Báo cáo thực hành môn thông tin vệ tinh

Đây là báo cáo thực hành môn thông tin vệ tinh sử dụng matlab, trong báo cáo này vẽ và khảo sát suy hao trong không gian tự do theo d, f, rr, elev, tau.Vệ tinh thông tin (tiếng Anh: communications satellite, đôi khi viết tắt là SATCOM) là vệ tinh nhân tạo đặt trong không gian dùng cho viễn thông. Vệ tinh thông tin hiện đại có nhiều loại quỹ đạo như quỹ đạo địa tĩnh, quỹ đạo Molniya, quỹ đạo elip, quỹ đạo (cực và phi cực) Trái Đất thấp.Vệ tinh thông tin là kỹ thuật tiếp sức vô tuyến vi ba bên cạnh thông tin cáp quang biển trong truyền dẫn điểm điểm cố định. Nó cũng được dùng trong các ứng dụng di động như thông tin cho tàu xe, máy bay, thiết bị cầm tay và cho cả tivi và quảng bá khi mà các kỹ thuật khác như cáp không thực tế hoặc không thể.

Trang 1

BÀI 1 KHẢO SÁT SUY HAO TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trong viễn thông, suy hao trong không gian tự do là sự suy giảm của năng lượng sóng vô tuyến giữa bên thu so với bên phát do kích thước của anten thu không đủ lớn để thu hết toàn bộ sóng điện từ do bên phát phát đi Suy hao này đặc biệt lớn đối với các các tuyến truyền dẫn với cự ly xa

Đối với vệ tinh địa tĩnh ở độ cao 35.768 km, cự ly thông tin cho một tuyến lên hay một tuyến xuống gần nhất là 35.768 km Do cự ly truyền sóng trong thông tin

vệ tinh lớn như vậy nên suy hao trong không gian tự do là suy hao lớn nhất Gọi suy hao này là �� được xác định theo công thức (1.1)

(1.1) trong đó: d là chiều dài của một tuyến lên hay xuống tính bằng đơn vị m

λlà bước sóng công tác tính bằng đơn vị m

Tính bằng đơn vị đề-xi-ben, suy hao trong không gian tự do được tính theo côngthức (1.2)

Trang 2

�� = 20 log10 � + 20 log10 � − 87.55 (1.5) Nếu f tính bằng MHz và � tính bằng m thì suy hao trong không gian tự do được tính theo công thức (1.6)

�� = 20 log10 � + 20 log10 � − 27.55 (1.6) Nếu f tính bằng MHz và � tính bằng km thì suy hao trong không gian tự do được tính theo công thức (1.7)

�� = 20 log10 � + 20 log10 � + 32.45 (1.7)

Trang 3

Suy hao không gian tự do của tuyến lên hay xuống khi công tác ở băng C vào khoảng 200 dB, băng Ku, Ka thường lớn hơn 200 dB Để bù vào suy hao này, đảm bảo cho máy thu nhận được một tín hiệu đủ lớn cỡ -90 dBm đến -60 dBm, người ta

sử dụng anten có đường kính đủ lớn hàng chục mét để có hệ số tăng ích lớn

khoảng 60 dBi và máy phát có công suất lớn hàng trăm đến hàng ngàn watt

Ngoài suy hao chính trong không gian tự do còn có các suy hao khác tuy không lớn nhưng khi tính toán tuyến thông tin vệ tinh mà ta không xét hết các khả năng xấu nhất do ảnh hưởng của môi trường truyền sóng thì khi xảy ra các hiện tượng

đó chất lượng thông tin sẽ xấu đi và có thể làm gián đoạn thông tin

III THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

Máy tính có cài sẵn phần mềm Matlab phiên bản 7.0 trở lên Yêu cầu về cấu hình tối thiểu:

+ Bộ vi xử lý Pentium

+ Hệ điều hành Windows XP (Service Pack 1, 2 hoặc 3)

+ Card màn hình tối thiểu 256 màu

+ Dung lượng ổ cứng trống 1Gb, và tới 2,1Gb nếu cài đặt Matlab đầy đủ +

Bộ nhớ RAM 512Mb

IV CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

1 Viết chương trình định nghĩa hàm suy hao trong không gian tự do fspl

Trang 4

- Khởi tạo của sổ soạn thảo Editor bằng các chọn Menu File -> New -> M-File

- Gõ theo chương trình mẫu sau vào cửa sổ soạn thảo (Editor) và ghi lại theo tên

tệp là Suy_hao_KGTD.m

-fc = input('Nhap gia tri tan so cong tac [GHz]: ')

d = input('Nhap cu ly tuyen truyen dan [km]: ')

Trang 6

-Chọn cự ly tuyến truyền dẫn là d = 4000 km và chạy chương trình, ta thu được

đồ thị phụ thuộc suy hao không gian tự do theo tần số như hình sau:

Hình 1 Suy hao KGTD theo tần số

Nhận xét: Qua quan sát đồ thị phụ thuộc suy hao KGTD theo tần số ta nhận thấyrằng: Với tần số công tác tăng thì suy hao KGTD tăng dần Do đó, để giảm suy haoKGTD ta cần giảm tần số công tác

4 Vẽ đồ thị suy hao trong không gian tự do phụ thuộc vào khoảng cách

- Khởi động phần mềm Matlab

- Khởi tạo của sổ soạn thảo Editor bằng các chọn Menu File -> New -> M-

File

- Gõ theo chương trình mẫu sau vào cửa sổ soạn thảo (Editor) và ghi lại

theo tên tệp là Suy_hao_KGTD_d.m

- Nhận xét và phân tích đồ thị phụ thuộc thu được

Trang 7

-fc = input('Nhap tan so cong tac [GHz]: ');

% Cu ly tuyen truyen dan tu 100 den 40000 km

-số như hình sau:

Hình 2 Đồ thị suy hao KGTD theo cự ly truyền dẫn

Trang 8

Nhận xét: Qua quan sát đồ thị phụ thuộc suy hao KGTD theo khoảng cách ta nhận thấy rằng: Với cự ly tuyến truyền dẫn tăng thì suy hao KGTD tăng dần Do

đó, để giảm suy hao KGTD ta cần giảm cự ly truyền dẫn

Trả lời các câu hỏi kiểm tra dưới đây:

1 Trình bày về nguyên nhân gây suy hao trong không gian tự do?

Nguyên nhân gây suy hao trong không gian tự do là:

Trang 9

BÀI 2 SUY HAO DO MƯA TRONG TUYẾN THÔNG TIN VỆ TINH

I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Bài thí nghiệm giúp sinh viên nắm rõ về các yếu tố ảnh hưởng lên sự suy haocủa sóng vô tuyến truyền do mưa Từ đó, sinh viên có thể phân tích và tính toán sự tác động của suy hao do mưa lên tuyến truyền dẫn thông tin vệ tinh Ngoài ra, bài thí nghiệm còn giúp sinh viên khả năng mô hình hóa và mô phỏng các vấn đề kỹ thuật sử dụng Matlab

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Suy hao do mưa có tác động mạnh đến chât lượng tín hiệu của của tuyến thông tin vệ tinh Suy hao này phụ thuộc vào lượng mưa trung bình, tần số và góc ngẩng của anten trạm mặt đất Để xác định suy hao do mưa, các phương pháp dự đoán tiến hành theo các bước:

(1) Dự đoán phân bố xác suất lượng mưa

(2) Tính tổn hao sóng do mưa dựa vào hệ số hấp thụ đã đượ xác định

Hệ số tổn hao do mưa, γR, được tính từ lượng mưa trung bình Ravg theo biểu thức (2.1)

γR = k.[dB/km] (2.1)

Trong đó, k và α là các hệ số phụ thuộc vào tần số và sự phân cực của sóng Đối với sóng có phân cực thẳng và phân cực tròn thì biểu thức để tính hệ số k và α như (2.2 a) và (2.2 b)

k = [kh+kv+(kh-kv)cos2θcos2τ]/2 (2.2 a)

α = [khαh+ kvαv+( khαh-kvαv) cos2θcos2τ]/2k (2.2 b)

Trang 10

Trong đó, θe là góc ngẩng của anten và τ là góc nghiêng phân cực so với mặt ngang( τ sẽ có giá trị bằng 450 nếu là phân cực tròn) Các giá trị kh, αh, kv, αv được xác định như bảng 2.1.

Bảng 2.1 Các hệ số hồi quy để xác định tổn hao sóng do mưa (ITU-R)

III THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

+ Dung lượng ổ cứng trống 1Gb, và tới 2,1Gb nếu cài đặt Matlab đầy đủ

+ Bộ nhớ RAM 512Mb

IV CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

1.Viết chương trình định nghĩa hàm suy hao trong không gian tự do rainpl

Trang 11

tệp là rainpl.m.

function [L] = rainpl(range,freq,rainrate,elev,tau)

-freq = [1 1.5 2 2.5 3 4 5 6 7 8 9 10 12 15 20 25 30 35

40 45 50 60 70 80 90 100 120 150 200 300 400];

kh = [0.0000387 0.0000868 0.0001543 0.0002416 0.00035040.0006479 0.0011030 0.001813 0.002915 0.004567 0.0069160.010060 0.01882 0.03890 0.07504 0.1237 0.1864 0.2632 0.3504 0.4426 0.5346 0.7039 0.8440 0.9552 1.0432 1.11421.2218 1.3293 1.4126 1.3737 1.6163];

kv = [0.0000352 0.0000784 0.0001388 0.0002169 0.00031450.0005807 0.0009829 0.001603 0.002560 0.003996 0.0060560.008853 0.01680 0.03362 0.06898 0.1125 0.1673 0.2341 0.3104 0.3922 0.4755 0.6347 0.7735 0.8888 0.9832 1.06031.1766 1.2886 1.3764 1.3665 1.3059];

ah = [0.9122 0.9341 0.9629 0.9873 1.0185 1.1212 1.2338 1.3068 1.3334 1.3275 1.3044 1.2747 1.2168 1.1549 1.09951.0604 1.0202 0.9789 0.9394 0.9040 0.8735 0.8266 0.79430.7719 0.7557 0.7434 0.7255 0.7080 0.6930 0.6862

0.6840];

av = [0.8801 0.8905 0.9230 0.9594 0.9927 1.0749 1.1805 1.2662 1.3086 1.3129 1.2937 1.2636 1.1994 1.1275 1.06631.0308 0.9974 0.9630 0.9293 0.8981 0.8705 0.8263 0.79480.7723 0.7558 0.7434 0.7257 0.7091 0.6948 0.6869

Trang 12

tệp là Suy_hao_rain_f.m

- Nhận xét và phân tích đồ thị phụ thuộc

rainrate = 3.0;

-Kết quả thu được:

3.Viết chương trình định nghĩa hàm suy hao do mưa phụ thuộc vào góc

ngẩng rainpl_1

Trang 13

tệp là rainpl_1.m.

function [L] = rainpl_1(range,rr,elev,tau)

tệp là Suy_hao_KGTD_elev.m

- Nhận xét và phân tích đồ thị phụ thuộc thu được

clc;

Trang 14

xlabel('Path Elevation (degrees)')

ylabel('Attenuation (Db)')

Kết quả thu được:

-5.Viết chương trình định nghĩa hàm suy hao do mưa phụ thuộc vào phân cực

sóng rainpl_2

Trang 15

alpha = (kh*ah + kv*av + (kh*ah -

kv*av)*(cosd(elev)*cosd(elev)).*cosd(2*tau))./(2.*k);gammaR = k.*(rr.^alpha);

tệp là Suy_hao_KGTD_elev.m

- Nhận xét và phân tích phổ phụ thuộc thu được

clc;

Trang 16

-V KẾT LUẬN

Sau khi hoàn thành bài thí nghiệm này sinh viên nắm vững kiến thức về suy hao do mưa và sự ảnh hưởng của nó lên tuyến truyền dẫn

Trang 17

BÀI 3 SUY HAO DO SƯƠNG MÙ VÀ MÂY TRONG

TUYẾN THÔNG TIN VỆ TINH

I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Bài thí nghiệm giúp sinh viên nắm rõ về các yếu tố ảnh hưởng lên sự suy hao của sóng vô tuyến truyền do sương mù và mây Từ đó, sinh viên có thể phân tích và tính toán sự tác động của suy hao do sương mù và mây lên tuyến truyền dẫnthông tin vệ tinh Ngoài ra, bài thí nghiệm còn giúp sinh viên khả năng mô hình hóa và mô phỏng các vấn đề kỹ thuật sử dụng Matlab

Các sóng vô tuyến có tần số lớn hơn 20 GHz khi truyền trong tầng đối lưu sẽ

va chạm với các phần tử Oxy và hơi nước làm giảm đáng kể năng lượng của nó Suy hao như vậy được gọi là suy hao do hấp thụ phân tử Suy hao do hấp thụ phân

tử LG phụ thuộc vào chiều cao của lớp oxy (Lo) và hơi nước (Ln) trong tâng đối lưu cũng như góc ngẩng anten mặt đất và độ ẩm không khí

Công thức tính suy hao do hấp thụ phan tử như (3.1)

LG = (γ0L0 + γnLn) / sinθe (3.1)Trong đó, γ0 và γn là hệ số hấp thụ của oxy và hơi nước [dB/km]

III THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

IV CÁC BƯỚC TIẾN HNAHF THÍ NGHIỆM

1.Viết chương trình định nghĩa hàm suy hao trong không gian tự do fogpl

tệp là fogpl.m.

function [L] = fogpl (R,f,T,den)

Trang 18

E2 = f*(Ep0-Ep1)/fp*(1+(1/fp)^2)+ f*(Ep1-Ep2)/fs*(1+(f/fs)^2);

Trang 19

3 Vẽ đồ thị suy hao do mây và sương mù phụ thuộc vào mật độ hạt nước và sương mù

Trang 20

title('Suy hao KQ');

Kết quả thu được:

-V KẾT LUẬN

Sau khi hoàn thành bài thí nghiệm này sinh viên nắm vững kiến thức về suy hao do sương mù, mây và sự ảnh hưởng của nó lên tuyến truyền dẫn

Trang 21

mô phỏng các vấn đề kỹ thuật sử dụng Matlab.

Các sóng vô tuyến có bước sóng ngắn hơn 1,5 cm (f >20 GHz) thì sự hấp thụcủa sóng còn do tác động trường của sóng đến các phân tử khí trong tầng đối lưu Các dạng hấp thụ đó được gọi là hấp thụ phân tử và được quan sát xem xét trong điều kiện trời trong, không mưa và không mây mù Trong trường hợp này năng lượng sóng truyền lan bị tiêu hao do đốt nóng vật thể, ion hóa hoặc kích thích các nguyên tử, kih dưới dạng hóa quang Khi hấp thụ, các nguyên tử và phân tử chuyển

từ trạng thái năng lượng tấp đến trạng thái năng lượng cao Do phần lớn các mức năng lượng có tính rời rạc cho nên các quá trình chuyển hóa các mức năng lượng cũng có đặc tính cộng hưởng chọn lọc, và do đó hấp thụ sóng vô tuyến trong

trường hợp này cũng có tính chọn lọc Có nghĩa là sẽ có những tần số mà ở đó hệ

số hấp thụ sẽ bé hơn một cách đột ngột chứ không tăng theo quy luật

Trong các phân tử khí trong tầng đối lưu gây ra hấp thụ sóng vô tuyến thì chủ yếu oxy và hơi nước Qua nhiều nghiên cứu và thực nghiệm thấy rằng, trong dải sóng cm và mm thì oxy và hơi nước có những giá trị cộng hưởng ( hấp thụ lớn đột xuất) đối với các bước sóng như sau:

λ = 1.35 cm – hấp thụ trong hơi nước

λ = 0.5 cm – hấp thụ trong O2

λ = 0.25 cm – hấp thụ trong O2

Trang 22

Hình 3.1 mô tả giá trị hệ số hấp thụ δ (dB/km) phụ thuộc và tần số, trong dải tần từ 1 GHz ( λ=30 cm) đến 500 GHz (λ=0,6 mm) Từ đồ thị cho thấy rằng , có vốn vùng cộng hưởng của hấp thụ mà ở đó giá trị hấp thụ đặc biệt lớn hơn.

Hình 3.1 mô tả hệ số hấp thụ sóng trong không khí và hơi nước dải tần 1-500 GHz

Nếu như sự hấp thụ do oxy là một giá trị có tính chất ổn định, không biến đổi bao nhiêu thì thường người ta quan tâm đến hơi nước, vì nó thay đổi phụ thuộc vào độ ẩm của không khí Giá trị tuyệt đối của độ ẩm không khi tiến đến bão hòa (giá trị giới hạn của độ ẩm) còn phụ thuộc vào nhiệt độ không khí Bảng 3.1 mô tả giá trị hệ số hấp thụ tuyệt đối của độ ẩm đạt đến bão hòa tương ứng với các nhiệt

độ khác nhau Độ ẩm không khí phụ thuộc vào các điều kiện khí tượng thủy văn của từng vùng địa lý cụ thể trên trái đất

Bảng 3.1 Sự phụ thuộc các giá trị giới hạn của độ ẩm tuyệt đối Q và nhiệt độ

Trang 23

III CÁC THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

IV CÁC BƯỚC THÍ NGHIỆM

1 Viết chương trình thể hiện phổ suy hao do hấp thụ phân tử theo tần số

tệp là hapthupt_f.m.

freq = [1:1000]*1e9;

Trang 24

-2 Viết chương trình thể hiện phổ hệ số suy hao do hấp thụ phân tử theo tần số

Trang 25

3 Viết chương trình thể hiện phổ suy hao tổng hợp

tệp là htpt_fsl.m.

ranges = [1:100]*1000;

Trang 26

V KẾT LUẬN

Sau khi hoàn thành bài thí nghiệm này sinh viên nắm vững kiến thức về suy hao do hấp thụ phân tử và sự ảnh hưởng của nó lên tuyến truyền dẫn

Định dạng
Số trang	26
Dung lượng	1,08 MB