sóng không gian 6
Hình 1.3 truyền lan sóng trời 7
Hình 1.4 Sự truyền lan sóng tự do 7
Hình 1.5 Các phương thức truyền sóng vô tuyến điện 8
Hình 1.6: Bức xạ của nguồn bức xạ vô hướng trong không gian tự do 8
Hình1.7: Nguồn bức xạ có hướng 9
Hình 2.1 Hiện tượng truyền sóng đa đường 12
Hình 2.3: Mật độ phổ của tín hiệu thu 14
Hình 3.1 xác định trường theo nguyên lí huyghen 18
Hình 3.2 Biểu diễn nguyên lý Huyghen trong không gian tự do 20
Hình 3.3: Miền fresnel 20
Hình 3.4: Nguyên lý cấu tạo miền Fresnel trên mặt sóng cầu 21
Hình 3.5: Xác định bán kính miền Fresnel 22
Hình 3.6: Vùng tham gia vào quá trình truyền lan sóng 23
Hình 4.1 Truyền sóng vô tuyến 24
Hình 4.2 Góc tới αi của sóng tới i minh họa hiệu ứng Doppler 25
Hình 4.3 Suy hao đường truyền và che tối 26

Hình 4.4 Các ảnh hưởng phạm vi hẹp trong kênh vô tuyến 26
Hình 5.1: Giao diện các thông số trong tuyến 31
Hình 5.2: Các thông số trong quá trình truyền sóng 32
Hình 5.3: Công suất thu tăng khi công suất phát tăng 32
Hình 5.4: Sự thay đổi của công suất thu khi tăng tần số phát 33
GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Trang 4
Truyền lan sóng trong không gian tự do Phương Hùng – Hồng Nhân
CHƯƠNG 1 QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG
TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO
1.1 Cơ sở lí thuyết về truyền lan sóng:
1.1.1 Kênh truyền sóng trong môi trường không gian:
Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà tín
hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu. Không giống như kênh truyền hữu tuyến là
ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và
không hề dễ dàng trong việc phân tích. Tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô
tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ
1.1.2 Khái niệm về sóng điện từ:
Sóng điện từ (hay bức xạ điện từ) là sự kết hợp (nhân vector) của dao động điện
trường và từ trường vuông góc với nhau, lan truyền trong không gian như sóng. Sóng
điện từ cũng bị lượng tử hoá thành những "đợt sóng" có tính chất như các hạt chuyển
động gọi là photon.
Khi lan truyền, sóng điện từ mang theo năng lượng, động lượng và thông tin.
Sóng điện từ với bước sóng nằm trong khoảng 400 nm và 700 nm có thể được quan sát
bằng mắt người và gọi là ánh sáng.
1.1.3 Các phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực:
1.1.3.1 Truyền lan sóng bề mặt:
Sóng bề mặt truyền lan tiếp xúc trực tiếp với bề mặt trái đất. Bề mặt quả đất là một
môi trường bán dẫn điện, khi một sóng điện từ bức xạ từ một anten đặt thẳng đứng trên
mặt đất, các đường sức điện trường được khép kín nhờ dòng dẫn trên bề mặt quả đất
như chỉ ra ở hình 1.1. Nếu gặp vật chắn trên đường truyền lan, sóng sẽ nhiễu xạ qua

vật chắn và truyền lan ra phía sau vật chắn.
Hình 1.1: Quá trình truyền lan sóng bề mặt
GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Trang 5
Truyền lan sóng trong không gian tự do Phương Hùng – Hồng Nhân
Như vậy sự truyền lan sóng bề mặt có thể dùng để truyền tất cả các băng sóng.
Tuy nhiên, sóng bề mặt bị suy giảm nhiều do sự hấp thụ của trái đất. Sự suy giảm phụ
thuộc vào tần số, khi tần số tăng thì sự suy giảm càng lớn. Hơn nữa khả năng nhiễu xạ
qua vất chắn trên đường truyền phụ thuộc vào độ cao tương đối của vật chắn so với
bước sóng. Với các loại đất có độ dẫn điện lớn như mặt biển, đất ẩm thì sóng ít bị suy
hao trong đất, làm cho cường độ trường tại điểm thu tăng lên. Các sóng vô tuyến điện
có bước sóng lớn khả năng nhiễu xạ mạnh và bị mặt đất hấp thụ nhỏ. Bởi vậy sóng bề
mặt được sử dụng để truyền lan các băng sóng dài và sóng trung như trong hệ thống
phát thanh điều biên, hay sử dụng cho thông tin trên biển
1.1.3.2 Truyền lan sóng không gian:
Lớp khí quyển bao quanh quả đất có độ cao từ 0 đến 11km (với tầng đối lưu tiêu
chuẩn), gọi là tầng đối lưu. Các hiện tượng thời tiết như sương mù mưa, bão, tuyết
đều xẩy ra trong tầng đối lưu và ảnh hưởng rất lớn đến quá trình truyền lan sóng vô
tuyến điện. Nếu hai anten thu và phát đặt cao (nhiều lần so với bước sóng công tác)
trên mặt đất thì sóng có thể truyền trực tiếp từ anten phát đến anten thu, hoặc phản xạ
từ mặt đất, hoặc lợi dụng sự không đồng nhất của một vùng nào đó trong tầng đối lưu
để tán xạ sóng vô tuyến dùng cho thông tin gọi là thông tin tán xạ tầng đối lưu. Các
phương thức thông tin như trên gọi là truyền lan sóng không gian hay sóng tầng đối
lưu.
Phương thức truyền lan sóng không gian thường được sử dụng cho thông tin ở
băng sóng cực ngắn (VHF, UHF, SHF), như truyền hình, các hệ thống vi ba như hệ
thống chuyển tiếp trên mặt đất, hệ thống thông tin di động, thông tin vệ tinh
Hình 1.2: Truyền lan sóng không gian
GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Trang 6
Truyền lan sóng trong không gian tự do Phương Hùng – Hồng Nhân
1.1.3.3 Truyền lan sóng trời:

Lớp khí quyển ở độ cao khoảng 60 km đến 600 km bị ion hoá rất mạnh chủ yếu do
năng lượng bức xạ của mặt trời, tạo thành một lớp khí bao gồm chủ yếu là điện tử tự
do và các ion. Lớp khí quyển đó được gọi là tầng điện ly. Tính chất đặc biệt của tầng
điện ly là trong những điều kiện nhất định có thể phản xạ sóng vô tuyến điện. Lợi dụng
sự phản xạ đó để sử dụng cho thông tin vô tuyến bằng cách phản xạ một hoặc nhiều
lần từ tầng điện ly, như chỉ ra ở hình 1.3a. Phương thức đó gọi là phương thức truyền
lan sóng trời hay tầng điện ly.

a- Khuếch tán từ tầng điện ly b- Nhiễu xạ từ tầng điện ly
Hình 1.3 truyền lan sóng trời
1.1.3.4 Truyền lan sóng tự do:
Trong một môi trường đồng nhất, đẳng hướng và không hấp thụ ví dụ như môi
trường chân không, sóng vô tuyến điện khi truyền lan từ điểm phát đến điểm thu sẽ đi
theo đường thẳng, như chỉ ra trên hình 1.4, không ảnh hưởng đến quá trình truyền
sóng. Trong thực tế một môi trường lý tưởng như vậy chỉ tồn tại ngoài khoảng không
vũ trụ. Với lớp khí quyển quả đất chỉ trong những điều kiện nhất định, khi tính toán
cũng có thể coi như môi trường không gian tự do.
Hình 1.4 Sự truyền lan sóng tự do
GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Trang 7
Truyền lan sóng trong không gian tự do Phương Hùng – Hồng Nhân
Hình 1.5 cho ta thấy các phương pháp truyền lan sóng trong môi trường thực của
khí quyển quả đất.
Hình 1.5 Các phương thức truyền sóng vô tuyến điện
1.1.4 Công thức truyền lan sóng trong không gian tự do:
1.1.4.1 Mật độ thông lượng công suất, cường độ điện trường:
Giả thiết có một nguồn bức xạ vô hướng (đẳng hướng) có công suất phát PT(W) đặt
tại điểm A trong một môi trường không gian tự do là môi trường đồng nhất đẳng
hướng và không hấp thụ, có hệ số điện môi tương đối ε' = 1. Xét trường tại một điểm
M cách A một khoảng r (m).
Hình 1.6: Bức xạ của nguồn bức xạ vô hướng trong không gian tự do

Vì nguồn bức xạ là vô hướng, môi trường đồng nhất và đẳng hướng nên năng lượng
sóng điện từ do nguồn bức xạ sẽ tỏa đều ra không gian thành hình cầu. Như vậy mật
độ công suất (mật độ thông lượng năng lượng) ở điểm M cách nguồn một khoảng r sẽ
được xác định bằng công thức sau:
)/(
4
2
2
mW
r
P
S
T
i
π
=
(1.1)
GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Trang 8
Truyền lan sóng trong không gian tự do Phương Hùng – Hồng Nhân
Theo lý thuyết trường điện từ ta có:
)/(
2
mWHES
hhi
=
(1.2)
)/(
120
mA
E

H
h
h
π
=
(1.3)
Trong đó: E
h
(V/m), H
h
(A/m) là giá trị hiệu dụng của cường độ điện trường và từ
trường ; 120π là trở kháng sóng của không gian tự do (Ω)
Thay công thức (1.3) vào (1.2) được:
)/(
120
2
2
mW
E
S
h
i
π
=
(1.4)
So sánh công thức (1.1) và (1.4) ta có:
)/(
30
2
mV

r
P
E
T
h
=
(1.5)
Nhận xét: cường độ điện trường của sóng vô tuyến điện truyền lan trong môi trường
đồng nhất đẳng hướng và không hấp thụ tỷ lệ thuận với căn hai công suất bức xạ, tỷ lệ
nghịch với khoảng cách. Khoảng cách tăng thì cường độ trường giảm vì năng lượng
sóng toả rộng ra không gian, còn gọi là sự khuyếch tán tất yếu của sóng. Để hạn chế sự
khuếch tán này người ta sử dụng các bộ bức xạ có năng lượng tập trung về hướng cần
thông tin để làm tăng cường độ trường lên.
Đó chính là các anten có hướng, với hệ số hướng tính D hoặc hệ số khuếch đại G.
Nếu nguồn bức xạ có hướng, lúc đó năng lượng của sóng vô tuyến điện sẽ được tập
trung về hướng điểm M được biểu thị bằng hệ số hướng tính hay hệ số khuếch đại như
chỉ ra trên hình 1.10.
Hình1.7: Nguồn bức xạ có hướng
Trong trường hợp này mật độ công suất được xác định theo công thức
)/(
4
2
2
mW
r
GP
S
TT
π
=

(1.6)
GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Trang 9
Truyền lan sóng trong không gian tự do Phương Hùng – Hồng Nhân
khi đó cường độ điện trường sẽ được tính theo công thức:
)/(
30
mV
r
GP
E
TT
h
=
(1.7)
Nếu sóng điện từ do nguồn bức xạ biến đổi điều hoà theo thời gian, nghĩa là theo
quy luật sinωt, cosωt, hoặc viết dưới dạng phức số eiωt thì giá trị tức thời của cường
độ điện trường sẽ được biểu thị bởi công thức.
1.1.5 Các hiện tường xảy ra trong truyền lan sóng:
1.1.5.1 Phản xạ:
Là hiện tượng sóng khi lan truyền tới bề mặt tiếp xúc của hai môi trường khác nhau
bị đổi hướng lan truyền và quay trở lại môi trường mà nó đã tới.
1.1.5.2 Khúc xạ:
Tất cả sóng điện từ đều bị khúc xạ khi đi từ một môi trường có chỉ số khúc xạ này
sang môi trường có chỉ số khúc xạ khác. Trong bầu khí quyển sự thay đổi chỉ số khúc
xạ hầu như diễn ra một cách từ từ vì mật độ không khí giảm theo độ cao với tốc độ
không đổi.
Ảnh hưởng chung của sự thay đổi chỉ số khúc xạ trong phương thắng đứng của bầu
khí quyển là làm uốn cong các sóng trong mặt phẳng thẳng đứng khi nó chuyển từ
máy phát đến máy thu.
Độ cong của đường thay đổi theo thòi gian do sự thay đổi về nhiệt độ, áp suất và độ

ẩm.
Hiện tường siêu khúc xạ có thể xuất hiện do không khí lạnh đi qua một khu vực
nước ấm. Sự bay hơi của nước sẽ tăng độ ẩm và nhiệt độ gần mặt nước thấp, do đó là
một dấu hiệu của đáo nhiệt. nhiệt độ thấp và độ ẩm cao làm cho mật độ khí quyển gần
bề mặt đất tăng lên nhiều, điều đó gây ra sự uốn xuống rất cong một các dị thường các
sóng vô tuyến.
1.1.5.3 Nhiễu xạ:
Nhiễu xạ là sự uốn cong sóng xung quanh các vật thể. Lượng uốn cong sẽ tăng lên
nếu độ dày của vật thể giảm xuống và lượng đó cũng tăng lên nếu bước sóng tăng. Do
đó lường uốn cong hoặc nhiễu xạ các sóng vô tuyến lớn hơn nhiều so với nhiễu xạ của
ánh sáng xung quanh một vật cùng kích thước.
GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Trang 10
Truyền lan sóng trong không gian tự do Phương Hùng – Hồng Nhân
Là hiện tượng quan sát được khi sóng lan truyền qua khe nhỏ hoặc mép vật cản,
trong đó sóng bị lệch hướng lan truyền, lan toả về mọi phía từ vị trí vật cản, và tự giao
thoa với các sóng khác lan ra từ vật cản.
1.1.5.4 Fading:
Là sự biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang vô tuyến siêu cao tần thu đc do sự thay
đổi khí quyển và các phản xạ của đất và nước trong đường truyền sóng.
Có 2 loại fading chính là :
• fading phẳng : tác động chủ yếu đến hệ thống viba số dung lượng bé làm
suy giảm đều tín hiệu sóng mang đi qua dải tần số.
• fading lựa chọn tần số: tác động chủ yếu đến hệ thống viba số dung
lượng cao.
Hai loại fading này có thể xuất hiện độc lập và cũng có thể xuất hiện đồng thời
cùng nhau.
 Hai nguyên nhân gây ra hiện tượng Fading:
• Sóng điên từ truyền từ đầu phát đến đầu thu đi theo nhiều đường khác
nhau: đường trực tiếp, đường phản xạ … Tín hiệu tại đầu thu là tổng hợp của
các đường. Do đó nếu các đường có tín hiệu cùng pha thì biên độ tổng lớn nhất,

nếu các đường có tín hiệu ngược pha thì biên độ tổng giảm xuống gây ra Fading
(Fading nhiều tia, Fading đa đường)
• Khi môi trường truyền sóng có chiết suất thay đổi thì sẽ làm sóng điện từ
bị khúc xạ nên không đến thẳng được anten thu, do đó tín hiệu thu bị giảm
xuống gọi là Fading (Fading phẳng)
 Khắc phục:
• Trong máy thu sử dụng mạch tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại
AGC (Automatic Gain Control). Nguyên tắc AGC: Nếu tín hiệu vào nhỏ, tín
hiệu ra được hồi tiếp trở lại bộ khuếch đại, hệ số khuếch đại giảm ít; nếu tín
hiệu vào lớn, tín hiệu ngõ ra được hồi tiếp trở lại bộ khuếch đại làm hệ số
khuếch đại giảm nhiều.
• Sử dụng kỹ thuật phân tập:
+ Phân tập anten (phân tập không gian): sử dụng nhiều anten đặt cách xa
nhau để thu.
+ Phân tập tần số: sử dụng nhiều kênh tần số để truyền đi một thông tin.
GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Trang 11
Truyền lan sóng trong không gian tự do Phương Hùng – Hồng Nhân
1.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng truyền lan sóng trong không gian
tự do:
1.2.1 Hiện tượng đa đường (Multipath) :
Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không bao
giờ được truyền trực tiếp đến anten thu. Điều này xẩy ra là do giữa nơi phát và nơi thu
luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp.
Do vậy, sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác
nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác. Hiện
tượng này được gọi là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation).
Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát.
Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau. Tuỳ thuộc vào
pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại hoặc bị hư
hỏng hoàn toàn.

Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa
đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau. Hiện tương này gọi
là sự phân tán đáp ứng xung (impulse dispersion). Hiện tượng méo gây ra bởi kênh
truyền đa đường thì tuyến tính và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng.
Hình 2.1 Hiện tượng truyền sóng đa đường
1.2.2 Hiệu ứng Doppler:
Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu
như trình bày ở hình 2.2. Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu được bị
xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler.
GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Trang 12
Truyền lan sóng trong không gian tự do Phương Hùng – Hồng Nhân
Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là α
n,
khi đó
tần số Doppler của tuyến này là :
( )
=
n0D
α cosf
c
v
f
n
(1.1)
Trong đó f
0
, v, c lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển động
tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng. Nếu α
n
= 0 thì tần số

Doppler lớn nhất sẽ là:
=
0maxD,
f
c
f
v
(1.2)

Giả thiết tín hiệu đến máy thu bằng nhiều luồng khác nhau với cường độ ngang
hàng nhau ở khắp mọi hướng, khi đó phổ của tín hiệu tương ứng với tần số Doppler
được biểu diễn như sau:

(1.3)

Phổ tín hiệu thu được biểu diễn lại ở hình 2.3
Mật độ phổ tín hiệu thu bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Doppler do Jake tìm ra năm
1974. Và được gọi là phổ Jake. Ý nghĩa của phổ tín hiệu này được giải thích như sau:
Giả thiết tín hiệu phát đi ở tần số sóng mang f
0
, khi đó tín hiệu thu được sẽ không nhận
được ở chính xác trên tần số sóng màng f
0
mà bị dịch đi cả về hai phía với độ dịch là
f
D,max
như hình ở 2.3. Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự đồng bộ của nhiều hệ thống.
GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Trang 13
2
max

0
1








−
−
f
ff
A
0
các trường hợp còn lại
nếu
=
Vật
phản
xạ
Tuyến 1
v
α
1
Tuyến 2
)(
2
t

τ
)(
1
t
τ
Trạm phát
Hình 2.2: Hàm truyền đạt của kênh
Truyền lan sóng trong không gian tự do Phương Hùng – Hồng Nhân
1.2.3 Suy hao trên đường truyền:
Mô tả sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát đến
máy thu. Sự giảm công suất do hiện tượng che chắn và suy hao có thể khác phục bằng
các phương pháp điều khiển công suất.
1.2.4 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing):
Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao
tầng, các ngọn núi, đồi,… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm. Tuy nhiên, hiện tượng
này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm. Vì vậy, hiệu ứng
này được gọi là fading chậm.
GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Trang 14
Hình 2.3: Mật độ phổ của tín hiệu thu
Truyền lan sóng trong không gian tự do Phương Hùng – Hồng Nhân
CHƯƠNG 2 GIẢI BĂNG TẦN
2.1 Định nghĩa băng tần:
Băng tần là một dải tần số nào đó được giới hạn bởi 1 tần số thấp nhất và 1 tần
số cao nhất. Băng thông (dải thông) là băng tần được gán cho 1 người sử dụng nào đó
để truyền/nhận dữ liệu. Băng thông phải đảm bảo 1 số điều kiện kỹ thuật thì mới có
thể phục vụ cho 1 hình thức truyền/nhận dữ liệu. Nếu coi băng tần là 1 xa lộ thì băng
thông là chiều rộng của 1 làn đường.
2.2 Phân loại và ứng dụng băng tần:
Mỗi loại băng tần được sử dụng cho các hệ thống thông tin khác nhau do đặc điểm
truyền lan sóng trong các môi trường thực.

Băng sóng cực dài sử dụng ở lĩnh vực vật lý, thông tin cô tuyến đạo hàng, thông tin
trên biển.
Băng sóng dài và băng sóng trung được sử dụng cho thông tin phát hành nội địa,
điều biên, thông tin hàng hải, vô tuyến đạo hàng.
Băng sóng ngắn sử dụng cho phát thanh điều biên cự ly xa và một số dạng thông tin
đặc biệt.
Băng sóng mét sử dụng cho phát thanh điều tần và truyền hình.
Băng sóng decimet được sử dụng cho truyền hình, các hệ thống thông tin ci ba số
băng hẹp , thông tin di động.
Băng sóng centimet được sử dụng cho thông tin vi ba số băng thông rộng , thông tin
vệ tinh.
Băng sóng milimet được sử dụng hạn chế cho thông tin vệ tinh với băng Ka, dung
cho thông tin vũ trụ.
Bảng các băng tần :
GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Trang 15
Truyền lan sóng trong không gian tự do Phương Hùng – Hồng Nhân
Các loại băng tần
2.3 Khảo sát một số loại băng tần:
2.3.1 Băng tần 700 MHz:
Ở một tần số thấp như 700Mhz thì tín hiệu sẽ “khỏe” hơn, nghĩa là tín hiệu truyền
xa hơn và cung cấp chất lượng phủ sóng trong các tòa nhà tốt hơn các tần số cao như
các băng tần trên dưới 2 GHz. Vì vậy, các nhà khai thác cần ít trạm gốc hơn để phủ
sóng một vùng điều này dẫn đến giá đầu tư thấp hơn. Đó là ưu điểm của băng tần này.
2.3.2 Băng tần 900 MHz:
Hiện nay băng tần này có 35 MHz để sử dụng cho mạng GSM. Ở nước ta, băng tần
này đang được cấp phát cho các mạng GSM và do đó băng thông băng thông này được
sử dụng rất nhiều.
Cũng giống như băng tần 700Mhz, băng tần này thấp nên sẽ “khỏe”, tuy nhiên với
việc đã cấp phát cho các mạng GSM thì băng tần khả dụng cho LTE sẽ chỉ đủ để nhà
cung cấp LTE triển khai một sóng mang 1,25Mhz. Với một sóng mang như vậy, triển

khai các dịch vụ có lẽ sẽ gặp khó và do đó băng tần này, tuy không phải không thể,
nhưng dường như không được các nhà khai thác LTE quan tâm nhiều.
2.3.4 Băng tần 1800 MHz:
Tình cảnh trái ngược so với băng tần 900 MHz. Hiện nay băng tần này cũng được
cấp phép cho mạng GSM với tổng cộng 75 MHz. Tuy nhiên, một số quốc gia vẫn chưa
phân bổ hết toàn bộ 75 MHz này cho các nhà khai thác di động.
GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Trang 16
Truyền lan sóng trong không gian tự do Phương Hùng – Hồng Nhân
Tuy nhiên với tần số “hơi cao”, độ khỏe của sóng sẽ hạn chế và do đó vùng phủ của
một trạm thu phát sẽ không lớn, dẫn tới số lượng trạm thu phát nhiều và do đó, chi phí
triển khai mạng lưới cũng sẽ tăng lên tương đối.
2.3.5 Băng tần 2100 MHz:
Đây là băng tần dành cho 3G UMTS ở một số khu vực trên thế giới đặc biệt là ở
Châu Âu, với tổng cộng 60 MHz. Trong hầu hết các quốc gia thì mỗi nhà khai thác
được cấp một đoạn băng tần 10 MHz nhưng cũng chỉ sử dụng 5 MHz cho một sóng
mang 3G. Tuy nhiên, tại nhiều quốc gia, lượng băng tần dành cho 3G chưa hết 60Mhz.
Thực tế, tại nhiều quốc gia châu Á, băng tần này đang được dùng nhiều nhất
bởi nó được sử dụng một cách rộng rãi và đặc tính truyền sóng tốt trong khi lượng
băng tần khả dụng cũng còn tương đối nhiều.

GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Trang 17
Truyền lan sóng trong không gian tự do Phương Hùng – Hồng Nhân
Chương III MIỀN FRESNEL
3.1 Công thức huyghen:
Để hiểu rõ một số đặc điểm truyền lan của sóng trên mặt đất cần biết những khái
niệm về miền Fresnel. Việc biểu thị miền được dựa trên nguyên lý Huyghen.
Nguyên lý Huyghen cho biết rằng mỗi điểm của mặt sóng gây ra bởi một nguồn bức
xạ sơ cấp có thể được coi như một nguồn sóng cầu thứ cấp mới. Vì vậy nguyên lý này
cho phép ta có thể tính trường điện từ ở một điểm bất kỳ trong không gian khi đã biết
được trường ở một bề mặt nào đó.

Giả sử nguồn của sóng sơ cấp đặt tại điểm A (hình 3.1). Ký hiệu S là một mặt kín
bất kỳ bao quanh nguồn sóng. Bây giờ ta xác định trường của sóng tại điểm bất kỳ
nằm ngoài mặt kín, theo các trị số của trường trên mặt S.
Hình 3.1 xác định trường theo nguyên lí huyghen
Ký hiệu ψ là thành phần của trường cần tìm tại điểm M và ψS là trị số của thành
phần ấy trên mặt S. Khoảng cách từ mỗi điểm trên mặt S đến M được ký hiệu là r.
Theo nguyên lý Huyghen, trường thứ cấp tạo bởi một nguyên tố bề mặt dS tại điểm
M được xác định theo công thức:
( 1 )
Trong đó A là một hệ số tỷ lệ.
Trường tổng tại điểm M sẽ là trường tạo bởi toàn mặt S
( 2 )
Nếu S là mặt phẳng thì
GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Trang 18
Truyền lan sóng trong không gian tự do Phương Hùng – Hồng Nhân
n là pháp tuyến ngoài của mặt phẳng;
λ là bước sóng công tác
Thay vào ( 2 ) ta có công thức Huyghen đối với mặt phẳng
Trong trường hợp mặt S có dạng bất kỳ, công thức Huyghen có dạng tổng quát
Nguyên lý Huyghen cũng nêu lên rằng năng lượng từ mỗi điểm truyền theo tất cả
các hướng và tạo thành nhiều mặt sóng cầu sơ cấp được gọi là các sóng con. Đường
bao của các sóng con này sẽ tạo ra một mặt sóng mới. Với độ chính xác cao, mỗi mặt
sóng có thể được biểu diễn bởi một mặt phẳng có pháp tuyến chính là véc tơ mật độ
thông lượng năng lượng k (hình 3.2, đường AA’ được coi là vị trí bắt đầu của sóng).
Các sóng sơ cấp bắt nguồn từ mỗi điểm trên AA’ tạo ra một mặt sóng mới BB’. Mặt
BB’ được vẽ tiếp tuyến với tất cả các sóng sơ cấp có cùng bán kính. Như chỉ ra trong
hình các sóng thứ cấp bắt nguồn từ các điểm dọc AA’có biên độ không cùng tỉ lệ theo
tất cả các hướng.
Nếu gọi α là góc giữa hướng của điểm C bất kỳ trên mặt cầu sơ cấp và véc tơ pháp
tuyến của mặt sóng thì biên độ sóng sơ cấp theo hướng đó sẽ tỉ lệ với (1+ cosα). Như

vậy biên độ sóng theo hướng k sẽ tỉ lệ với (1+ cos0) = 2, còn trong hướng khác biên độ
sẽ nhỏ hơn 2. Sóng ngược trở lại có biên độ bằng 0 vì (1+ cosπ) = 0.
Do đó không có sóng truyền theo hướng ngược trở lại. Các sóng truyền về phía
trước theo hướng pháp tuyến với mặt sóng. Sự sai khác pha giữa các dao động tại các
điểm lân cận của các đường AA’ và BB’ phụ thuộc vào khoảng cách r giữa chúng theo
tỉ lệ k.r = 2πr/λ.
Nếu r = λ thì tất cả các điểm của AA’ và BB’ sẽ dao động cùng pha, còn nếu r = λ/2
thì các điểm đó sẽ dao động ngược pha.
GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Trang 19
Truyền lan sóng trong không gian tự do Phương Hùng – Hồng Nhân
Hình 3.2 Biểu diễn nguyên lý Huyghen trong không gian tự do
3.2 Miền fresnel:
Nguyên lý Fresnel cho phép xác định phần không gian thực sự tham gia vào quá
trình truyền lan sóng. Giả sử có một nguồn bức xạ được đạt tại điểm A và máy thu
được đặt tại điểm B. Lấy A làm tâm, ta vẽ một hình cầu bán kính r1. Hình cầu này là
một trong số các mặt sóng. Từ B vẽ một họ các đường thẳng cắt mặt cầu ở các điểm
cách B một khoảng bằng r2+λ/2. Họ các đường thẳng này sẽ tạo thành một hình chóp
nón cắt mặt cầu tại N1 và N1’
Hình 3.3: Miền fresnel
Bằng cách tương tự ta lập các mặt nón bậc cao có
BN1 = 2 r + λ/2
BN2 = 2 r + 2λ/2, …
BNn = 2 r + nλ/2
Giao của các mặt nón với mặt cầu là các đường tròn đồng tâm. Miền giới hạn bởi
các đường tròn gọi là miền Fresnel. Miềm giới hạn bởi đường tròn N1 là miền; miền
GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Trang 20
Truyền lan sóng trong không gian tự do Phương Hùng – Hồng Nhân
giới hạn bởi các đường tròn N1 và N2 là miền Fresnel thứ hai…(Miền Fresnel bậc
cao)
Áp dụng nguyên lý Huyghen, ta coi mặt cầu là tập hợp những nguồn điểm thứ cấp

và ta tính trường tạo bởi những nguồn ấy tại điểm B. Các nguồn điểm thứ cấp trong
miền Fresnel thứ nhất sẽ tạo ra trường tại B có pha khác pha với trường do điểm N0
tạo ra ở B một góc Δϕ < 1800.
Pha của trường tạo bởi nguồn điểm thứ cấp trong miền Fresne bậc hai khác pha với
trường do điểm N0 tạo ra ở B một góc 1800 < Δϕ < 3600. Một cách tổng quát có thể
thấy rằng Pha của trường tạo bởi miền Fresne bậc hai khác pha với trường tạo bởi
miền Fresnel thứ nhất 1800. Pha của trường tạo bởi miền Fresne bậc ba khác pha với
trường tạo bởi miền Fresnel thứ hai 1800 sự khác nhau ấy được biểu thị bởi các dấu
cộng, trừ trên hình vẽ.
Hình 3.4: Nguyên lý cấu tạo miền Fresnel trên mặt sóng cầu
Người ta chứng minh được rằng tác dụng của các miền Fresnel bậc cao nằm kề
nhau sẽ bù trừ cho nhau do pha của chúng ngược nhau nên cuối cùng tác dụng tổng
hợp của tất cả các miền Fresnel bậc cao gần như chỉ tương đương tác dụng của khoảng
nửa miền Fresnel thứ nhất. Như vậy, khoảng không gian có tham gia vào quá trình
truyền sóng có thể xem như được giới hạn bởi một nửa miền Fresnel thứ nhất. Các
vùng Fresnel có thể được xây dựng trên các bề mặt có hình dạng bất kỳ. Để thuận tiện
ta chọn bề mặt để lập miền Fresnel là mặt phẳng S0. Mặt phẳng này vuông góc với
phương truyền lan AB (hình 3.4)
GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Trang 21
Truyền lan sóng trong không gian tự do Phương Hùng – Hồng Nhân
Hình 3.5: Xác định bán kính miền Fresnel
Theo định nghĩa ta có:
Mặt khác ANn và BNn có thể được xác định theo hình học
Ta có bán kính miền Fresnel tính gần đúng bằng
Đối với vùng Fresnel thứ nhất, n = 1, nên
Khi ta dịch chuyển mặt phẳng S0 dọc theo đường truyền lan từ A đến B, giới hạn
của miền Fresnel sẽ vạch ra một mặt elipsoit. Ở đây, ta chỉ xét miền thứ nhất. Ta có:
Đây chính là phương trình của hình elipsoit với các tiêu điểm A và B (hình 3.5).
Khoảng không gian tham gia vào quá trình truyền lan sóng được giới hạn bởi ½ miền
Fresnel thứ nhất. Trong hình vẽ, khoảng không gian này được đánh dấu bởi các đường

kẻ sóng sóng.
GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Trang 22
Truyền lan sóng trong không gian tự do Phương Hùng – Hồng Nhân
Hình 3.6: Vùng tham gia vào quá trình truyền lan sóng
GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Trang 23
Truyền lan sóng trong không gian tự do Phương Hùng – Hồng Nhân
CHƯƠNG 4 TỔN HAO TRONG TRUYỀN SÓNG
VÀ BIỆN PHÁP PHÒNG CHỐNG
4.1 Truyền lan sóng phẳng trong môi trường vô tuyến Fadinh di động:
Trong thông tin vô tuyến, sóng vô tuyến được truyền qua môi trường vật lý có nhiều
cầu trúc và vật thể như tòa nhà, đồi núi, cây cối xe cộ chuyển động…. Nói chung quá
trình truyền sóng trong thông tin vô tuyến rất phức tạp. Quá trình này có thể chỉ có
một đường truyền thẳng (LOS: line of sight), hay nhiều đường mà không có LOS hoặc
cả hai. Truyền sóng nhiều đường xẩy ra khi có phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ. Hình 4.1
mô tả môi trường truyền sóng này.
Hình 4.1 Truyền sóng vô tuyến
Phản xạ xẩy ra khi sóng vô tuyến đập vào các vật cản có kích thước lớn hơn nhiều
so với bước sóng. Nói chung phản xạ gây ra do bề mặt của quả đất, núi và tường của
tòa nhà.
Nhiễu xạ xẩy ra do sóng điện từ gập phải các bề mặt sắc cạnh và các thành gờ của
các cấu trúc.
Tán xạ xẩy ra khi kích thứơc của các vật thể trong môi trường truyền sóng nhỏ hơn
bước sóng. Tán xạ thường xẩy ra khi sóng vô tuyến gặp phải các ký hiệu giao thông,
cột đèn.
Ngoài phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ, sóng vô tuyến còn bị suy hao đường truyền.
Cường độ tín hiệu cũng bị thay đổi theo thời gian do sự chuyển động của máy thu hoặc
máy phát. Để phân tích ta có thể đặc trưng ảnh hưởng truyền sóng vô tuyến thành hai
GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Trang 24
Truyền lan sóng trong không gian tự do Phương Hùng – Hồng Nhân
loại: suy hao tín hiệu phạm vi rộng và méo tín hiệu phạm vi hẹp. Suy hao tín hiệu

phạm vi rộng gây ra do suy hao đường truyền và sự che tối máy phát và máy thu còn
méo tín hiệu phạm vi hẹp xẩy ra do truyền sóng nhiều đường. Dưới đây ta sẽ xét hai
ảnh hưởng này.
Ngoài ra, hiệu ứng Doppler cũng ảnh hưởng xấu lên các đặc tính truyền dẫn của
kênh vô tuyến di động. Do chuyển động của máy di động, hiệu ứng Doppler gây ra
dich tần số đối với từng sóng mang thành phần. Nếu ta định nghĩa góc tới α
i
là góc hợp
bởi phương tới của sóng tới thứ i và phương chuyển động của máy di động như thấy ở
hình 4.2, thì góc này sẽ xác định tần số Doppler (dịch Doppler) của sóng tới thứ i theo
biểu thức sau:
fi =f(d)cos= αi .
Trong trường hợp này, f
d
là tần số Doppler cực đại quan hệ với tốc độ máy di động
v, tốc độ ánh sáng c
0
và tần số sóng mang f
0
theo công thức sau:
Hình 4.2 Góc tới αi của sóng tới i minh họa hiệu ứng Doppler
Tần số Doppler cực đại (cực tiểu), f
i
= f
d
(f
i
= -f
d
) đạt được khi α

i
=0 (α
i
=π). f
i
=0 khi
α
i
=π/2 và α
i
=3π/2. Do hiệu ứng Doppler phổ của tín hiệu được phát trong qua trình
truyền dẫn sẽ bị mở rộng. Hiệu ứng này gọi là tán tần. Giá trị của tán tần chủ yếu phụ
thuộc vào tần số Doppler cực đại và các biên độ của các sóng mang thành phần thu
được. Trong miền thời gian, hiệu ứng Doppler dẫn đến đáp ứng xung kim của kênh trở
nên thay đổi theo thời gian. Có thể chỉ ra rằng các kênh vô tuyến di động thỏa mãn
nguyên lý xếp chồng và vì thế các hệ thống tuyến tính. Do tính chất thay đổi theo thời
GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Trang 25