Công thức thông tin vệ tinh

Công thức thông tin vệ tinh

Tổng quan bài toán tính năng lượng đường truyền qua vệ tinh địa tĩnh

ThS Hoàng Văn Diễn

1 Hệ số tăng ích antenna (G):

G [dBi] = 10logη + 20logf + 20logd + 20,4[dB] (1)

Hệ số tăng ích cho 1m2 antenna với hiệu suất 100% là :

G1m 2 [dBi] = 20logf + 21,4 [dB] (2) trong đó :

• η là hiệu suất antenna

• d là đường kính antenna [m]

• f là tần số công tác [GHz]

• 20,4 là kết quả của 10log{(1*109*π)/c}

• c là vận tốc ánh sáng [300000000m/s]

2 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP - Equivalent Isotropic Radiated Power) :

EIRP [dBW] = 10logPTX + G TX [dBi] (3) trong đó :

• PTX là công suất đầu vào antenna [W]

• GTX [dBi] là hệ số tăng ích antenna phát [dBi]

3 Suy hao đ ường truyền vệ tinh

3.1 Suy hao trường tự do

Nếu antenna đẳng hướng bức xạ công suất PTX, búp công suất sẽ trải đều như mặt cầu trong đó antenna là tâm điểm Công suất tính theo một đơn vị bề mặt (gọi là độ chói) tại điểm đang xét cách antenna phát một khoảng D [km] được biểu diễn như sau :

W = PTX / 4πD2 [W/m2] (4) Antenna hội tụ năng lượng (tăng ích) do đó công thức (4) trở thành công thức (5):

W = GTX PTX / 4πD2 [W/m2] (5)

W [dBW/m2] = EIRP [dBW] - 20logD - 71 [dB] (6) trong đ ó :

• GTXPTX được biết như là EIRP

• W là đ ộ chói

• D khoảng cách [km]

• 71 [dB] là kết quả của 10log(4π*106)

Antenna thu gom tín hiệu, giá trị tín hiệu thu gom phụ thuộc đường kính antenna, công suất tín hiệu thu PRX sẽ là :

PRX = W * AE [W] (7) trong đó :

• AE = {(λ2/4π)/GRX} bề mặt hiệu dụng của antenna

từ đó :

PRX = [GTXPTX] * [(λ2/4π)/GRX] (8)

PRX = [GTXPTX] * [(4πD/λ)2 * (1/GRX)] (9)

trong đó :

• (4πD/λ)2 là suy hao trường tự do L0

Suy hao trường tự do tính theo dB như sau :

L0 = 20logD + 20logf + 92,5 [dB] (10) Trong đó :

• D là khoảng cách giữa máy thu và máy phát [km]

• f là tần số [GHz]

• 92,5 [dB] là kết quả của 20log[(4π*109*103)/c]

Công thức (9) biểu diễn theo [dB] sẽ là :

PRX[dBW] = EIRPTX - L0 + GRX (11) Nếu GRX là hệ số tăng ích cho 1m2 antenna vớI hiệu suất 100% và GRX sẽ trở thành độ chói trên một đơn vị bề mặt và công thức (6) có thể viết như sau :

W [dBW/m2] = EIRPTX - L0 + G1m2 (12)

3.2 Khoảng cách từ vệ tinh đến trạm mặt đất (D)

D được tính như sau :

D = {R2 + S2 - 2RS (cos C)}1/2 (13) trong đó :

• R là bán kính mặt phẳng xích đạo trái đất [6378,14km]

• S là bán kính quỹ đạo địa tĩnh vệ tinh [42164,57km]

• C là cos-1{cos θ1* cos(θS - θE) }

• θ1 là vĩ độ trạm mặt đất

• θS là kinh độ vệ tinh

• θE là kinh độ trạm mặt đất

3.3 Các suy hao phụ

Hấp thụ năng lượng sóng điện từ của tầng khí quyển

Suy hao khí quyển Tần số [GHz]

0.25 [dB] 2 < f < 5 0.33 [dB] 5 < f < 10 0.53 [dB] 10 < f < 13 0.73 [dB] 13 < f

Ngoài ra còn suy hao do mưa được lấy trung bình 3 [dB] cho băng C và 7 [dB] cho Ku

4 Đường xuống và Trạm mặt đất thu

4.1 Hệ số phẩm chất trạm mặt đất

Trong tất cả các hệ thống truyền dẫn, tạp âm như một tham số có ảnh hưởng tăng dần trên toàn bộ chất lượng toàn trình đường truyền, G/T [dB/K] được coi như là số đo Phẩm chất hệ thống thu Trong một hệ thống thông tin vệ tinh G/T được xây dựng như tiêu chuẩn để đánh giá các trạm mặt đất liên lạc qua hệ thống đó

4.2 Tạp âm nhiệt

trong :

• K hằng số Boltzmann’s (1,374*10-23 Joule/Kelvin] = -228,6dB

• T nhiệt tạp âm tương đương [Kelvin]

• B băng tần tạp âm [Hz]

NT = (KTN)G + ∆N (15) trong đó :

• (KTN)G

• ∆N Tạp âm phụ thêm tạo ra trong máy thu ∆N = KTEB

• TE Nhiệt tạp âm tương đương

Hệ số tạp âm :

F = 1 + (TE/ T0) (16) Nhiệt tạp âm tương đương :

TE = (F - 1)T0 (17) trong đó :

• F là hệ số tạp âm đơn vị

• TE là nhiệt độ tương đương [Kelvin]

• T0 là nhiệt độ chuẩn 290K

4.3 Nhiệt tạp âm hệ thống và hệ số phẩm chất G/T

TSYS = TANTEN / L + (1 - 1/L)T0 + TE (18) trong đó :

• TE là nhiệt độ tương đương [Kelvin]

• T0 là nhiệt độ chuẩn 290K

• TANT là nhiệt độ tạp âm antenna [Kelvin]

• L là suy hao hệ thống hứng sóng tính theo số

G/T [dB/K] = G - 10logTSYS (19)

4.4 Tỷ số sóng mang trên tạp âm (C/N)

Một trong những tham số quan trọng của đường truyền là tỷ số công suất sóng mang trên tổng công suất tạp âm máy thu và được xác định như sau :

C/N = PRX / PN (20) Theo định nghĩa của PRX và PN tại công thức (9) v à (14) : C/N = {EIRP * GRX}/ {K*TSYS B}* L0 (21)

trong đó :

• L0 là suy hao trường tự do

• G/T là Hệ số phẩm chất hệ thống thu

• (K) là hằng số Boltzmann’s (-228,6dBW/K)

• B là băng tần sóng mang chiếm

Tỷ số sóng mang trên mật độ phổ tạp âm (C/N0 ) :

C/N0 [dBHz] = EIRP - L0 + G/T - 10log(K) (23)

EB / N0 = C/ N0 - 10log R

Tỷ số sóng mang trên nhiệt tạp âm hệ thống (C/T) :

C/T [dB/K] = EIRP - L0 + G/T (24) Tính theo độ chói W :

C/T [dB/K] = W + G/T - G1m2 (25)

Từ C/N0 cho phép tính tỷ số năng lượng bit thu được trên mật độ phổ tạp âm :

EB / N0 = C/ N0 - 10log R (26) trong đó :

• R là tốc độ luồng dữliệu

4.5 Tạp âm điều chế tương hỗ trong bộ khuyếch đại vệ tinh

C/TSAT IM = EIRPSAT - (SATIM) + 10log(4KHz) - 228,6 (27) trong đó :

• EIRPSAT là EIRP vệ tinh phát xuống mặt đất

• SATIM giá trị điều chế tương hỗ trong bộ phát đáp vệ tinh

4.6 Tạp âm do can nhiễu từ các tín hiệu phân cực vuông góc

C/TCO = C/ I + 10log ơ [ BW ] - 228,6 (28)

4.7 Tạp âm điều chế tương hỗ trong HPA trạm mặt đất

Các giá trị này chỉ được quan tâm khi độ lùi của HPA nhỏ hơn 7dB trong trường hợp khuyếch đại cùng một lúc nhiều sóng mang

EIRPIM 4KHz = EIRPIM - 10log(IM BW/4KHz) (29) C/TIM E/S = EIRPsóng mang đo - (EIRPIM 4KHz) + 10log(4KHz) - 228,6 (30)

4.8 Tỷ số sóng mang trên nhiệt tạp âm hệ thống trên toàn bộ đường truyền

CO IM

SAT IM

HPA DN

UP

T

C

1 1

1 1

1

5 Điểm làm việc bộ Phát Đáp

Bộ khuyếch đại công suất ra bộ phát đáp vệ tinh là dụng cụ phi tuyến, do đó nó phảI làm việc dưới điểm bão hoà để tránh méo phi tuyến Xác định được độ lùi đầu vào và đầu ra để đạt được điểm làm việc tối ưu :

OBO = IBO - X (32) trong đó :

• X là tỷ số tăng ích giữa độ lùi đầu vào và đầu ra tuỳ thuộc sóng mang đơn hay đa sóng mang, biễn động từ 1,7dB đến 5,5dB

EIRPOP làm việc của vệ tinh :

EIRPOP = EIRPSATURATION - OBO (33)

Mật độ thông lượng công suất vệ tinh trên mặt đất (tính theo BW = 4KHz) :

PAD4KHz = W - 10log (B/4KHz) (34) trong đó :

• W là độ chói định nghĩa tại công thức (6)

• B là độ rộng băng tần chiếm của sóng mang

Ví dụ thực tế : tính toán đường truyền sóng mang IDR

Giao diện mạng mặt đất

Số liệu truyền sóng

EIRP, Up link Margin

Mux framing structure Modulation

Multi Destinational FEC Coding

Buffer Capacity BER, EB/N0

Slip Rate Scrambling

Clock Accuracy Orderwires, Alarms

Số liệu truyền sóng

BER

G/T, Downlink margin

Đồng bộ mặt đất

Băng tần cơ bản Khối kênh RF/IF

Các tham số chính của đường truyền IDR

Tốc độ IDR : từ 64 kbps đến 44736 kbps

Tính toán đường truyền vệ tinh đối với sóng mang IDR 1024kbps :

1 Các tham số không gian

• EIRP bão hoà của bộ Phát Đáp 32.7 dBW

• Độ rộng băng tần : 36 MHz

• Mật độ thông lượng bão hoà SFDSATURATION : - 87 dBW/m2

• G/T của hệ thống thu : - 4.8 dB/K

• Can nhiễu kênh lân cận (C/I) : 19 dB

• Tỷ số tăng ích giữa độ lùi đầu vào và đầu ra (X) : 1,8 dB

• SATIM : - 37dBW/4KHz

2 Các tham số trạm mặt đất Trạm A Trạm B

• Vị trí trạm : Vĩ độ bắc 44.500 28.15

Kinh độ đông 20.630 77.350

Khối kênh, Overhead, Scrambler, FEC, Coder, Modulator

KhốI IF/RF

Up Converter HPA

Khối kênh, Demod, Decoder, Decsrambler Overhead Removal

IF/RF SYS.

LNA, DownConver

Multiplex

Demux Buffer

Bộ Phát Đáp

vệ tinh, G/T EIRP, Mật độ thông lượng bão hoà

• Đường kính antenna 15.2m 18.0m

• Gain antenna ở 6GHz : 55.0 dBi 57.0 dBi

• Hiệu suất antenna : 66% 65%

• Hệ số phẩm chất hệ thống thu G/T: 35.6 dB/K 36.4 dB/K

• Góc ngẩng antenna E/S : 20.180 55.90

• Bám vệ tinh : tự động tự động

• Suy hao tuyến lên L0U : 200.4 dB (Trạm A lên vệ tinh)

• Suy hao tuyến xuống L0D : 196 dB (Vệ tinh xuống trạm B)

• Tần số công tác : 6280/4055 MHz

• Dự trữ đường xuống MD : 3.5 dB

• Tổng suy hao do ỗng dẫn sóng : 5 dB

• Dự trữ đường lên : MU : 2.5 dB

3 Các tham số s óng mang

• Tốc độ sóng mang IDR 1024 kbps

• Tốc độ sửa lỗi trước FEC 3/4

• Băng tần sóng mang chiếm BW: 873.8 KHz

• BER tại điểm làm việc 1*10-10

• C/T tại điểm làm việc - 157.2 dBW/K

• C/N0 tại điểm làm việc 71.4 dBHz

• C/N tại điểm làm việc 12 dB

Tính EIRP vệ tinh :

Từ công thức (24), EIRPSAT chính là EIRPoP của vệ tinh được tính như sau :

EIRPSAT = C/T - G/T + L0D + MD C/T = EIRPSAT - L0D + G/TB - MD

Thay các giá trị vào được : EIRPSAT = -157.2 - 36.4 + 196 + 3.5 = 5.7 dBW

Tính độ lùi đầu ra theo công thức (32) ta có :

OBO = EIRPSATURATION - EIRPSAT = 32.7 - 5.7 = 27 dB

Độ lùi đầu vào :

IBO = OBO + X = 27 + 1.8 = 28.8 dB

Mật độ thông lượng đường lên OFD (Operation Flux Density) đó cũng chính là độ chói W :

W = SFDSATURATION - IBO = - 87 - 28.8 = - 115.8 dBW/m 2

Tính EIRP TX trạm phát :

Từ công thức (12) : EIRPTX [dBW] = W + L 0U - G 1m 2 + M U

trong đó :

• G1m2 = 37dBm2 đối với 6GHz

• MU = 2.5 dB

EIRP TX [dBW] = -115.8 + 200.4 - 37 + 2.5 = 50.1 dBW

Như vậy công suất yêu cầu đối với HPA sẽ là :

P HPA = 50.1 - 55 + 5 = 0.1 dBW tức là 10 W

Tính chất lượng đường truyền :

Chất lượng đường truyền vệ tinh toàn tuyến (đường lên và đường xuống) tính bằng C/TTOTAL

theo các công thức (27) và (31) như sau :

C/T UP = EIRPTX - L0U + G/TSAT - MU = 50.1 - 200.4 + (- 4.8) - 2.5 = - 157.6 dB/K

C/TSAT IM = EIRPSAT - SATIM + 10log (4KHz) - 228.6

C/T SAT IM = 5.7 - (-37) + 36 - 228.6 = - 149.9 dBW/K

C/T CO = C/I + 10log(BW) - 228.6 = 19 + 10 log (873800) - 228.6 = -150.18 dBW/K

C/TD = EIRPSAT - L0D + G/T - MD = 5.7 - 196 + 36.4 - 3.5 = - 157.4 dBW/K

10 18 150 10

8 152 10

4 157 10

6 157

10

1 10

1 10

1 10

1 1

log

10

1 1

1 1

1 1

−

−

−

=

⎟

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎜

⎝

⎛

+ +

+ +

=

TOTAL

CO IM

SAT IM

HPA DN

UP TOTAL

T

C

T

C T

C T

C T

C T

C

T

C

bỏ qua

IM HPA

T

C

1

C/TTOTAL = - 161 dB/K

C/N0 = C/TTOTAL - 10log (K) = -161 + 228.6 = 67.6 dBHz

C/N = C/N0 - 10log (873800) = 67.6 - 59.4 = 8.2 dB

Kết quả : C/N thấp hơn tiêu chuẩn là : 12 – 8.2 = 3.8 dB, như vậy EIRP trạm mặt đất phát phải tăng thêm 3.8 dB