Luận văn: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG VỆ TINH VSAT pdf

1 L L u u ậ ậ n n v v ă ă n n T T Í Í N N H H T T O O Á Á N N V V À À T T H H I I Ế Ế T T K K Ế Ế H H Ệ Ệ T T H H Ố Ố N N G G V V Ệ Ệ T T I I N N H H V V S S A A T T 2 1 1 . . G G I I Ớ Ớ I I T T H H I I Ệ Ệ U U C C H H Ư Ư Ơ Ơ N N G G M M ụ ụ c c đ đ í í c c h h c c h h í í n n h h c c ủ ủ a a v v i i ệ ệ c c t t h h i i ế ế t t k k ế ế l l à à t t h h i i ế ế t t l l ậ ậ p p t t ỷ ỷ s s ố ố C C / / N N t t h h e e o o y y ê ê u u c c ầ ầ u u . . V V ì ì v v ậ ậ y y t t r r ọ ọ n n g g t t â â m m c c ủ ủ a a c c h h ư ư ơ ơ n n g g n n à à y y l l à à t t í í n n h h t t o o á á n n c c ự ự l l y y t t h h ô ô n n g g t t i i n n , , k k ế ế t t n n ố ố i i đ đ ư ư ờ ờ n n g g l l ê ê n n , , đ đ ư ư ờ ờ n n g g x x u u ố ố n n g g . . T T ừ ừ đ đ ó ó k k i i ể ể m m t t r r a a x x e e m m t t u u y y ế ế n n đ đ ạ ạ t t c c h h ấ ấ t t l l ư ư ợ ợ n n g g s s o o v v ớ ớ i i y y ê ê u u c c ầ ầ u u h h a a y y k k h h ô ô n n g g , , q q u u a a đ đ ó ó t t h h i i ế ế t t l l ậ ậ p p t t r r ạ ạ m m m m ặ ặ t t đ đ ấ ấ t t p p h h ù ù h h ợ ợ p p . . Cấu trúc truyền dẫn tiên tiến đối với cả 2 đường lên và xuống. II. CÁC THÔNG SỐ CẦN CHO TÍNH TOÁN 1. Cấu hình trạm mặt đất cần chọn chủ yếu là các tham số:  Loại anten (đường kính, hiệu suất, hệ số phẩm chất, nhiệt độ tạp âm).  Công suất máy phát. Người Dùng T ập đo àn, Văn ph òng, Dịch vụ, ISPs (Nhà cung cấp Dvụ Internet), Dài phát thanh Cáp Quang iPSTAR GATEWAY Other iPSTAR Gateways Internet, PSTN, Public & Private networks Return Links (from Terminal to Gateway) Forward Links (from Gateway to Terminal) 3 2. Việc tính toán sẽ dựa trên một số giả thiết cho trước như:  Chất lượng tín hiệu yêu cầu.  Các tham số suy hao.  Hệ số dự trữ. 3. Các tham số sử dụng trong tính toán thiết kế có thể phân chia theo thành phần hệ thống liên quan như:  Trạm mặt đất + Vị trí địa lý của trạm, tính toán các tham số như suy hao do mưa (đây cũng là nguồn gây nhiễu loạn ngẫu nhiên nhất), góc nhìn vệ tinh, cự ly thông tin, suy hao đường truyền. + Mức công suất phát xạ đẳng hướng tương đương (EIRP_Equivalent Isotropic Radiated Power): công suất phát xạ, hệ số phẩm chất (G/T)e của trạm. + Nhiệt độ tạp âm hệ thống: liên quan tới độ nhạy và hệ số phẩm chất. + Ảnh hưởng của tạp âm điều chế bên trong tới tỷ số tín hiệu trên tạp âm. + Các đặc điểm của thiết bị (suy hao fiđơ, suy hao phân cực anten, đặc tính bộ lọc ) để biết hệ số dự trữ kết nối T.  Vệ tinh + Vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo. + Mức EIRP của vệ tinh, hệ số phẩm chất (G/T)s của vệ tinh. + Băng thông máy phát đáp, dạng phân cực, dải tần làm việc. + Mật độ thông lượng bão hoà. + Mức lùi công suất đầu vào (IBO), đầu ra (OBO). 5. Khi xem xét đến nhiễu các nhà vận hành vệ tinh sử dụng nhiều phương pháp khác nhau (như ở Intersat sử dụng thông số C/N(dB) để xem xét nhiễu trong khi ở Eutesat thì ngược lại sử dụng C/N o (dBHz)). Chất lượng và độ sẵn dùng đựoc định nghĩa là các khoảng % thời gian mà trong đó các mức ngưỡng BER không được vượt quá. Trước khi đi vào tính toán bài toán cụ thể ta cần xem xét vấn đề như : 4  Việc xác định kích thước Aten và công suất yêu cầu trên một đường truyền là tùy thuộc vào độ lợi của bộ phát đáp. Độ lợi này thường được đưa ra ở trạng thái bão hòa của bộ phát đáp. Điều này còn tùy thuộc vào đặc tính phi tuyến TWT hay SSPA của bộ phát đáp.  Sự chiếm dụng của một mạng VSAT có thể được miêu tả bởi 2 đại lượng : + Sự chiếm dụng băng thông : là tỉ số tổng các băng tần được phân phối cho mỗi sóng mang của mạng chia cho độ rộng băng thông bộ phát đáp. + Sự chiếm dụng công suất : là tỉ số EIRP cần dùng cho mỗi sóng mang của mạng chia cho EIRP hữu dụng của bộ phát đáp (EIRP ở trạng thái bão hòa trừ cho toàn bộ mức lùi đầu ra. 2 2 . . B B À À I I T T O O Á Á N N T T H H Ự Ự C C T T Ế Ế : : 2.1. Giới thiệu chung Mục đích chính của việc thiết kế là thiết lập tỷ số C/N o theo yêu cầu tại đầu vào máy thu. Vì vậy trọng tâm của chương này là tính toán các thông số được lựa chọn kỹ lưỡng để nhận dược tỷ số C/N o để đầu vào máy thu đạt yêu cầu, từ đó kiểm tra xem tuyến đạt chất lượng so với yêu cầu hay không. Qua đó, dựa vào các thông số tính được để lựa chọn các cấu hình cần thiết cho việc thiết lập trạm mặt đất trong thông tin vệ tinh. 2.2 Mô hình và các thông số của một tuyến thông tin 2.2.1 Mô hình tuyến 5 Hình 2.2 : Mô hình hoạt động của mạng VSAT IPSTAR. 2.2.2 Tính toán góc ngẩng và góc phương vị 2.2.2.1 Góc ngẩng Để tính góc ngẩng anten trạm mặt đất, ta có thể dựa vào hình vẽ 2.3 Hình 2.3 : Tính toán góc ngẩng Trong hình 2.3 : O là tâm trái đất, A là vị trí của trạm mặt đất, S là vị trí của vệ tinh, 0  là góc ở tâm, e  là góc ngẩng của trạm mặt đất. Trạm Uts phát Trạm Uts thu Tr ạm cổng GW V Ệ TINH M Vệ tinh θ e r Tâm quả đất R e  0 R S A 6 Ta có SM MA tg e   Trong đó, e RrOAOSOAOMMA  00 coscos.  00 sinsin.  rOSSM  Từ đó suy ra: 0 0 0 0 sin cos sin cos      r R r Rr tg e e e     2.2.2.2 Góc phương vị Góc phương vị là góc dẫn đường cho anten quay tìm vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh theo hướng từ Đông sang Tây. Góc phương vị được xác định bởi đường thẳng hướng về phương Bắc đi qua trạm mặt đất với đường nối đến vệ tinh. Góc được xác định theo chiều kim đồng hồ như hình 2.3. Góc phương vị được tính theo biểu thức:  a = 180 0 + kinh độ tây hoặc  a = 180 0 - kinh độ đông  a phụ thuộc vào kinh độ, vừa kinh độ tại điểm thu và kinh độ vệ tinh. Góc phương vị của 2 vệ tinh được tính theo công thức: Vệ tinh 1:  a1 = 180 0 - kinh độ đông Vệ tinh 2:  a2 = 180 0 + kinh độ tây Góc phương vị  a được tính theo công thức: Cực Bắc 45 0 W 30 0 E Góc phương vị của vệ tinh 2 Góc phương vị của vệ tinh 1 Vệ tinh 2 Vệ tinh 1 Hình 2.3 Góc phương vị của vệ tinh 7 )sin( Ltg tg e a      (2.2) Với  là vĩ độ của trạm mặt đất (độ). e L là hiệu kinh độ đông của vệ tinh với trạm mặt đất, e L = L s - L e . 2.2.3 Tính toán kết nối đường lên (UPLINK). 2.2.3.1 Công suất phát của trạm mặt đất P TXe (e - để phân biệt của trạm mặt đất "earth station", sl - là của vệ tinh "satellite") Đây là công suất phát thực của trạm mặt đất tính từ Anten trạm mặt đất và được tính bằng tích độ lùi đầu ra OBO với công suất phát trạm mặt đất bão hòa P TXsat . P TXe = OBO * P TXsat hay P TXe (dBW) = OBO(dB) * P TXsat (dBW) (2.3) OBO là độ lùi đầu ra của Anten trạm mặt đất cũng là độ dự trữ công suất cho trạm khi trời mưa OBO = - A rain (suy hao do mưa). 2.2.3.2. Hệ số khuếch đại anten phát trạm mặt đất G TXe Độ lợi anten là thông số rất quan trọng trong trạm mặt đất, anten đặt ở ngõ vào để khuếch đại tín hiệu rất nhỏ từ picowatt đến nanowatt. Độ khuếch đại lớn sẽ làm tăng tỷ số C/N o , nó liên quan đến đặc tính chảo anten và băng tần công tác: 2 log10        c Df G U TXe   hoặc:   dBcDfG UTXe )lg(20)lg(20)lg(10   (2.4) với : D là Đường kính của anten phát. U f là tần số tín hiệu phát lên.  là hiệu suất của anten,  thường khoảng từ 50% - 80% . c là vận tốc ánh sáng, c = 3.10 8 m/s. 2.2.3.3 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của trạm mặt đất e EIRP . Công suất bức xạ hiệu dụng EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power) còn gọi là công suất bức xạ đẳng hướng tương đương, nó biểu thị công suất của chùm sóng chính phát từ trạm mặt đất đến vệ tinh. Được tính bằng tích của công suất máy phát đưa tới anten trạm mặt đất P TXe với hệ số tăng ích của anten phát G Txe . TXeTXee GPEIRP  (W) 8 hoặc: TXeTXee GPEIRP  )lg(10 [dBW] (2.5) EIRP e thông thường của trạm mặt đất có giá trị từ 0dBW đến 90dBW, còn của vệ tinh từ 20dBW đến 60dBW. 2.2.3.4. Tổng suy hao tuyến lên L U . Tổng suy hao tuyến lên: AU LLL  FS (dB) (2.6) Trong đó: FS L - suy hao tuyến phát trong không gian tự do. A L - suy hao do Anten (do mưa và tầng khí quyển). Trong đó: Suy hao tuyến lên trong không gian tự do được tính theo biểu thức: )lg(20)4lg(20 cRfL UFS   (dB) (2.7) Suy hao tuyến lên Anten được tính theo biểu thức: rainAGA AAL . (dB) (2.8) Với: A AG : suy hao tầng khí quyển. A rain : suy hao do mưa. 2.2.3.5. Độ lợi Anten thu (/m 2 ) G 1 )/( 2 mdBW . Độ lợi của anten thu (trên 1m 2 ) được tính bằng biểu thức:   2 2 1 4 4        c f G U RX    (2.9) Với : U f : là tần số tín hiệu phát lên. c : là vận tốc ánh sáng, c = 3.10 8 m/s. 2.2.3.6. Mật độ dòng công suất bức xạ hiệu dụng (trên 1m 2 ) của trạm mặt đất Ф 1 (dBW/m 2 ). Mật độ dòng công suất bức xạ hiệu dụng trên 1m 2 được tính bằng công thức:     1 2 1 / GLdBWEIRPmdBW Ue  (2.10) Với : EIRP e : Công suất bức xạ đẳng hướng của trạm mặt đất L U : Suy hao tuyến lên. G 1 : Độ lợi của anten thu (trên 1m 2 ) 2.2.3.7. Độ lùi đầu vào IBO. a) Độ lùi đầu vào IBO 1 của một trạm. IBO 1 được tính bởi công thức: 9 sat IBO   1 1  Hay:       22 1 2 1 /// mdBWmdBWmdBWIBO sat   (2.11) Với : Ф 1 : Mật độ dòng công suất bức xạ mặt đất trên 1m 2 Ф sat : Mật độ dòng công suất bức xạ bão hòa (vệ tinh) trên 1m 2 b) Độ lùi đầu vào tổng IBO t . IBO 1 được tính bởi công thức: satsat t t IBO     1   Hay:       222 /// mdBWmdBWmdBWIBO sattt   (2.12) Với : Ф t : Tổng mật độ dòng công suất bức xạ mặt đất trên 1m 2 Ф sat : Mật độ dòng công suất bức xạ bão hòa (vệ tinh) trên 1m 2 2.2.3.8. Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên (C/N o ) U Trong các tuyến thông tin vệ tinh, chất lượng của tuyến được đánh giá bằng tỷ số công suất sóng mang trên công suất tạp âm (C/N o ), hay công suất sóng mang trên nhiệt tạp âm tương đương (C/T o ). Tạp âm chủ yếu phụ thuộc vào bản thân máy thu, vào môi trường bên ngoài như môi trường truyền sóng và can nhiễu phụ thuộc các hệ thống viba lân cận… 1) Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên bão hòa (C/N o ) Usat . Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên bão hòa (C/N o ) Usat được tính theo công thức:       kT G G NC SL sat Usat 11 / 1         (Hz)     )/(log10)/()/()/()(/ 2 1 2 KdBJkKdB T G mdBGmdBWdBHzNC oo SL satUsat   (2.13) Trong đó: Ф sat : Mật độ dòng công suất bão hòa (vệ tinh) trên 1m 2 G 1 : Độ lợi Anten thu (/m 2 ). (G/T) SL : Hệ số phẩm chất máy thu vệ tinh. k : là hằng số Boltzman, k =1,38.10 -23 (J/ o K). 2) Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên một trạm mặt đất (C/N o ) U1 . Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên của trạm mặt đất (C/N o ) Usat được tính theo công thức: 10   1 1 / IBO N C NC sat O U         (Hz)                 1 log10)(/ IBO N C dBHzNC sat O U (2.14) Trong đó: (C/N o ) Usat :Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên bão hòa. IBO 1 :Độ lùi đầu vào của một trạm mặt đất. 2.2.4 Tính toán kết nối đường xuống (DOWNLINK). 2.2.4.1. Hệ số khuếch đại anten thu trạm mặt đất G RXe Hệ số khuếch đại anten thu trạm mặt đất có biểu thức tính tương tự như đối với hệ số khuếch đại anten phát trạm mặt đất: 2 log10        c Df G D RXe     dBcDfG DRXe )lg(20)lg(20)lg(10   (2.15) với : D :Đường kính của anten phát. D f :Tần số tín hiệu phát xuống.  : hiệu suất của anten,  thường khoảng từ 50% - 80% . c là vận tốc ánh sáng, c = 3.10 8 m/s. 2.2.4.2 Tổng suy hao tuyến xuống L D Tổng suy hao tuyến lên: AFSD LLL  (dB) (2.16) Trong đó: L FS - suy hao tuyến xuống trong không gian tự do. L A - suy hao do Anten (do mưa và tầng khí quyển). Trong đó *Suy hao tuyến xuống trong không gian tự do được tính theo biểu thức: )lg(20)4lg(20 cdfL DFS   (dB) (2.17) *Suy hao tuyến lên Anten được tính giống như tuyến lên: 2.2.4.3. Hệ số phẩm chất của trạm mặt đất (G/T) E . Hệ số phẩm chất của trạm mặt đất (G/T) E được tính bằng biểu thức:       polR EE LL T G T G max (dB/ 0 K) (2.18) Trong đó: (G/T) Emax : Hệ số phẩm chất cực đại của trạm mặt đất. L R : suy hao lệch tâm. L pol : Suy hao do phân cực. δ : Tổng suy hao do Feeder và do mưa. [...]... suy hao do lệch phân cực (giả thiết) Lbs =0,9 là suy hao do lệch búp sóng(giả thiết) 4.3.3.3 Tính toán nhiệt tạp âm tuyến lên 1.1.1 Nhiệt tạp âm của tuyến lên chủ yếu do nhiệt tạp âm của máy thu vệ tinh và anten thu vệ tinh tạo ra Nhiệt tạp âm của máy thu vệ tinh được tính bằng công thức: F 10 TR  (10  1)T0 4.14 Trong đó : F: hệ số tạp âm của máy thu vệ tinh, với giả thiết là F = 3dB T0 = 3000K... yếu phụ thuộc vào bản thân máy thu, vào môi trường bên ngoài như môi trường truyền sóng và can nhiễu phụ thuộc các hệ thống viba lân cận C / N U  C RS  NU  EIRPe  LU  GRS  N U (dB) (2.8) (C/N)U là tỷ số sóng mang trên tạp âm tại đầu vào bộ giải điều chế máy thu vệ tinh 23 4.3 Ví dụ tính toán đường truyền tuyến thông tin vệ tinh Vinasat đối với trạm mặt đất đặt tại Đà Nẵng TÍNH TOÁN THÔNG SỐ... thoa bên trong hệ thống và giữa các hệ thống, sự lão hóa thiết bị, tính không hiệu quả của thiết bị cũng cần phải xem xét Vì vậy ta phải tính đến các yếu tố đó để đảm bảo độ dự phòng công suất của trạm và đảm bảo được chất lượng tuyến 22 Công suất sóng mang thu là một yếu tố quan trọng trong việc xác định chất lượng của một tuyến thông tin vệ tinh, công suất sóng mang phụ thuộc vào thiết bị như công... đặt tại Đà Nẵng TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CỦA TUYẾN THÔNG TIN VỆ TINH TINH VỚI TRẠM MẶT ÐẤT TẠI TP HỒ CHÍ MINH VÀ VỆ TINH THAICOM Trong phần này ta tính các thông số của tuyến thông tin vệ tinh cụ thể, xét một trạm mặt đất đặt tại TP Đà Nẵng có vĩ độ 13004, kinh độ 100 0 Đông, thông tin với vệ tinh địa tĩnh THAICOM có kinh độ 1200 Ðông là quỹ đạo vệ tinh ta xin đăng ký với ITU có khả năng chấp nhận nhất Ta... 4.15 hay còn được tính theo đơn vị dBw CRS  EIRP  GRS  LU  LF (dBw) e 28 Trong đó : EIRPe được tính ở phần trên và bằng 42,3dB Lu là suy hao tổng cộng của tuyến lên có giá trị 221,463dB LF suy hao do fidơ của vệ tinh (giả thiết =1) GGS độ lợi của anten thu ở vệ tinh và được tính bằng công thức sau: GRS  (G / T ) S  10lgTU (G/T)S là hệ số phẩm chất của máy thu và như phần giả thiết, ta có (G/T)S... mưa góc nhìn vệ tinh, EIRP của vệ tinh theo hướng trạm mặt đất và suy hao đường truyền + Tránh khả năng bị nhiễu loạn ở các trạm viba cùng dải tần số 18 + Vị trí ở xa các vùng có cường độ trường lớn + Các đặc tính thiết bị (ví dụ như độ dự trữ, độ phân tập phân cực ) quyết định một phần độ dự trữ tuyến + Quy mô trạm có thể mở rộng trong tương lai, dễ quản lý, bảo vệ Vệ tinh : + Vị trí vệ tinh liên quan... DUT 1,20m và hiệu suất 60% (η = 60%)  DGW 5,5m và hiệu suất 75% (η = 75%) (đường kính-công suất GW lớn hơn UT)  Công suất máy phát trạm mặt đất  PTX(UT)sat = 1W  PTX(GW)sat = 5W  Độ cao anten trạm mặt đất so với nước biển 10m Vệ tinh:  Vị trí của vệ tinh là 1200 Đông  EIRP SLsat của vệ tinh là 43 dBW  Băng thông kênh truyền B = 36MHz  Hệ số tạp âm của máy thu vệ tinh F = 3dB  Hệ số phẩm... tinh, công suất sóng mang phụ thuộc vào thiết bị như công suất máy phát, hệ số tăng ích của anten thu vệ tinh Công suất sóng mang nhận được tại đầu vào máy thu vệ tinh được xác định theo công thức : C RS  EIRPe  LU  G RS (dB) (2.5) với : GRS - hệ số khuếch đại của anten thu vệ tinh 2.3.6 Công suất tạp âm tuyến lên N U  kTU B hay tính theo dB: N U  10 lg( k )  10 lg( TU )  10 lg( B ) (dB) Trong... Nhiệt tạp âm máy thu chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt tạp âm của tầng đầu tiên Nếu hệ số khuếch đại tại đầu vào đủ lớn thì tạp âm tại các tầng sau có thể bỏ qua Giá trị của nhiệt tạp âm ở tầng thứ nhất phụ thuộc vào loại máy thu và có giá trị từ 0 70 K3000 K Ta chọn máy thu có nhiệt tạp âm đầu vào là 1000 K Vậy TR =1000 K 4.3.6.5 Nhiệt tạp âm hệ thống Nhiệt tạp âm hệ thống được xác định bằng công thức sau... ly thông tin, góc ngẩng và góc phương vị của anten trạm mặt đất : Hình 4.2 Các tham số của đường truyền trạm mặt đất - vệ tinh Cự ly thông tin : Góc ở tâm (  0 ) đượctính theo công thức: cos  o  cos  cos Le 1.1 Với: (  ) là vĩ độ của trạm mặt đất (độ) (  Le) là hiệu kinh độ đông của vệ tinh với trạm mặt đất,  Le = Ls - Le 19 Khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh tính theo công thức: R  .  a phụ thuộc vào kinh độ, vừa kinh độ tại điểm thu và kinh độ vệ tinh. Góc phương vị của 2 vệ tinh được tính theo công thức: Vệ tinh 1:  a1 =. đặc điểm của thiết bị (suy hao fiđơ, suy hao phân cực anten, đặc tính bộ lọc ) để biết hệ số dự trữ kết nối T.  Vệ tinh + Vị trí của vệ tinh trên quỹ