Wireless Network_9_Các hiện tượng (behavior) xảy ra khi truyền tần số vô tuyến

Suy hao phản hồi

Khi VSWR có giá trị lớn hơn 1.0:1, sẽ có hiện tượng phản xạ ngược trong hệ thống, làm suy hao tín hiệu RF ở các mức độ khác nhau. Độ suy hao phản hồi là phần năng lượng phản xạ lại bộ phát hoặc bộ truyền tín hiệu RF. Đơn vị đo là dB, là tỉ số giữa năng lượng sóng tới và năng lượng sóng phản xạ. Hậu quả gây ra bởi suy hao phản hồi có thể làm giảm biên độ của tín hiệu RF được truyền. Trong một số trường hợp nó có thể phát hủy máy phát tín hiệu RF và các thiết bị khác trong hệ thống.

Để giảm VSWR và suy hao phản hồi, cần tránh sự sai khác về trở kháng giữa các thiết bị. Có nghĩa, cần sử dụng các thiết bị (máy phát RF, cáp, đầu nối) có độ trở kháng càng giống nhau càng tốt. Trong hệ thống RF, giá trị trở kháng thường sử dụng là 50 ohm. Nên mua các thiết bị đồng bộ từ một nhà sản xuất, điều này sẽ đảm bảo độ trở kháng của các thiết bị là như nhau. Trong trường hợp phải sử dụng các thiết bị từ nhiều nhà sản xuất khác nhau, cần phải kiểm tra để đảm bảo các thiết bị có cùng độ trở kháng. Công cụ để đo VSWR là SWR metter.

Sự khuếch đại

Khuếch đại là quá trình tăng biên độ của tín hiệu RF. Quá trình tạo ra độ lợi bị động không phải là khuếch đại, mà chỉ là quá trình tập trung hoặc điều hướng tín hiệu RF.

Khuếch đại được thực hiện thông qua bộ khuếch đại, đây là quá trình tạo độ lợi chủ động.

Nhiều access point cho phép chọn các công suất phát khác nhau, việc thay đổi công suất phát này không dựa trên kĩ thuật của một bộ khuếch đại, mà dựa trên việc tác động để làm thay đổi biên độ của tín hiệu RF phát ra. Kĩ thuật thực hiện ở đây có thể là điều chỉnh pha của các tín hiệu phát ra từ access point.

Sự suy giảm tín hiệu

Suy giảm tín hiệu là quá trình giảm biên độ của tín hiệu RF. Quá trình này đôi khi được thực hiện có chủ ý, bằng việc sử dụng bộ suy giảm (attenuator), làm giảm độ mạnh của tín hiệu để phù hợp với quy định của các tổ chức quản lý nhà nước về tần số vô tuyến. Suy hao là kết quả của quá trình suy giảm tín hiệu, và tăng độ lợi là kết quả của quá trình khuếch đại. Cáp truyền tín hiệu RF, đầu nối, và các thiết bị khác có các mức suy giảm tín hiệu khác nhau, mức độ suy giảm tín hiệu được đo bằng decibel trên foot, suy hao này còn được gọi là suy hao chèn (insertion loss). Suy hao chèn là suy hao do gắn thêm các đối tượng (cáp, đầu nối, thiết bị) vào đường truyền tín hiệu RF từ nguồn tới bộ phát định hướng.

Sự lan truyền sóng

Cách thức sóng RF di chuyển qua một môi trường được gọi là sự lan truyền sóng. Khi một tín hiệu RF truyền qua một môi trường nhất định, luôn có hiện tượng suy giảm tín hiệu. Tín hiệu RF rời khỏi anten phát, theo lý thuyết, nó sẽ lan truyền xuyên qua môi trường xung quanh và đi đến vô tận.

Tuy nhiên, khi tín hiệu RF vượt quá một khoảng cách nào đó, chúng ta sẽ không thể thu nhận được tín hiệu, giới hạn này được gọi là giới hạn hữu dụng của tín hiệu. Có hiện tượng này là do có sự suy giảm tín hiệu xảy ra trong môi trường truyền.

Sự suy giảm có thể do tín hiệu RF bị hấp thụ bởi các đối tượng vật chất trên đường truyền, hoặc do hiện tượng suy hao không gian tự do.

Suy hao không gian tự do

Suy hao không gian tự do là sự suy yếu của tín hiệu RF do quá trình phân tán năng lượng của sóng RF khi lan truyền.

Hình sau minh họa về sự lan truyền của sóng sau khi được phát ra từ anten.

Sự mở rộng không gian lan truyền của sóng làm giảm biên độ của tín hiệu, tại các vị trí khác nhau có độ giảm biên độ khác nhau. Ví dụ, nếu đặt anten thu tại vị trí B, sẽ thu được tín hiệu yếu hơn khi đặt anten thu tại vị trí A.

Hiện tượng mở rộng không gian lan truyền còn được gọi là hiện tượng phân kỳ chùm sóng (beam divergence).

Giá trị phân kỳ = (D1 – D2)/L

Trong đó,

o D1: đường kính của chùm sóng tại vị trí xa anten

o D2: đường kính của chùm sóng tại vị trí gần anten

o L: khoảng cách giữa D1 và D2

Để dễ hiểu về suy hao không gian tự do, có thể tưởng tượng khi thổi bong bóng bằng kẹo cao su (singum hay chewing-gum), ta thấy độ dày của vỏ bong bóng sẽ giảm đi khi bong bóng được thổi to lên. Tương tự như vậy, tín hiệu RF cũng sẽ yếu đi khi vùng phủ sóng tăng lên hoặc khoảng cách truyền sóng tăng lên.

Sự suy giảm độ mạnh của tín hiệu tuân theo hàm logarit. Ví dụ, một tín hiệu 2.4 GHz sẽ suy giảm 80dB ở 100m đầu tiên và 6dB ở 100m tiếp theo.

Công thức tính suy hao không gian tự do:

LP = 36.6 + (20*log₁₀(F)) + (20* log₁₀(D))

Trong đó,

o LP: suy hao không gian tự do

o F: tần số sóng, đơn vị là MHz

o D: khoảng cách truyền, đơn vị là dặm (mile), 1 dặm = 1609m

Nếu D tính theo km thì công thức được sửa lại là:

LP = 32.4 + (20*log₁₀(F)) + (20* log₁₀(D))

Ví dụ, tính suy hao không gian tự do khi sử dụng dải tần 2.4 GHz (cụ thể là 2450MHz), tại ví trí cách anten phát là 100m.

LP = 32.4 + (20*log₁₀(2450)) + (20* log₁₀(0.1))

= 32.4 + 67.78 - 20 = 80.18

Như vậy, tại vị trí 100 m tín hiệu RF bị suy hao 80.18 dB

Đa đường truyền và trễ tín hiệu

Khi tín hiệu bị đổi hướng trong các hiện tượng phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ và tán xạ, chúng sẽ tạo ra hiện tượng đa đường truyền.

Đa đường truyền xảy ra khi có nhiều đường truyền tín hiệu, hay nhiều tín hiệu khác nhau cùng đến anten thu tại một thời điểm hoặc sai khác ở mức nano giây (nanosecond).

Đa đường truyền có thể xảy ra ở ngoài trời khi có hiện tượng phản xạ tín hiệu RF (do tín hiệu gặp phải các tòa nhà trên đường tuyền). Ví dụ hình dưới đây.

Đa đường truyền cũng xảy ra ở trong nhà, các vật dụng có thể gây ra hiện tượng này gồm: tủ đựng hồ sơ, các bức tường, bàn làm việc, cửa, và các vật dụng khác.

Ở trong nhà, tín hiệu truyền từ thiết bị phát đến thiết bị thu (từ access point đến các máy laptop) rất ít khi truyền theo đường thẳng, mà thường bị cản bởi các vật dụng khác. Điều này có nghĩa là, tín hiệu mà các thiết bị thu nhận được thường là tín hiệu đi qua con đường phản xạ.

Khoảng thời gian chênh lệch giữa tín hiệu thứ nhất và tín hiệu thứ hai đến thiết bị thu, khi có hiện tượng đa đường truyền gọi là trễ tín hiệu. Các tín hiệu đến thiết bị thu có thể cùng pha hoặc lệch pha nhau. Nếu hai tín hiệu cùng pha nó sẽ làm cho tín hiệu nhận được tại thiết bị thu mạnh hơn, ngược lại nếu hai tín hiệu lệch pha, nó sẽ làm cho tín hiệu nhận được tại thiết bị thu bị yếu đi, sai lệch, hoặc bị triệt tiêu.

--------------------------

Tham khảo:

[8] Tom Carpenter, 2008, CWNA Official Study Guide, Mc Gram-Hill

Wireless Network_8_Các hiện tượng (behavior) xảy ra khi truyền tần số vô tuyến

Khúc xạ

Khúc xạ là hiện tượng đổi hướng đường đi (bị bẻ cong) của sóng điện từ (bức xạ điện từ), hay các sóng nói chung, khi lan truyền trong môi trường vật chất không đồng nhất.

Với các môi trường khác nhau, như tường gạch, tường bê tông, gỗ, chất dẻo, sẽ có chỉ số khúc xạ khác nhau.

Chỉ số khúc xạ giúp xác định khả năng xảy ra khúc xạ của môi trường.

Khi bạn đeo kính cận thị, viễn thị…v.v, chính là bạn đang mang một thiết bị khúc xạ. Kính sẽ làm khúc xạ hoặc bẻ cong sóng ánh sáng, giúp ánh sáng phát ra từ vật cần quan sát sẽ tập trung vào đúng vị trí của võng mạc, giúp bạn nhìn rõ vật.

Hình sau đây minh họa hiện tượng khúc xạ.

Như trong hình minh họa ở trên, khi tín hiệu RF bị khúc xạ, cũng có một phần tín hiệu RF bị phản xạ, và một phần tín hiệu RF bị hấp thụ.

Hiệu tượng khúc xạ tín hiệu RF ít xảy ra trong các tòa nhà, mà thường xảy ra khi truyền qua môi trường không khí có các tính chất thay đổi như nhiệt độ, áp suất, hoặc hơi nước. Vì vậy cần quan tâm đến hiện tượng khúc xạ tín hiệu RF trong các liên kết không dây kiểu site – to – site.

Vấn đề cần quan tâm là: nếu tín hiệu RF bị thay đổi hướng truyền so với dự định khi đi từ thiết bị phát tới thiết bị thu, sẽ làm cho thiết bị thu không thể nhận và xử lý tín hiệu. Hậu quả là làm ngắt kết nối hoặc tăng tỉ lệ lỗi truyền. Đặc biệt cần quan tâm tới vấn đề này trong các khu vực thường xuyên có sự thay đổi bất thường về thời tiết.

Nhiễu xạ

Nhiễu xạ là hiện tượng sóng bị thay đổi hướng truyền, hoặc thay đổi cường độ khi sóng đi qua cạnh của vật cản.

Hình sau minh họa hiện tượng nhiễu xạ.

Ở hình minh họa trên, sóng RF đã bị thay đổi hướng truyền, thay vì bị bẻ cong theo hướng đi vào trong hoặc đi ra ngoài vật cản như trường hợp khúc xạ, sóng RF sẽ đi vòng qua vật cản.

Để dễ hình dung, có thể quan sát ví dụ sau, khi ném một cục đá xuống mặt hồ, sẽ xuất hiện sóng lan truyền trên mặt nước, hãy lấy một cái que cắm thẳng xuống mặt hồ và quan sát hình ảnh của sóng lan truyền, sẽ thấy sóng bị bẻ cong quanh cái que, vì sóng không thể xuyên qua được cái que. Que càng lớn sẽ có ảnh hưởng càng nhiều đến sự lan truyền của sóng.

Nhiễu xạ thường xảy ra khi có các vật cản như tòa nhà, ngọn đồi nhỏ, và các đối tượng có kích thước lớn trên đường truyền tín hiệu RF.

Tán xạ

Trong vật lý hạt, tán xạ là hiện tượng các hạt bị bay lệch hướng khi va chạm vào các vật khác.[7]

Tán xạ xảy ra khi tín hiệu RF va đập vào bề mặt không bằng phẳng (bề mặt không đồng nhất), làm cho tín hiệu bị phân tán thay vì bị hấp thụ, làm suy hao tín hiệu RF. Có thể gọi hiện tượng tán xạ là hiện tượng đa phản xạ.

Tán xạ cũng có thể xảy ra khi tín hiệu RF đi qua môi trường có chứa các phần tử vật chất có kích thước nhỏ hơn bước sóng. Trong trường hợp này, rất khó phát hiện ra hiện tượng tán xạ. Một số môi trường gây ra tán xạ gồm: địa hình núi đá, khu vực có nhiều cây lá, khu vực có nhiều lớp hàng rào, khu vực đang mưa, khu vực có nhiều bụi.

Hình sau minh họa hiện tượng tán xạ.

Hấp thụ

Hấp thụ là sự chuyển đổi năng lượng tín hiệu RF thành nhiệt. Hấp thụ xảy ra do các phân tử của môi trường truyền không thể chuyển động nhanh bằng sóng RF.

Ví dụ về hiện tượng hấp thụ.

Các vật liệu có khả năng hấp thụ tín hiệu RF trong dải tần 2.4GHz gồm: nước, tường thạch cao, tường bê tông, gỗ, cơ thể con người.

Hiện tượng hấp thụ được ứng dụng để làm nóng thức ăn trong lò vi ba. Dải tần của sóng điện từ trong lò vi ba là 2.45GHz, công suất phát sóng từ 700 watt đến 1400 watt. Trong khi công suất phát của thiết bị WLAN từ 30milliwatt đến 4 watt.

Hiện tượng hấp thụ còn giải thích cho sự suy giảm của tín hiệu trong hội trường đông người (so với khi không có người) do sự hấp thụ tín hiệu RF của con người.

Mỗi loại vật liệu sẽ có mức độ hấp thụ tín hiệu RF khác nhau, bảng sau cho biết mức độ hấp thụ tín hiệu RF của một số vật liệu. Khi thực hiện các khảo sát hoặc giải quyết các trục trặc liên quan đến WLAN cần phải xem xét tới ảnh hưởng của các loại vật liệu này.

Vật liệu	Mức độ hấp thụ
Tường thạch cao	3 - 5 dB
Tường kính và khung kim loại	6 dB
Cửa ra vào bằng kim loại	6 - 10 dB
Cửa sổ	3dB
Tường bê tông	6 - 15 dB
Tường xây thông thường	4 - 6 dB

Tỉ số sóng đứng điện áp (VSWR)

Sóng đứng (còn gọi là sóng dừng), là sóng tổng hợp của hai sóng có cùng biên độ, cùng tần số nhưng truyền ngược chiều nhau, hiện tượng này có thể xảy ra trong môi trường truyền sóng, khi sóng truyền tổng hợp với sóng phản xạ, có các điểm với biên độ dao động cực đại (gọi là bụng), xen kẽ với các điểm có biên độ cực tiểu (nút). Các bụng và các nút cách đều nhau và đứng yên. Khoảng cách giữa hai bụng (hay nút) liên tiếp bằng một nửa bước sóng. Sóng đứng không truyền năng lượng đi.

Trong hình trên, N là nút sóng, B là bụng sóng. Trong môi trường chất lỏng (ví dụ nước) ở bụng sóng các hạt vật chất chỉ chuyển động theo phương thẳng đứng. Ở nút sóng, các hạt vật chất chỉ chuyển động theo phương ngang vuông góc với hướng truyền sóng.[9]

Hình sau minh họa rõ hơn về sóng đứng.

Tỉ số sóng đứng (SWR-standing wave ratio) là tỉ lệ giữa biên độ tại bụng sóng và nút sóng.

Tỉ số sóng đứng điện áp (VSWR) là một đại lượng dùng để đo tỉ số sóng đứng trên một đường truyền dẫn RF.

Trong lĩnh vực WLAN, trước khi tín hiệu RF được phát ra ngoài bởi anten, nó tồn tại dưới dạng một dòng điện xoay chiều (AC) trong hệ thống truyền. Luôn có hiện tượng suy giảm tín hiệu RF trong hệ thống truyền này. Sự suy giảm tín hiệu trong mỗi loại cáp, đầu nối, và các thiết bị khác là khác nhau. Trong các hệ thống được thiết kế hợp lý thì cũng không thể tránh được những suy giảm này. Tuy nhiên có một tình huống đáng quan tâm hơn, là các loại cáp, đầu nối và thiết bị có trở kháng khác nhau.

Khi cáp, đầu nối, và các thiết bị nằm trong đường truyền tín hiệu RF từ máy phát tín hiệu RF tới anten có trở kháng khác nhau; Ví dụ trở kháng của cáp là 50 ohm, trở kháng của đầu nối là 75 ohm; Sẽ gây ra tín hiệu RF phản xạ, có cùng tần số, biên độ với tín hiệu RF truyền, làm suy giảm hoặc triệt tiêu sóng RF truyền.

VSWR là một tỉ số, được biểu diễn dưới dạng X:1, trong đó 1 là trở kháng lý tưởng, X là giá trị thay đổi. Giá trị của X càng gần về 1, nghĩa là hệ thống có sự phối hợp trở kháng càng tốt. Nếu VSWR có giá trị 1:1 nghĩa là hệ thống có sự phối hợp trở kháng hoàn hảo, không có sóng đứng xuất hiện trong đường truyền tín hiệu RF.

Bảng sau thể hiện một số giá trị của VSWR và ý nghĩa của nó.

VSWR	Ý nghĩa
1.0:1	Hệ thống lý tưởng, không tồn tại trong thực tế.
1.5:1	Phối hợp trở kháng tốt, chỉ có 4% năng lượng bị suy hao.
2.0:1	Phối hợp trở kháng chấp nhận được, có khoảng 11% năng lượng bị suy hao.
6.0:1	Phối hợp trở kháng xấu, có khoảng 50% năng lượng bị suy hao.
10:1	Phối hợp trở kháng không thể chấp nhận, năng lượng bị suy hao gần như hoàn toàn.
vô cùng :1	Không sử dụng để đo trở kháng

Để dễ hình dung về VSWR, hãy xem xét ví dụ sau: có một máy bơm nước được đấu với ống nước A, kích thước của A vừa đủ để truyền lượng nước máy bơm cung cấp, hệ thống sẽ chạy bình thường. Thực hiện đấu ống nước B vào ống nước A, ống B có kích thước nhỏ hơn ống A, trong trường hợp này ống B sẽ gây ra sự không tương thích về trở kháng, hay nói cách khách, ống B không thể truyền hết được lượng nước mà ống A đang truyền. Kết quả là tạo ra áp lực ngược trở lại cho ống A và máy bơm. Trong trường hợp này, sẽ có một số tình huống xấu có thể xảy ra: lượng nước chảy ra tại ống B sẽ nhỏ hơn khả năng thực của máy bơm và ống A, máy bơm có thể bị hư, ống A có thể bị vỡ, khớp nối giữa A và B có thể bị rò rỉ hoặc bị vỡ…v.v. Như vậy, tình huống ít xấu nhất là lượng nước chảy ra tại ống B sẽ nhỏ hơn so với khả năng thật sự của máy bơm và ống A.

--------------------------------

Tham khảo

[1] Trần Nghiêm, 2012, Bản chất của bức xạ điện từ, thuvienvatly.com

[2] website http://www.wi-fi.org

[3] website: http://www.wirelessvn.com

[4] website: http://vi.wikibooks.org/wiki/S%C3%B3ng_%C4%90i%E1%BB%87n_T%E1%BB%AB

[5] Trần Nghiêm, Lịch sử điện từ học, thuvienvatly.com

[6] http://vi.wikibooks.org/wiki/S%C3%B3ng_%C4%90i%E1%BB%87n_T%E1%BB%AB#.E1.BB.A8ng_D.E1.BB.A5ng

[7] http://vi.wikipedia.org

[8] Tom Carpenter, 2008, CWNA Official Study Guide, Mc Gram-Hill

[9] http://dictionary.bachkhoatoanthu.gov.vn

Wireless Network_7_Các hiện tượng (behavior) xảy ra khi truyền tần số vô tuyến

Các sóng tần số vô tuyến khi đã được điều chế để chứa thông tin được gọi là các tín hiệu tần số vô tuyến (RF signal). Trong quá trình truyền các tín hiệu này, xảy ra các hiện tượng có thể dự đoán và phát hiện được như: sự gia tăng và suy giảm tín hiệu, phản ứng khác nhau khi gặp các vật thể khác nhau, và có thể bị can nhiễu (interfere) với các tín hiệu khác. Phần sau đây sẽ trình bày 1 số hiện tượng chính.

o Độ lợi (gain)

o Suy hao (loss)

o Phản xạ (reflection)

o Khúc xạ (refraction)

o Nhiễu xạ (diffraction)

o Tán xạ (scattering)

o Hấp thụ (absorption)

o Tỉ số sóng đứng điện áp (VSWR – voltage standing wave ratio)

o Suy hao phản hồi (return loss)

o Sự khuếch đại (amplification)

o Sự suy giảm (attenuation)

o Sự lan truyền sóng (wave propagation)

o Suy hao không gian tự do (free space path loss)

o Đa đường truyền và trễ tín hiệu (multipath and delay spread)

Độ lợi

Độ lợi là một giá trị thể hiện sự gia tăng về biên độ, giữa hai tín hiệu sóng tần số vô tuyến (từ đây gọi tắt là tín hiệu RF). Khuếch đại là quá trình làm tăng biên độ của tín hiệu RF, kết quả là làm tăng độ lợi. Có 2 loại độ lợi: độ lợi chủ động và độ lợi bị động.

Hình sau minh họa về độ lợi và suy hao.

Độ lợi chủ động

Độ lợi chủ động có thể được tạo ra nhờ bộ khuếch đại đặt giữa máy phát tín hiệu RF (ví dụ access point) và anten truyền. Các bộ khuếch đại sử dụng decibel (dB) làm đơn vị đo độ lợi. Ví dụ, một bộ khuếch đại có thể cung cấp 6dB độ lợi cho tín hiệu RF. Để xác định được độ mạnh thực sự của tín hiệu sau khi đi qua bộ khuếch đại, cần phải biết được độ mạnh ban đầu của tín hiệu tại thiết bị phát RF và thực hiện các tính toán (sẽ được trình bày ở chương sau).

Chú ý, khi thực hiện khuếch đại để tăng độ lợi, cần phải tham khảo tới quy định của các tổ chức quản lý về tần số vô tuyến để không vi phạm các ràng buộc về phát tín hiệu. Ví dụ, tại Mỹ, FCC quy định công suất phát tối đa của anten trên các thiết bị kết nối điểm-đa-điểm thuộc dải tần 2.4 GHz là 4 watt.

Độ lợi bị động

Độ lợi bị động là sự tăng biên độ của tín hiệu ở phía sau bộ phát định hướng, được thực hiện bằng việc điều chỉnh độ tập trung, hoặc điều chỉnh hướng của tín hiệu phát ra. Độ lợi bị động có hai loại, loại có chủ ý và loại không có chủ ý.

Độ lợi bị động có chủ ý giống như việc sử dụng hai bàn tay tạo thành hình phễu, đặt trước miệng, khi muốn gọi ai đó ở khoảng cách xa. Trong trường hợp này, bạn đã có chủ ý điều chỉnh hướng của sóng âm về phía người nghe, mà không cố gắng gọi to hơn. Điều này làm cho âm thanh phát ra có thể nghe được ở khoảng cách xa hơn, vì các sóng âm tập trung về phía người nghe nhiều hơn.

Các anten đã được sử dụng để tạo ra độ lợi bị động có chủ ý trong hệ thống mạng không dây sử dụng tín hiệu RF. Các anten sẽ truyền nhiều năng lượng của tín hiệu RF theo hướng mong muốn hơn là các hướng khác.

Độ lợi bị động không có chủ ý xảy ra khi có hiện tượng phản xạ và tán xạ trong một vùng phủ sóng. Khi tín hiệu RF được phát ra từ anten, tín hiệu sẽ được truyền đi theo những thiết lập đã được cài đặt cho anten. Tuy nhiên, tín hiệu này có thể gặp phải các vật cản trên đường truyền làm cho nó bị khúc xạ hoặc tán xạ, điều này sẽ tạo ra nhiều bản sao của cùng một tín hiệu đi tới anten nhận. Nếu các tín hiệu này đến anten mà cùng pha, chúng sẽ làm tín hiệu mạnh hơn, điều này tạo ra độ lợi bị động không có chủ ý.

Suy hao

Suy hao là một giá trị thể hiện sự suy giảm về biên độ, giữa hai tín hiệu sóng RF. Cũng giống như độ lợi, suy hao cũng có hai loại: có chủ ý và không có chủ ý.

Suy hao có chủ ý

Dựa vào các quy định của các tổ chức quản lý trong lĩnh vực tần số vô tuyến, cần đảm bảo công suất phát của các thiết bị không dây phải nằm trong giới hạn cho phép. Tùy thuộc vào thiết bị phát sóng vô tuyến, bộ khuếch đại, cáp và anten sử dụng, đôi khi cũng cần phải thực hiện việc giảm biên độ của tín hiệu RF (suy hao có chủ ý). Việc này có thể thực hiện được bằng cách sử dụng bộ suy hao tín hiệu RF (attenuator).

Suy hao không có chủ ý (suy hao tự nhiên)

Suy hao tự nhiên xảy ra do các nguyên nhân: mở rộng không gian lan truyền, phản xạ, khúc xạ, tán xạ, nhiễu xạ và hấp thụ.

Phản xạ

Hiện tượng phản xạ là hiện tượng khi tín hiệu RF truyền tới bề mặt nhẵn, không có khả năng hấp thụ, bị đổi hướng truyền và quay trở lại môi trường mà nó đã tới. Đây có thể là hiện tượng RF xảy ra dễ hiểu nhất, vì chúng ta có thể thấy hiện tượng này thường xuyên trong cuộc sống. Bạn có thể chiếu ánh sáng vào một cái gương theo một góc lệch nào đó rồi quan sát sự phản xạ của nó. Thực tế, mỗi khi bạn nhìn vào gương là bạn đã trải nghiệm hiện tượng phản xạ điện từ, hay phản xạ tần số điện từ.

Hình sau đây minh họa về khái niệm phản xạ.

Ở ví dụ trên, sóng ánh sáng phát ra từ bóng đèn, (nó cũng là sóng điện từ, tương tự như các sóng RF), đầu tiên nó gặp phải đối tượng (hình hộp chữ nhật), xảy ra hiện tượng phản xạ, sóng ánh sáng truyền tới gương. Khi gặp bề mặt của gương, sóng ánh sáng tiếp tục bị phản xạ và truyền tới mắt của người quan sát. Cuối cùng, mắt sẽ hoạt động giống như một thiết bị tiếp nhận sóng ánh sáng, truyền tới các bộ phận cảm nhận ánh sáng của con người, đem đến cảm nhận về ánh sáng. Tuy nhiên, điều quan trọng cần chú ý là những gì nhìn thấy, chính là ánh sáng đã được phản xạ khi gặp đối tượng, truyền tới gương, và gương lại phản xạ tới mắt người.

Tín hiệu RF cũng phản xạ khi gặp các đối tượng phẳng và có kích thước lớn hơn bước sóng của nó. Vì vậy, nếu tín hiệu RF truyền qua môi trường chân không, sẽ không có hiện tượng phản xạ. Tuy nhiên, môi trường thực tế là trái đất hoặc khí quyển, trong môi trường này sẽ có các phần tử vật chất khác nhau, nên có thể sẽ xảy ra một số hiện tượng như: phản xạ, khúc xạ, tán xạ, nhiễu xạ và hấp thụ.

Vì các đối tượng có thể gây ra hiện tượng phản xạ luôn có bề mặt phẳng và có kích thước lớn hơn bước sóng và vì các sóng được sử dụng trong IEEE 802.11 có bước sóng từ 5 đến 13 cm, nên các đối tượng có bề mặt phẳng và có kích thước lớn hơn 5 cm (với băng tần 5 GHz) và lớn hơn 13 cm (với băng tần 2.4 GHz) sẽ gây ra hiện tượng phản xạ. Cụ thể các đối tượng đó là: mái nhà bằng kim loại, tường bao bằng nhôm hoặc kim loại, thang máy,…v.v.

Hình dưới đây minh họa hiện tượng phản xạ của tín hiệu RF. Điều quan trọng cần nhớ là tín hiệu phản xạ luôn luôn yếu hơn tín hiệu gốc. Lý do, là năng lượng của RF luôn luôn bị hấp thụ bởi vật phản xạ.

---------------------------------------

Tham khảo

[1] Trần Nghiêm, 2012, Bản chất của bức xạ điện từ, thuvienvatly.com

[2] website http://www.wi-fi.org

[3] website: http://www.wirelessvn.com

[4] website: http://vi.wikibooks.org/wiki/S%C3%B3ng_%C4%90i%E1%BB%87n_T%E1%BB%AB

[5] Trần Nghiêm, Lịch sử điện từ học, thuvienvatly.com

[6] http://vi.wikibooks.org/wiki/S%C3%B3ng_%C4%90i%E1%BB%87n_T%E1%BB%AB#.E1.BB.A8ng_D.E1.BB.A5ng

[7] http://vi.wikipedia.org

[8] Tom Carpenter, 2008, CWNA Official Study Guide, Mc Gram-Hill

[9] http://dictionary.bachkhoatoanthu.gov.vn

Wireless Network_6_Các đặc trưng của tần số vô tuyến

Bước sóng

Bước sóng là khoảng cách giữa hai đỉnh sóng (điểm mà sóng đạt giá trị lớn nhất), hoặc tổng quát là giữa hai cấu trúc lặp lại của sóng, tại một thời điểm nhất định. Nó thường được viết tắt bằng chữ Hy Lạp lambda (λ). Đơn vị tính là mét (m). Ví dụ, hình bên dưới, bước sóng là khoảng cách giữa 2 điểm A và B.

Bước sóng quyết định đến việc xác định kích thước tối ưu của anten tiếp nhận sóng và xác định các tương tác của nó với môi trường. Ví dụ, nó sẽ phản ứng khác khi chạm vào các đối tượng có kích thước lớn hơn bước sóng và các đối tượng có kích thước nhỏ hơn bước sóng.

Bước sóng và tần số có quan hệ với nhau, bước sóng lớn thì tần số nhỏ và ngược lại bước sóng nhỏ thì tần số lớn. Trong một môi trường truyền nhất định, nếu biết được tần số sẽ tính được bước sóng và ngược lại biết được bước sóng sẽ tính được tần số. Tốc độ truyền của sóng điện từ trong chân không bằng với tốc độ truyền của ánh sáng (~300.000km/s).

Gọi bước sóng là λ, tần số là f.

Ta có:

λ = 300.000.000/f (đơn vị là mét)

và

f = 300.000.000/ λ (đơn vị là hertz)

Ví dụ, với tần số của mạng WLAN là 2.4 GHz, ta có thể tính được bước sóng (λ) của mạng :

λ = 300.000.000/2.450.000.000 = 0,123 (m) hay xấp xỉ 12,3 cm.

Tần số

Tần số của một sóng phát ra, là số chu kì sin (số dao động, hay số bước sóng) đi qua một điểm cho trước trong một giây, tỉ lệ với nghịch đảo của bước sóng. Như vậy, bước sóng càng dài ứng với tần số càng thấp, và bước sóng càng ngắn ứng với tần số càng cao. Tần số thường được biểu diễn bằng đơn vị hertz (Hz), hoặc chu kì/giây (cps).

Tần số lớn sẽ mang theo năng lượng lớn.

Tốc độ truyền sóng và bước sóng sẽ thay đổi khi môi trường truyền thay đổi, tuy nhiên, tần số không bị thay đổi.

Để hiểu hơn về sóng điện từ, có thể xem xét trên sóng âm (ví dụ, âm thanh phát ra từ đàn piano), mặc dù sóng điện từ và sóng âm là 2 hiện tượng khác nhau nhưng chúng có những tính chất về sóng giống nhau.

Tốc độ truyền của sóng âm nhỏ hơn rất nhiều so với sóng điện từ, chỉ khoảng 344 (m/s), vậy nếu bạn đứng cách xa cây đàn 30 mét, âm thanh phát ra từ cây đàn sẽ cần khoảng 1/10 giây để đến được tai của bạn.

(Các tần số của đàn piano)

Ví dụ, trong hình mô tả các tần số của đàn piano, nốt Đô (C) ở khoảng giữa có tần số 261Hz.

Ta có thể tính được bước sóng là : 344/261 = 1,32 (m)

Và có thể nói rằng có 261 “lượt sóng” đã được sinh ra trong một giây, và tốc độ truyền của một “lượt sóng” là 344 (m/s), tốc độ này cũng là tốc độ của các sóng có tần số thấp hơn, tuy nhiên, sóng có tần số thấp hơn sẽ có ít “lượt sóng” hơn được tạo ra trong thời gian một giây.

Khi chơi đàn sẽ có rất nhiều sóng âm được phát ra với các tần số khác nhau, tai người có khả năng cảm nhận (thu) được các sóng ở các tần số khác nhau.

Trong mạng WLAN tần số có vai trò rất quan trọng, bằng việc sử dụng các tần số khác nhau, cho phép thiết lập nhiều kết nối, nhiều đường truyền trong cùng một khu vực. Ví dụ, trong cùng một khu vực, mạng IEEE 802.11g phát ở kênh 1 có thể cùng tồn tại với mạng IEEE 802.11g phát trên kênh 11. Lí do là các kênh này đã sử dụng các tần số khác nhau, vì vậy không có hiện tượng nhiễu hoặc triệt tiêu nhau.

Hãy quan sát một buổi hòa nhạc, mặc dù có rất nhiều các loại nhạc cụ được chơi cùng lúc, nhưng do mỗi nhạc cụ phát ra ở một tần số sóng khác nhau, nên chúng tạo nên những giai điệu hài hòa, du dương. Ngược lại, khi bạn nhấn cả bàn tay của bạn lên sáu hoặc bảy phím của đàn piano cùng một lúc, bạn sẽ chỉ nghe được âm thanh là một tiếng ồn, nguyên nhân là do tần số của các phím quá gần bằng nhau. Tương tự như vậy, việc phát nhiều tần số vô tuyến có giá trị gần bằng nhau, thiết bị thu sẽ rất khó hoặc không thể phân biệt được các tần số đang phát. Tuy nhiên, hãy nghe âm thanh du dương của hợp âm đô trưởng (C) hoặc rê trưởng (D), vì các phím của hợp âm thường không liên tục nhau. Áp dụng vào mạng WLAN, các mạng IEEE 802.11g có thể hoạt động cạnh nhau nếu chúng được cấu hình sử dụng các kênh 1, 6, và 11.

Biên độ

Trong sóng âm, các sóng có tần số thấp hơn có thể nghe được ở khoảng cách xa hơn. Tuy nhiên yếu tố ảnh hưởng tới âm lượng (hay độ lớn của âm thanh) chính là biên độ sóng.

Ở khoảng cách lớn hơn, sóng có bước sóng ngắn hơn sẽ khó được phát hiện hơn.

Trong kĩ thuật sóng âm, tăng biên độ đồng nghĩa với tăng âm lượng. Như vậy, tần số sẽ ảnh hưởng đến khoảng cách một sóng âm có thể truyền đi được, trong khi biên độ ảnh hưởng đến khả năng phát hiện (nghe) sóng âm tại phía tiếp nhận. Các sóng tần số vô tuyến cũng tương tự như vậy.

Một sóng tần số vô tuyến có biên độ lớn hơn sẽ dễ dàng được phát hiện hơn bởi thiết bị thu, so với sóng có biên độ nhỏ hơn, giả sử tất cả các yếu tố còn lại là như nhau. Nói cách khác, trong môi trường chân không, một sóng tần số vô tuyến được coi là có chất lượng tốt hơn tại một khoảng cách nào đó, nếu nó có biên độ lớn hơn. Nhưng về mặt lý thuyết, các sóng tần số vô tuyến sẽ truyền tới vô tận. Trong trường hợp này, khả năng phát hiện sóng tại một khoảng cách cho trước sẽ tốt hơn nếu sóng có biên độ lớn hơn. Một sóng với biên độ nhỏ có thể không phát hiện được bởi nhiễu nền (noise floor).

Nhiễu nền là một đại lượng để đo mức độ nhiễu của môi trường xung quanh. Nghĩa là, tại một vị trí bất kì, mặc dù vẫn tồn tại sóng tần số vô tuyến nhưng không thể nhận ra được, do nhiễu điện từ của môi trường xung quanh.

Thực tế, ở một vị trí cụ thể, cả sóng có biên độ lớn và sóng có biên độ nhỏ đều tồn tại, tuy nhiên chỉ có sóng có biên độ lớn mới có thể được phát hiện bởi thiết bị thu. Có nghĩa là, cả hai sóng đều đi tới vị trí đó, nhưng chỉ có sóng có biên độ lớn là có ích. Vì lý do này, trong chuyên môn, người ta thường thực hiện tăng biên độ để mở rộng phạm vi phủ sóng có ích.

Các hình dưới đây minh họa về các biên độ sóng khác nhau.

Pha

Khác với bước sóng, tần số và biên độ; pha không phải là đặc trưng của một sóng tần số vô tuyến mà là một khái niệm chỉ ra mối quan hệ giữa hai sóng có cùng tần số.

Một bước sóng được chia thành 360 phần bằng nhau, gọi là 360 độ. Nếu xét tại một thời điểm t0 bất kì, là thời điểm bắt đầu phát sóng có tên s1, thì ta nói sóng s1 bắt đầu tại 0 độ, khi sóng s1 tới vị trí 180 độ thì sóng s2 bắt đầu phát, ta nói, sóng s1 và s2 lệch pha nhau 180 độ.

Nếu hai bản sao của cùng một sóng tần số vô tuyến đến một anten tại một thời điểm, độ lệch pha của hai sóng này sẽ ảnh hưởng đến sóng phức hợp (sự kết hợp của hai sóng).

Khi các sóng cùng pha, chúng sẽ mạnh lên (về biên độ), còn gọi là hiện tượng cộng hưởng. Khi các sóng lệnh pha (out of phase), tùy thuộc vào độ lệnh pha sẽ có hiện tượng cộng hưởng hoặc triệt tiêu nhau.

Hai sóng cùng pha nếu độ lệnh pha bằng 0 độ và ngược pha nếu độ lệch pha bằng 180 độ (hình minh họa bên dưới).

Pha được sử dụng nhiều trong các thuật toán điều chế tần số vô tuyến tại các modem hiện đại.

--------------------------------------

Tham khảo

[1] Trần Nghiêm, 2012, Bản chất của bức xạ điện từ, thuvienvatly.com

[2] website http://www.wi-fi.org

[3] website: http://www.wirelessvn.com

[4] website: http://vi.wikibooks.org/wiki/S%C3%B3ng_%C4%90i%E1%BB%87n_T%E1%BB%AB

[5] Trần Nghiêm, Lịch sử điện từ học, thuvienvatly.com

[6] http://vi.wikibooks.org/wiki/S%C3%B3ng_%C4%90i%E1%BB%87n_T%E1%BB%AB#.E1.BB.A8ng_D.E1.BB.A5ng

[7] http://vi.wikipedia.org

[8] Tom Carpenter, 2008, CWNA Official Study Guide, Mc Gram-Hill

Wireless Network_5_Cơ bản về sóng điện từ

Sóng

Sóng (gọi đầy đủ là chuyển động sóng) là sự lan truyền của dao động. Trong vật lý, sóng có thể mạng theo năng lượng, lan truyền trong nhiều môi trường khác nhau, có thể bị đổi hướng (bởi khúc xạ, phản xạ, tán xạ, nhiễm xạ…) và thay đổi năng lượng (bởi hấp thụ, bức xạ,…) hay thay đổi cấu trúc (thay đổi tần số, thay đổi bởi môi trường phi tuyến tính, …)[7]

Điện trường

Điện trường là một mô hình tưởng tượng trong điện từ học để nói về môi trường vật chất đặc biệt bao quanh điện tích và gắn liền với điện tích đó. Điện trường tác dụng lực lên tất cả các hạt mang điện đặt trong nó và người ta gọi lực này là lực điện. Xét về bản chất, điện trường và từ trường là các biểu hiện riêng rẽ của một trường thống nhất là điện từ trường.[7]

Từ trường

Từ trường là môi trường vật chất đặc biệt sinh ra quanh các điện tích chuyển động hoặc do sự biến thiên của điện trường hoặc có nguồn gốc từ các môment lưỡng cực từ. Xét về bản chất, từ trường và điện trường là các biểu hiện riêng rẽ của một trường thống nhất là điện từ trường.[7]

Sóng điện từ

Sóng điện từ (hay bức xạ điện từ) là sự kết hợp của dao động điện trường và từ trường vuông góc với nhau, lan truyền trong không gian như sóng.

Điện trường có thể sinh ra từ trường và ngược lại từ trường có thể sinh ra điện trường.

Sóng điện từ là phương tiện truyền năng lượng chủ yếu trong vũ trụ.

Sóng điện từ (di chuyển) truyền theo hướng vuông góc với hướng dao động của cả vector điện trường (E) và vector từ trường (B), mang năng lượng từ nguồn bức xạ đến đích ở xa vô hạn.

Sóng điện từ có thể truyền đi trong chân không.

Hai trường năng lượng dao động vuông góc với nhau và dao động cùng pha theo dạng sóng sin toán học. Các vectơ điện trường và từ trường không chỉ vuông góc với nhau mà còn vuông góc với phương truyền sóng. Để đơn giản hóa minh họa, người ta thường quy ước bỏ qua các vectơ biểu diễn điện trường và từ trường dao động, mặc dù chúng vẫn tồn tại.

(Nguồn: thuvienvatly.com)

Mạng dựa trên công nghệ IEEE 802.11 sử dụng sóng điện từ nằm trong dải tần số vô tuyến (RF - radio frequency) để truyền dữ liệu.

Tần số vô tuyến là dải tần số nằm trong khoảng 3 kHz tới 300 GHz, tương ứng với tần số của các sóng vô tuyến và các dòng điện xoay chiều mang tín hiệu vô tuyến. RF thường được xem là dao động điện chứ không phải là dao động cơ khí, dù các hệ thống RF cơ khí vẫn tồn tại.[7]

------------------

Tham khảo

[1] Trần Nghiêm, 2012, Bản chất của bức xạ điện từ, thuvienvatly.com

[2] website http://www.wi-fi.org

[3] website: http://www.wirelessvn.com

[4] website: http://vi.wikibooks.org/wiki/S%C3%B3ng_%C4%90i%E1%BB%87n_T%E1%BB%AB

[5] Trần Nghiêm, Lịch sử điện từ học, thuvienvatly.com

[6] http://vi.wikibooks.org/wiki/S%C3%B3ng_%C4%90i%E1%BB%87n_T%E1%BB%AB#.E1.BB.A8ng_D.E1.BB.A5ng

[7] http://vi.wikipedia.org

[8] Tom Carpenter, 2008, CWNA Official Study Guide, Mc Gram-Hill