Tính toán suy hao đường truyền và công suất của trạm les đặt tại tp hồ chí minh và làm việc với vùng vệ tinh ior – i3

Mục lục Phần Tổng quan Hệ thống thông tin vệ tinh Cấu trúc nguyên lý chung hệ thống thông tin vệ tinh 2 Tần số vấn đề truyền Phần Bài tốn tính suy hao đường truyền dự trữ tuyến .6 1.Tính tốn tham số hình học Tổn hao đường truyền .7 Các tham số anten .8 Tính cơng suất thu thu anten thu .9 Tạp âm nhiệt tạp âm 10 Tính tốn dự trữ tuyến lên .12 Phần Tính tốn cụ thể 14 3.1 Tuyến lên trời .14 3.2 Tuyến lên trời mưa 16 3.3 Tuyến xuống trời 17 3.4 Tuyến xuống trời mưa 19 Phần Kết luận 21 Phần Tổng quan Hệ thống thông tin vệ tinh Cấu trúc nguyên lý chung hệ thống thông tin vệ tinh Cấu trúc hệ thống thơng tin mơ tả hình sau : Hình : Cấu trúc hệ thống thơng tin Trên hình 1,một hệ thống thơng tin vệ tinh bao gồm hai thành phần phần khơng gian phần mặt đất a Phần không gian Phần không gian bao gồm vệ tinh thông tin trạm điều khiển TT &C (Telemetry, Tracking & Command : đo xa,bám lệnh) mặt đất Đối với vệ tinh bao gồm hệ thống thông tin (payload) phân hệ phụ trợ cho phân hệ thông tin Phân hệ thông tin :bao gồm hệ thống anten thu phát tất thiết bị điện từ hỗ trợ truyền dẫn sóng mang Các phân hệ phụ trợ : bao gồm khung vệ tinh,phân hệ cung cấp lượng,phân hệ điều khiển nhiệt độ,phân hệ điều khiển quỹ đạo tư vệ tinh,phân hệ đẩy,trạm điều khiển vệ tinh TT&C Phân hệ thơng tin có hai nhiệm vụ chính: - Khuếch đại sóng mang thu phục vụ cho việc phát lại đường xuống - Thay đổi tần số sóng mang để tránh phần công suất phát vào máy thu vệ tinh b Phần mặt đất Phần mặt đất bao gồm tất trạm thông tin mặt đất(LES),những trạm thường nối trực tiếp thông qua mạng mặt đất để đến thiết bị đầu cuối người sử dụng Trạm mặt đất có hai nhiệm vụ : - Tiếp nhận tín hiệu từ mạng mặt đất trực tiếp từ thiết bị đầu cuối người sử dụng,xử lý tín hiệu sau phát tín hiệu tần số mức độ cơng suất thích hợp cho hoạt động vệ tinh - Thu sóng mang đường xuống vệ tinh tần số chọn trước,xử lý tín hiệu để chuyển thành tín hiệu băng gốc sau cung cấp cho mạng mặt đất trực tiếp tới thiết bị đầu cuối người sử dụng Một trạm mặt đất có khả thu phát lưu lượng cách đồng thời có trạm phát thu Tần số vấn đề truyền 2.1 Tần số phân chia tần số thông tin vệ tinh Phổ tần số vô tuyến điện nguồn tài nguyên có hạn, thiết phải sử dụng cách hợp lý, kinh tế có hiệu a Cửa sổ tần số vô tuyến điện Đường truyền thông tin vệ tinh bị ảnh hưởng chủ yếu tầng điện ly tần số thấp mưa tần số cao Trong dải tần từ 1GHz tới 10GHz bị ảnh hưởng tầng điện ly mưa nên gọi cửa sổ tần số vô tuyến điện Tuy nhiên, dải tần 1GHz đến 10GHz sử dụng nhiều cho đường thông tin viba mặt đất, có can nhiễu lẫn hai hệ thống Ngoài ra, để mở rộng băng thông người ta chấp nhận sử dụng dải tần cửa sổ b Phân chia băng tần Băng tần sử dụng hệ thống thông tin vệ tinh sử dụng tần số từ 1GHz đến 40GHz chi tiết cụ thể bảng 1.2 Ký hiệu Dải tần (GHz) Phạm vi sử dụng băng L 1–2 Thông tin vệ tinh di động, phát quảng bá, vô S C X Ku K Ka 2–4 4–8 – 12 12 – 18 18 – 27 27 – 40 tuyến định vi Thông tin vệ tinh di động hàng hải Thông tin vệ tinh cố định Thơng tin vệ tinh qn phủ Thơng tin vệ tinh cố định, truyền hình quảng bá Trạm cố định Thơng tin vệ tinh cố định, truyền hình quảng bá, liên >40 lạc vệ tinh Liên lạc vệ tinh Khác Bảng 1.2: Các băng tần hệ thống thông tin vệ tinh c Phân bổ tần số Để phân bổ tần số, giới chia thành ba khu vực hình 1.8 Khu vực I (Region I) bao gồm Châu Âu, Châu Phi, phân Châu Á liên bang Nga Khu vực II (Region II) gồm nước Châu Mỹ Khu vực II (Region II) gồm Châu Úc, phần lại cửa Châu Á – Thái Bình Dương (trong có Việt Nam) 2.2 Truyền sóng yếu tố ảnh hưởng tới truyền sóng thơng tin vệ tinh Thơng tin vệ tinh sử dụng tần số vô tuyến điện dải tần siêu cao có số tính chất sau: - Sóng truyền thẳng phạm vi nhìn thấy trực tiếp, có khả xun qua tầng điện ly mà thay đổi cơng suất phương truyền; - Có tính định hướng cao xạ từ vật thể có kích thước lớn nhiều so với bước sóng; - Có dung lượng kênh thơng tin lớn đáp ứng nhu cầu ngày tăng thông tin viễn thơng; Sóng điện từ hệ thống thơng tin vệ tinh có cự ly truyền lan lớn (trên 36.000 km cho tuyến hệ thống sử dụng vệ tinh địa tĩnh) Quá trình truyền lan sóng điện từ bị suy hao lớn, mức độ suy giảm công suất trường điện từ chủ yếu gay tầng điện ly lớp khí nằm tầng điện ly trái đất Ngoài yêu tố làm suy giảm công suất trường điện từ hấp thụ mưa tầng điện ly tạo thành sổ vô tuyến mô tả hình 1.2, sóng điện từ cịn chịu hấp thụ lớp khơng khí (chủ yếu oxy) hỏi nước bầu khí tầng đối lưu Mức độ suy giảm sóng yếu tố nói gây mơ tả theo mức độ trung bình hàng năm hình Phần Bài tốn tính suy hao đường truyền dự trữ tuyến Đề bài: Tính tốn suy hao đường truyền cơng suất dự trữ trạm LES đặt TP Hồ Chí Minh làm việc với vùng vệ tinh IOR-I3 (Với số điều kiện đầu tự xác định) Sau phần tính tốn chi tiết: Trạm ES (LES):  9.7 N - Vĩ độ: - Kinh độ: ES 106.5 E Vệ tinh địa tĩnh IOR-I3 có tọa độ: SL 64.5 E 1.Tính tốn tham số hình học - Hiệu kinh độ quy chuẩn đông trạm vệ tinh so với trạm mặt đất:  SL ( E )  ES ( E ) 64,50  106, 50  420 ( E ) - Góc tâm  : cos  cos  cos  cos( 420 ).cos(9, ) 0, 73   42.90 - Cự ly đường truyền R: R  RE2  r  2R E r cos   6378,12  42164, 22  6378,142164, 0, 73 37760, 6( km) Trong đó: RE: Bán kính Trái đất xích đạo (6378,1 km) r: Bán trục lớn quỹ đạo ( r RE  R0 42164, km) - Góc ngẩng E cos   E arctg - RE RE  R0  cos  arctg cos   0,1526 =arctg 0,85 40,30 sin  Góc phương vị: tgA*  tg  tg ( 420 )  5,34 sin  sin 9, 70  A* 79, 40  A 180  A* 259, 40 (Góc Tây-Nam) Vị trí ES SL mặt phẳng Trái đất Tổn hao đường truyền 2.1 Tổn hao không gian tự Tổn hao không gian tự tính theo biểu thức: L free  4 R  10 lg     [dB] 2.2 Tổn hao mưa:  Tính hệ số suy hao R : R k R0.01 (dB / km)  LR R LE Trong k α số phụ thuộc vào tần số phân cực sóng điện từ, LE quãng đường mưa sóng điện từ Mặt khác theo khuyến nghị ITU khu vực khí hậu mưa phân bố thành 14 vùng, Việt Nam nằm vùng N – Hải Phòng gần vùng K Sài Gòn gần vùng P Tổn hao tầng khí LA phụ thuộc vào 14 khu vực trên, mức tổn hao phụ thuộc tần số công tác Từ bảng số liệu theo khuyến nghị ITU hệ số suy giảm mưa ( R - dB/km) tần số 4GHz, ta tìm R thành phố Hồ Chí Minh gần vùng P R 0.37 Các tham số anten 3.1 Độ tăng ích G Độ tăng ích lớn Gmax anten parabol thơng tin vệ tinh thường tính theo biểu thức: Gmax D   Df           c  (với  thường lấy khoảng 0,55 đến 0,6) 3.2 Góc mở ½ cơng suất (  3dB ) tính theo biểu thức: 3dB  3dB  700 D Khi lệch khỏi hướng xạ góc    3dB / hệ số tăng ích bị suy giảm tính thơng qua biểu thức: G  dB  Gmax  dB   12   dB   3dB Nếu tính Gmax theo góc mở nửa cơng suất biến đổi áp dụng biểu thức tính: Gmax   70  D            3dB  3.3 Tính EIRP, mật độ thông lượng công suất công suất thu EIRP PT GT  W  PT  GT  dB  - Khái niệm công suất điểm thu mật độ thông lượng công suất Trên diện tích hiệu dụng A cách xa anten phát khoảng cách R tương ứng với góc đầy tính từ anten phát A/R2 cơng suất thu tính theo biểu thức: PR  PT GT P G A  A  W  ;    T T2  W / m  4 R 4 R gọi mật độ thông lượng công suất Các thông số trạm mặt đất (LES) trạm vệ tinh (SAT): Thông số Công suất phát LES 150W (21,8dB) SAT 15W (11,8dB) Đường kính anten thu phát 6m 5m Tần số phát 16GHz 14GHz Khoảng cách anten 37760,6 km 37760,6 km 1,50 Độ rộng búp sóng anten thu  60 3dB  60 Hiệu suất anten (%) Tính cơng suất thu thu anten thu *Công suất thu tuyến lên 4.1 Độ tăng ích G (anten phát trạm mặt đất) 2 Gmax   6 16 109    Df    0,6   606388 108  c    Hay tính theo đơn vị dB: GT max 10 lg(606388) 57,8dB 4.2 Tính EIRP (Cơng suất phát xạ đẳng hướng anten phát trạm mặt đất) EIRP PT  GT  dB  21,8  57,8 79, dBW 4.3 Mật độ thông lượng công suất:   EIRP  10 lg  4 R  79,  10lg  4 37760600   82,9 dBW/m2 4.4 Tổn hao Lfree L free  4 3760600 16 109   4 Rf  10 lg  10 lg   208,1 108  c    dB 4.5 Hệ số tăng ích anten thu vệ tinh G Với 3dB   D 70 70 1,50   46, D  1,5 Áp dụng : GR Gmax   Df    0,   46,7  12914  GR 10 lg12914 41,1dB   c  4.6 Công suất thu anten thu vệ tinh PR EIRP  L free  GR 79,  208,1  41,1  87, dBW *Công suất thu tuyến xuống 4.1 Độ tăng ích G (anten phát trạm vệ tinh) 2   5 14 109    Df  GT    0,   322407 108  c    Hay tính theo đơn vị dB: GT max 10 lg(322407) 55,1dB 4.2 Tính EIRP (Cơng suất phát xạ đẳng hướng anten phát trạm vệ tinh) EIRP PT  GT  dB  11,8  55,1 66, dBW 4.3 Mật độ thông lượng công suất:   EIRP  10 lg  4 R  66,9  10lg  4 37760600   95, dBW/m2 4.4 Độ tăng ích anten anten thu trạm mặt đất 2 G Gmax   6 14 109    Df    0,6   464266 108  c    Hay tính theo đơn vị dB: GR 10 lg(464266) 56,7 dB 4.5 Tổn hao Lfree  4 3760600 14 109   4 Rf  L free 10 lg   10 lg   206,9dB  10  c    4.6 Công suất thu anten thu trạm mặt đất PR EIRP  L free  GR 66,9  206,9  56,  83,3 Tạp âm nhiệt tạp âm 5.1 Công suất tạp âm N  N B k T B 10 dBW  23 Trong đó: k số Bonzmant k 1,38 10 J/K, T(K) nhiệt độ tạp âm thiết bị, B(Hz) băng thông, N0 mật độ công suất tạp âm: N k T (W/Hz) 5.2 Tạp âm nhiệt Hệ số phẩm chất trạm thông tin vệ tinh tỷ số độ tăng ích anten nhiệt độ tạp âm hiệu dụng máy thu (G/T) Nhiệt độ tạp âm hiệu dụng máy thu bao gồm: - Nhiệt tạp âm tương đương anten: TA - Nhiệt tạp âm feeder TFRX - Nhiệt tạp âm máy thu TR Nhiệt tạp âm tương đương toàn thiết bị thu là: Te  Tr  T1   T T2   G1 G1G2 (K) Từ ta có cơng suất tạp âm tồn máy thu là: N k Te B (W) Khi khơng tính đến nhiệt tạp âm máy thu, tính TR: Tr   TA  TFRX   LFRX  LFRX   (K )  - Tính nhiệt tạp âm anten Nhiệt tạp âm anten TA anten thu nguồn tạp nhiễu không mong muốn từ không gian mặt đất khu vực gần anten: TA=Tk.gian+Tm.đất Như vậy, nhiệt tạp âm anten tham số phụ thuộc vào nhiều yếu tố địa lý, kích thước tần số làm việc anten 5.3 Hệ số tạp âm Hệ số tạp âm đường truyền hay thiết bị tính theo biểu thức: F 1  Te 290 Với thiết bị có nhiều tầng mắc nối tiếp: F F1  Fn  F2  F3     G1 G1G2 G1G2 Gn  11 Với thông số máy thu vệ tinh: GA=49,5dB LFRX=1,8 G1=31dB G2=11dB G3=21dB TA=22K TF=290K T1=200K T2=550K T3=950K Tính nhiệt tạp âm tương đương (Te) máy thu hệ số tạp âm hệ số phẩm chất trạm thu - Nhiệt tạp âm đầu vào máy thu Tr: Tr   TA  TFRX   LFRX  LFRX   (K )  22     290    130( K ) 1,8  1,8  - Nhiệt tạp âm tương đương toàn thiết bị thu Te Te  Tr  T1   T T2  G1 G1G2 550 950  345,3( K ) 40 40 15  Te 10 lg 345,3 25, 4dBK  130  200   - Hệ số tạp âm F F 1  - Te 345,3 1  2, 290 290 Hệ số phẩm chất lớn G/T (Khơng tính tổn hao đường truyền) G GA  49,5  10 lg 345,3 24,1 T Te dB/K - Tỷ số tín tạp SNR(C/N) C Pr G 41,1  EIRP  r  LP  k  dBHz  66,9   206,9  228, 90, 2dB N N0 T 25, Tính tốn dự trữ tuyến lên Trạm mặt đất Vệ tinh Thơng số tuyến Cơng suất phát(W) Đường kính anten parabol(m) Hiệu suất anten(%) Hệ số tăng ích phát(dBi) EIRP(dBW) Tần số phát(GHz) Cự ly truyền(km) Tổn hao Lfree(dB) Mật độ thông lượng công suất(dBW/m2) G/T(dBW/m2) Độ rộng băng tần(kHz) C/N yêu cầu(dB) 12 100 60 57,8 79,6 16 37760,6 206,9 -95,6 24,1 150 95 C/N đề ra(dB) Dự trữ tuyến(dB) 90,2 4,8 6.1 Các loại tổn hao khác Ngoài tổn hao cự ly đường truyền khơng gian tự (Lfree), tuyến TTVT cịn chịu loại tổn hao khác, cụ thể: 1) Tổn hao yếu tố hấp thụ sóng tầng khí quyển: mưa, nước… 2) Tổn hao nội tuyến feeder thu (LFRX) phát (LFTX) 3) Tổn hao lệch hướng anten thu phát LPOL (LR cho anten thu, LT anten phát) 4) Tổn hao xuyên phân cực sóng Nếu tính đầy đủ loại tổn hao đường truyền cơng suất thu tính theo biểu thức: P G PRx  TX T max  LFTX     GR max         L free LA   LFRX LPol  Máy phát- Đường truyền - Máy thu 13 Phần Tính tốn cụ thể 3.1 Tuyến lên trời Với giả thiết trời (LA=0), trạm phát sóng đặt gần vùng biên phủ  3dB anten thu vệ tinh (góc ngẩng anten 30 ) Tuyến lên thông tin vệ tinh Bảng thông số cho trước Trạm mặt đất Công suất phát (W) 150 (21,8dB) Đường kính anten parabol (m) Hiệu suất anten (%) 60 Độ lệch hướng lớn anten (0) 0,15 Góc ngẩng anten ( ) 30 Tần số phát (GHz) 16 Suy hao feeder phát (dB) 0,5 Cự ly truyền (km) 37760,6 Vệ tinh Góc mở ½ cơng suất (0) 2,5 Tổn hao lệch hướng anten (dB) Hiệu suất anten (%) 60 Tổn hao feeder LFRX (dB) 1,5 Nhiệt độ tạp âm feeder (TF), máy thu (TR) nhiệt tạp âm anten chọn 290K a Tính EIRP PTX 21,8dB LFXT 0,5dB 14 2 Gmax   6 16 109    Df    0,6   606388 108  c    GT max 10 lg(606388) 57,8dB   LT 12  T   3dB   c 108 3dB  700  70  70 0, 220 D Df 16 10   LT 12  T  3dB   0,15   12   5,6dB  0, 22    EIRP PTX  LFTX  GT max  LT 21,8  0,5  57,8  5, 73,5dBW b Tính suy hao tuyến lên 2 L free  4 37760600 16 109   4 Rf  10 lg   10 lg   208,1dB  10  c    c Tính G/T đầu vào máy thu vệ tinh 2  70   70  D GR max       0,     2,5  4642        3dB   GR max 36, 7dB LR 2dB LFRX 1,5dB  PR EIRPT  L free  GR max  LR 73,5  208,1  36,   99,9dBW Nhiệt độ tạp âm đầu vào máy thu LNA:  TA  290    TF    290     TR    290 580 K LFRX LFRX  1,5  1,5    T 10 lg 580 27, 6dB T PRX PR  LFRX  T  99,9  1,5  27,  129dBW G Gmax  LR  LFRX 36,7   1,5 33, 2dB G  T  GR  T 33,  27, 5, 6dB / K d Tính tỷ số tín hiệu tạp âm C/N tuyến lên 15  C  G   EIRPU     L  k 73,5  5,  208,1  228, 99, 6dB  T U  N0  U Trong đó: C: sóng mang, N: tạp âm (N=K.T.B), N0: mật độ tạp âm, K=1,28.10-23J/K=-228,6dBJ/ K Mô tả biến đổi công suất tuyến lên 3.2 Tuyến lên trời mưa Khi trời mưa suy giảm sóng tăng lên Cho trạm mặt đất đặt HCM suy hao mưa gây ta đặt giá trị khoảng 12dB chất khí khác khoảng 0,5dB tổn hao không gian tự do: L L free  LA 208,1  12  0,5 220, 6dB Tỷ số tín hiệu tạp âm SNR:  C  G   EIRPU     L  k 73,5  5,  220,  228, 87,1dB  T U  N0  U 16 3.3 Tuyến xuống trời Hình mơ tả tuyến xuống từ trạm vệ tinh xuống trạm mặt đất đặt HCM với giả thiết trạm mặt đất đặt gần biên vùng phủ sóng 3dB anten phát vệ tinh Tuyến xuống thông tin vệ tinh Bảng liệu cho trước Trạm vệ tinh Công suất máy phát PTX (W) Tổn hao tẩng khí (dB) ứng với E=300 Hiệu suất anten (%) Tổn hao lệch hướng anten (dB) Góc mở ½ dB (0) Tần số phát (GHz) Suy hao feeder phát LFTX (dB) Cự ly truyền (km) Độ lệch anten thu (0) Hiệu suất anten (%) Đường kính anten (m) Hệ số tạp âm F (dB) Tổn hao feeder LFRX (dB) Nhiệt độ tạp âm feeder TF (K) Nhiệt tạp âm mặt đất TGND (K) Nhiệt tạp âm bầu trời TSky (K) Trạm mặt đất a Tính EIRP trạm vệ tinh PTX 11,8dBW LFTX 1,5dB 2  70   70  D GT max       0,    4642      2,5   3dB   GT max 36, dB LT 2dB 17 15 (11,8dB) 0,5 60 2,5 14 1,5 37760,6 0,15 60 2,5 0,5 290 42 22 (trạm vệ tinh với biên phủ 3dB, trạm mặt đất HCM nằm vị trí suy hao khoảng 2dB)  EIRP PTX  LFTX  GT max  LT 11,8  1,5  36,  45dBW b Tính tổn hao tuyến xuống LD L free  LA 2  4 37760600 14 109   4 Rf  L free 10 lg   10 lg   206, 9dB 108  c    LA 0,5dB  LD L free  LA 206,  0,5 207, 4dB c Tính G/T trạm mặt đất thu 2   6 14 109    Df  GR max    0,   464266 108  c     GR max 10 lg 464266 56, dB   LR 12  R    3dB   c 108 3dB  700  70  70 0, 250 D Df 14 10   LR 12  R   3dB   0,15   12   4,32dB  0, 25    PR EIRPT  LD  GR max  LR 45  207,  56,7  4,32  110dBW *Nhiệt tạp âm trạm mặt đất: TA TSky  TGND 22  42 64( K ) *Nhiệt tạp âm máy thu: TR  F  1 TF  102,5/10  1 290 225 K *Nhiệt tạp âm tổng:  64     TR  0,5/10  290   0,5/10   225 313K 10  10    T 10 lg 313 24, 4dBK T  TA  TF   LFRX LFRX  PRX PR  LFRX  TR  110  0,5  24,  134,9dBW *Tính G/T G Gmax  LR  LFRX 56,  4,32  0,5 51,9dB G  T  GR  TR 51,9  24, 27,5dB / K 18 d Tính SNR tuyến xuống N KT  228,  24,  204, 2dB  C  G   EIRPU     L  k 45  27,5  207,  228, 93, dB T D  N0  D Mô tả mức biến đổi công suất tuyến xuống 3.4 Tuyến xuống trời mưa Giả sử tổn hao mưa có giá trị 9dB tổn hao tuyến xuống là: L 207,  216, dB *Khi nhiệt tạp âm anten xác định lại biểu thức: TA  TSky LRain   Tm    LRain  22     TGND  9/10  260   9/10   42 272( K ) 10  10   Trong Tm=260K : giá trị nhiệt độ trung bình hiệu dụng *Nhiệt tạp âm tổng:  TA  272    TF     TR  0,5/10  290   0,5/10   225 498,9 K LFRX 10  10   LFRX   T 10 lg 498,9 26, 9dBK T G/T=G-T=51,9-26,9=25dBW/K 19 20