Nghiên cứu xây dựng phần mềm tính toán tần số làm việc tối ưu cho đường truyền sóng điện ly của máy vô tuyến điện sóng ngắn

Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

Nghiên Cứu Xây Dựng Phần Mềm Tính Tốn
Tần Số Làm Việc Tối Ƣu Cho Đƣờng Truyền
Sóng Điện Ly Của Máy Vơ Tuyến Điện Sóng
Ngắn
Nguyễn Minh Giảng1, Vũ Hải Dƣơng2, Dƣơng Xuân Đạt2, Nguyễn Huy Hồng1, Kiều Khắc Phƣơng1
1

Khoa Vơ tuyến điện tử, Học Viện Kỹ thuật Qn sự
Lữ đồn Thơng tin 134, Binh chủng Thơng tin liên lạc
Email:

2

có mối liên hệ :

Abstract— Trong bài báo chúng tơi trình bày kết quả xây
dựng phần mềm tính tốn tần số làm việc tối ưu cho
đường truyền sóng điện ly của máy vơ tuyến điện sóng
ngắn. Phần mềm được xây dựng cho phép tính đến ảnh
hưởng của sự không đồng nhất của tầng điện ly theo
phương truyền sóng đến giá trị tần số làm việc tối ưu, và
tính được giá trị tần số làm việc tối ưu tương ứng với
từng giờ trong ngày. Kết quả thực nghiệm cho thấy Phần
mềm cho kết quả tính tốn có độ chính xác cao và có
thời gian tính tốn nhanh, từ đó giúp rút ngắn thời gian
xác định tần số làm việc cho máy vơ tuyến điện sóng
ngắn so với phương pháp dò tần số tự động.

(1)

OWF
0.85 MUF ,
Hiện nay, việc xác định giá trị tần số làm việc tối
ƣu thƣờng dựa theo kinh nghiệm của ngƣời sử dụng.
Ví dụ, từ kinh nghiệm thực tiễn, ngƣời ta chia băng tần
sóng ngắn từ 3 đến 30 Mhz ra làm các băng tần con sử
dụng cho ban ngày, ban đêm và thời gian giao thoa
giữa ngày và đêm. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này
là có độ chính xác khơng cao, đặc biệt là trong những
điều kiện biến động mạnh của thời tiết hoặc khi phải
thực hiện liên lạc đến một địa điểm mới mà ngƣời sử
dụng chƣa từng thực hiện thì việc xác định tần số làm
việc tối ƣu là vấn đề gặp nhiều khó khăn.
Trong số các phƣơng pháp tiên tiến dùng để tính
tốn tần số làm việc tối ƣu nhƣ [1],[2] phổ biến hơn cả
là phƣơng pháp đƣợc Hiệp hội Viễn thông quốc tế
(viết tắt là ITU –Interational Telecommunication
Union) khuyến nghị [2]. Phƣơng pháp này sử dụng
mơ hình tốn học và mơ hình bán thực nghiệm của
tầng điện ly kết hợp với số liệu đo của các đài điện ly
để tính tốn tần số làm việc tối ƣu. Phƣơng pháp này
có ƣu điểm là đơn giản, tuy nhiên nó có nhƣợc điểm là
bỏ qua ảnh hƣởng của sự khơng đồng nhất của tầng
điện ly theo phƣơng truyền sóng đến đặc tính truyền
lan của sóng vơ tuyến. Sự khơng đồng nhất của tầng
điện ly làm cho điểm phản xạ của tia sóng ở tầng điện
ly bị lệch khỏi điểm chính giữa của đƣờng truyền và
từ đó làm ảnh hƣởng tới kết quả tính OWF. Do vậy,
phƣơng pháp này cho sai số vẫn cịn khá lớn.
Vì những lý do kể trên, việc nghiên cứu phƣơng

pháp, thuật toán và xây dựng một chƣơng trình phần
mềm cho phép tính tốn nhanh và có độ chính xác cao
giá trị tần số làm việc tối ƣu trong 24 giờ trong ngày
cho đƣờng truyền sóng điện ly của máy vơ tuyến điện
sóng ngắn ( VTĐsn) là bài tốn cấp thiết.
Phần cịn lại của bài báo đƣợc trình bày nhƣ sau:
Trong phần II, chúng tơi trình bày cơ sở của phƣơng
phƣơng pháp tính tần số làm việc tối ƣu cho đƣờng
truyền phản xạ ở tầng điện ly, trong đó có tính đến ảnh

Keywords- Tần số áp dụng cực đại, tần số làm việc tối
ưu, sóng ngắn, tầng điện ly, máy vơ tuyến điện sóng ngắn.

I. GIỚI THIỆU
Ngày nay các thiết bị liên lạc vơ tuyến điện sóng
ngắn đóng vai trị quan trọng trong việc đảm bảo liên
lạc cho Quân đội, liên lạc cho tàu thuyền trên biển và
những nơi có địa hình phức tạp, khó tiếp cận. Q
trình tính tốn để xây dựng đƣờng truyền liên lạc sóng
ngắn địi hỏi phải xác định đƣợc sự biến đổi trong
ngày của Tần số áp dụng cực đại (Maximum Usable
Frequency – ký hiệu là MUF) cho đƣờng truyền đó.
Tần số áp dụng cực đại của một đƣờng truyền là tần số
lớn nhất mà sóng vơ tuyến có thể truyền từ điểm phát
đến điểm thu cho trƣớc tại một thời điểm xác định
thông qua phản xạ ở tầng điện ly và với các điều kiện
cho trƣớc của máy phát và máy thu ( nhƣ công suất
phát, dạng anten, độ nhạy, ..). Việc tính tốn giá trị
tần số áp dụng cực đại có ý nghĩa rất quan trọng, bởi
vì nếu ta chọn tần số làm việc lớn hơn giá trị tần số áp

dụng cực đại tại thời điểm tiến hành liên lạc thì có thể
sẽ khơng thu đƣợc tín hiệu do sóng vơ tuyến khi đó sẽ
đi xun qua tầng điện ly thay vì phản xạ ở tầng điện
ly và quay trở về mặt đất.
Từ việc tính tốn đƣợc tần số áp dụng cực đại, ta
nhân thêm hệ số thực nghiệm 0.85 ta sẽ thu đƣợc tần
làm việc tối ƣu (ký hiệu OWF – Optimum Working
Frequency) cho đƣờng truyền sóng điện ly. Nghĩa là ta

ISBN: 978-604-80-5076-4

1


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

hƣởng của sự khơng đồng nhất của tầng điện ly đến
đặc tính truyền lan của sóng vơ tuyến. Trong phần III
sẽ trình bày kết quả xây dựng “Phần mềm tính tốn tần
số làm việc tối ƣu cho máy VTĐsn ” trên cơ sở
phƣơng pháp đƣợc trình bày ở phần II và ví dụ áp
dụng Phần mềm trong việc tính tốn sự biến đổi của
tần số làm việc tối ƣu theo thời gian trong ngày và
theo mùa trong năm. Trong phần IV chúng tôi trình
bày kết quả thử nghiệm Phần mềm cho đƣờng truyền
thực tế. Phần V là các khái quát các kết quả thu đƣợc
của bài báo.

truyền. Khi đó, theo định lý Secant [6] và (1), ta có
biểu thức tính tần số làm việc tối ƣu nhƣ sau:

OWF D

0.85 f 0 F 2

1 tan2

.

(2)

Trong đó OWF(D) – là tần số làm việc tối ƣu cho
đƣờng truyền có độ dài D (km); f 0F 2 - tần số tới hạn
của lớp phản xạ F2 của tầng điện ly tại điểm chính
giữa của đƣờng truyền; - góc tia sóng đi vào tầng
điện ly.

II. PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TẦN SỐ LÀM
VIỆC TỐI ƢU CHO ĐƢỜNG TRUYỀN PHẢN XẠ
Ở TẦNG ĐIỆN LY
A. Mơ hình tính tốn các tham số của tầng
điện ly
Hiện nay có một số mơ hình bán thực nghiệm của
tầng điện ly nhƣ [3], [4] cho phép tính tốn các tham số
của tầng điện ly khi biết tham số đầu vào là: tọa độ địa
lý của điểm cần tính, thời gian, ngày, hệ số Wolf (W)
đặc trƣng cho mức độ hoạt động của mặt trời. Các mơ
hình bán thực nghiệm dựa trên các kết quả đo của hệ
thống các đài điện ly trên thế giới trong nhiều năm.
Dựa trên các số liệu đo đƣợc, ngƣời ta xây dựng các
hàm xấp xỉ cho phép ta xác định đƣợc các tham số của

tầng điện ly tại mỗi vị trí và thời gian bất kỳ. Các mơ
hình của tầng điện ly khác nhau bởi số lƣợng, dạng của
các hàm xấp xỉ và các hệ số xấp xỉ mà nó sử dụng.
Trong nghiên cứu của mình tác giả sử dụng mơ hình
[3] do nó đảm bảo đồng thời 2 yếu tố: Cho kết quả tính
tốn các tham số của tầng điện ly với sai số cho phép
và đã đƣợc kiểm nghiệm bởi các nghiên cứu trƣớc đó
nhƣ [5], đồng thời cho thời gian tính tốn nhanh, cho
phép thực hiện tính tốn với thời gian thực.
Từ việc lựa chọn mơ hình tầng điện ly, ta sẽ xác
định đƣợc các tham số của tầng điện ly tại vị trí điểm
phát và điểm thu, đó là: Tần số tới hạn và độ cao của
các lớp phản xạ E, F, hệ số M(300)F2 của lớp F2. Hệ
số M(300)F2 đƣợc định nghĩa nhƣ sau:
f0 F 2
.
M 3000 F 2
MUFF 2( 3000 )
Trong đó f 0 F2 là tần số tới hạn của lớp F2 của
tầng điện ly.
Sau khi tính tốn đƣợc các tham số của tầng điện
ly, ta sẽ sử dụng các kết quả này để tính giá trị tần số
làm việc tối ƣu cho đƣờng truyền sóng điện ly tƣơng
ứng cho mỗi giờ trong ngày.
B. Phương pháp tính tốn tần số làm việc tối ưu
khi xét đến tính khơng đồng nhất của tầng điện
ly
Trong điều kiện tầng điện ly đồng nhất, ta có thể
coi lớp phản xạ của tầng điện ly nhƣ là 1 mặt phản xạ
gƣơng. Khi đó điểm phản xạ sẽ là điểm C, có hình

chiếu xuống mặt đất là điểm chính giữa của đƣờng

ISBN: 978-604-80-5076-4

Hình 1. Điểm phản xạ của sóng vơ tuyến bị lệch khỏi
điểm chính giữa của đƣờng truyền khi xét đến sự không
đồng nhất của tầng điện ly

Trong điều kiện tầng điện ly không đồng nhất,
nguyên nhân là do mật độ electron của tầng điện ly tại
điểm đầu và điểm cuối của đƣờng truyền chênh lệch
nhau thì ta phải coi lớp phản xạ của tầng điện ly nhƣ 1
mặt nghiêng với góc nghiêng là (hình 1). Khi đó
điểm phản xạ của tia sóng sẽ dịch chuyển tới điểm T.
Ta ký hiệu góc dịch chuyển từ điểm C đến điểm T là
COT
T . Khi đó ta tính đƣợc góc lệch T theo
biểu thức :

T

tan

1 A02

2 A0 cos

A0 cos

1

.

(3)

Trong đó

A0

1

h0
, h0 - độ cao của lớp phản xạ tại điểm
RE

chính giữa của đƣờng truyền, R E - bán kính của trái
đất
Tiếp theo, ta tính đƣợc giá trị góc xâm nhập của
tia sóng vào tầng điện ly
nhƣ sau:
sin
cos T
tan
.
(4)
A0 cos
cos T
Thay (4) vào (2) ta sẽ xác định đƣợc giá trị OWF(D).
Thơng qua việc tính đến sự dịch chuyển của điểm
phản xạ của tia sóng trong điều kiện tầng điện ly

khơng đồng nhất cho phép nâng cao đƣợc độ chính xác

2


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2020)

trong tính tốn tần số làm việc tối ƣu của đƣờng truyền
sóng điện ly [7].

đổi này, ta sẽ đƣa ra đƣợc phƣơng án sử dụng tần số
cho phù hợp.

II. XÂY DỰNG PHẦN MỀM TÍNH TỐN TẦN
SỐ LÀM VIỆC TỐI ƢU
Trên cơ sở phƣơng pháp đƣợc trình bày ở phần
trƣớc ta xây dựng đƣợc Phần mềm tính tốn tần số làm
việc tối ƣu cho máy vơ tuyến điện sóng ngắn. Giao
diện của Phần mềm gồm 2 phần (hình 2): phần nhập
dữ liệu đầu vào và phần hiển thị kết quả. Kết quả tính
tốn có thể đƣợc hiển thị dƣới dạng đồ thị thể hiện sự
phụ thuộc của tần số làm việc tối ƣu vào từng giờ
trong ngày hoặc dƣới dạng bảng số liệu.
Hình 3. Sự biến đổi theo mùa của tần số làm việc tối ƣu
cho đƣờng truyền sóng điện ly đối với đƣờng truyền từ Hà
Tĩnh đến Hà Nam ( năm 2020)

Mức độ chính xác của kết quả tính tốn bằng
Phần mềm sẽ đƣợc kiểm tra bằng thực nghiệm ở phần
tiếp theo.

IV. THỬ NGHIỆM PHẦN MỀM TÍNH TỐN
TẦN SỐ LÀM VIỆC TỐI ƢU CHO MÁY VƠ
TUYẾN ĐIỆN SĨNG NGẮN
Để đánh giá độ chính xác cùa Phần mềm tính tốn,
ta tiến hành thử nghiệm trên đƣờng truyền thực tế: Từ
Kỳ Anh, Hà Tĩnh đến Sơn Tây, Hà Nội. Tần số liên
lạc cho mỗi giờ đƣợc xác định bằng cách nhập dữ liệu
đầu vào: tọa độ máy thu, máy phát, thời gian liên lạc,
ngày, tháng và hệ số W đặc trƣng cho mức độ hoạt
động của mặt trời vào “ Phần mềm tính tốn tần số
làm việc tối ƣu cho máy vơ tuyến điện sóng ngắn”.
Thời gian liên lạc đƣợc thực hiện tại các giờ khác nhau
trong ngày và tiến hành trong 02 ngày từ 16 đến
17/09/2020. Mỗi giờ thực hiện liên lạc thoại trong 30
phút. Các tham số của máy thu phát nhƣ sau:

Hinh 2. Giao diện của “Phần mềm tính tốn tân số làm
việc tối ƣu cho máy VTĐsn”

Sau đây ta sẽ trình bày 1 ví dụ áp dụng Phần mềm
để nghiên cứu sự biến đổi của tần số làm việc tối ƣu
cho máy vơ tuyến điện sóng ngắn theo thời gian trong
ngày và theo mùa trong năm. Ta sẽ tính tần số làm
việc tối ƣu cho đƣờng truyền từ Kỳ Anh, Hà tĩnh đến
Phủ Lý, Hà Nam trong 4 mùa khác nhau trong năm
2020. Dữ liệu đầu vào đƣợc cho ở bảng bên dƣới.
Tọa độ điểm phát
Tọa độ điểm thu
Hệ số W vào mùa Xuân
(15. 4.2020)

Hệ số W vào mùa Hè
(15. 8.2020)
Hệ số W vào mùa Thu
(15. 10.2020)
Hệ số W vào mùa Đông
(15. 1.2020)

Vĩ độ:
Kinh độ:
Vĩ độ:
Kinh độ:

Tọa độ điểm phát

18.128
106.258
20.528
105.936

Tọa độ điểm thu
Máy Vô tuyến điện
Công suất phát
Loại ăng-ten sử dụng
Hƣớng liên lạc
Chế độ điều chế

5
8
4

Chất lƣợng đƣờng truyền đƣợc đánh giá theo thang
điểm 5. Cụ thể nhƣ sau:
+ Điểm 1: Tín hiệu nghe rất nhỏ, khơng rõ nội dung,
nhiễu và tạp âm lớn.
+ Điểm 2: Tín hiệu nghe lúc to, lúc nhỏ, nền nhiễu
nhiều.
+ Điểm 3: Tín hiệu nghe rõ nội dung, có lúc nhiễu
nhƣng vẫn làm việc đƣợc.
+ Điểm 4: Tín hiệu nghe rõ, tạp âm, nhiễu nhỏ.

6

Kết quả tính tốn đƣợc thể hiện ở hình 3. Từ các
đồ thị trên hình 3 ta thấy giá trị OWF biến đổi theo
thời gian trong ngày và có sự khác biệt giữa các mùa
trong năm. Trong đó mùa Thu tần số làm việc tăng
nhiều nhất, sau đó là mùa Xuân. Căn cứ vào sự biến

ISBN: 978-604-80-5076-4

Vĩ độ: 18.128
Kinh độ: 106.258
Vĩ độ: 21.167
Kinh độ: 105.380
VRU-611
20 W
Anten 2 cực căng ngang
Bắc -Nam
Điều biên băng tần trên
(USB)

3


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)

+ Điểm 5: Tín hiệu nghe to, rõ, tạp âm và nhiễu rất
nhỏ.
Sơ đồ đấu nối để kiểm tra chất lƣợng đƣờng truyền
đƣợc thể hiện ở hình 4.

đƣợc xác suất tính tốn đúng tần số làm việc khi sử
dụng Phần mềm là 78 %, chất lƣợng liên lạc đều đạt từ
4 và 5 điểm. Trong đó, vào các phiên liên lạc ban
ngày chất lƣợng đều đạt tốt. Ban đêm, chất lƣợng liên
lạc kém hơn so với ban ngày. Điều này có thể đƣợc
giải thích bởi lý do nhƣ sau: ban đêm năng lƣợng của
sóng vơ tuyến bị tầng điện ly hấp thụ mạnh hơn so với
ban ngày, nhất là trong điều kiện thời tiết mƣa gió,
sƣơng mù. Ta lƣu ý rằng vào đêm các ngày 16, 17
tháng 9 năm 2020 có mƣa trên diện rộng từ điểm đầu
đƣờng truyền là Hà Tĩnh, Thanh Hóa đến điểm cuối
của đƣờng truyền là Sơn Tây do ảnh hƣởng của cơn
bão số 5. Do vậy tín hiệu truyền tới điểm thu ở một vài
thời điểm bị suy hao nhiều nên không vƣợt qua đƣợc
mức ngƣỡng cần thiết để có thể nghe rõ.
Phần mềm đƣa ra kết quả tính tốn trong khoảng
thời gian từ 10 đến 17 giây. Trong khi đó, nếu dùng
phƣơng pháp dị tần số thủ cơng hoặc dùng chế độ dị
tự động của máy vơ tuyến điện thì có thể mất từ 2 đến

5 phút. Nhƣ vậy Phần mềm cho phép rút ngắn đáng kể
thời gian xác định giá trị tần số làm việc tối ƣu cho
đƣờng truyền sóng điện ly của máy vơ tuyến điện sóng
ngắn.

Hình 4 . Kết nối thiết bị để thử nghiệm

Kết quả thử nghiệm đƣợc thể hiện ở các bảng cho
bên dƣới.
BẢNG I
KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM PHẦN MỀM

Giờ trong
ngày

V. KẾT LUẬN
Tần số làm

Điểm

Trong bài báo, chúng tơi đã trình bày kết quả xây
dựng Phần mềm tính tốn tần số làm việc tối ƣu cho
đƣờng truyền sóng điện ly của máy VTĐsn. Kết quả
thử nghiệm cho thấy Phần mềm có xác suất tính tốn
đúng tần số làm việc tối ƣu đạt 78%. Phần mềm giúp
rút ngắn đáng kể thời gian xác định tần số làm việc tối
ƣu cho đƣờng truyền sóng điện ly của máy vơ tuyến
điện sóng ngắn, điều này có ý nghĩa quan trọng trong
lĩnh vực thơng tin liên lạc Quân sự.

việc (MHz)

7h đến 7h30

4.0633

4

10h30 đến 11h

7.3457

5

11h đến 11h30

7.4918

5

12h đến 12h 30

7.8891

5

14h 30 đến 15h

8.7140

5

16h đến 16h30

9.5830

4

17h đến 17h30

9.7674

1

19h đến 19h30

9.0995

4

21h đến 21h30

7.1116

2

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]

[2]

[3]

Để đánh giá độ chính xác của Phần mềm, ta tính
xác suất phần mềm tính tốn chính xác, ký hiệu là X.
Ta xác định X theo biểu thức:
N
X
100 %
M

[4]
[5]

Trong đó N là tổng số giờ mà đƣờng truyền liên
lạc đƣợc, M là tổng số giờ thực hiện thử nghiệm trên
đƣờng truyền đó.
Điểm số chất lƣợng đƣờng truyền từ 3 điểm trở
lên là đƣờng truyền liên lạc đƣợc, 5 điểm là chất lƣợng
tốt. Dƣới 3 điểm là khơng thể thực hiện liên lạc. Phân
tích bảng số liệu 1 ta có các nhận xét sau:
Với đƣờng truyền từ Kỳ Anh đến Sơn Tây, ta đạt

ISBN: 978-604-80-5076-4

[6]

[7]

4

F. T. Koide, “A computer method of HF ionospheric
propagation prediction and analysis,” IEEE Trans. Antennas
Propag. [online], vol. 11, no. 5, pp. 540-558, 1963. DOI:
10.1109/TAP.1963.1138079.
"ITU-R methods of basic MUF, operational MUF and
ray-path prediction,"
International
Telecommunication
Union, 2008, ITU-R, Recommendation P.l240-1.
A simple HF propagation method for MUF and field strength:
Document CCIR 6/288. - CCIR XVI-th Plenary Assembly,
Dubrovnik, 1986, 34 p.
D. Bilitza, International Reference Ionosphere 2000 // Radio
Science. 2001. V. 36. N 2. P. 261–275.
Агарышев А.И., Агарышев В.А. Прогнозирование
характеристик дальнего распространения радиоволн в
неоднородной ионосфере: монография. - Иркутск:
Иркутский филиал МГТУ ГА, 2018. - 303 с.
K.Davies, Ionospheric radio propagation. London, United
Kingdom: The Institution of Engineering and Technology,
1990.
Nguyen Minh Giang, Trinh Huy Hoang “Calculating
Characteristics of HF Radio WavesTaking into Account
Ionospheric Inhomogeneities”, 2019 International Conference
on Advanced Technologies for Communications (ATC), pp.
113-116, Ha Noi, VietNam, Oct 2019.