Luận án tốt nghiệp " THIẾT KẾ TUYẾN VIBA SỐ " - Phần 1 pps

luận án tốt nghiệp Thiết Kế Tuyến Viba Số
0







PHẦN I


LÝ THUYẾT THIẾT KẾ
TUYẾN
luận án tốt nghiệp Thiết Kế Tuyến Viba Số
1


DẪN NHẬP

Sau khi trình bày các kỹ thuật cơ bản sử dụng trong Viba số. Để tạo tiền đề cho
việc thiết kế tuyến ta bắt tay vào phần lý thuyết thiết kế tuyến Viba số điểm nối điểm tổng
quát. Nói chung công việc thiết kế trong một hệ thống vi ba điểm nối điểm trực xạ sẽ bao
gồm các bước sau đây:
Bước 1: Nghiên cứu dung lượng đòi hỏi.
Bước 2: Chọn băng tầng vô tuyế để sử dụng.
Bước 3: Sắp xếp các kênh RF.
Bước 4: Quyết định các tiêu chuẩn thực hiện.
Bước 5: Chọn vị trí và tính toán đường truyền.
Bước 6: Cấu hình hệ thống.
Bước 7: Sắp xếp bảo trì.

Bước 8: Các tiêu chuẩn kỹ thuật.
Bước 9: Lắp đặt và đo thử.
Trên đây là 9 bước cơ bản để thiết kế một hệ thống Viba điểm nối điểm. 9 bước này
mô tả đầy đủ các công việc cần thiết cho việc thiết kế một tuyến Viba. Ở các bước sau ta
sẽ đi vào phần lý thuyết của việc thiết kế tuyến để tạo cơ sở cho việc thiết kế một tuyến
cụ thể trong phần II.
luận án tốt nghiệp Thiết Kế Tuyến Viba Số
2


BƯỚC 1
NGHIÊN CỨU DUNG LƯỢNG ĐÒI HỎI

Trong việc thiết kế một hệ thống liên lạc điểm nối điểm việc tìm hiểu kĩ về dung
lượng cần thiết là rất quan trọng. Nó là nền tảng cho các quyết định quan trọng ở phần
sau:
 Phải chú ý đến dung lượng phát sẽ triển trong vòng 10 hoặc 15 năm tới cũng như dung
lượng cần thiết ở hiện tại. Việc dự đoán này dựa vào các điểm sau:
 Dựavào đặc điểm phát triển dân số.
 Đặc điểm vùng (thành phố nông thôn, vùng nông nghiệp…)
 Tỷ lệ phát triển của các hoạt động kinh tế.
 Tốc độ cải thiện điều kiện sống trong tương lai.

 Hệ thống phải được thiết kế để cho phép có thể nới rộng thêm trong tương lai.
Tuy nhiên, ở các nước đang phát triển (như ở thực trạng nước ta) thường khó dự đoán
chính xác dung lượng cần thiết trong khoảng thời gian dài. Do đó không nên lắp đặc các
hệ thống có dung lượng quá lớn cho các yêu cầu cho tương lai. Sẽ kinh tế hơn khi chọn
các thiết bị có dung lượng nhỏ ở giai đoạn đầu tiên và nếu dung lượng này không đáp ứng
được sau khi sử dụng vài năm, hệ thống có thể thay thế bởi một hệ thống khác có dung
lượng lớn hơn còn hệ thống cũ được dùng ở tuyến cần dung lượng nhỏ hơn. Nên đôi khi

xây dựng một hệ thống vừa phải và dể dàng thay thế khi có kỹ thuật mới trong tương lai
thì kinh tế hơn.

luận án tốt nghiệp Thiết Kế Tuyến Viba Số
3


BƯỚC 2
CHỌN BĂNG TẦN SỐ VÔ TUYẾN SỬ DỤNG.
Đối với các ứng dụng của kỹ thuật Viba, băng tầng hoạt động của nó nằm trong
khoảng từ 1GHz đến 15GHz. Trong đó các tần số vô tuyến được cấp phát cho các dịch vụ
xác định được qui định bởi các luật vô tuyến. Chúng ta quan tâm đến dải tần từ 800MHz -
6425MHz và 7900MHz - 8100MHz. Luật vô tuyến mô tả luật cấm đoán của hệ thống
trạm mặt đất sử dụng các băng tần số này, vì chúng chia băng tần với dịch vụ liên lạc vệ
tinh. Trong trường hợp này công suất bức xạ hiệu dụng của máy phát và anten trong hệ
thống L/S không vượt quá 55 dBw hoặc công suất đưa đến anten không được vượt quá
13dBw.

Các yếu tố quan trọng khác trong việc gán định tần số bao gồm dung sai tần số và
băng thông phát xạ. Luật vô tuyến không có tiêu chuẩn bắt buộc về băng thông. Tuy nhiên
dung sai tần số của máy phát hoạt động trong vùng sóng Viba nên là 300*10
-6
cho máy
phát có công suất dưới 100W và 100*10
-6
cho máy phát có công suất trên 100W.
Hiện nay tầng số vô tuyến sử dụng trong hệ thống liên lạc Viba thay đổi từ 1GHz -
15 GHz. Các giá trị tương đối của tần số RF phụ thuộc vào nhiều yếu tố.
- Ở các tần số thấp thì kích thước thiết bị lớn công suất máy dễ dàng thực hiện, độ lợi
anten lớn, tổn hao phải nhỏ, tổn thất không gian và dây dẫn tần khác chủ yếu sử dụng cho

các đường trung kế ngắn hoặc đường trung kế phụ. Dung lượng cũng đóng vai trò quan
trọng trong việc chọn băng tần hoạt động cho hệ thống, bảng sau cho ta các tham khảo về
băng tần chọn và dung lượng.


Băng tần
( MHz)
Băng thông cho phép
( MHZ)
Dung lượng cực tiểu của các kênh thoại
đã được mã hóa
1495 - 1535
2110 - 2130
2160 - 2180
3700 - 4200
5925 - 6425
10700 - 11700
2
3,5
3,5
20
30
40

30
96
96
1152
1152
1152

BẢNG 2-2-1 : Các băng tần số cấp phát của FCC cho các hệ thống Viba số
luận án tốt nghiệp Thiết Kế Tuyến Viba Số
4



BƯỚC 3

SỰ SẮP XẾP CÁC KÊNH RF

Sự sắp xếp các kênh RF là một phần rất quan trọng trong việc thiết kế hệ thống. Nó
đặc biệt quan trọng cho các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp. Vì mức khác biệt về tín hiệu
vô tuyến giữa ngõ vào và ngõ ra của một trạm lặp thay đổi từ 60 - 80 dB thì việc sử dụng
cùng một tần số vô tuyến giữa ngõ ra và ngõ vào sẽ gây ra hiện tượng giao thoa động do
phản hồi. Trong Viba chuyển tiếp ta thường sử dụng kế hoạch hai tần số hoặc kế hoạch
bốn tần số.
Kế hoạch bốn tần số được sử dụng rộng rãi vì lí do kinh tế. Nó cần hai tần số cho
một mạch RF. Thường thì bốn anten sử dụng cho một trạm lắp đặt ngay cả với kế hoạch
hai tần số cũng với các anten này có thể sử dụng cho hai hoặc nhiều hơn các kênh RF
song công cùng trên một đường trên hình vẽ:

Hình2 -3-1 trạm lặp kế hoạch hai tần số cho vài kênh RF song công.
Kế hoạch bốn tần số đòi hỏi tỷ lệ trước sau (front to back) của mẫu bức xạ anten bởi
mỗi anten hoạt động ở mỗi tần số khác nhau.
 Sự sắp xếp các kênh RF.
Bảng sau liệt kê sự giới thiệu của CCIR sự sắp xếp các kênh RF cho hệ vô tuyến
chuyển tiếp cho mạch quốc tế:
CCIR Rec Số kênh thoại tối đa của
một kênh RF
Tần số trung tâm
(MHz)
Độ rộng băng RF
(MHz)
238 - 1
385
60/120
60/120/300

1808,2000,2203
7575
200
300
f
-
2a

f
-
1c

f
-
1b


f1a

f-1b

f-1c
.
.

f-2a

f-2b

f-2c

.
.

f
-
2b

f
-
2c

f
-
1c

f
-
2a

f-1a

f-1c

f-1c
.
.

f-2a

f-2c

f-2c

.

f-1b



f
-
1c

f-2b



f
-
2c

luận án tốt nghiệp Thiết Kế Tuyến Viba Số
5

279 - 1, 382 - 1
383 - 1
384 - 1
386 - 1
387

300/1800
1800
960/2700
300/960
960
1903,2101,4003
6475
6770
8350
1120
400
500
680
300
1000


Bảng 2 - 3 - 1 Các đề nghị của CCIR về sự sắp xếp các kênh của RF

Hình 2 - 3 - 1 làm rõ ví dụ sắp xếp các kênh của RF dựa vào CCIR Rec 338 - 1. Các
hệ thống phụ đòi hỏi cho các kênh phục vụ có thể kết hợp trong cùng một băng tần RF
như là một hệ thống chính, có được điều kiện thuận lợi này các anten có thể sử dụng
chung cho cả hai hệ thống. Một ví dụ sắp xếp các kênh RF cho một hệ thống phụ như thế
cũng được cho ở hình 2-3-2 dựa vào CCIR Rec. Trong hình vẽ này cả hai mạch RF bình
thường hoặc một mạch RF bình thường và một RF dự phòng được cung cấp cho các kênh
phục vụ theo mỗi hướng cho phép phân tập tần số trung tần.
Sự sắp xếp các kênh RF của hình 2-3-2 được làm rõ lại ở hình 2-3-4 bằng một nhận
xét để cho ta mối quan hệ giữa 8 kênh đi và 8 kênh trở về ở một trạm lặp sử dụng kế hoặc
hai tần số. Một trong 8 kênh có thể sử dụng như là một kênh dự phòng. Sự phân cực khác
nhau được sử dụng cho các kênh kế cận nhau để giảm giao thoa RF.

1 3 5 7 2’ 4’ 6’ 8’



2 4 6 8 1’ 3’ 5’ 7’



 hoặc  chỉ những kênh RF của hệ thống phụ.
A: Biên độ giải điều chế.
B: tần sồ điều chế.
29.65 MHz

252.05MHz

250MHz

6175 MHz

250 MHz

5925 MHz

+248.9 (F)
+249.5 (A)
44.5 MHz

6425MHz

-248.9 (F)
-249.5 (A)
luận án tốt nghiệp Thiết Kế Tuyến Viba Số
6

Hình 2-3-2 Sự sắp xếp kênh RF


V H Hệ thống phụ V H

Đối với các hệ thống Viba điểm nối điểm. Do không có cấu hình trạm lặp nên sự sắp xếp
kênh RF trở nên đơn giản hơn rất nhiều khi đó ta cần quan tâm đến một số điểm sau.

- Các tần số Viba khác có thể sử dụng trong các vùng liên quan.
- Các trạm Viba có thể gây giao thoa đến hệ thống.
- Việc thiết kế một hệ thống Viba mới không gây nhiễu cho một một số hệ
thống Viba đang có và không bị các hệ thống này gây nhiễu.
8’

7’

6’

5’

4’

3’

2’

8’

6’

4’

2’

7’

5’

3’

1’

1’

8

6

4

2

8

6

4

2

7

5

3

1

7

5

3

1

250MHZ

250 MHz

luận án tốt nghiệp Thiết Kế Tuyến Viba Số
7


BƯỚC 4

QUYẾT ĐỊNH TIÊU CHUẨN THỰC HIỆN

Các tiêu chuẩn kỹ thuật có thể phân loại như sau:
a/ Tiêu chuẩn hành chính.
b/ Mục tiêu thiết kế (cho các nhà thiết kế các thiết bị).
c/ Mục tiêu thiết kế (cho các nhà thiết kế hệ thống).
d/ Sự vận hành hay các mục tiêu bảo dưỡng.
Các mục tiêu này có thể giống nhau hoặc khác nhau nhưng chúng có ít nhiều
liên hệ với nhau.
Đầu tiên có những tiêu chuẩn cho tần số RF trong luật vô tuyến (Radio
Regulations) Thiết lập bởi hiệp hội liên hệ quốc tế. Trong việc chọn băng tần số RF
cũng như trong việc thiết kế các trạm vô tuyến mặt đất sử dụng cùng băng tần với hệ

thống liên lạc vệ tinh, Ta xét đến những tiêu chuẩn này.
Có khá nhiều các giới thiệu hoặc ghi chép của CCIR trong việc thiết kế một
hệ thống Viba chuyển tiếp. Khi thiết kế tuyến Viba điểm nối điểm ta cần tham khảo
những tiêu chuẩn này để làm nền tảng cho các tính toán của tuyến.
Mỗi quốc gia có thể sử dụng các tần số băng tần vô tuyến riêng biệt trong
vùng lãnh thổ của mình. Tuy nhiên tiêu chuẩn CCIR vẫn còn là hướng dẫn bổ ích
trong việc thiết lập các tiêu chuẩn kỹ thuật cho các hệ thống trong nước có chất
lượng cao.
Những yếu tố quyết định sự tốn kém của một hệ thống Vi ba có dung lượng và
độ dài cho sẵn là chất lượng truyền dẫn và độ tin cậy của hệ thống. Hệ thống sẽ
không thích hợp nếu tiêu chuẩn hoạt động của đường trung kế thấp hơn tiêu chuẩn
của CCIR.
Đối với những đường thoại địa phương tiêu chuẩn của CCIR có thể chấp nhận
được vì lí do kinh tế, chúng ta có thể cho phép khoản cách bước nhảy dài hơn, hoặc
giảm công suất phát hoặc độ lợi Anten. Ngoài ra các đơn giản hoá về độ tin cậy. Hệ
thống quan sát hệ thống dự phòng … cũng làm giảm chi phí.
luận án tốt nghiệp Thiết Kế Tuyến Viba Số
8


BƯỚC 5

CHỌN VỊ TRÍ VÀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN

I CHỌN VỊ TRÍ.
1. Khái niệm tổng quát.
Trong việc chọn vị trí phải quan tâm đến phẩm chất truyền dẫn, độ tin cậy và tính
kinh tế (trong việc lắp đặt và bảo trì) của một hệ thống liên lạc Viba điểm nối điểm. Phẩm
chất và độ tin cậy thường trái ngược với tính kinh tế. Vì vậy, phải có sự giàn xếp giữa
chúng.

Ngay lúc bắt đầu việc chọn vị trí, các yêu cầu hệ thống Viba thiết kế cần được
phải làm rõ, các mục chính như sau:
a) Vị trí (thành phố và thị trấn) sẽ kết nối với hệ thống.
b) Các loại và số lượng của các tín hiệu sẽ được truyền.
c) Các điểm được cấp tín hiệu và giao tiếp với các thiết bị trong cơ quan điện thoại
d) Kế hoạch mở rộng trong tương lai cho hệ thống.
e) Các hệ thống Viba điểm nối điểm và chuyển tiếp đang tồn tại hoặc sẽ có trong
tương lai có liên quan đến hệ thống sẽ thiết kế.
f) Hệ thống sẽ dùng các chỉ tiêu chính của nó.
g) Phẩm chất và độ tin cậy của truyền dẫn.
Một cách vấn tắt, các thủ tục chọn vị trí được phân loại thành các bước sau.
a) Phác họa một vài tuyến có thể thực hiện trên bản đồ.
b) Khảo sát vị trí.
c) Thử nghiệm các truyền dẫn nếu cần thiết.
d) Quyết định các vị trí sẽ sử dụng.
2. Lựa chọn tuyến liên lạc điểm nối điểm.
 Khoản cách các đường truyền Viba
Bảng 2-5-1 cho ta các khoảng cách đường truyền Viba cho các mạch trung kế các hệ
thống Viba điểm nối điểm. Các giá trị trong bản là các giá trị chung cho nhiều nơi.

Băng RF (MHz)

Kho
ản cách đ
ư
ờng Viba ti
êu chu
ẩn (Km)

2000

4000
6000
11000
7020%
5020%
5020%
3020%

Bảng 2-5-1: Khoản cách các đường truyền Viba tiêu chuẩn
Khi vẽ một đường thiết kế trên bản đồ, các vị trí được chọn sao cho có các khoảng
cách đường truyền tiêu chuẩn (càng gần bằng càng tốt). Nên tránh các đường truyền qua
khoản cách quá daì so với giới hạn trên của mức tiêu chuẩn. Bởi vì trong các đường
truyền Viba dài như thế này thì xác suất các chuỗi tạp âm gây ra Fading có thể tăng lên rất
lớn, thậm chí khi mà tạp âm nhiệt có thể giữ ở một giá trị cho phép trong trường hợp
truyền dẫn bình thường. Khi một đường truyền Viba dài thì không tránh khỏi các khó
khăn gây ra bởi địa hình. Trong trường hợp này nên thực hiện phân tập không gian hoặc
phân tập tần số.

3.Sự bảo vệ cho các quĩ đạo vệ tinh.

luận án tốt nghiệp Thiết Kế Tuyến Viba Số
9

Các hệ thống, liên lạc vệ tinh và các hệ thống Viba đất sử dụng băng sóng Viba (ví
dụ: các băng tần từ 4-6 GHz). Do đó, cần phải thiết lập vài giới hạn kỹ thuật để tránh các
giao thoa vô tuyến giữa hai hệ thống này. Trong công việc chọn vị trí cho liên lạc Viba
mặt đất, cần phải chú ý rằng các búp sóng của anten không được chỉ thẳng đến quĩ đạo vệ
tinh tĩnh khi nó sử dụng cùng với tần số hệ thống liên lạc vệ tinh.
Theo sự đề nghị của CCIR , các hệ thống Viba mặt đất được thiết kế sao cho trung
tâm của búp sóng chính của bất kỳ anten nào trong hệ thống không được chỉ thẳng đến ít

nhất là 2
0
từ quĩ đạo của vệ tinh.
Trong trường hợp mà điều này không thực hiện được, thì gía trị cực đại của EIRP
(Equivalent Isitropically Radiated Power) nên được giới hạn dưới 47 dBw cho bất kỳ
anten nào chỉ thẳng đến quĩ đạo vệ tinh 0.5
0
, từ 47 đến 55 dBw khi góc này từ 0.5
0
- 1.5
0
.
II SỰ KIỂM TRA TUYẾN VIBA

Trong khi chọn vị trí của các hệ thống Viba điểm nối điểm ta cần phải kiểm tra
xem có vấn đề gì xảy ra hay không trong việc truyền dẫn dọc theo các tuyến Viba thiết kế.
Do đó, chúng ta cần phải nghiên cứu địa hình của các đường truyền.
1.Mặt cắt nghiêng của đường truyền
Bước đầu tiên để xác nhận trạng thái trực xạ của đường truyền là mặt cắt nghiêng của
mỗi đường truyền được vẽ trên tờ mặt cắt nghiêng. Độ cong của các đường chia độ ở trên
tờ mặt cho phép vẽ đường cong chính xác của đường truyền như là một đường thẳng dựa
vào khái niệm của hệ số K (hệ hiệu dụng bán kính trái đất).
a. Sự thay đổi của K.
Gía trị của k thay đổi theo thời gian và địa điểm. Nói chung K thay đổi theo vĩ độ
nhưng không thay đổi theo kinh độ, ở các vùng phía nam thì K có giá trị kớn hơn so với
các vùng phía Bắc, K lớn hơn trong mùa hè so với mùa đông. Trong điều kiện bình
thường các giá trị K cho sau đây có thể xem là hợp lí:
Trong các vùng nóng ẩm K= 6/5-4/3
Trong các vùng ôn hòa K=4/3
Trong vùng nhiệt đới K=4/3-3/2

Trong việc chọn vị trí phải tính toán đến mức dao động của K so với giá trị bình
thường, bởi vì tính trực xạ đôi khi bị ngăn trở bởi các vật cảntrung bình khi K bị giảm
nhỏ. Ngược lại khi K có giá trị lớn hơn thì các vật chắn trở nên không còn tác dụng che
chắn sóng phản xạ đất mà các sóng này được che chắn tốt trong tình trạng K có giá trị
bình thường.
Nếu mức dao động của K càng lớn thì sự ổn định của hrệ thống càng nhỏ và càng tốn
kém. Ở Nhật khoảng dao động của K thường được lấy trong khoảng 2/3-2. Tuy nhiên, ở
các vùng có khí hậu khác với Nhật giá trị này cần phải tính toán lại.
b. Xác nhận trạng thái trực xạ.
Để thỏa mãn chỉ tiêu của việc truyền dẫn sóng Viba với các giá trị có thể có của K ta
phải bảo đảm một số điều sau đây:
i/ Tất cả đới cầu Fresnel thứ nhất phải không có bất kỳ một vật cản nào nếu K lấy giá trị
bình thường .
ii/ Ít nhất là 2/3 bán kín của đới cầu Fresnel thứ nhất phải được giữ sao cho không có bất
kỳ vật cản nào trong trường hợp K lấy gía trị nhỏ nhất .
Khi hai trạng thái này điều thỏa mãn thì tuyến Viba xem như thỏa mãn trạng thái
trực xạ.
c/ Tờ mặt cắt ngiêng của đường truyền.
Trong hình 2-5-1 độ cao (x) của độ cong trái đất từ đường thẳng ở bất kỳ điểm nào
(d
1
,d
2
) ở trong một mặt cắt ngiêng với một giá trị cho sẳn của K có thể tính bằng công
thức sau đây:
luận án tốt nghiệp Thiết Kế Tuyến Viba Số
10

d
1

d
2
x =
2Ka


Trong đó :s
a: bán kín của trái đất bằng 6,37*10
6
m
x,d
1,
d
2
tính bằng mét.











Hình 2-5-1: độ cong của biểu đồ thang đo.
Theo công thức trên ta thấy x tỷ lệ thuận với bình phương của khoảng cách.
Trong việc vẽ biểu đồ mặt cắt ngiêng chúng ta nên vẽ một bảngcác giá trị của x
với các giá trị khác nhau của d

1
và d
2
trong cùng một khoảng cách d như bảng 2-5-2 sau:
d
1

2 4 6 48 50 Km
d
2

98 96 94 52 50 Km
d
1
,d
2

384 564 564 2496 2500 Km
2

x

22
,6

33,2

33,2 146,8

147,1

m

Bảng 2-5-2: Một ví dụ tính toán giá trị của x


x

d

d2

A

4000
3600
3200
2800
2400
2000
1600
1200
800
400

luận án tốt nghiệp Thiết Kế Tuyến Viba Số
11

-
Tỉ lệ A=240km, B=120km,C=60km

Hình 2-5-2 :Profile Sheet của đường truyền.

1.Đới cầu Fresnel thứ nhất.
Đới cầu Fresnel thứ nhất đóng một vai trò quan trọng trong việc chuyển năng
lượng sóng Viba giữa hai vị trí khác nhau trong thông tin tự do. Vùng đới cầu Frenel thứ
nhất là một khối Elip xoay, mặt của nó là một qũy tích, nó là tập hợp của những điểm mà
sự khác nhau giữa tổng các khoảng cách của một tiêu điểm - điểm đó - tiêu điểm còn lại
và khoảng cách thẳng giữa hai tiêu điểm là một hằng số /2.Vì vậy một tiêu điểm là vị trí
phát và tiêu điểm còn lại là vị trí nhận.
Vì sự khác nhau ở trong đới cầu Fresnel thứ nhất  /2 (hoặc 180
0)
tất cả các năng
lượng sóng Viba trong đới cầu sẽ góp phần vào sóng chính giữa hai vị trí, do đó trong
vùng này phải không có bất kỳ vật cản nào (K lấy giá trị bình thường) để đảm bảo trạng
thái trực xạ.
Bán kính của đới cầu Fresnel thứ nhất ở bất kỳ điểm nào giữa hai vị trí có thể tính
bởi công thức:

 d
1
d
2


h
0
= d

Trong đó:
h

0
:bán kính của đới cầu Fesnel thứ nhất (m)
 :bước sóng(m)
d
1,
d
2,
d :khoảng cách (m) .Như trong hình vẽ 2-5-4.
Bán kính của đới cầu ngay chính giữa được tính bởi:

 d
H
0
=
2
Trong thực tế, h
0
có thể tính bằng đồ thị ở hình 2-5-4và h
0
có thể tính là tích của h
0
và P:
với sự điều chỉnh của hệ số p rút ra từ hình 2-5-5 .