MỤC LỤC PHẦN I : TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT YÊU CẦU CỦA MÁY PHÁT TRẠM MẶT ĐẤT TRONG THÔNG TIN VỆ TINH .... Tính toán công suất yêu cầu của một máy phát thông tin vệ tinh từ trạm phát Hà Nội, tr
Trang 1MỤC LỤC PHẦN I : TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT YÊU CẦU CỦA MÁY PHÁT TRẠM MẶT ĐẤT TRONG THÔNG TIN VỆ TINH
1.1 Tính toán công suất yêu cầu của một máy phát thông tin vệ tinh từ trạm phát
Hà Nội, trạm thu Bình Dương 1.1.1 Tính toán năng lượng đường truyền từ trạm phát Hà Nội lên vệ tinh Xác
định công suất tối thiểu của máy phát ở trạm phát Hà Nội với các điều kiện
đã cho
1.1.2 Tính tóa năng lượng đường truyền từ vệ tinh xuống trạm thu tại Bình Dương
Từ đó xác định công suất tối thiểu của máy phát ở vệ tinh với các điều kiện
đã cho
1.2 Tính toán và xác định các thông số với điều kiện vào là mùa khô
PHẦN II : XÁC ĐỊNH DUNG LƯỢNG KÊNH CỦA HỆ THỐNG TT VỆ TINH
2.1 Dung lượng kênh của hệ thống thông tin vệ tinh trong trường hợp không nén
2.2 Dung lượng kênh của hệ thống thông tin vệ tinh trong trường hợp có nén
giá
PHẦN III: TÀI LIỆU THAM KHẢO
Trang 3PHẦN I : TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT YÊU CẦU CỦA MÁY PHÁT TRẠM
MẶT ĐẤT TRONG THÔNG TIN VỆ TINH
Trong phần này , ta tực hiện phân tích và tính toán cho hai bài toán cụ thể :
Bài toán 1 : Tính công suất yêu cầu của một máy phát thông tin vệ tinh từ Trạm phát Hà Nội (21º09’N, 106º14’E), trạm thu Bình Dương (10º51’N,
106º48’E).
Với các điều kiện cụ thể cho mỗi trường hợp tính toán :
a Trường hợp khi xét các điều trong mùa mưa:
+ Vào mùa mưa, lượng mưa trung bình là 150mm/h + Nhiệt độ chọn theo mùa mưa ở Việt Nam
+ Tần số fUplink = 6 Gz, fDownlink = 4 Gz
+ Đường kính anten trạm mặt đất 10m + Đường kính anten vệ tinh 1,2m
+ Tỉ lệ lỗi bit cho phép (BER) là 10-3 + Công suất tối thiểu yêu cầu tại máy thu là PR = -75dBmW
b Trường hợp khi xét các điều kiện chuẩn như trên sông song trong mùa khô (không có mưa)
c Tính toán các kết quả trong hai trường hợp trên và so sánh tút ra nhận xét
Bài toán 2 : Tính toán dung lượng của hệ thống thông tin vệ tinh trong hai trường hợp có nén và không nén
1.1 Tính toán công suất yêu cầu của một máy phát thông tin vệ tinh từ trạm phát Hà Nội , trạm thu Bình Dương
* Phân tích bài toán :
Với bài toán trên (Bài toán 1)có thể chia làm 3 bài toán nhỏ như sau :
1.Tính toán năng lượng đường truyền từ trạm phát Hà Nội lên vệ tinh, từ đó tính công suất tối thiểu của máy phát ở trạm phát Hà Nội với điều kiện đã cho
2.Tính toán năng lượng đường truyền từ vệ tinh đến trạm thu Bình Dương ,
từ đó tính công suất tối thiểu của máy phát vệ tinh với điều kiện đã cho
Trang 43.Tính các thông số năng lượng đường truyền của hệ thống thông tin trong hai trường hợp vào mùa mưa và mùa khô
Từ các kết quả tính toán ta xác định đượchệ số khuếch đại công suất tối thiểu của bộ phát đáp của vệ tinh
* Giải quyết bài toán :
1.1.1 Tính toán năng lượng đường tuyền từ trạm phát Hà Nội lên vệ tinh Xác định công suất tối thiểu của máy phát ở trạm phát Hà Nội với các điều kiện đã cho
Công suất vào máy thu khi truyền từ trạm mặt đất đến vệ tinh được xác định qua công thức :
Pr = PT + GT + GR – LTo (1.1) Trong đó : LTo = LKG + LM + Li + La + LT + NSYS (1.2)
Pr Công suất vào máy thu PT Công suất ra của máy phát
GR Độ lợi của anten thu GT Độ lợi của anten phát
LTo Tổng suy hao LKG Suy hao trong không gian tự do
Lr Suy hao do mưa Li Suy hao do hấp thụ tầng điện ly
La Suy hao do hấp thụ không khí LT Suy hao do hệ thống thu phat
(suy hao dp fidơ)
TA Nhiệt tạp âm anten TS Nhiệt tạp âm bên ngoài
T0 Nhiệt độ môi trường TR Nhiệt tạp âm máy thu
NSYS Suy hao do tạp âm hệ thông
** Tính toán các thông số cụ thể như sau :
a Độ lợi của anten.
Độ lợi của antenđược tính theo công thức :
G [dB] =10 lg(
)
2
r (1.3)
Trong đó r là đường kính của anten
η : là hiệu suất
- Như vậy độ lợi của antenphats với đường kính anten là 10m, tần số phát 6GHz :
Trang 5λ= m
f
C
05 , 0 10
.
6
10
.
3
9
8
GT[dB]= 10lg
r2
= 10lg ( 0 , 6 ) 35 , 76
05 , 0
100 14 , 3
- Độ lợi của antenthu với đường kính là 1,2m
GR[dB] = 10lg(
) 2
r = 10.lg( 0 , 6 ) 17 , 35
05 , 0
44 , 1 14 , 3
[dB]
b Suy hao trong không gian tự do
Suy hao trong không gian tự do được tính theo công thức
LKG[dB] = 10lg 4 2
D
(1.4)
Trong đó D là khoảng cách từ trạm phát Hà nội (21 0 09’N, 106 0 14’E)đến vệ tinh.
Từ hình 1.1, hình chiếu của vệ tinh VinaSat 1 lê quả đất có vị trí tương đối là 00 0 00’N, 132 0 00’E Trước hết sử dụng phần mềm tính quãng đường để tính cung tròn
từ vị trí của Hà Nội đến vị trí hình chiếu của quả đất đó chính là góc ở tâm của quả đất được tạo bởi hai bán kính đi qua vị trí của vệ tinh và vị trí Hà Nội
Khoảng cách theo khung tròn từ Hà Nội đến vị trí hình chiếu Vệ tinh là : 1980nm (hải lí )
Hinh 1.1 Xác định khoảng cách từ trạm mặt đất Hà Nội đến Vệ tinh
Góc α trên hình vẽ là α = 33 0
60
1980
- Bán kính quả đất là R = 6400 km
HC
Vệ tinh
α
R
O
B A
Vệ tinh C
D
1980 nm
Hà Nội
Trang 6- Độ cao vệ tinh h = 35750 km
- Xét tam giác vuông AOB ta có :
OB = R.cos α = 6400.cos 330 = 5367, 49km
→ BC = h + FB = 35750 = (6400 - 5367,49 ) = 36782,51km
AB = R.sin α = 6400.sin 330 = 3485,69 km
→ D = 36782 , 51 2 3485 , 69 2 36947 , 3km
LKG[dB] = 10lg 4 2
05 , 0
3 , 36947 14 3
[dB]
c Suy hao do mưa (Lr)
Với giả thiết đàu vào là hệ thống thông tin vệ tinh dùng hai tần số fUplink = 6GHz, fDownlink = 4 GHz, thuộc dải tần số của Cửa sổ vô tuyến điện nên không bị suy hao do mưa (hình 1.2) Như vậy do hệ thống hoạt động ở tần số thuộc dải tần của cửa sổ vô tuyến nên mưa chỉ ảnh hưởng đến tạp âm nhiết của hệ thống
Hình 1.2: Suy hao của sóng vô tuyến điện trong khí quyển
d.Suy hao do hấp thụ trong tầng điện ly ( Li)
Với hệ thống thông tin vệ tinh này hoạt động trên các tần số nằm trong phạm
vi của cửa sổ vô tuyến ( hình 1.2) nên suy hao do tầng điện ly gây lên là không đáng
kể có thể bỏ qua Hai suy hao do mưa và suy hao do hấp thụ trong tầng điện ly phụ thuộc vào tần số hoạt động của hệ thống Với các dải tần số khác thì vó thể tra suy hao trong trang 79,161 tài liệu “Satellite communication technology” )
e.Suy hao do hấp thụ trong không khí ( La).
Trang 7Cũng do dải tần số fUplink = 6GHz, fDownlink = 4 GHz thuộc dải tần của cửa sổ vô tuyến, nên suy hao do hấp thụ trong không khí rất nhỏ có thể bỏ qua Với các dải tần số khác thì có thể tra suy hao trong tài liệu “Satellite communication technology”
f Suy hao trong hệ thống thu và phát (LT.)
Suy hao trong thiết bị thu và phát còn gọi là suy hao do hệ thống fidơ, có hai loại như sau :
- Suy hao L FTX giữa máy phát và anten, để anten phát được công suất PT cần phải cung cấp một công suất PTX ở đầu ra của bộ khuếch đại phát, do vậy :
Hình 1.3: Tổn hao trong hệ thống thu và phát
PT = PTX – LFTX [dB] (1.5)
- Suy hao LFRX giữa anten và máy thu, công suất PRX ở đầu vào của máy thu bằng :
PR = PRX – LFRX [dB] (1.6)
Trong các hệ thống thông tin hiện nay, để đơn giản thường lấy hệ số tổn hao fidơ:
LFRX = LFTX = 2[dB] suy ra LFRX = LFTX = 10-0,2 lần
g Suy hao nhiệt tạp âm.
Công suất tạp âm N của hệ thống thu tính tại đầu vào máy thu được biểu thị bằng công thức :
N = k.TSYS.B (1.7)
N: công suất tạp âm
k = 1,38.10-23J/K : Hằng số Blozman
T
x
T
x
LFTX
LFTX
A N TE N
A N TE N
AN TE N
AN TE N
LFRX
LFRX
RX
RX Tổn hao
fidơ
PT
X
X
PR Tổn hao
fidơ
Trang 8TSYS: Nhiệt độ tạp âm tương đương của hệ thống (0 K)
Nhiệt độ tạp âm tương đương của hệ thống được tính theo công thức
T STS = R
F
F A
L
T T T
(1.8)
TS : Tạp âm nhiệt bên ngoài
TA: Nhiệt tạp âm anten
TF : Nhiệt tạp âm hệ thống fidơ
TR : Nhiệt tạp âm đầu vào máy thu
LF : Suy hao của hệ thống fidơ (số thực)
Tuy nhiên phương trình trên trước hết là tìm ra nhiệt tạp âm của trạm mặt đất ở đường xuống từ vệ tinh thông tin Đối với đường lên từ một trạm mặt đất tới vệ tinh, các nguyên nhân tạp âm chinhslaf tạp máy thu và tạp bên ngoài( tạp âm bề mặt quả đất ) Vì thế ta có thể bỏ qua tạp âm hệ thông fidơ và an ten, thì có thể biểu diễn tạp âm đối với đường lên là :
T SYS = T S + T R (1.9)
Từ TSYS để tính nhiệt tạp âm của hệ thống biểu thị bằng công thức :
N SYS = 10 lg( k.T SYS B) [dB] (1.10 )
- Tạp âm nhiệt bên ngoài T S:
Nhiệt tạp âm bên ngoài bao gồm : nhiệt tạp âm vũ trụ, nhiệt tạp âm của dải ngân hà, nhiệt tạp âm của mặt trời, nhiệt tạp âm do khí quyển, nhiệt tạp âm do mưa và nhiệt tạp âm từ trạm mặt đất xung quanh trạm
Trong đó các loại nhiệt tạp âm vũ trụ, nhiệt tạp âm của dải ngân hà, nhiệt tạp âm của mặt trời , nhiệt tạp âm do khí quyển do dải tần số uplink và downlink trong đề bài nằm trong cửa sổ vô tuyến có nên rất bé có thể bỏ qua
Nhiệt tạp âm từ các trạm mặt đất xung quanh trạm do góc ngẩng anten của các trạm
Hà Nội và Bình Dương có góc ngẩng anten lớn 450 và 520 nên các ảnh hưởng này không đáng kể nên có thể bỏ qua
Như vậy nhiệt tạp âm bên ngoài chủ yếu là do mưa và nó được tính theo công thức:
T ST M = T m
M
L
1
1 (1.11) Trong đó: TM nhiệt tạp âm do mưa
Tm: Nhiệt độ trung bình của cơn mưa tính theo công thức :
Trang 9Tm = 1,12Txq – 50(0K)
Txq: Nhiệt độ xung quanh của trạm mặt đất, nhiệt độ trung bình mùa mưa ở
Hà Nội là 250C= 2980 K
LM : Suy hao do mưa LM= 16,57
T S = T M = T m
76 , 283 50 298 12 , 1 1
M
L
- Nhiệt tạp âm anten:
Nhiệt độ tạp âm tương đương của máy thu do máy thu sử dụng là loại máy thu LNA nên nhiệt tạp âm tương nhỏ khoảng 400K
LF= 0,2 [dB]
Suy hao do tạp âm nhiệt hệ thống được tính theo [dB]
TSYS [dB]= 10lg( R
F
F A
L
T T T
6 , 0
298 30 76 , 283
[dB]
- Suy hao do băng thông:
B[dB]= 10lg B= 10.lg(36.106) = 75,56[dB]
- Tổng suy hao do nhiệt tạp âm.
N[dB]= 10lg k +10lg T +10lg B = - 228,6 + 30,25 +75,56 = - 122,79 [dB]
Từ công thức :
C/N= PR - NSYS= PT +GT +GR – LT –LP – LR - NSYS (1.12)
PT = PR + LT +LP +LR –GT - GR
Với yêu cầu công suất tại máy thu lf -75[dB] ta có
PT = -75dBmW + 139,35dB + 2dB + 2dB – 35,76dB – 17,35dB = 15,24 dBm EIRP = PT + GT – LT = 15,24 +35,76 -2,0 =49
C/N = RT - NSYS = -75 – ( -122,79) = 47,79
1.1.2 Tính toán năng lượng đương truyền từ vệ tinh xuống trạm thu tại Bình Dương Từ đó xác định công suất tối thiểu của máy phát ở vệ tinh với các điều kiện đã cho.
Tương tự như phần tính toán trong phần mềm trên Các thành phần tính toán được chỉ ra dưới đây :
a.Xác định độ lợi anten của vệ tinh
Áp dụng công thức (1.3), với đường kính anten vệ tinh là 1,2m,tần số phát 4GHz
Trang 10m f
C
075 , 0 10
.
4
10
.
3
9
8
G r [dB]= 10lg
r2
=10 lg ( 0 , 60 ) 15 , 58
075 , 0
44 , 1 14 , 3
Độ lợi của anten thu với đường kính là 10m
GR[dB]= 10.lg ( r 0 , 6 ) 34dB
075 , 0
100 14 , 3 lg(
10 )
2
b.Suy hao trong không gian tự do
Suy hao trong không gian tự do được tính theo công thức (1.4) Trong trường hợp
này khoảng cách D là khoảng cách được xác định từ trạm tu Bình Dương (10 0 51’N,
106 0 48’ E).Cũng từ hình 1.4, hình chiếu của vệ tinh VinaSat 1 lên quả đất có vị trí
tương đối là 00000’N, 132000’E Sử dụng phần mềm tính quãng đường để tính cung tròn từ vị trí của Bình Dương đến vị trí hình chiếu của quả đất đó chính là góc ở tâm của quả đất được tạo bởi hai bán kính đi qua vị trí của vệ tinh và vị trí Bình Dương
- Khoảng cách theo cung tròn từ Bình Dương đến vị trí chiếu Vệ tinh là : 1647nm(hải lí) Góc α trên hình vẽ là α = 28
60
- Bán kính quả đất là R=6400 km
- Độ cao vệ tinh h = 35750 km
- Xét tam giác vuông AOB ta có :
OB=R.cosα = 6400.cos280= 5650,86km
→ BC= h +FB = 35750 + ( 6400 -5650,86)= 36499,14 km
AB= R.sin α = 6400.sin 280 =3004,62km
→ D= 36499 , 14 2 3004 , 62 2 36622 , 6km
Từ khoảng cách vừa tính được ở trên ta suy ra độ hao trong không gian tự do là :
075 , 0
6 , 36622 14 , 3 4 lg 10
HC
Vệ tinh α
R
O
B A
Vệ tinh C
D
1647 nm Bình Dương
Trang 11Hình1.4: Xác định khoảng cách từ trạm mặt đất Bình Dương đến Vệ Tinh.
c Suy hao do mưa, do hấp thụ trong tầng điện ly, trong tầng khí quyển
Các suy hao này không tính đến vì tần số fDownlink= 4GHz thuộc dải tần số của cửa sổ
vô tuyến Với dải tần số này mưa chỉ ảnh hưởng đến tạp âm nhiệt của hệ thống
d.Suy hao trong hệ thống thu và phát LT.
Suy hao trong thiết bị thu và phát còn gọi là suy hao do hệ thống fidơ, có hai loại như sau :
-Suy hao LFTX giữa máy phát và anten, để anten phát được công suất PT cần phảicung cấp một công suất PTX ở đầu ra của bộ khuếch đại phát, do vậy:
P T = P TX – L FTX [dB]
Suy hao LFRX giưuax anten và máy thu, công suất PRX ở đầu vào máy thu bằng:
PR = PRX – LFRX [dB]
Trong các hệ thống thong tin hiện nay, để đơn giản thường lấy hệ số tổn hao fidơ
LFRX = LFTX = 2[dB] suy ra LFRX= LFTX = 10-0,2lần
e.Suy hao nhiệt tạp âm
Công suất tạp âm N của hệ thống thu tính đầu vào máy thu được biểu thị bằng công thức :
N = k.TSYS.B
Trong đó :
N : công suất tạp âm
K : Hằng số Bolzman
TSYS : Nhiệt độ tạp âm tương đương của hệ thống (0 K)
B: Độ rộng băng thong của máy thu (hz)
Nhiệt độ tạp âm tương đương của hệ thống được tính theo công thức :
Trang 12T SYS = R
F
F A
L
T T T
TSYS : Nhiệt tạp âm hệ thống
TS: Tạp âm nhiệt bên ngoài
TA: Nhiệt tạp âm anten
TF: Nhiệt tạp âm hệ thống fidơ
TR : Nhiêt tạp âm đầu vào máy thu
LF : Suy hao của hệ thống fidơ (số thực )
Từ TSYS để tính nhiệt tạp âm của hệ thống biểu thị bằng công thức:
N SYS = 10lg(k.T SYS B) [dB]
Tạp âm nhiệt bên ngoài TS
Nhiệt tạp âm bên ngoài bao gồm : nhiệt tạp âm vũ trụ, nhiệt tạp âm của dải ngân hà, nhiệ t tạp âm củ mặt trời , nhiệt tạp âm do khí quyển, nhiệt tạp âm do mưa
và nhiệt tạp âm từ trạm mặt đất xung quanh trạm
Trong các loại nhiệt tạp âm vũ trụ, nhiệt tạp âm của dải ngân hà, nhiệt tạp âm của mặt trời , nhiệt tạp âm do khí quyển do dải tần số uplink vag downlink trong đề bài nằm trong cửa sổ vô tuyến nên rất bé có thể bỏ qua
Nhiệt tạp âm từ các trạm mặt đất xung quanh trạm do góc ngẩng anten củ các trạm Hà Nội và Bình Dương có góc ngẩng anten lớn 450 và 520 nên các ảnh hưởng này không đấng kể, có thể bỏ qua
Như vậy, nhiệt tạp âm bên ngoài chủ yếu là do mưa và nó được tính theo công thức:
TS
M m
M
L T
Trong đó : TM nhiệt tạp âm do mưa
Tm : nhiệt độ trung bình của cơn mưa, tính theo công thức:
Tm= 1,12Txq – 50(0K)
Txq : nhiệt độ xung quanh của trạm mặt đất Nhiệt độ trung bình mưa ở Bình Dương là 330C= 3060K
LM : Suy hao do mưa LM = 16,57
T S = T M=Tm
72 , 292 50 306 12 , 1 1
M
L
Trang 13Nhiệt tạp âm anten:
Nhiệt độ tạp âm tương đương của máy thu do máy thu sử dụng là loại máy thu LNA nên nhiệt tạp âm tương đương nhỏ khoảng 400K
LF= 0,2[dB]
Suy hao do tạp âm nhiệt hệ thống được tính theo [dB]
TSYS
L
T T T
F
F A
6 , 0
306 30 72 , 292 lg 10 ) lg(
Suy hao do băng thông
B[dB]= 10lgB = 10.log 36.106 = 75,56 [dB]
Tổng suy hao do nhiệt tạp âm
N[dB]= 10lg k +10 lg T +10 lg B = -228,6 + 30,366 +75,56 = -122,674 [dB]
Từ công thức :
C/N= PR - NSYS = PT + GT + GR – LT – LP - LR - NSYS
PT = PR + LT + LP + LR – GT –GR
Với yêu cầu công suất tại máy thu là -75[dB] ta có
PT = -75dBmW + 135,75dB +2 dB +2dB – 15,58dB -34dB = 15,17dBm EIRP = PT + GT – LT = 15,17 + 15,58 -2,0 =28,75
C/N = RT – NSYS=-75 +122,674 = 47,674
Từ các kết quả phân tích và tính toán trên ta có bảng kết quả của năng lượng đường truyền từ trạm phát Hà Nội đến trạm thu Bình Dương qua vệ tinh VinaSat 1 như sau :
Bảng 1.1
Vệ tinh 132,00E
Băng tần lên : f Uplink = 6GHz
Băng tần xuống : f Downlink = 4 GHz
Phát: Hà Nội Thu : Bình Dương