TÍNH TOÁN và THIẾT kế VSATIPSTAR

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ GIỚI THIỆU CHƯƠNG Mục đích việc thiết kế thiết lập tỷ số C/N theo yêu cầu Vì trọng tâm chương tính toán cự ly thông tin, kết nối đường lên, đường xuống Từ kiểm tra xem tuyến đạt chất lượng so với yêu cầu hay không,qua thiết lập trạm mặt đất phù hợp Cấu trúc truyền dẫn tiên tiến đường lên xuống Return Links (from Terminal to Gateway) Forward Links (from Gateway to Terminal) Other iPSTAR Gateways Internet, PSTN, Public & Private networks iPSTAR GATEWAY Tập đoàn, Văn phòng, Dịch vụ, ISPs (Nhà cung cấp Dvụ Internet), Dài phát Cáp Quang Người Dùng II CÁC THÔNG SỐ CẦN CHO TÍNH TOÁN Cấu hình trạm mặt đất cần chọn chủ yếu tham số: • Loại anten (đường kính, hiệu suất, hệ số phẩm chất, nhiệt độ tạp âm) • Công suất máy phát Việc tính toán dựa số giả thiết cho trước như: • Chất lượng tín hiệu yêu cầu • Các tham số suy hao • Hệ số dự trữ Các tham số sử dụng tính toán thiết kế phân chia theo thành phần hệ thống liên quan như: • Trạm mặt đất + Vị trí địa lý trạm, tính toán tham số suy hao mưa (đây nguồn gây nhiễu loạn ngẫu nhiên nhất), góc nhìn vệ tinh, cự ly thông tin, suy hao đường truyền + Mức công suất phát xạ đẳng hướng tương đương (EIRP_Equivalent Isotropic Radiated Power): công suất phát xạ, hệ số phẩm chất (G/T)e trạm + Nhiệt độ tạp âm hệ thống: liên quan tới độ nhạy hệ số phẩm chất + Ảnh hưởng tạp âm điều chế bên tới tỷ số tín hiệu tạp âm + Các đặc điểm thiết bị (suy hao fiđơ, suy hao phân cực anten, đặc tính lọc ) để biết hệ số dự trữ kết nối T • Vệ tinh + Vị trí vệ tinh quỹ đạo + Mức EIRP vệ tinh, hệ số phẩm chất (G/T)s vệ tinh + Băng thông máy phát đáp, dạng phân cực, dải tần làm việc + Mật độ thông lượng bão hoà + Mức lùi công suất đầu vào (IBO), đầu (OBO) Khi xem xét đến nhiễu nhà vận hành vệ tinh sử dụng nhiều phương pháp khác (như Intersat sử dụng thông số C/N(dB) để xem xét nhiễu Eutesat ngược lại sử dụng C/N o(dBHz)) Chất lượng độ sẵn dùng đựoc định nghĩa khoảng % thời gian mà mức ngưỡng BER không vượt Trước vào tính toán toán cụ thể ta cần xem xét vấn đề :  Việc xác định kích thước Aten công suất yêu cầu đường truyền tùy thuộc vào độ lợi phát đáp Độ lợi thường đưa trạng thái bão hòa phát đáp Điều tùy thuộc vào đặc tính phi tuyến TWT hay SSPA phát đáp  Sự chiếm dụng mạng VSAT miêu tả đại lượng : + Sự chiếm dụng băng thông : tỉ số tổng băng tần phân phối cho sóng mang mạng chia cho độ rộng băng thông phát đáp + Sự chiếm dụng công suất : tỉ số EIRP cần dùng cho sóng mang mạng chia cho EIRP hữu dụng phát đáp (EIRP trạng thái bão hòa trừ cho toàn mức lùi đầu BÀI TOÁN THỰC TẾ: 2.1 Giới thiệu chung Mục đích việc thiết kế thiết lập tỷ số C/N o theo yêu cầu đầu vào máy thu Vì trọng tâm chương tính toán thông số lựa chọn kỹ lưỡng để nhận dược tỷ số C/No để đầu vào máy thu đạt yêu cầu, từ kiểm tra xem tuyến đạt chất lượng so với yêu cầu hay không Qua đó, dựa vào thông số tính để lựa chọn cấu hình cần thiết cho việc thiết lập trạm mặt đất thông tin vệ tinh 2.2 Mô hình thông số tuyến thông tin 2.2.1 Mô hình tuyến VỆ TINH Trạm Uts phát Trạm Uts thu Trạm cổng GW Hình 2.2 : Mô hình hoạt động mạng VSAT IPSTAR 2.2.2 Tính toán góc ngẩng góc phương vị 2.2.2.1 Góc ngẩng Để tính góc ngẩng anten trạm mặt đất, ta dựa vào hình vẽ 2.3 M A Re β0 R θe S r Tâm đất Vệ tinh Hình 2.3 : Tính toán góc ngẩng Trong hình 2.3 : O tâm trái đất, A vị trí trạm mặt đất, S vị trí vệ tinh, β góc tâm, θ e góc ngẩng trạm mặt đất tgθ e = Ta có Trong đó, MA SM MA = OM − OA = OS cos β − OA = r cos β − Re SM = OS sin β = r sin β Từ suy ra: r cos β − Re tgθ e = = r sin β cos β − sin β Re r 2.2.2.2 Góc phương vị Góc phương vị góc dẫn đường cho anten quay tìm vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh theo hướng từ Đông sang Tây Góc phương vị xác định đường thẳng hướng phương Bắc qua trạm mặt đất với đường nối đến vệ tinh Góc xác định theo chiều kim đồng hồ hình 2.3 Góc phương vị tính theo biểu thức: ϕa = 1800 + kinh độ tây ϕa = 1800 - kinh độ đông Cực Bắc Góc phương vị vệ tinh Góc phương vị vệ tinh 450W 300 E Vệ tinh Vệ tinh Hình 2.3 Góc phương vị vệ tinh ϕa phụ thuộc vào kinh độ, vừa kinh độ điểm thu kinh độ vệ tinh Góc phương vị vệ tinh tính theo công thức: Vệ tinh 1: ϕa1 = 1800- kinh độ đông Vệ tinh 2: ϕa2 = 1800+ kinh độ tây Góc phương vị ϕa tính theo công thức: tgϕ a = tg∆Le ( − sin φ ) (2.2) Với φ vĩ độ trạm mặt đất (độ) ∆Le hiệu kinh độ đông vệ tinh với trạm mặt đất, ∆Le = Ls - Le 2.2.3 Tính toán kết nối đường lên (UPLINK) 2.2.3.1 Công suất phát trạm mặt đất P TXe (e - để phân biệt trạm mặt đất "earth station", sl - vệ tinh "satellite") Đây công suất phát thực trạm mặt đất tính từ Anten trạm mặt đất tính tích độ lùi đầu OBO với công suất phát trạm mặt đất bão hòa PTXsat PTXe = OBO * PTXsat hay PTXe(dBW) = OBO(dB) * PTXsat (dBW) (2.3) OBO độ lùi đầu Anten trạm mặt đất độ dự trữ công suất cho trạm trời mưa OBO = - Arain (suy hao mưa) 2.2.3.2 Hệ số khuếch đại anten phát trạm mặt đất GTXe Độ lợi anten thông số quan trọng trạm mặt đất, anten đặt ngõ vào để khuếch đại tín hiệu nhỏ từ picowatt đến nanowatt Độ khuếch đại lớn làm tăng tỷ số C/No, liên quan đến đặc tính chảo anten băng tần công tác: GTXe  πDfU  = 10 logη    c  hoặc: GTXe = 10 lg(η ) + 20 lg(πDfU ) − 20 lg(c)[ dB ] với : D Đường kính anten phát (2.4) f U tần số tín hiệu phát lên η hiệu suất anten, η thường khoảng từ 50% - 80% c vận tốc ánh sáng, c = 3.108 m/s 2.2.3.3 Công suất xạ đẳng hướng tương đương trạm mặt đất EIRPe Công suất xạ hiệu dụng EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power) gọi công suất xạ đẳng hướng tương đương, biểu thị công suất chùm sóng phát từ trạm mặt đất đến vệ tinh Được tính tích công suất máy phát đưa tới anten trạm mặt đất PTXe với hệ số tăng ích anten phát GTxe EIRPe = PTXeGTXe hoặc: (W) EIRPe = 10 lg( PTXe ) + GTXe [dBW] (2.5) EIRPe thông thường trạm mặt đất có giá trị từ 0dBW đến 90dBW, vệ tinh từ 20dBW đến 60dBW 2.2.3.4 Tổng suy hao tuyến lên LU Tổng suy hao tuyến lên: LU = LFS + LA (dB) Trong đó: (2.6) LFS - suy hao tuyến phát không gian tự LA - suy hao Anten (do mưa tầng khí quyển) Trong đó: Suy hao tuyến lên không gian tự tính theo biểu thức: LFS = 20 lg(4πfU R) − 20 lg(c) (dB) (2.7) Suy hao tuyến lên Anten tính theo biểu thức: LA = AAG Arain (dB) Với: AAG: suy hao tầng khí Arain: suy hao mưa 2.2.3.5 Độ lợi Anten thu (/m2) G1 (dBW / m ) Độ lợi anten thu (trên 1m2) tính biểu thức: (2.8) G1( RX ) = 4π f  = 4π ∗  U  λ  c  (2.9) f U : tần số tín hiệu phát lên Với : c : vận tốc ánh sáng, c = 3.108 m/s 2.2.3.6 Mật độ dòng công suất xạ hiệu dụng (trên 1m 2) trạm mặt đất Ф1(dBW/m2) Mật độ dòng công suất xạ hiệu dụng 1m2 tính công thức: ( ) Φ1 dBW / m = EIRPe ( dBW ) − LU + G1 Với : (2.10) EIRPe : Công suất xạ đẳng hướng trạm mặt đất LU G1 : Suy hao tuyến lên : Độ lợi anten thu (trên 1m2) 2.2.3.7 Độ lùi đầu vào IBO a) Độ lùi đầu vào IBO1 trạm IBO1 tính công thức: IBO1 = Hay: ( φ1 φsat ) ( ) ( IBO1 dBW / m = φ1 dBW / m − φsat dBW / m ) (2.11) Với : Ф1 : Mật độ dòng công suất xạ mặt đất 1m2 Фsat : Mật độ dòng công suất xạ bão hòa (vệ tinh) 1m2 b) Độ lùi đầu vào tổng IBOt IBO1 tính công thức: IBOt = Hay: ( φt ∑ φ1 = φsat φsat ) ( ) ( IBOt dBW / m = φt dBW / m − φsat dBW / m ) (2.12) Với : Фt : Tổng mật độ dòng công suất xạ mặt đất 1m2 Фsat : Mật độ dòng công suất xạ bão hòa (vệ tinh) 1m2 2.2.3.8 Tỷ số sóng mang tạp âm tuyến lên (C/No)U Trong tuyến thông tin vệ tinh, chất lượng tuyến đánh giá tỷ số công suất sóng mang công suất tạp âm (C/N o), hay công suất sóng mang nhiệt tạp âm tương đương (C/To) Tạp âm chủ yếu phụ thuộc vào thân máy thu, vào môi trường bên môi trường truyền sóng can nhiễu phụ thuộc hệ thống viba lân cận… 1) Tỷ số sóng mang tạp âm tuyến lên bão hòa (C/No)Usat Tỷ số sóng mang tạp âm tuyến lên bão hòa (C/No)Usat tính theo công thức: ( C / N ) Usat = φsat  ( ) ( 1k ) G  T G  1 (Hz) SL ( C / N ) Usat (dBHz) = φsat (dBW / m ) − G1 (dB / m ) + (G T ) SL (dB / o K ) − 10 log k (dBJ / o K ) (2.13) : Mật độ dòng công suất bão hòa (vệ tinh) 1m2 Trong đó: Фsat : Độ lợi Anten thu (/m2) G1 (G/T)SL : Hệ số phẩm chất máy thu vệ tinh : số Boltzman, k =1,38.10-23 (J/oK) k 2) Tỷ số sóng mang tạp âm tuyến lên trạm mặt đất (C/No)U1 Tỷ số sóng mang tạp âm tuyến lên trạm mặt đất (C/N o)Usat tính theo công thức: ( C / N ) U =  C N   − IBO  O  sat ( C / N ) U (dBHz) = 10 log  C N  (Hz)  − IBO   O  sat  (2.14) Trong đó: (C/No)Usat :Tỷ số sóng mang tạp âm tuyến lên bão hòa IBO1 :Độ lùi đầu vào trạm mặt đất 2.2.4 Tính toán kết nối đường xuống (DOWNLINK) 2.2.4.1 Hệ số khuếch đại anten thu trạm mặt đất GRXe Hệ số khuếch đại anten thu trạm mặt đất có biểu thức tính tương tự hệ số khuếch đại anten phát trạm mặt đất:  πDf D  GRXe = 10 log η    c  GRXe = 10 lg(η ) + 20 lg(πDf D ) − 20 lg(c)[ dB ] với : D :Đường kính anten phát (2.15) f D :Tần số tín hiệu phát xuống η : hiệu suất anten, η thường khoảng từ 50% - 80% c vận tốc ánh sáng, c = 3.108 m/s 2.2.4.2 Tổng suy hao tuyến xuống LD Tổng suy hao tuyến lên: LD = LFS + LA (dB) Trong đó: LFS - suy hao tuyến xuống không gian tự (2.16) LA - suy hao Anten (do mưa tầng khí quyển) Trong *Suy hao tuyến xuống không gian tự tính theo biểu thức: LFS = 20 lg(4πf D d ) − 20 lg(c) (dB) (2.17) *Suy hao tuyến lên Anten tính giống tuyến lên: 2.2.4.3 Hệ số phẩm chất trạm mặt đất (G/T)E Hệ số phẩm chất trạm mặt đất (G/T)E tính biểu thức: ( G T ) = (G T ) E E max − LR − L pol − δ (dB/0K) (2.18) Trong đó:(G/T)Emax : Hệ số phẩm chất cực đại trạm mặt đất LR : suy hao lệch tâm Lpol : Suy hao phân cực δ : Tổng suy hao Feeder mưa Hình : hjg Ở (G/T)Emax tính biểu thức: ( G / T ) E max = ( GR max ) E    T  D  (oK-1) ( G / T ) E max = ( GR max ) E − 10 log( TD ) Trong : (2.20) GRmax: Độ lợi Anten thu TDmin : Nhiễu nhiệt đường xuống(không có thành phần nhiễu mưa) Hình : a) TDmin Không bị nhiễu mưa, b) TD Bị nhiễu mưa Với TDmin tính biểu thức: TD = Tsky + Tground + TR Trong : Tsky:nhiễu nhiệt bầu trời Tground:nhiễu nhiệt mặt đất TR : nhiễu nhiệt vào 2.2.4.4 Tỷ số sóng mang tạp âm tuyến xuống bão hòa (C/No)Dsat Tỷ số sóng mang tạp âm tuyến xuống bão hòa (C/N o)Dsat tính theo công thức: ( C / N ) Dsat ( ) ( 1k ) = EIRPSLsat   G  LD  T ES (Hz) ( C / N ) Dsat (dBHz) = EIRPSLsat (dBW / m ) − LD (dB) + (G T ) ES (dB / o K ) − 10 log k (dBJ / o K ) (2.21) Trong đó: EIRPSLsat G1 : Công suất xạ bão hòa (vệ tinh) 1m2 : Độ lợi Anten thu (/m2) (G/T)SL : Hệ số phẩm chất máy thu vệ tinh k : số Boltzman, k =1,38.10-23 (J/oK) 2.2.4.5 Công suất xạ đẳng hướng tương đương sóng mang EIRP1 Công suất xạ đẳng hương tương đương sóng mang EIRP tính công thức: 2.4.4 Công suất sóng mang thu trạm mặt đất Công suất sóng mang nhận đầu vào máy thu trạm mặt đất xác định theo biểu thức : C Re = EIRPs − LD + G Re (dB) (2.12) với : GRe hệ số khuếch đại anten thu trạm mặt đất 2.4.5 Công suất tạp âm hệ thống Công suất tạp âm hệ thống tính biểu thức: N SYS = 10 lg( kTSYS B ) = 10 log k + 10 log TSYS + 10 log B 10 log k = −228,6 TSYS nhiệt tạp âm hệ thống xem tổng bốn thành phần biểu diễn theo biểu thức: T + T A + TF TSYS = S + TR [0K] LF 2.4.6 Tỉ số công suất sóng mang công suất tạp âm tuyến xuống Tỉ số công suất sóng mang công suất tạp âm tuyến xuống là: ( C / N )D = C Re − N SYS = EIRPs − LD + G Re − N SYS (2.13) 4.2.2 Những yếu tố cần xem xét phân tích tuyến Tỷ số C/N máy thu yếu tố quan trọng việc thiết kế tuyến thông tin để đảm bảo chất lượng yêu cầu, C/N máy thu xác định đặc tính thiết bị riêng biệt trạm mặt đất, vệ tinh ảnh hưởng môi trường đến việc thiết lập tuyến Trạm mặt đất : Việc chọn lựa vị trí trạm mặt đất phức tạp phải xét đến điều kiện sau: + Vị trí địa lý trạm mặt đất giúp ta ước lượng suy hao mưa góc nhìn vệ tinh, EIRP vệ tinh theo hướng trạm mặt đất suy hao đường truyền + Tránh khả bị nhiễu loạn trạm viba dải tần số + Vị trí xa vùng có cường độ trường lớn + Các đặc tính thiết bị (ví dụ độ dự trữ, độ phân tập phân cực ) định phần độ dự trữ tuyến + Quy mô trạm mở rộng tương lai, dễ quản lý, bảo vệ Vệ tinh : + Vị trí vệ tinh liên quan đến vùng che phủ góc nhìn trạm mặt đất + Độ lợi anten phát, thu định đến EIRP vùng che phủ + Công suất phát liên quan tới EIRP + Độ lợi phát đáp đặc tính tạp âm + Tạp âm xuyên điều chế Kênh truyền : + Tần số hoạt động liên quan đến suy hao tuyến độ dự trữ tuyến + Các đặc tính lan truyền liên quan đến độ dự trữ tuyến lựa chọn phương pháp điều chế + Tạp âm hệ thống Cự ly thông tin, góc ngẩng góc phương vị anten trạm mặt đất : Hình 4.2 Các tham số đường truyền trạm mặt đất - vệ tinh Cự ly thông tin : Góc tâm ( β ) đượctính theo công thức: cos β o = cos φ cos ∆Le [1.1] Với: ( φ ) vĩ độ trạm mặt đất (độ) ( ∆ Le) hiệu kinh độ đông vệ tinh với trạm mặt đất, ∆ Le = Ls - Le Khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh tính theo công thức: R = (r + Re2 − 2rRe cosβ ) (Km) Trong : (β0) góc tâm (độ) [1.2] R khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh (Km) Re bán kính trái đất, Re = 6378 (Km) r bán kính quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh, r = 42.146(Km) Góc ngẩng anten : Theo hình vẽ (4.2), góc ngẩng E tính: Tgθ e = AB OB − Re r cos β − Re = = = BC r sin β r sin β cos β − sin β Re r [1.3] Góc phương vị : Góc phương vị ФA tính theo công thức : tgφ A = [1.4] tg∆Le (− sin φ ) Công suất sóng mang : Công suất thu yếu tố quan trọng việc xác định chất lượng tuyến thông tin vệ tinh PR = PT - LF - GT - LP - GR - LR [1.5] Trong đó: PT - LF - GT biểu thị công suất thực tế phát tới máy thu Nghĩa tương đương với công suất phát cần thiết sử dụng anten tăng ích hệ thống fiđơ suy hao Công suất gọi EIRP (công suất phát xạ đẳng hướng tương đương), thường dùng để biểu thị khả phương tiện truyền dẫn thông tin vệ tinh EIRP = 10lg(P.G) dBw [1.6 ] PT: công suất phát LF: suy hao hệ thông fiđơ truyền dẫn GT: hệ số tăng ích anten phát Suy hao truyền sóng tên chung suy hao không gian tự do, suy hao xảy hấp thụ tầng điện ly, không khí mưa Nó biểu thị: LP = LA + LDL + LT + LFS LP: Suy hao truyền sóng LT: Suy hao đặc tính thiết bị LA : Suy hao mưa LFS: Suy hao không gian tự LFS = (4πR/λ)2 [4.7] LDL : Suy hao hấp thụ tầng đối lưu Suy hao không gian tự chiếm phần lớn suy hao đường truyền Khi sử dụng tần số lớn 10GHz suy hao mưa nhân tố định chất lượng tuyến Công suất tạp âm nhiệt : Tạp âm nhiệt tạo máy phát kết hợp với tạp âm bên vào anten thu tạp âm bên tạo từ bên máy thu, anten hệ thống fiđơ Mặc dù số lượng tạp âm tạo từ máy phát đáng kể giảm dọc theo đường truyền bỏ qua Ta cần xét đến tạp âm bên tạp âm bên Tạp âm bên ngoài: Tạp âm bên bao gồm tạp âm không gian, tạp âm từ bề mặt trái đất, tạp âm khí tạp âm mưa Tạp âm bề mặt trái đất không ảnh huởng đến trạm mặt đất ta sử dụng anten có hướng ảnh hưởng đến vệ tinh thông tin anten hướng phía trái đất Nhiệt độ tạp âm tạp âm bề mặt trái đất thu vệ tinh thông tin gần giống bề mặt trái đất Nhiệt tạp âm anten vệ tinh thường lấy TR = 2900K Tạp âm bên Tạp âm bên xảy anten, hệ thống fiđơ máy thu, tổng tạp âm toàn công suất tạp âm bên TIN = T A + T0 ( LF − 1) + TR LF [4.8] TIN: tạp âm tổng bên T0(LF- 1): tạp âm hệ thống fiđơ T0: nhiệt độ môi trường TA: nhiệt tạp âm anten TR: nhiệt tạp âm máy thu LF: suy hao hệ thông fiđơ (số thực) Nguyên nhân gây tạp âm anten tạp âm nhiệt xảy anten có nhiệt độ khoảng (30÷ 100)0K Nhiệt tạp âm máy thu tổng nhiệt tạp âm gây phần Nhiệt tạp âm máy thu dựa công thức : TR = T1 + T3 T2 TK + + + G1 G1 G2 G1 G2 G( K −1) [4.9] k : số tầng khuếch đại máy thu G1,G2,G3, GK hệ số khuếch đại tầng T1,T2,T3, TK nhiệt tạp âm tầng Vì tín hiệu trở nên lớn qua tầng khuếch đại, nên tác động tạp âm tầng lại nhỏ Như cần giảm tạp âm máy thu xuống nhỏ hệ thống thông tin vệ tinh, sử dụng tầng khuếch đại có hệ số khuếch đại cao tạp âm xảy tầng tầng bỏ qua Tạp âm đầu vào tầng (70÷ 300)0K Xác định độ dự phòng công suất trạm mặt đất : Khi phân tích để thiết kế tuyến phải xác định độ dự phòng cho phép để xác định tiêu kỹ thuật trạm mặt đất Phải chấp nhận độ dự phòng Môi trường truyền dẫn Việt Nam ta thấy suy hao mưa yếu tố quan trọng yếu tố ảnh hưởng Cho nên việc tính toán suy hao mưa cần phải thận trọng, đóng vai trò quan trọng để đến độ dự trữ đạt giá trị Ngoài ra, yếu tố như: hấp thụ khí quyển, nhiễu mặt trời, giao thoa bên hệ thống hệ thống, lão hóa thiết bị, tính không hiệu thiết bị cần phải xem xét Vì ta phải tính đến yếu tố để đảm bảo độ dự phòng công suất trạm đảm bảo chất lượng tuyến Công suất sóng mang thu yếu tố quan trọng việc xác định chất lượng tuyến thông tin vệ tinh, công suất sóng mang phụ thuộc vào thiết bị công suất máy phát, hệ số tăng ích anten thu vệ tinh Công suất sóng mang nhận đầu vào máy thu vệ tinh xác định theo công thức : C RS = EIRPe − LU + G RS (dB) (2.5) với : GRS - hệ số khuếch đại anten thu vệ tinh 2.3.6 Công suất tạp âm tuyến lên N U = kTU B hay tính theo dB: N U = 10 lg( k ) + 10 lg( TU ) + 10 lg( B ) (dB) Trong k số Boltzman, k =1,38.10-23 (W/Hz0K) B băng thông máy thu TU nhiệt tạp âm tuyến lên: TU = TRS + TAS Nhiệt tạp âm máy thu vệ tinh tính theo biểu thức: (2.7) F TRS = ( 10 10 − )T0 Trong đó, F [dB] hệ số tạp âm máy thu vệ tinh T0 nhiệt độ chuẩn, T0 = 290 K 2.3.7 Tỷ số sóng mang tạp âm tuyến lên Trong tuyến thông tin vệ tinh, chất lượng tuyến đánh giá tỷ số công suất sóng mang công suất tạp âm (C/N), hay công suất sóng mang nhiệt tạp âm tương đương (C/T) Tạp âm chủ yếu phụ thuộc vào thân máy thu, vào môi trường bên môi trường truyền sóng can nhiễu phụ thuộc hệ thống viba lân cận ( C / N ) U = C RS − N U = EIRPe − LU + G RS − N U (dB) (2.8) (C/N)U tỷ số sóng mang tạp âm đầu vào giải điều chế máy thu vệ tinh 4.3 Ví dụ tính toán đường truyền tuyến thông tin vệ tinh Vinasat trạm mặt đất đặt Đà Nẵng TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CỦA TUYẾN THÔNG TIN VỆ TINH TINH VỚI TRẠM MẶT ÐẤT TẠI TP HỒ CHÍ MINH VÀ VỆ TINH THAICOM Trong phần ta tính thông số tuyến thông tin vệ tinh cụ thể, xét trạm mặt đất đặt TP Đà Nẵng có vĩ độ 13004, kinh độ 100 Đông, thông tin với vệ tinh địa tĩnh THAICOM có kinh độ 1200 Ðông quỹ đạo vệ tinh ta xin đăng ký với ITU có khả chấp nhận Ta giả sử làm việc với băng Ku với tuyến xuống 12 (GHz) tuyến lên 14(GHz) Số liệu ban đầu Băng tần hoạt động Việc tính toán thiết kế thực băng K u với đường lên 14GHz đường xuống 12GHz Với trạm GetWay(trạm cổng-Hub) nhóm (G = 3) UserTerminal Mỗi nhóm gồm 20 trạm UT (L = 20) Trạm mặt đất: Trạm mặt đất đặt Đà Nẵng có đặc điểm sau:  Vĩ độ 160 Bắc  Kinh độ 1020 Đông  Trạm mặt đất có anten đường kính  DUT 1,20m hiệu suất 60% (η = 60%)  DGW 5,5m hiệu suất 75% (η = 75%) (đường kính-công suất GW lớn UT)  Công suất máy phát trạm mặt đất  PTX(UT)sat = 1W  PTX(GW)sat = 5W  Độ cao anten trạm mặt đất so với nước biển 10m Vệ tinh:  Vị trí vệ tinh 1200 Đông  EIRP SLsat vệ tinh 43 dBW  Băng thông kênh truyền B = 36MHz  Hệ số tạp âm máy thu vệ tinh F = 3dB  Hệ số phẩm chất máy thu vệ tinh (G/T)s = 1dB/0K Với số giả thiết sau:  Suy hao độ lệch hướng phân cực (Depointing Loss):  Đối với UT LT = 1,2 dB(phát) LR = 0,9 dB(thu)  Đối với GW LT = LR = 0,5 dB  Suy hao fiđơ: LFTX = 0,2dB(phát) LFR = 0,5dB (thu)  Hệ số suy hao mưa (độ cao vùng mưa 3,028Km) chọn Arain = 6dB  Hệ số suy hao tầng đối lưu 0,02dB/Km  Nhiệt độ môi trường xung quanh trạm mặt đất Txq = 3000K 4.3.2 Tính toán cự ly thông tin, góc ngẩng, góc phương vị Tính toán cự ly thông tin Từ công thức [4.1] ⇒ cos β0 = cos φ cos( Ls − Le ) = cos(16 ) cos(120 − 108,30 ) = 0,94 ⇒β0 =19,730 ⇒ cự ly thông tin R = Re + r − Re r cos β Thay số vào ta có : R = 63782 + 42146 − 2.6378.42146.0,94 =1311606,7(km) Tính góc ngẩng θe : Tgθ e = Re 6378 0,94 − 42146 = 0,788 = 2,34 r = sin β sin 19,730 0,337 cos β − Từ suy θe = 66.80 Góc phương vị Φe Góc phương vị A tính theo công thức [4.4] : tgφe = = tg∆Le (− sin φ ) tg11,7 ≈ −0,75 số âm -36,870 − sin 16 Suy Φe =1800-36,870 =143,130 4.3.3 Tính toán tuyến lên 4.3.3.1 Tính toán EIRPe trạm mặt đất Tính toán độ lợi GTe anten trạm mặt đất Độ lợi anten xác định công thức sau:  πDfu  GTe = 10lgη   ,  c  GTe = 10lg(η) + 20lg( π Dfu) - 20lg(c) [dB] Ta có : η hiệu suất hiệu dụng anten (≈ 0,65) [4.10] Đường kính anten phát D = 1,20 m tần số phát băng Ku là: fu = 14GHz Thay số vào biểu thức ta tính được: GTe = 10 lg 0,65 + 20 lg 1,20 + 20 lg14.109 + 20 lg π − 20 lg 3.108 = 43dB Vậy độ lợi anten trạm mặt đất 43dB Công suất phát trạm mặt đất Do đường thông tin vệ tinh lớn nên trạm mặt đất ta phải phát với công suất đủ lớn để anten thu vệ tinh nhận tính hiệu Theo giả thiết công suất trạm mặt đất PTe = 2W Công suất tính theo dB : PTe(dB) = 10lg(2 )= 0,3 dBw  Công suất xạ đẳng hướng tương đương trạm mặt đất Công suất xạ đẳng hướng tương đương trạm mặt đất xác định công thức sau : [4.11] EIRPe= PTe GTe (W) Trong PTe công suất phát HPA trừ suy hao fidơ từ máy phát đến anten Công thức tính theo đơn vị dB : EIRPe(dB) = PTe(dB) + GTe(dB) - Lf = 0,3 + 43 - = 42,3(dB) Với Lf suy hao fiđơ giả thiết 1dB  Mật độ thông lượng sóng mang vệ tinh Ta có: Φ = EIRPe , tính theo đơn vị dB: 4πR2 Φ = EIRPe - 20lgR - 10lg(4π) (dBW/m2) [4.12] = 42,3 - 20lg (35768.103) - 10lg(4π) = - 119,76 (dBW/m2) 4.3.3.2 Tính toán suy hao tuyến lên 4.3.3.2.1 Suy hao không gian tự Suy hao không gian tự xác định công thức: [4.13] Thay giá trị R, fu vào : 4πR 4π R f = 20 lg = 20 lg 4π + 20 lg R + 20 lg f − 20 lg c λ c = 20 lg 4π + 20 lg 35768.103 + 20 lg 14.109 − 20 lg 3.108 = 206,43dB ( LTD )U = 20 lg 4.3.3.2.2 Tính toán suy hao thời tiết Suy hao thời tiết Đà Nẵng chủ yếu suy hao mưa, suy hao sương mù với độ dày 0.1(g/m 3) bỏ qua Để tính suy hao mưa cần có số liệu thống kê khí tượng thuỷ văn mật độ mưa, dạng mưa, độ cao đám mưa theo đồ cường độ mưa năm trung bình cho khu vực châu (của ITU) khu vực Đà Nẵng có cường độ mưa 100 (mm/giờ), hệ số suy hao mưa γ u = 3,96 (dB/km) Ta phải tính toán độ cao mưa hm (km) Vì Đà Nẵng nằm vĩ độ 16 Bắc nên theo khuyến nghị CCIR564, độ cao mưa là: 3,028(km) 4.3.3.2.3 Tính toán đoạn đường thực tế sóng qua mưa: Ls = hm − hS 3,028 − 0,01 = = 3,48 (km) sin θ e sin 66,80 Trong đó: LS đoạn đường thực tế sóng mưa hS chiều cao trạm mặt đất so với mức nước biển, lấy hS = 0.01km θe góc ngẩng anten trạm mặt đất (tính trên) Xác định hệ số suy hao mưa tuyến lên γ u : Suy hao mưa hàm tần số cường độ mưa ( γ u =3,96 dB/km) Suy hao mưa tuyến lên là: (LM)U = γ u LS = 3,96 3,48 = 13,78 (dB) 4.3.3.2.4 Suy hao tầng đối lưu Tầng đối lưu bao gồm chất khí hấp thụ gây suy hao nước, oxy, ozon, co2 Suy hao phụ thuộc nhiều vào tần số góc ngẩng anten đáng kể tần số công tác từ 10GHz trở lên Anten có góc ngẩng lớn suy hao tầng đối lưu nhỏ Do tuyến thiết kế tuyến có băng tầng Ku nên suy hao ta bỏ qua tính sau: Do suy hao chất khí có hệ số suy hao γ k =0,02 (dB/km) Lúc độ cao tầng đối lưu 11km nên đoạn đường sóng tầng đối lưu : Ldl = 11 − 0,01 = 12,67 (km) sin 66,80 Vậy suy hao (Ldl)u = 12.67 0,02 = 0,253 (dB) 4.3.3.2.5 Tổng suy hao tuyến lên LU = (LTD)U + (LM)U+ LPC + LBS + (LDL)U = 206,43 + 13,78 + 0,1 + 0,9 + 0,253 =221,463 dB Trong đó: Lpc =0,1 suy hao lệch phân cực (giả thiết) Lbs =0,9 suy hao lệch búp sóng(giả thiết) 4.3.3.3 Tính toán nhiệt tạp âm tuyến lên 1.1.1 Nhiệt tạp âm tuyến lên chủ yếu nhiệt tạp âm máy thu vệ tinh anten thu vệ tinh tạo Nhiệt tạp âm máy thu vệ tinh tính công thức: F TR = (1010 − 1)T0 [4.14] Trong : F: hệ số tạp âm máy thu vệ tinh, với giả thiết F = 3dB T0 = 3000K Từ suy TR = (1010 − 1).300= 298 (0K) Nhiệt tạp âm anten thu vệ tinh: giả sử ta chọn nhiệt tạp âm anten thu vệ tinh TRS = 2900K Nhiệt tạp âm tổng cộng tuyến lên : Tu = TR + TRS = 298 + 290 = 5880K 4.3.3.4 Tính tỷ số công suất sóng mang công suất tạp âm tuyến lên 4.3.3.4.1 Công suất sóng mang thu vệ tinh Công suất sóng mang thu vệ tinh xác định công thức CRS = PT GT GRS EIRPe GRS = LU LFIDO LU LF [4.15] hay tính theo đơn vị dBw CRS = EIRPe + GRS − LU − L F (dBw) Trong : EIRPe tính phần 42,3dB Lu suy hao tổng cộng tuyến lên có giá trị 221,463dB LF suy hao fidơ vệ tinh (giả thiết =1) GGS độ lợi anten thu vệ tinh tính công thức sau: G RS = (G / T ) S + 10 lg TU (G/T)S hệ số phẩm chất máy thu phần giả thiết, ta có (G/T)S = 1dB/0K Tu nhiệt độ tạp âm nhiễu tuyến lên Tu = 5880K Từ ta tính : GRS = 1+10lg588 = 28,7 (dB/0K) Thay vào, ta có : CRS = 42,3+28,7- 221,463- 1= -151,46 (dBw) 4.3.3.4.2 Tính công suất tạp âm tuyến lên Công suất tạp âm tuyến lên (NU) xác định công thức : NU = k.TU.B [4.16] Trong : k: số Boltzmann, k=1,38*10-23 w/0K TU: nhiệt tạp âm tuyến lên TU = 5880K B : băng tần kênh truyền B = 54MHz Tính theo đơn vị dB viết lại sau: NU = 10lgk + 10lgTU + 10lgB (dBw) NU = 10lg1,38*10-23 + 10lg588 + 10lg(54*106)= -123,58(dBW) 4.3.3.4.3 Tính tỷ số công suất sóng mang công suất tạp âm tuyến lên: Tỉ số (C/N)U Tính theo đơn vị dB ta có (C/N)U = CRS - NU = -151,46 - (-123,58) = 23,36(dB) 4.3.4 Tính toán tuyến xuống 4.3.4.1 Tính toán độ lợi GRe anten trạm mặt đất Độ lợi anten trạm mặt đất trường hợp thu tính hiệu từ vệ tinh xác định công thức: G RE (dB ) = 10 lg η + 20 lg D + 20 lg f + 20 lg π − 20 lg c Ta có η= 0,65 Đường kính anten D=20m tần số phát băng Ku có fd = 12GHz Thay số vào biểu thức ta tính GRE = 10lg0,65+ 20lg20+ 20lg12.109 + 20lgπ − 20lg3.108 = 66,13(dB) Vậy độ lợi anten trạm mặt đất trường hợp thu (GRE)d =66,13dB 4.3.4.2 Tính toán suy hao tuyến xuống Cũng giống suy hao tuyến lên, suy hao tuyến xuống bao gồm:  Suy hao không gian tự  Suy hao mưa  Suy hao tầng đối lưu  Suy hao đặt anten chưa  Suy hao không thu phân cực Do tần số phát xuống khác với tần số phát lên (f d=12GHz) nên suy hao tuyến xuống khác với suy hao tuyến lên Vậy để có suy hao tuyến xuống ta tính lại suy hao Suy hao không gian tự Từ công thức [4.13] Thay giá trị R fd = 12GHz ( LTD ) D = 20 lg 4π + 20 lg R + 20 lg f d − 20 lg c = 20 lg 4π + 20 lg 36658,7.103 + 20 lg 12.109 − 20 lg 3.108 = 205,3dB Các suy hao khác tuyến xuống tương tự tuyến lên 4.3.4.3 Tổng suy hao tuyến xuống LD = ( LTD ) D + (LM)D + LBS + LPC+ (LDL)D = 205,3 + 14,25 + 0.1 + 0,9 + 0,262 = 220,81dB 4.3.5 Tính công suất sóng mang nhận đầu thu trạm mặt đất Công suất sóng mang thu trạm mặt đất xác định công thức sau : CRE = EIRPS − LD + GRE − LF (dBw) [4.17] Trong : + EIRPs = 41,46dBW + Ld suy hao tổng cộng tuyến xuống có giá trị 220,81 dB + Lf suy hao fidơ trạm mặt đất theo giả thiết có giá trị 1dB + GGE độ lợi anten thu trạm mặt đất, GGE = 66,13dB Thay tất giá trị vào biểu thức ta có : CRE = 41,46 - 220,81 + 66,13 - 1= -105,68 dBw 4.3.6 Tính toán nhiệt tạp âm hướng xuống 4.3.6.1 Nhiệt tạp âm không gian Nhiệt tạp âm không gian chủ yếu nhiệt tạp âm vũ trụ nhiệt tạp âm mặt trời Trong đó, nhiệt tạp âm vũ trụ có độ lớn khoảng 2,76 0K nhiệt tạp âm mặt trời có độ lớn khoảng 500K Do đó, nhiệt tạp âm không gian có độ lớn : TS =2,76 + 50 =52,760K 4.3.6.2 Nhiệt tạp âm mưa Nhiệt tạp âm mưa xác định công thức : TM = Tm (1 − Trong đó: [ ] ) K LM [4.18] + TM : Nhiệt tạp âm mưa + LM: suy hao mưa, suy hao xác định phần (4.3.4.2) có giá trị 14,25dB Nếu không tính theo đơn vị dB, ta có : LM = 10logLM (dB) ⇒L = 10 M 14 , 25 10 = 26,6 + Tm : nhiệt độ mưa , nhiệt độ xác định : Tm=1,12Txq-50 (0K) với nhiệt độ Txq=3000K Suy Tm=1,12x300 - 50 =2860K Như TM = 286(1- ) = 2750K 26,6 4.3.6.3 Nhiệt tạp âm hệ thống fiđơ Nhiệt tạp âm hệ thống fiđơ xác định công thức : TF =T0(LF-1) Trong : T0 nhiệt độ môi trường To= 3000K LF =1dB nên suy LF = 1010 = 1,26 ⇒ TF = 300.(1,26 - 1) = 780K 4.3.6.4 Nhiệt tạp âm máy thu : Nhiệt tạp âm máy thu dựa công thức [4.9] Nhiệt tạp âm máy thu chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt tạp âm tầng Nếu hệ số khuếch đại đầu vào đủ lớn tạp âm tầng sau bỏ qua Giá trị nhiệt tạp âm tầng thứ phụ thuộc vào loại máy thu có giá trị từ 700K÷ 3000K Ta chọn máy thu có nhiệt tạp âm đầu vào 1000K Vậy TR =1000K 4.3.6.5 Nhiệt tạp âm hệ thống Nhiệt tạp âm hệ thống xác định công thức sau : Tsys = Ts + TA + TF + TR LF Trong + Tsys : Nhiệt tạp âm hệ thống + Ts : Nhiệt tạp âm bên + TA: Nhiệt tạp âm nhận đầu thu anten + TF : Nhiệt tạp âm hệ thống fiđơ tạo + TR : Nhiệt tạp âm máy thu + LF : Hệ số suy hao hệ thống fiđơ tạo Trong ta có TS + TA = TS +TM = 52,76 + 275 =327,760K + Suy hao fiđơ tính : LF =1,26 + Nhiệt tạp âm máy thu TF = 1000K ⇒ Tsys = 327,76+ 78 + 100= 4220 K 1,26 Hệ số phẩm chất trạm mặt đất: G   = GRE - 10lgTSYS =66,13 - 10lg422 = 39,88dB/0K  T E 4.3.6.6 Công suất tạp âm hệ thống Nsys = 10lgk +10lgTsys+10lgB =10lg1,38x10-23 + 10lg422+10lg36x106 = -126,78(dBw) 4.3.6.7 Tỷ số công suất sóng mang công suất tạp âm Tỷ số công suất sóng mang công suất tạp âm : (C/N)D = CRE - Nsys Trong CRE = -105,68 NSYS = -126,78 ⇒ (C/N)D = -105,68 - (- 126,78) = 21,1dB [4.19] ... trừ cho toàn mức lùi đầu BÀI TOÁN THỰC TẾ: 2.1 Giới thiệu chung Mục đích việc thiết kế thiết lập tỷ số C/N o theo yêu cầu đầu vào máy thu Vì trọng tâm chương tính toán thông số lựa chọn kỹ lưỡng... tính theo công thức [4.4] : tgφe = = tg∆Le (− sin φ ) tg11,7 ≈ −0,75 số âm -36,870 − sin 16 Suy Φe =1800-36,870 =143,130 4.3.3 Tính toán tuyến lên 4.3.3.1 Tính toán EIRPe trạm mặt đất Tính toán. .. IPSTAR 2.2.2 Tính toán góc ngẩng góc phương vị 2.2.2.1 Góc ngẩng Để tính góc ngẩng anten trạm mặt đất, ta dựa vào hình vẽ 2.3 M A Re β0 R θe S r Tâm đất Vệ tinh Hình 2.3 : Tính toán góc ngẩng