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

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

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:

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

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
=

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,

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

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

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

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

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

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