Chuong4 khái niệm chung về thông tin vệ tinh

53 CHƯƠNG KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THÔNG TIN VỆ TINH 4.1 NGUYÊN LÝ CỦA THÔNG TIN VỆ TINH Sau phóng vào vũ trụ, vệ tinh trở thành trạm thông tin trái đất Nó có nhiệm vụ thu tín hiệu dạng sóng vô tuyến từ trạm trái đất, khuếch đại phát trở trái đất cho trạm khác Có hai quy luật chi phối quỹ đạo vệ tinh bay xung quanh đất là: • Mặt phẳng quỹ đạo bay vệ tinh phải cắt ngang tâm Trái đất • Qủa đất phải trung tâm quỹ đạo vệ tinh Hình 4.1 biểu diễn dạng quỹ đạo vệ tinh Quỹ đạo elip nghiêng Quỹ đạo xích đạo Quỹ đạo cực tròn Hình 4.1 Ba dạng quỹ đạo vệ tinh 4.1.1 Quỹ đạo cực tròn Ưu điểm dạng quỹ đạo điểm mặt đất nhìn thấy vệ tinh khoảng thời gian định Việc phủ sóng toàn cầu dạng quỹ đạo đạt quỹ đạo bay vệ tinh lần lược quét tất vị trí mặt đất Dạng quỹ đạo sử dụng cho vệ tinh dự báo thời tiết, hàng hải, thăm dò tài nguyên vệ tinh thám Nó sử dụng cho thông tin truyền hình thời gian xuất ngắn 4.1.2 Quỹ đạo elip nghiêng Ưu điểm loại quỹ đạo vệ tinh đạt đến vùng cực cao mà vệ tinh địa tĩnh đạt tới Tuy nhiên quỹ đạo elip nghiêng có nhược điểm hiệu ứng Doppler lớn vấn đề điều khiển bám đuổi vệ tinh phải mức cao 4.1.3 Quỹ đạo xích đạo tròn 54 Đối với dạng quỹ đạo này, vệ tinh bay mặt phẳng đường xích đạo dạng quỹ đạo dùng cho vệ tinh địa tĩnh, vệ tinh bay độ cao dạng quỹ đạo lý tưởng vệ tinh thông tin + Quỹ đạo địa tĩnh GEO (Geosychronous Earth Orbit) Hình 4.2 Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh Vệ tinh địa tĩnh vệ tinh phóng lên quỹ đạo tròn độ cao khoảng 36.000km so với đường xích đạo, vệ tinh loại bay xung quanh đất vòng 24h Do chu kỳ bay vệ tinh chu kỳ quay trái đất xung quanh trục theo hướng Đông với hướng quay trái đất, vệ tinh dường đứng yên quan sát từ mặt đất, gọi vệ tinh địa tĩnh Bởi vệ tinh địa tĩnh đảm bảo thông tin ổn định liên tục nên có nhiều ưu điểm vệ tinh quỹ đạo thấp dùng làm vệ tinh thông tin Nếu ba vệ tinh địa tĩnh đặt cách bên xích đạo thiết lập thông tin liên kết vùng trái đất cách chuyển tiếp qua hai vệ tinh Điều cho phép xây dựng mạng thông tin toàn giới Ngoài người ta có loại quỹ đạo khác: 4.1.4 Quỹ đạo trung bình MEO (Medium Earth Orbit) Vệ tinh MEO độ cao từ 10.000km đến 20.000 km, chu kỳ quỹ đạo đến 12 giờ, thời gian quan sát vệ tinh từ đến Ứng dụng cho thông tin di động hay thông tin radio Hệ thống MEO cần khoảng 12 vệ tinh để phủ sóng toàn cầu 4.1.5 Quỹ đạo thấp LEO (Low Earth Orbit) Độ cao điển hình dạng quỹ đạo 160 đến 480 km, có chu kỳ 90 phút Thời gian quan sát thấy vệ tinh khoảng 30 phút Việc bố trí vệ tinh LEO gần có thuận lợi thời gian để liệu phát đến vệ tinh 55 ngắn Do khả thực nhanh nó, tác dụng tiếp sức tương hỗ toàn cầu mạng loại hình hội thoại vô tuyến truyền hình có hiệu hấp dẫn Nhưng hệ thống LEO đòi hỏi phải có khoảng 60 vệ tinh loại bao trùm hết bề mặt địa cầu 4.2 CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA THÔNG TIN VỆ TINH: Trong thời đại nay, thông tin vệ tinh phát triển phổ biến nhanh chóng nhiều lý khác Các ưu điểm thông tin vệ tinh so với phương tiện thông tin biển mặt đất hệ thống cáp quang hệ thống chuyển tiếp viba số là: - Có khả đa truy nhập - Vùng phủ sóng rộng, cần vệ tinh địa tỉnh phủ sóng toàn cầu - Ổn định cao, chất lượng khả cao thông tin băng rộng - Có thể ứng dụng cho thông tin di động - Thích hợp với dịch vụ truyền hình - Hiệu kinh tế cao thông tin cự ly lớn, đặc biệt thông tin xuyên lục địa Sóng vô tuyến điện phát từ vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh bao phủ 1/3 toàn bề mặt trái đất, nên trạm mặt đất đặt vùng thông tin trực tiếp với trạm mặt đất khác vùng qua vệ tinh thông tin Kỹ thuật sử dụng vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất việc tăng hiệu sử dụng tới cực đại gọi đa truy nhập Nói cách khác đa truy nhập phương pháp dùng phát đáp vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất 4.3 HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH CƠ BẢN Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm hai phần bản: - Phần không vệ tinh thiết bị liên quan - Phần mặt đất bao gồm trạm mặt đất Đường lên 6GHz(14GHz) Điều chế Nâng tần Khuếch đại công suất Đường xuống 4GHz(11GHz) Khuếch đại tạp âm tháp Hạ tần Giải điều chế Hình 4.3 Liên lạc hai trạm mặt đất qua vệ tinh Trong vệ tinh đóng vai trò lặp lại tín hiệu truyền trạm mặt đất, thực chất kỹ thuật thông tin vệ tinh kỹ thuật truyền dẫn mà môi trường truyền dẫn không gian vũ trụ với khoảng cách đường truyền dài Tại ta 56 gặp lại số vấn đề toán truyền dẫn, vấn đề điều chế tạp âm nhiễu đường truyền, đồng hai đầu thu phát Hình vẽ ví dụ đơn giản liên lạc hai trạm mặt đất thông qua vệ tinh thông tin Đường hướng từ trạm mặt đất phát đến vệ tinh gọi đường lên (Up link) đường từ vệ tinh đến trạm mặt đất thu gọi đường xuống (Down link) Hầu hết, tần số khoảng 6GHz 14GHz dùng cho đường lên tần số khoảng 4GHz 11GHz cho đường xuống Tại đầu phát, thông tin nhận từ mạng nguồn (có thể kênh thoại, truyền hình quảng bá, truyền số liệu ) dùng để điều chế sóng mang trung tần IF Sau tín hiệu đưa qua chuyển đổi nâng tần (Up Converter) cho tần số cao RF (Radio Frequency) Tín hiệu RF khuếch đại khuếch đại công suất cao HPA (High Power Amplifier) xạ không gian lên vệ tinh qua anten phát Tại vệ tinh, tín hiệu nhận qua anten khuếch đại chuyển đổi tần số xuống (Down Converter), sau khuếch đại công suất phát trở lại trạm mặt đất Ở trạm mặt đất thu, tín hiệu thu qua anten khuếch đại khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier) Sau chuyển đổi tần số xuống trung tần qua chuyển đổi hạ tần (Down Converter) cuối giải điều chế khôi phục lại tín hiệu băng gốc 4.4 Tần số sử dụng thông tin vệ tinh Các tần số sử dụng thông tin vệ tinh nằm băng tần siêu cao SHF (Super High Frequency) từ đến 30 GHz, phổ tần số sử dụng cho vệ tinh người ta chia băng tần nhỏ với phạm vi dãy phổ bảng 4.1 Bảng 4.1 Tần số sử dụng thông tin vệ tinh Băng C X Ku Ka Tần số (GHz) 3,400 ÷ 7,075 7,025 ÷ 8,425 10,90 ÷ 18,10 17,70 ÷ 36,00 Bước sóng (cm) 8,82 ÷ 4,41 4,41 ÷ 3,56 2,75 ÷ 1,66 1,95 ÷ 0,83 Hiện nay, băng C băng Ku sử dụng phổ biến nhất, băng C (4/6 GHz) nằm khoảng cửa sổ tần số, suy hao mưa, trước dùng cho hệ thống viba mặt đất Sử dụng chung cho hệ thống Intelsat hệ thống khác bao gồm hệ thống vệ tinh khu vực nhiều hệ thống vệ tinh nội địa Băng Ku (12/14 11/14 GHz), sử dụng rộng rãi tiếp sau băng C cho viễn thông công cộng, dùng nhiều cho thông tin nội địa thông tin công ty Do tần số cao nên cho phép sử dụng anten có kích thước nhỏ, tần số cao nên tín hiệu băng Ku bị hấp thụ lớn mưa Băng Ka (20/30 GHz) lần sử dụng cho thông tin thương mại qua vệ tinh Sakura Nhật, cho phép sử dụng trạm mặt đất nhỏ hoàn toàn không gây nhiễu cho hệ thống viba Tuy nhiên băng Ka suy hao đáng kể mưa nên không phù hợp cho thông tin chất lượng cao 4.5 Các phương pháp đa truy nhập đến vệ tinh 57 4.5.1 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA FDMA (Frequency Division Multiplex Access) loại đa truy nhập dùng phổ biến thông tin vệ tinh, hệ thống trạm mặt đất phát sóng mang có tần số khác với tần số sóng mang trạm mặt đất khác Mỗi sóng mang phân cách với sóng mang khác băng tần bảo vệ thích hợp cho chúng không chồng lên FDMA sử dụng cho tất hệ thống điều chế: hệ thống điều chế tương tự hay điều chế số sóng mang FM (Frequency Modulation) điều chế tín hiệu điện thoại ghép kênh tín hiệu truyền hình sóng mang PSK (Phase Shift Keying) điều chế số Một trạm mặt đất thu tín hiệu có chứa thông tin nhờ lọc thông dải Thời gian fB fC Bộ phát đáp fD Tần số Hình 4.4 FDMA Phương pháp cho phép tất trạm truyền dẫn liên tục, có ưu điểm không cần thiết điều khiển định thời đồng thiết bị sử dụng đơn giản Hiệu sử dụng công suất vệ tinh tốt, nhiên kênh truyền dẫn phân chia theo thước đo vật lý tần số Nên phương pháp thiếu linh hoạt việc thay đổi cách phân phối kênh hiệu thấp số sóng mang tăng Nhưng bù lại phương pháp có thủ tục truy nhập đơn giản, cấu hình phương tiện trạm mặt đất đơn giản 4.5.2 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA A D Thời gian C B A 1khung TDMA Tần số Hình 4.5 Đa truy nhập phân chia theo thời gian 58 TDMA phương pháp đa truy nhập trạm mặt đất dùng chung phát đáp sở phân chia theo thời gian hình 4.5 Trong trục hoành tần số, trục tung thời gian Trục thời gian phân chia thành khoảng thời gian gọi khung TDMA, khung TDMA phân chia thành khe thời gian, khe thời gian ấn định cho trạm mặt đất Tất trạm mặt đất dùng chung sóng mang có tần số trung tâm f phát thu tín hiệu khe thời gian ấn định Vì thế, khoảng thời gian định, có tín hiệu từ trạm mặt đất chiếm toàn băng tần phát đáp vệ tinh không xảy trường hợp tín hiệu từ hai trạm mặt đất trở lên chiếm phát đáp vệ tinh thời gian Độ dài khe thời gian ấn định cho trạm mặt đất tuỳ thuộc vào lưu lượng trạm TDMA sử dụng sóng mang điều chế số sóng mang phát từ trạm mặt đất cần phải điều khiển xác cho chúng nằm khe thời gian phân phối Để làm điều này, cần phải có tín hiệu chuẩn phát từ trạm chuẩn trạm khác truyền tín hiệu sau tín hiệu chuẩn Trong phương pháp đa truy nhập này, trạm mặt đất phải truyền tín hiệu cách gián đoạn cần phải dự phòng khoảng thời gian bảo vệ sóng mang để tín hiệu từ trạm mặt đất không chồng lấn lên đến phát đáp Ưu điểm phương pháp sử dụng tốt công suất tối đa vệ tinh thay đổi dễ dàng dung lượng truyền tải cách thay đổi khoảng thời gian phát thu, linh hoạt việc thay đổi, thiết lập tuyến, đặc biệt hiệu suất sử dụng tuyến cao số kênh liên lạc tăng Mặt khác, TDMA kết hợp với kỹ thuật nội suy tiếng nói tăng dung lượng truyền dẫn lên ba đến bốn lần Tuy nhiên, TDMA có số nhược điểm sau: • Yêu cầu phải có đồng cụm Mạng TDMA chứa trạm lưu lượng trạm chuẩn Các cụm phát từ trạm lưu lượng gọi cụm lưu lượng Số liệu lưu lượng phát cụm lưu lượng Trạm chuẩn phát cụm đặc biệt theo chu kỳ gọi cụm chuẩn Cụm chuẩn cung cấp chuẩn định thời chu kỳ khung TDMA Mỗi trạm lưu lượng phát cụm lưu lượng khe thời gian ấn định vệ tinh cách điều khiển định thời phát cụm theo cụm chuẩn, cụm chuẩn sử dụng làm chuẩn định thời, cụm chuẩn cụm lưu lượng đặt theo thứ tự để tránh chồng lấn khung TDMA Nếu đồng cụm cụm phát trượt khỏi khe thời gian ấn định vệ tinh Nếu xảy chồng lấn cụm vệ tinh thông tin bị • Tín hiệu tương tự phải chuyển sang dạng số sử dụng kỹ thuật TDMA • Giao diện với hệ thống mặt đất tương tự phức tạp dẫn đến giá thành hệ thống cao 4.5.3 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA CDMA (Code Division Multiplex Access) phương pháp truy nhập ứng dụng kỹ thuật trải phổ, đối tượng : • Được phép hoạt động đồng thời 59 • Hoạt động tần số • Sử dụng toàn băng tần hệ thống lúc mà không gây nhiễu sang thông tin đối tượng khác Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA phương pháp đa truy nhập mà trạm mặt đất phát tín hiệu cách liên tục đồng thời, sử dụng băng tần kênh Trong CDMA, sóng mang phát điều chế mã đặc biệt qui định cho trạm mặt đất trạm mặt đất thu tách tín hiệu cần thu khỏi tín hiệu khác nhờ mã đặc biệt Tập hợp mã cần dùng phải có thuộc tính tương quan sau đây: • Mỗi mã phải phân biệt cách dễ dàng với bị dịch chuyển theo thời gian • Mỗi mã phải phân biệt cách dễ dàng bất chấp mã khác sử dụng mạng Việc truyền dẫn tín hiệu hữu ích kết hợp với mã đòi hỏi môt băng thông lớn nhiều so với băng thông yêu cầu để truyền dẫn riêng thông tin hữu ích Đó lý người ta gọi truyền dẫn trải phổ Đặc điểm CDMA • Hoạt động đơn giản, không đòi hỏi đồng truyền dẫn trạm Đồng đồng máy thu với chuỗi sóng mang thu • Nhờ việc trải phổ phía phát thu hẹp phổ phía thu nên có khả chống lại can nhiễu hệ thống nhiễu tượng đa đường truyền tốt, đồng thời có tính bảo mật tín hiệu cao Bên cạnh ưu điểm trên, CDMA tồn nhược điểm hiệu sử dụng băng tần kém, độ rộng băng tần truyền dẫn yêu cầu lớn Tuy CDMA phù hợp mạng có trạm nhỏ với độ rộng chùm tia anten lớn truyền thông vệ tinh với máy di động 4.5.4 Phương pháp đa truy nhập phân phối trước đa truy nhập phân phối theo yêu cầu 4.5.4.1 Đa truy nhập phân phối trước Đa truy nhập phân phối trước phương pháp đa truy nhập mà kênh vệ tinh phân bố cố định cho tất trạm mặt đất khác nhau, bất chấp có hay gọi phát 4.5.4.2 Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu phương pháp đa truy nhập mà kênh vệ tinh xếp lại có yêu cầu thiết lập kênh từ trạm mặt đất có liên quan Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu cho phép sử dụng có hiệu dung lượng kênh vệ tinh đặc biệt số trạm mặt đất có dung lượng nhỏ sử dụng chung phát đáp trường hợp hệ thống điện thoại vệ tinh biển 4.6 SỰ PHÂN CỰC SÓNG Trường điện từ sóng vô tuyến điện truyền qua môi trường dao động theo hướng định, tuỳ theo kiểu dao động mà ta có hai loại 60 phân cực Hai loại phân cực sóng vô tuyến điện sử dụng thông tin vệ tinh sóng phân cực thẳng sóng phân cực tròn 4.6.1 Sóng phân cực thẳng Một sóng phân cực thẳng tạo cách dẫn tín hiệu từ ống dẫn sóng chữ nhật đến anten loa, nhờ sóng xạ theo kiểu phân cực thẳng đứng song song với cạnh đứng anten loa Để thu sóng anten thu cần phải bố trí giống tư anten phía phát Trong trường hợp đặt anten thu vuông góc với anten phát thu sóng sóng vào ống dẫn sóng Ta dễ dàng tạo sóng phân cực thẳng, cần phải điều chỉnh hướng ống dẫn sóng anten thu cho song song với mặt phẳng phân cực sóng đến 4.6.2 Sóng phân cực tròn Sóng phân cực tròn sóng truyền lan phân cực quay tròn, tạo loại sóng cách kết hợp hai sóng phân cực thẳng có phân cực vuông góc góc lệch pha 900 Sóng phân cực tròn phân cực phải hay trái phụ thuộc vào khác sóng phân cực thẳng sớm pha hay chậm pha Đối với sóng phân cực tròn không cần điều chỉnh hướng loa thu, mạch fiđơ anten lại trở nên phức tạp đôi chút Trong thông tin vệ tinh, sóng phân cực tròn chọn để sử dụng nhờ có tính ưu việt sau: - Sự chênh lệch phân cực tròn phải phân cực tròn trái lớn Vì mà việc phát thu tín hiệu không ảnh hưởng lên với kỹ thuật sử dụng lại tần số -Trong khoảng tần số từ 4GHz đến 6GHz mức độ phân cách hai phân cực phải phân cực trái rõ rệt, chúng không gây giao thoa hay can nhiễu lên 4.7 CỬA SỔ TẦN SỐ 100 Suy hao tầng điện ly Suy 50 Suy hao mưa 25mm/h hao (dB)10 Cửa sổ tần số 0,1 0,5 10 50 100 Tần số (GHz) Hình 4.6 Đồ thị biểu diễn suy hao mưa tầng điện ly theo tần số Các sóng vô tuyến điện truyền đến hay từ vệ tinh thông tin chịu ảnh hưởng tầng điện ly khí Tầng điện ly lớp khí loãng bị ion hoá tia vũ trụ, có độ cao từ 60km đến 400km so với mặt đất, lớp mang điện 61 có tính chất hấp thụ phản xạ sóng Do biến đổi trạng thái tầng điện ly, làm giá trị hấp thụ phản xạ thay đổi gây biến thiên cường độ sóng vào, gọi thăng giáng Tuy nhiên tính chất ảnh hưởng chủ yếu băng tần thấp, tần số cao ảnh hưởng tầng điện ly ít, tần số băng sóng viba (1GHz) không bị ảnh hưởng tầng điện ly Khi tần số >10GHz cần tính toán suy hao mưa hình 4.6 Từ hình vẽ ta thấy tần số nằm khoảng 1GHz 10GHz suy hao kết hợp tầng điện ly mưa nhỏ không đáng kể, băng tần gọi "cửa sổ tần số " Lúc sóng nằm cửa sổ vô tuyến suy hao truyền dẫn xem gần suy hao không gian tự Vì vậy, cho phép thiết lập đường thông tin vệ tinh ổn định, phải lưu ý đến can nhiễu với đường thông tin viba mặt đất sóng thông tin viba sử dụng tần số nằm cửa sổ Ngoài ra, mưa lớn suy hao mưa cửa sổ tần số cần phải tính toán, xem xét thêm để kết tính toán có độ xác cao 4.8 SUY HAO TRONG THÔNG TIN VỆ TINH Một tuyến thông tin vệ tinh bao gồm đường truyền sóng từ anten trạm phát đến vệ tinh (tuyến lên - uplink) từ vệ tinh đến anten trạm mặt đất thu (tuyến xuống - downlink) Do suy hao thông tin vệ tinh gồm loại suy hao sau: 4.8.1 Suy hao không gian tự Đối với vệ tinh điạ tĩnh độ cao 35.768km, cự ly thông tin cho tuyến lên hay tuyến xuống gần 35.768km Do cự ly truyền sóng thông tin vệ tinh lớn nên suy hao không gian tự suy hao lớn Gọi suy hao Ltd , ta có :  4π d  Ltd =    λ  (4.1) Trong d[km] : chiều dài tuyến lên hay xuống Ltd [dB] λ [m] : bước sóng công tác Bước sóng λ đổi tần số công tác với quan hệ f = c/ λ c : vận tốc ánh sáng c = 3.108 m/s f : tần số công tác [GHz] Trong đơn vị dB 2  4π d   4π df   4π df  Ltd dB = 10 lg   = 10 lg   = 20 lg    λ   c   c  (4.2) Suy hao không gian tự tuyến lên hay xuống công tác băng C (4/6GHz) vào khoảng 200dB Để bù vào suy hao này, đảm bảo cho máy thu nhận tín hiệu đủ lớn cỡ -90dBm đến -60dBm, người ta sử dụng anten có đường kính đủ lớn hàng chục mét để có hệ số tăng ích lớn khoảng 60dB máy phát có công suất lớn hàng trăm dến hàng ngàn W Xét trường hợp máy phát có công suất xạ 100W cho sóng mang, công tác băng C (6/4GHz) Nếu tính đến suy hao không gian tự 200dB công suất thu sóng mang là: 62 PRx = 100 / 10 20 = 10 − 18 ( W ) = 10 − 15 ( mW ) PRx = 10 lg100(dBW ) − 200( dB) Tính theo dBw : = 20 (dBW) - 200 (dB) = -180 (dBW) = -150 (dBmW) Với công suất nhỏ máy thu thu tín hiệu, để có công suất đầu vào máy thu khoảng -70dBm ta phải sử dụng anten phát thu có hệ số tăng ích lớn Nếu hệ số tăng ích anten trạm mặt đất GR=50dB anten thu vệ tinh có hệ số tăng ích GT=30dB Ngoài suy hao không gian tự có suy hao khác không lớn tính toán tuyến thông tin vệ tinh mà ta không xét hết khả xấu ảnh hưởng môi trường truyền sóng xảy tượng chất lượng thông tin xấu làm gián đoạn thông tin Các suy hao trình bày sau 4.8.2 Suy hao tầng đối lưu Tầng đối lưu lớp khí nằm sát mặt đất lên đến độ cao (10km-15km) (theo quy định tầng đối lưu tiêu chuẩn), bao gồm chất khí hấp thụ sóng gây suy hao nước, Oxy, Ozon, Cacbonic Suy hao phụ thuộc nhiều vào tần số góc ngẩng anten đáng kể tần số công tác từ 10GHz trở lên, nghĩa công tác băng Ku (14/12GHz) hay băng Ka (30/20GHz) Anten có góc ngẩng lớn suy hao tầng đối lưu nhỏ, đường truyền sóng tầng đối lưu ngắn Tại tần số 21GHz 60GHz có suy hao cực đại, cộng hưởng hấp thụ phân tử nước Oxy 4.8.3 Suy hao tầng điện ly Tầng điện ly lớp khí nằm độ cao khoảng 60km đến 400km, bị ion hoá mạnh nên lớp khí độ cao bao gồm chủ yếu điện tử tự do, ion âm dương nên gọi tầng điện ly Sự hấp thụ sóng tầng điện ly giảm tần số tăng, tần số 600MHz hấp thụ không đáng kể 4.8.4 Suy hao thời tiết Suy hao điều kiện thời tiết mây, mưa, sương mù, suy hao phụ thuộc vào nhiều yếu tố cường độ mưa hay sương mù, vào tần số, vào chiều dài quãng đường sóng mưa, chiều dài phụ thuộc vào góc ngẩng anten Khi góc ngẩng tăng, suy hao giảm, với góc ngẩng anten khoảng 400 trở lên suy hao không đáng kể, lúc suy hao mưa khoảng 0,6 dB, suy hao sương mù khoảng 0,2dB, suy hao chất khí nhỏ bỏ qua Nói chung tần số cường độ mưa tăng suy hao tăng nhanh, đặc biệt khoảng tần số từ 10GHz đến 100GHz Suy hao thực tế tuỳ thuộc vào góc ngẩng anten, độ cao đặt anten so với mức nước biển, chiều cao mưa sương mù mà đoạn đường thực tế sóng qua vùng khác Suy hao toàn đoạn đường có chiều dài Le sóng qua Ltt = γ Le (dB) là: γ Trong : hệ số suy hao đoạn đường 1km (dB/km), phụ thuộc tần số, môi trường gây suy hao cường độ mưa hay độ dày sương mù 63 Le : chiều dài thực tế sóng qua vùng gây suy hao (km), phụ thuộc góc ngẩng anten, độ cao đặt anten, xác định theo công thức: Le = hm − hs ( km ) sin E (4.3) Với hm độ cao mưa (km), theo khuyến nghị 564 CCIR vĩ độ từ đến 560 lấy hm = + 0,028 (km) hs độ cao anten trạm mặt đất so với mức nước biển (km) E góc ngẩng anten (độ) 4.8.5 Suy hao đặt anten chưa Khi anten phát thu lệch tạo suy hao búp anten thu hướng không chùm tia phát xạ anten phát Thường suy hao đặt anten chưa từ 0,8 đến dB Anten thu Anten phát Góc sai lệch αT α R Hình 4.7 Sai lệch đặt anten chưa 4.8.6 Suy hao thiết bị phát thu Tổn hao Fiđơ TX PTX LFTX PT L Tổn hao Fiđơ PRX LFRX PR RX GT GR Hình 4.8 Suy hao thiết bị phát thu Suy hao thiết bị phát thu gọi suy hao hệ thống fiđơ, có hai loại sau: Suy hao LFTX máy phát anten, để anten phát công suất PT cần phải cung cấp công suất PTX đầu khuếch đại phát, vậy: PT = PTX - LFTX [dB] Suy hao LFRX anten máy thu, công suất PRX đầu vào máy thu bằng: PR = PRX - LFRX [dB] Trong hệ thống vệ tinh nay, để đơn giản thường lấy hệ số tổn hao fiđơ LFRX = LFTX = 2dB Suy LFTX = LFRX = 10-0,2 (lần) 4.8.7 Suy hao phân cực không đối xứng Suy hao phân cực không đối xứng xảy anten thu không hướng với phân cực sóng nhận Vớí đường truyền phân cực tròn, sóng phát phân cực tròn trục anten phát trở thành elip khỏi trục anten Khi truyền qua bầu khí làm thay đổi phân cực tròn thành 64 phân cực elip Còn đường truyền phân cực thẳng sóng bị quay mặt phẳng phân cực đường truyền qua khí quyển, anten thu không mặt phẳng phân cực sóng đứng sóng tới Suy hao lệch phân cực thường 0,1dB 4.9 TẠP ÂM TRONG THÔNG TIN VỆ TINH Trong tuyến thông tin vệ tinh,tạp âm gây cho trạm mặt đất nhiều nguyên nhân sau: 4.9.1 Nhiệt tạp âm hệ thống Trong tuyến thông tin vệ tinh, tạp âm gây cho trạm mặt đất nhiều nguyên nhân tính nhiệt tạp âm tương đương TSYS gọi nhiệt tạp âm hệ thống Nhiệt tạp âm hệ thống xem tổng bốn thành phần biểu diễn theo biểu thức: TSYS = TS + T A + TF + TR LF [0K] (4.4) Dải ngân hà Tầng điện ly Mặt trời Mặt trăng Trời mưa búp búp ngược búp phụ Hình 4.9 Các nguồn tạp âm ảnh hưởng đến thông tin vệ tinh Trong đó: TSYS : nhiệt tạp âm hệ thống TS : nhiệt tạp âm bên TA : nhiệt tạp âm anten TF : nhiệt tạp âm hệ thống fiđơ TR : nhiệt tạp âm hiệu dụng đầu vào máy thu LF: Suy hao hệ thống fiđơ, đưa vào tính toán với nhiệt tạp âm bên ngoài, nhiệt tạp âm an ten nhiệt tạp âm fiđơ loại tạp âm có liên quan đến suy hao fiđơ Ta xét đến loại tạp âm 4.9.1.1 Nhiệt tạp âm bên TS nhiệt tạp âm anten TA Nhiệt tạp âm bên anten bao gồm: 65 + Nhiệt tạp âm không gian: gồm thành phần sau: - Nhiệt tạp âm vũ trụ: tác động tần số vô tuyến xạ từ vũ trụ dư lại (khoảng 2,760K) - Nhiệt tạp âm dải ngân hà: hướng anten vào vùng có số cực đại dải ngân hà nhiệt tạp âm lên đến gần 1000K vùng tần số từ 0,3GHz đến1,2GHz - Nhiệt tạp âm mặt trời: mặt trời xạ sóng điện từ tất tần số, đặc biệt dải viba (microwave) Nhiệt tạp âm mặt trời gây cho trạm mặt đất phụ thuộc vào hướng anten, mặt trời nằm vùng phủ sóng búp anten nhiệt tạp âm 500K Còn mặt trời chiếu thẳng vào anten nhiệt tạp âm lên đến 10.0000K tuỳ thuộc tần số công tác, kích thước mặt phản xạ số vết đen mặt trời (số vết đen thể hoạt động mạnh hay yếu mặt trời) Trường hợp trạm mặt đất - vệ tinh - mặt trời nằm đường thẳng xảy vài ngày năm vào mùa xuân làm cho thông tin bị gián đoạn vài ba phút + Nhiệt tạp âm khí (nhiệt tạp âm tầng đối lưu): phụ thuộc vào chiều dài quãng đường sóng tầng đối lưu (độ cao 15 km từ mặt đất) Nói cách khác phụ thuộc vào góc ngẩng anten, tần số công tác + Nhiệt tạp âm mưa, xác định công thức : TM = Tm ( − Trong ) LM (4.5) TM : nhiệt tạp âm mưa (0K) LM : suy hao mưa, LM = 16,57 Tm : nhiệt độ trung bình mưa Tm = 1,12 Txq - 50 (0K) (4.6) Txq : nhiệt độ xung quanh trạm mặt đất ( K) + Nhiệt tạp âm từ trạm mặt đất xung quanh trạm: Vì anten trạm mặt đất hướng lên bầu trời nên nhiệt tạp âm mặt đất gây chủ yếu búp phụ búp ngược, phần cho búp anten có tính định hướng góc ngẩng nhỏ - Nhiệt tạp âm cho búp phụ gây tính theo công thức: Ti = Gi × TD (4.7) Trong Gi : hệ số tăng ích búp phụ TD : nhiệt độ chiếu sáng mặt đất mặt trời tạo TD = 1500K góc ngẩng từ 00 đến 100 TD = 100K góc ngẩng từ 100 đến 900 Ngoài nhiệt tạp âm chướng ngại gần nhà, mái che (ví dụ vòm cây), phận cản trở anten đỡ, tiếp sóng (nguồn xạ sơ cấp) suy hao búp phụ gây 4.9.1.2 Nhiệt tạp âm hệ thống fiđơ TF Nhiệt tạp âm hệ thống fiđơ tính biểu thức sau: 66 TF = T0 ( LF -1) (0K) (4.8) Trong T0 : nhiệt độ môi trường ( K) LF : suy hao hệ thống fiđơ TF tăng LF tăng dẫn đến công suất tạp âm bên gây hệ thống fiđơ tăng lên Do cần thiết kế phương tiện cho có hệ thống fiđơ nhỏ Một cách gần coi nhiệt tạp âm fiđơ 2900K 4.9.1.3 Nhiệt tạp âm máy thu TR Nhiệt tạp âm máy thu tổng nhiệt tạp âm gây phần máy thu Nó tính công thức sau: TR = T1 + Trong T3 T2 TK + + + (0K) G1 G1G2 G1G2 G K − (4.9) TR : nhiệt tạp âm máy thu (0K) G1 ,G2 , ,G K : hệ số khuếch đại phần T1 ,T2 , ,TK : nhiệt tạp âm đầu vào (0K) Nếu hệ số khuếch đại tầng đầu đủ lớn tạp âm tầng bỏ qua Do yêu cầu tầng phải có hệ số khuếch đại lớn tạp âm thấp, thông tin vệ tinh dùng khuếch đại tạp âm thấp (LNA-Low Noise Amplifier) Một cách gần ta coi nhiệt tạp âm tầng đầu nhiệt tạp âm máy thu 4.9.2 Công suất tạp âm hệ thống Công suất tạp âm hệ thống N biểu thị biểu thức: N = k TSYS B [W] (4.10) Trong N : công suất tạp âm nguồn tạp âm gây độ rộng băng tần B (Hz) TSYS : nhiệt tạp âm hệ thống k : số Boltzman, k = 1,38.10-23W/Hz.0K = -228,6 (dBW/Hz.K) B băng thông cấp cho sóng mang Trường hợp tạp âm tính độ rộng băng tần 1Hz công suất tạp âm sinh gọi mật độ phổ tạp âm N0 : N0 = N/B (W/Hz), nhiệt tạp âm tương đương : TSYS = N0/k (4.11) 4.9.3 Công suất tạp âm nhiễu 4.9.3.1 Can nhiễu khác tuyến Các tuyến thông tin vệ tinh bị nhiễu trường hợp sau: + Tuyến viba mặt đất đến vệ tinh thông tin + Tuyến viba mặt đất đến trạm mặt đất + Vệ tinh thông tin khác đến trạm mặt đất + Can nhiễu viba trạm mặt đất: Có hai trường hợp 67 Trường hợp thứ nhất, đường thông tin viba mặt đất có tần số làm việc với đường lên hệ thống thông tin vệ tinh, tín hiệu viba mặt đất trộn với tín hiệu đầu vào máy thu vệ tinh Trường hợp thứ hai, đường thông tin vi ba mặt đất có tần số tần số đường xuống hệ thống thông tin vệ tinh, đầu vào máy thu trạm mặt đất bị trộn với tín hiệu đường thông tin viba mặt đất Quỹ đạo địa tĩnh Trạmviba Trạm mặt đất Hình 4.10 Can nhiễu viba trạm mặt đất vệ tinh Trong thiết kế tuyến thực tế, phải đặt trạm mặt đất cho nhiễu xảy nhất, nhiễu nhỏ cách sử dụng anten có đặc tính búp phụ tốt Mặc dù mục tiêu thiết kế tuyến vệ tinh thông tin để loại bỏ nhiễu, điều thực thiết kế tuyến phải bao hàm lượng nhiễu cho phép Nhiễu thường đánh giá tính toán, ví dụ thành phố có nhiều vật cản phản xạ quanh nơi đặt trạm mặt đất Vì phải dùng phương pháp đo thực tế để đo nhiễu + Sự can nhiễu từ vệ tinh thông tin khác đến trạm mặt đất: Hình 4.11 cho ta thấy can nhiễu xảy vệ tinh đặt gần Ta xem xét tín hiệu can nhiễu từ vệ tinh tác động lên trạm mặt đất tín hiệu can nhiễu từ vệ tinh tác động lên trạm mặt đất Khi góc θ nhỏ ( tương ứng với vệ tinh đặt gần nhau) ảnh hưởng chúng lên trạm mặt đất lớn Vệ tinh θ Trạm mặt đất Vệ tinh θ Quỹ đạo vệ tinh Đường liền nét biểu thị đường tín hiệu mong muốn Đường đứt nét biểu thị đường tín hiệu can nhiễu Trạm mặt đất Hình 4.11 Can nhiễu hệ thống thông tin vệ tinh 68 Trong thực tế, tỷ số công suất sóng mang sóng can nhiễu C/N vệ tinh lớn 30dB (1000 lần) hai vệ tinh đặt cách khoảng 30 quỹ đạo, anten chúng chiếu vào vị trí 4.9.3.2 Nhiễu tuyến Nhiễu tạo tuyến, gọi nhiễu tuyến, bao gồm : + Tạp âm nhiễu khử phân cực Loại nhiễu thường xảy hệ thống thông tin phân cực kép, bị chi phối đặc tính anten Để triệt tạp âm nhiễu khử phân cực, chọn loại anten có XPD (khả phân biệt phân cực chéo) lớn, thường XPD anten khoảng 30dB, tần số 10GHz XPD anten lại giảm mưa + Tạp âm nhiễu kênh lân cận Nhiễu gây kênh lân cận có phân cực với tuyến vệ tinh xét Có thể triệt nhiễu kênh lân cận lọc có đặc tính cắt nhọn 4.9.3.3 Tạp âm méo xuyên điều chế Tạp âm méo xuyên điều chế nhiều loại tạp âm đường truyền thông tin vệ tinh Tạp âm xuyên điều chế vệ tinh sinh phát đáp khuếch đại đồng thời nhiều sóng mang Các đặc tuyến phi tuyến vào phát đáp nguyên nhân sinh tạp âm xuyên điều chế Bộ khuếch đại đèn sóng chạy TWT sử dụng thành phần phát đáp m ứ c mức vào Hình 4.12 Đặc tính vào TWT Hình 4.12 mô tả mối quan hệ đầu vào đầu TWT, quan hệ vào tuyến tính đường đứt nét không gây méo xuyên điều chế Tuy nhiên thực tế đặc tuyến TWT không tuyến tính nên gây xuyên điều chế Khi mức vào vượt giá trị đó, mức TWT không tăng mức vào tăng đáng kể, tượng gọi bão hoà Để méo xuyên điều chế nhỏ giá trị cho phép, TWT phải làm việc mức thấp điểm bão hoà Mức công suất chênh lệch điểm làm việc điểm bão hoà đầu vào đầu tương ứng gọi độ lùi đầu vào (IBO) độ lùi đầu (OBO) 69 Mức điểm bão hoà Mức điểm làm việc m ứ c độ lùi đầu Đ ộ lù i đ ầ u v Mức vào điểm làm việc Mức vào điểm bão hoà Hinh 4.12 Mức lùi đầu vào lùi đầu Tạp âm xuyên điều chế sinh sản phẩm xuyên điều chế méo lọt vào băng tần truyền dẫn nhiều sóng mang khuếch đại đồng thời khuếch đại TWT phi tuyến Mức độ xuyên điều chế phụ thuộc vào số sóng mang chênh lệch tần số chúng 4.10 HIỆU ỨNG DOPPLER Hiệu ứng Doppler hiệu ứng tần số bị lệch độ dài đường liên lạc vô tuyến thay đổi theo thời gian, dẫn đến thay đổi pha liên tục Nếu tốc độ thay đổi đường truyền trực tiếp từ trạm mặt đất đến vệ tinh V, tốc độ ánh sáng C, tần số tín hiệu thu f thay đổi tần số thu ∆ f tính sau: ∆f = f 0V với f tần số tín hiệu C Nói chung hiệu ứng Doppler gây méo thông tin vô tuyến băng rộng băng tần gốc giải điều chế có tượng dãn co lại Nhưng không ảnh hưởng nhiều vệ tinh quỹ đạo elip hay hệ thống vệ tinh địa tĩnh 4.11 TRỄ TRUYỀN DẪN: Trong thông tin vệ tinh, tượng trễ tín hiệu xảy cự ly thông tin dài, toàn đường truyền sóng tuyến lên xuống 72.000km, gây trễ tín hiệu lên đến 250ms Nhưng thời gian trễ 500ms ảnh hưởng đến thoại Do nên tránh làm việc với hai bước nhảy (có trạm mặt đất chuyển tiếp cho thông tin hai trạm cần liên lạc với nhau) gây độ trễ 1s