Tiểu luận môn thông tin vệ tinh

1 PHẦN 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 f Uplink = 6 Gz, f Downlink = 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 P R = -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. 3.Tính các thông số năng lượng đường truyền của hệ thống thông tin trong hai trường hợp vào mùa mưa và mùa khô. 2 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 : P r = P T + G T + G R – L To (1.1) Trong đó : L To = L KG + L M + L i + L a + L T + N SYS (1.2) P r Công suất vào máy thu P T Công suất ra của máy phát G R Độ lợi của anten thu G T Độ lợi của anten phát L To Tổng suy hao L KG Suy hao trong không gian tự do L r Suy hao do mưa L i Suy hao do hấp thụ tầng điện ly L a Suy hao do hấp thụ không khí L T Suy hao do hệ thống thu phat (suy hao dp fidơ) T A Nhiệt tạp âm anten T S Nhiệt tạp âm bên ngoài T 0 Nhiệt độ môi trường T R Nhiệt tạp âm máy thu N SYS 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 : 3 λ= m f C 05,0 10.6 10.3 9 8  G T [dB]= 10lg    2 r = 10lg ( 76,35)6,0. 05,0 100.14,3  [dB] - Độ lợi của antenthu với đường kính là 1,2m G R [dB] = 10lg(    ) 2 r = 10.lg( 35,17)6,0. 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 L KG [dB] = 10lg 2 4         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 = 0 33 60 1980  HC . Vệ tinh α R O B A Vệ tinh C D 1980 nm Hà Nội 4 - Bán kính quả đất là R = 6400 km - Độ cao vệ tinh h = 35750 km - Xét tam giác vuông AOB ta có : OB = R.cos α = 6400.cos 33 0 = 5367, 49km → BC = h + FB = 35750 = (6400 - 5367,49 ) = 36782,51km AB = R.sin α = 6400.sin 33 0 = 3485,69 km → D = km3,3694769,348551,36782 22  L KG [dB] = 10lg 2 4         D = 10lg 35,139 05,0 3,36947.14.3.4 2        [dB] c. Suy hao do mưa (L r ) Với giả thiết đàu vào là hệ thống thông tin vệ tinh dùng hai tần số f Uplink = 6GHz, f Downlink = 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 ( L i ) 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 ( L a ). 5 Cũng do dải tần số f Uplink = 6GHz, f Downlink = 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 (L T. ) 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 P T cần phải cung cấp một công suất P TX ở đầu ra của bộ khuếch đại phát, do vậy : Hình 1.3: Tổn hao trong hệ thống thu và phát P T = P TX – L FTX [dB] (1.5) - Suy hao L FRX giữa anten và máy thu, công suất P RX ở đầu vào của máy thu bằng : P R = P RX – L FRX [dB] (1.6) Trong các hệ thống thông tin hiện nay, để đơn giản thường lấy hệ số tổn hao fidơ: L FRX = L FTX = 2[dB] suy ra L FRX = L FTX = 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.T SYS .B (1.7) N: công suất tạp âm k = 1,38.10 -23 J/K : Hằng số Blozman T x L FTX AN TE N AN TE N L FRX R X Tổn hao fidơ P T X P T P R X P R Tổn hao fidơ 6 T SYS: 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 FAS T L TTT   (1.8) T S : Tạp âm nhiệt bên ngoài T A : Nhiệt tạp âm anten T F : Nhiệt tạp âm hệ thống fidơ T R : Nhiệt tạp âm đầu vào máy thu L F : 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 T SYS 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 45 0 và 52 0 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 S  T M = T m          M L 1 1 (1.11) Trong đó: T M nhiệt tạp âm do mưa. T m : Nhiệt độ trung bình của cơn mưa tính theo công thức : 7 T m = 1,12T xq – 50( 0 K) T xq : Nhiệt độ xung quanh của trạm mặt đất, nhiệt độ trung bình mùa mưa ở Hà Nội là 25 0 C= 298 0 K   L M : Suy hao do mưa L M = 16,57 T S = T M = T m 76,28350298.12,1 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 40 0 K L F = 0,2 [dB] Suy hao do tạp âm nhiệt hệ thống được tính theo [dB] T SYS [dB]= 10lg( R F FAS T L TTT   )= 10lg 25,3040 6,0 2983076,283          [dB] - Suy hao do băng thông: B[dB]= 10lg B= 10.lg(36.10 6 ) = 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= P R - N SYS = P T +G T +G R – L T –L P – L R - N SYS (1.12) P T = P R + L T +L P +L R –G T - G R Với yêu cầu công suất tại máy thu lf -75[dB] ta có P T = -75dBmW + 139,35dB + 2dB + 2dB – 35,76dB – 17,35dB = 15,24 dBm EIRP = P T + G T – L T = 15,24 +35,76 -2,0 =49 C/N = R T - N SYS = -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 8 m f C 075,0 10.4 10.3 9 8   G r [dB]= 10lg    2 r =10 lg ( 58,15)60,0. 075,0 44,1.14,3  [dB] Độ lợi của anten thu với đường kính là 10m G R [dB]= 10.lg (   dB r 34)6,0. 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 00 0 00’N, 132 0 00’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 1647 0  - 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.cos28 0 = 5650,86km → BC= h +FB = 35750 + ( 6400 -5650,86)= 36499,14 km AB= R.sin α = 6400.sin 28 0 =3004,62km → D= km6,3662262,300414,36499 22  Từ khoảng cách vừa tính được ở trên ta suy ra độ hao trong không gian tự do là : L KG [dB]=10lg   dB D 75,135 075,0 6,36622.14,3.4 lg10 4 2 2                 HC . Vệ tinh Vệ tinh C D 1647 nm Bình Dương 9 Hình1.4: 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 f Downlink = 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 L T . 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 P T cần phảicung cấp một công suất P TX ở đầu ra của bộ khuếch đại phát, do vậy: P T = P TX – L FTX [dB] Suy hao L FRX giưuax anten và máy thu, công suất P RX ở đầu vào máy thu bằng: P R = P RX – L FRX [dB] Trong các hệ thống thong tin hiện nay, để đơn giản thường lấy hệ số tổn hao fidơ L FRX = L FTX = 2[dB] suy ra L FRX = L FTX = 10 -0,2 lần 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.T SYS .B Trong đó : N : công suất tạp âm K : Hằng số Bolzman T SYS : 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 : 10 T SYS = R F FAS T L TTT   T SYS : Nhiệt tạp âm hệ thống T S : Tạp âm nhiệt bên ngoài T A : Nhiệt tạp âm anten T F : Nhiệt tạp âm hệ thống fidơ T R : Nhiêt tạp âm đầu vào máy thu L F : Suy hao của hệ thống fidơ (số thực ) Từ T SYS 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 T S 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 45 0 và 52 0 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: T S          M mM L TT 1 1 Trong đó : T M nhiệt tạp âm do mưa T m : nhiệt độ trung bình của cơn mưa, tính theo công thức: T m = 1,12T xq – 50( 0 K) T xq : nhiệt độ xung quanh của trạm mặt đất. Nhiệt độ trung bình mưa ở Bình Dương là 33 0 C= 306 0 K L M : Suy hao do mưa L M = 16,57 T S = T M =T m 72,29250306.12,1 1 1           M L [...]... THÔNG TIN VỆ TINH Bài toán : tính toán dung lượng kênh của hệ thống thông tin vệ tinh trong các trường hợp có nén và không nén với các điều kiện cụ thể sau : - Độ rộng băng thông B = 36 MHz - Điều chế QPSK - Mã kênh FEC tỷ lệ ¾ - Phát thoại Tin R4 Mã tin R3 Mã kênh R2 Điều chế P Đa truy nhập n kênh Nén R1 HPA m đường Hình 2.1 Mô hình của hệ thống thông tin vệ tinh 2.1 Dung lượng kênh của hệ thống thông. .. là cao nhất có thể Trong thông tin vệ tinh hiện nay, do quãng đường truyền tin xa, gặp suy hao lớn nên thường sử dụng tốc độ kênh thoại là 4,8kbps hoặc 9.8 kbps Tốc độ thấp nhất hiện nay 2,4kbps và mới chỉ được sử dụng trong quân sự 17 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 TS Phạm Văn Phước Bài giảng “Hệ thống thông tin vệ tinh 2 KS Nguyễn Đình Lương, bản dich “Công nghệ thông tin vệ tinh – NXB Khoa học và kĩ... kênh thoại thực tế (64kbps) nch  R4 100 90150249 100   1173kênh CV 120 64000 120 Hệ số dự trữ kênh là 20% 2.2 Dung lượng kênh của hệ thống thông tin vệ tinh trong trường hợp có nén Để tăng dung lượng kênh người ta thường nén tín hiệu Để nén tín hiệu trong mã tin có nhiều phương pháp nén khác nhau Mỗi phương pháp cho một kết quả khác nhau, chất lượng cũng như số lượng kênh truyền khác nhau a.Nén DPCM... =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 : fUplink = 6GHz Băng tần xuống : fDownlink= 4 GHz Phát: Hà Nội Thu : Bình Dương (PT)u dBm 15.24 (LT)u dB 2.0 (GT)u dB 35,76 (EIRP)u dBm 49 11 (LS)u dB 0 (La)u... Dung lượng kênh của hệ thống thông tin vệ tinh trong trường hợp không nén Theo công thức của Shanon R= B.log 1    S  N Tốc độ Baud (tốc độ symbol) là R1 = B 36.106   30050083 1,198 1,198 Tốc độ sau điều chế ( do điều chế QPSK) nên : R2 = 2R = 2.30050083 = 60100166 Tốc độ sau mã kênh, nếu sử dụng mã NRZ thì R3 = 2.R2= 2.60100166 = 120200332 Tốc độ sau mã tin : Mã FEC tỷ lệ ¾ 3 4 3 4 R4 = R3... -122,674 (C/N)d dBHz 47,674 1.2 Tính toán và xác định các thông số với điều kiện vào là mùa khô GT, GR không thay đổi khi điều kiện bên ngoài thay đổi LP, La , Li , LF , LR vẫn giữ nguyên kết quả tính toán như trong trường hợp trên, do tần số Uplink và Downlink đều nằm trong cửa sổ vô tuyến Mưa cũng ảnh hưởng đến các thông số nhiệt tạp âm NSYS, thông số này được tính như sau : Công suất tạp âm N của... thống thu tính tại 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 (0K) B : Độ rộng của băng thông máy thu (Hz) Nhiệt độ tạp âm tương đương của hệ thống được tính theo công thức : 12 TSYS= TS  TA  TF  TR LF TSYS : Nhiệt tạp âm hệ thống TS : Tạp âm hiệt bên ngoài TA : Nhiệt tạp âm anten TF :... đương nhỏ khoảng 380K LF= 0,2[dB] Suy hao do tạp âm nhiệt hệ thống được tính theo [dB] TSYS dB  10 lg( TS  TA  TF  TR )  10 lg 275,92  30  291  38  30,14dB   LF  0,6  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 + 30,14 +75,56 = -122,9[dB] Từ công thức : C/N= PR - NSYS = PT + GT + GR – LT – LP... đương nhỏ khoảng 400K LF= 0,2[dB] Suy hao do tạp âm nhiệt hệ thống được tính theo [dB] TSYS dB  10 lg( TS  TA  TF  TR )  10 lg 292,72  30  306  40   30.366dB   LF  0,6  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 – . Hà Nội đến Vệ tinh Góc α trên hình vẽ là α = 0 33 60 1980  HC . Vệ tinh α R O B A Vệ tinh C D 1980 nm Hà Nội 4 - Bán kính quả đất là R = 6400 km - Độ cao vệ tinh h = 35750. 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. 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