Nhiễu trong thông tin vệ tinh, kết quả đo và một số giải pháp hạn chế nhiễu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Bùi Ngọc Thạch NHIỄU TRONG THÔNG TIN VỆ TINH KẾT QUẢ ĐO VÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP HẠN CHẾ NHIỄU LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2008 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Bùi Ngọc Thạch NHIỄU TRONG THÔNG TIN VỆ TINH, KẾT QUẢ ĐO VÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP HẠN CHẾ NHIỄU Ngành Chuyên ngành Mã số : Công nghệ Điện tử - Viễn thông : Kỹ thuật vô tuyến thông tin liên lạc : 2.07.00 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRẦN MINH TUẤN Hà Nội - 2008 i MỤC LỤC MỤC LỤC i BẢNG DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC HÌNH VẼ v DANH MỤC BẢNG BIỂU vi MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 Giới thiệu chung thông tin vệ tinh 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Đặc điểm thông tin vệ tinh 1.2 Cấu trúc tuyến liên lạc vệ tinh 1.2.1 Các thiết bị tuyến liên lạc thông tin vệ tinh 1.2.2 Tuyến liên lạc qua hệ thống thông tin vệ tinh 1.3 Các vấn đề truyền sóng 1.3.1 Tần số công tác thông tin vệ tinh 1.3.2 Phân định tần số thông tin vệ tinh 1.3.3 Tần số sử dụng cho thông tin vệ tinh cố định 1.3.4 Phân cực sóng 1.3.5 Tạp âm 10 1.4 Đa truy nhập thông tin vệ tinh 11 1.4.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số 12 1.4.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian 14 1.4.3 Kỹ thuật CDMA 17 1.4.4 Kỹ thuật DAMA 18 1.5 Cấu trúc trạm mặt đất 19 1.5.1 Anten trạm mặt đất 10 1.5.2 Bộ khuếch đại công suất 27 1.5.3 Bộ khuếch đại tạp âm thấp 28 1.5.4 Bộ đổi tần 28 Chương 2: NHIỄU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 31 2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống 31 ii 2.1.1 Các tham số đánh giá chất lượng hệ thống thông tin vệ tinh 2.1.2 Một số yếu tố ảnh hưởng môi trường truyền dẫn 2.2 Một số phương pháp tính nhiễu 2.2.1 Phương pháp tính nhiễu hệ thống thơng tin vệ tinh địa tĩnh 2.2.2 Phương pháp tính nhiễu hệ thống thông tin vệ tinh phi địa tĩnh tới hệ thống thông tin vệ tinh địa tĩnh 2.2.3 Tính nhiễu hệ thống vô tuyến mặt đất với hệ thống vệ tinh địa tĩnh GSO Chương 3: NHIỄU TRONG THÔNG TIN VỆ TINH CÁC KẾT QUẢ ĐO VÀ GIẢI PHÁP HẠN CHẾ NHIỄU 3.1 Các nguồn nhiễu 3.2 Các nguồn nhiễu 3.2.1 Nhiễu tín hiệu FM 3.2.2 Nhiễu xuyên phân cực 3.2.3 Nhiễu sóng mang số, sóng mang sóng mang TV/FM 3.2.4 Nhiễu xuyên điều chế 3.2.5 Nhiễu vệ tinh lân cận KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO iii BẢNG DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VIẾT TẮT BER C/N C/T Codec CW CPD DAMA DEM DTH DC Eb/No EIRP FSS FEC FDMA FM G/T GSO HF HPA IBO I/N IF ITU iv LO LFS LF LNA MSS MOD MODEM NOC ODU OBO PSK PCM RF SFD SCPC SSPA SHF TDMA TDM TWTA UHF U/C UAT VHF VLF VSAT VINASAT v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Đường liên lạc thơng tin vệ tinh Hình 1.2: Đa truy nhập phân chia theo tần số 13 Hình 1.3: Đa truy nhập phân chia theo thời gian 15 Hình 1.4: Cấu hình trạm mặt đất 19 Hình 1.5: Anten Cassegrain 23 Hình 2.1: Suy giảm băng tần môi trường truyền dẫn .34 Hình 2.2: Mơ tả ảnh hưởng nhiễu hai mạng thông tin vệ tinh sử dụng băng tần hướng42 Hình 2.3: Hai hệ thống sử dụng băng tần theo hai hướng ngược 44 Hình 3.1: Tỷ lệ phần trăm nguyên nhân gây nhiễu 63 Hình 3.2: Phổ nhiễu tín hiệu FM 64 Hình 3.3: Nhiễu tín hiệu FM 65 Hình 3.4: Nhiễu xuyên phân cực 66 Hình 3.5: Phổ nhiễu xuyên phân cực 67 Hình 3.6: Phổ nhiễu sóng mang số, sóng mang sóng mang TV/FM 69 Hình 3.7: Phổ nhiễu xuyên điều chế (1) 69 Hình 3.8: Nhiễu xuyên điều chế 70 Hình 3.9: Phổ nhiễu xuyên điều chế (2) 70 Hình 3.10: Nhiễu vệ tinh lân cận (1) 74 Hình 3.11: Nhiễu vệ tinh lân cận (2) 75 Hình 3.12: Nhiễu vệ tinh lân cận hướng thu (1) 77 Hình 3.13: Nhiễu vệ tinh lân cận hướng thu (2) 78 Hình 3.14: Nhiễu vệ tinh lân cận hướng thu (3) 78 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Tần phân loại sóng vơ tuyến điện Bảng 1.2 Các băng tần sử dụng cho thông tin vệ tinh Bảng 2.1: Phân loại sóng mang 46 Bảng 2.2: Các giá trị ngưỡng ứng với cặp sóng mang nhiễu bị nhiễu 47 Bảng 2.3: Giá trị βvz phụ thuộc vào vùng khí hậu 60 Bảng 2.4: Giá trị d ứng với vùng 60 Bảng 2.5: Giá trị ngưỡng L(P) 61 MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, lĩnh vực thơng tin viễn thơng có bước tiến nhanh, đóng vai ngày quan trọng phát triển kinh tế Không nằm ngồi xu hướng đó, thơng tin vệ tinh không ngừng phát triển với ứng dụng, dịch vụ cho ngành, lĩnh vực như: quân sự, viễn thông, khí tượng thủy văn, hàng hải, khác thác dầu, giáo dục, y tế, phát thanh, truyền hình đặc biệt bùng nổ truyền hình DTH Với nhu cầu ngày lớn, công nghệ, kỹ thuật lĩnh vực thơng tin vệ tinh tìm hiểu nghiên cứu, ứng dụng vào thực tiễn nhiều Để đáp ứng nhu cầu lớn dịch vụ thông tinh vệ tinh, số lượng vệ tinh quỹ đạo phóng lên ngày nhiều, khoảng cách vệ tinh bị thu hẹp từ khoảng cách 0, 20 trước đây, vị trí quỹ đạo có vài vệ tinh, dải tần vệ tinh C, Ku, Ka sử dụng cách tối đa, cơng nghệ phủ sóng spotbeam nhiều nhà khai thác vệ tinh sử dụng Với việc khai thác tối đa nguồn tài nguyên thông tin vệ tinh, khả xuất hiện, gây nhiễu hệ thống hệ thống dễ xảy Trong thông tin vệ tinh tác động, ảnh hưởng nhiễu đến chất lượng dịch vụ lớn Các nguồn nhiễu như: nhiễu sóng mang lân cận, nhiễu vệ tinh lân cận, nhiễu hệ thống khách hàng, nhiễu xuyên phân cực, nhiễu mặt trời nhiều loại nhiễu khác Vì vậy, việc tìm hiểu nghiên cứu nhiễu thông tin vệ tinh cần thiết, đặc biệt nước ta phóng vệ tinh VINASAT-1 phóng thêm vệ tinh khác tương lai Với yêu cầu đề tài “Nhiễu thơng tin vệ tinh, kết đo số giải pháp hạn chế nhiễu” lựa chọn để nghiên cứu, phân tích ứng dụng thực tế, làm sở xây dựng nên quy trình xử lý nhiễu, hữu ích người khai thác khách hàng sử dụng dịch vụ thơng tin vệ tinh 71 Sóng mang bị nhiễu TV/FM - tín hiệu tương tự Hình 3.6: Phổ nhiễu sóng mang số, sóng mang sóng mang TV/FM 3.2.4 Nhiễu xuyên điều chế: - Mô tả:  Nếu có từ sóng mang trở lên, phát khuếch đại cơng suất (TWTA, SSPA) gây nhiễu xuyên điều chế  Các sản phẩm nhiễu xuyên điều chế tạo từ sóng mang có tần số khác  Mức cơng suất sản phẩm nhiễu xuyên điều chế phụ thuộc vào cơng suất sóng mang tuyến tính TWTA SSPA  Nhiễu xuyên điều chế xuất trạm mặt đất vệ tinh Hình 3.7: Phổ nhiễu xuyên điều chế (1) 72 tần liên quan Sóng mang đơn tín hiệu cao Tín hiệu tần số f1 f2 Công suất đầu Sản phẩm nhiễu xuyên điều chế: (2f1-f2) (2f2-f1) Cơng suất đầu vào tín hiệu cao tần liên quan đến sóng mang đơn bão hịa phát đáp (dB) Hình 3.8: Nhiễu xuyên điều chế - Ngun nhân:  Mức cơng suất phát sóng mang lớn  Tăng mức công suất phát không tính đến nhiễu xuyên điều chế  Tự ý tăng mức công suất phát mà không báo cho NOC Nhiễu xun điều chế xuất tăng cơng suất sóng mang Nhiễu xuyên điều chế loại bỏ giảm cơng suất sóng mang - Hình 3.9: Phổ nhiễu xun điều chế (2) Ảnh hưởng nhiễu xuyên điều chế đến sóng mang: 73  Làm giảm mức Eb/No sóng mang làm việc tần số  Làm tăng nhiễu vài dải tần  Công suất phát trạm mặt đất thời phải tăng lên mức bình thường Vì tăng thêm sóng mang phải thay khuếch đại cơng suất có cơng suất lớn - Giải pháp hạn chế, khắc phục nhiễu xuyên điều chế:  Kiểm tra tính tốn đường truyền trạm mặt đất phát từ sóng mang trở lên trước làm việc với vệ tinh  Mức IBO HPA thu phát Transceiver phải nhà quản lý vệ tinh ấn định thông báo đến khách hàng  Không tăng công suất phát chưa trao đổi với NOC  Không làm việc với công suất lớn mức sử dụng  Khi có thêm sóng mang mới, phải tính tốn lại đường truyền để đảm bảo cơng suất thiết bị có đủ lớn  Giá trị OBO khuếch đại công suất trạm mặt đất thường lấy sau: SSPA Số só  Phân bổ cơng suất băng tần vệ tinh: Ví dụ: Bộ phát đáp 36 MHz, EIRP= 41.5 dBW Phát sóng mang giống phát đáp (các sóng mang có tốc độ, kiểu điều, mã hóa giống nhau) 74 - Khi phát sóng mang phát đáp: Sóng mang 36 MHz IBO = dB OBO = dB Công suất xạ đẳng hướng tương đương phát đáp ứng với sóng mang là: EIRP = 41,5 dBW BPĐ (36 MHz), sóng mang EIRP= 41,5 dBW - Khi phát sóng mang phát đáp: Mỗi sóng mang 18 MHz OBO tổng phát đáp 3,5 dB Tổng công suất xạ đẳng hướng tương đương phát đáp phát sóng mang là: EIRPt = 41,5 – 3,5 = 38 dBW Công suất xạ đẳng hướng tương đương phát đáp cho sóng mang 18MHz là: EIRPsm = 38 - = 35 dBW BPĐ (36 MHz) EIRPt = 38 dBW (2 Carriers) - Khi phát n sóng mang phát đáp: Mỗi sóng mang 36/n MHz OBO tổng phát đáp = dB 75 Tổng công suất xạ đẳng hướng tương đương phát đáp phát sóng mang là: EIRPt = 41,5 – = 37,5 dBW Công suất xạ đẳng hướng tương đương phát đáp cho sóng mang 36/n MHz là: EIRPsm = 37,5 - 10 log (n) dBW, BPĐ (36 1/8 BPĐ 36,5 dBW  Tính cơng suất khuếch đại công suất trạm mặt đất: Giả sử trạm mặt đất Hà Nội: anten 9m, hiệu suất anten 65%, HPA loại TWTA, phát bão hòa phát đáp 36 MHz, tần số phát 6,489 GHz Bộ phát đáp có mật độ thơng lượng bão hịa SFD = -90.5 dBW/m Khi mật độ thơng lượng tương ứng với sóng mang là: ɸsm = SFD – IBO dB = -90.5 dBW/m Vì phát sóng mang phát đáp độ lùi đầu vào phát đáp IBO= dB Công suất xạ đẳng hướng tương đương sóng mang 36 MHz trạm mặt đất là: EIRPes = ɸsm + FSL + Labs - G1 (dBW/m2) Trong FSL suy hao không gian tự do, FSL= 199.93 dB tần số 6,489 GHz Labs suy hao khí quyển, Labs = 0,3 dB G1 hệ số khuếch đại đơn vị diện tích anten, G1=37 dBi/m2 -> EIRPsm = -90,5 + 199,93 + 0,3 – 37= 72.73 dBW 76 Công suất phát trạm mặt đất là: Psm = EIRPsm – Ges Trong Ges hệ số khuếch đại anten m trạm mặt đất phát, Ges= 53,86 dBi -> Psm = 72.73 – 53,86 > Psm = 18,87 dBW Với khuếch đại công suất HPA TWTA, giá trị OBO= dB Khi cơng suất HPA là: Pes = Pes sm + OBO = 18.87 + =21.887 dBW= 154 W 3.2.5 Nhiễu vệ tinh lân cận: Có hai loại nhiễu vệ tinh lân cận: Nhiễu hướng phát nhiễu hướng thu a Nhiễu hướng phát: - Nguyên nhân (1): • Anten phát chỉnh hướng đến vệ tinh không tốt A B Nhiễu đến trạm hệ thống B Trạm phát hệ thống A Hình 3.10: Nhiễu vệ tinh lân cận (1) 77 - Biện pháp hạn chế, khắc phục (1): A B Khơng cịn nhiễu đến trạm hệ thống B Trạm phát hệ thống A Trạm thu hệ thống A Trạm thu hệ thống B Hình 3.10: Nhiễu vệ tinh lân cận (1)  Thực đo, kiểm tra truy nhập trạm mặt đất (UAT) dẫn để đảm bảo trạm mặt đất hướng tốt đến vệ tinh A B Nhiễu đến trạm hệ thống B Trạm phát hệ thống A Hình 3.11: Nhiễu vệ tinh lân cận (2) 78 Nguyên nhân (2):  Anten không đạt yêu cầu kỹ thuật, giản đồ xạ anten không đảm bảo Cơng suất búp sóng phụ lớn (thường xuất với anten lớn) A B Nhiễu đến trạm hệ thống B Trạm phát hệ thống A Trạm thu hệ thống A Trạm thu hệ thống B Hình 3.11: Nhiễu vệ tinh lân cận (2)  Anten không đạt u cầu kỹ thuật Búp sóng q lớn (thường xuất với anten có kích thước nhỏ) Giản đồ xạ (dBn) - Hệ số khuếch đại anten -4 -3 -2 -1 θ (độ) Hình 3.11: Nhiễu vệ tinh lân cận (2) 29-25lg(θ) 79 - Biện phát hạn chế, khắc phục (2):  Kiểm tra kỹ thông số kỹ thuật Anten Sử dụng anten có kích thước khuyến nghị b Nhiễu hướng thu: - Nguyên nhân (1):  Anten thu nhỏ, giản đồ xạ anten không đảm bảo chất lượng - Biện pháp hạn chế, khắc phục (1):  Sử dụng anten có kích thước đủ lớn A Hình 3.12: Nhiễu vệ tinh lân cận hướng thu (1) - Nguyên nhân (2):  Anten chỉnh hướng đến vệ tinh không tốt  Anten phát thu thời điểm  Khi anten không chỉnh tốt bị nhiễu gây nhiễu cho vệ tinh lân cận 80 A B Hình 3.13: Nhiễu vệ tinh lân cận hướng thu (2) A B 40dBW 36dBW Hình 3.14: Nhiễu vệ tinh lân cận hướng thu (3) 81 - Biện phát hạn chế, khắc phục (2):  Thực việc đo, kiểm tra truy nhập trạm (UAT) dẫn  Thực bảo dưỡng định kỳ trạm mặt đất - Nguyên nhân (3):  Ở vùng trùng đường đẳng mức EIRP từ vệ tinh lân cận - Biện pháp hạn chế, khắc phục (3):  Thực tính tốn đường truyền, sử dụng công suất phát theo khuyến nghị  Thực UAT, dùng anten kích thước khuyến nghị 82 KẾT LUẬN Luận văn nghiên cứu đưa thông tin chung nguồn nhiễu, loại nhiễu, số thống kê nguyên nhân gây nhiễu Sau đó, với loại nhiễu mơ tả đánh giá ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ, phân tích nguyên nhân đưa biện pháp hạn chế khắc phục, sử dụng kết đo để minh họa Tính tốn cơng suất xạ đẳng hướng tương đương sóng mang phát một, nhiều sóng mang phát đáp Tính tốn cơng suất trạm mặt đất phát bão hòa phát đáp Nội dung luận văn gắn liền với thực tế, với kết dùng làm sở hỗ trợ cho cán Đài diều hành khai thác vệ tinh (NOC), cán kỹ thuật vận hành khai thác trạm mặt đất dễ dàng hình dung tổng thể loại nhiễu, sở để kịp thời đưa hướng xử lý giải Các vấn đề nêu luận văn dừng lại mức độ xử lý có nhiễu xảy Thơng qua q trình thực luận văn, thời gian tới, tác giả tiếp tục nghiên cứu số khía cạnh như: Tính tốn chi tiết mức độ ảnh hưởng loại nhiễu từ đưa chuẩn để phịng ngừa nhiễu, tránh gây ảnh hưởng, bị ảnh hưởng nhiễu hệ thống, hệ thống để làm sở phục vụ cho công tác đàm phán tần số với nhà khai thác vệ tinh lân cận 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Đình Lương Phạm Văn Đương (2007), Cơng nghệ thông tin vệ tinh, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Tiếng Anh Bruce R Elbert (2004), The Satellite Communication Applications Handbook Second Edition, Artech House, Inc.Boston London Michael O Kolawole (2002), Satellite Communication Engineering, Jolade Pty Ltd.Melbourne, Australia Abramson, Norman (1990), VSAT Data Networks, IEEE Dennis Roddy (2001), Satellite Communications, Mac Graw-Hill Regis J Bates (2000), Broadband Telecommunications Handbook, McGrawHill ... Bùi Ngọc Thạch NHIỄU TRONG THÔNG TIN VỆ TINH, KẾT QUẢ ĐO VÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP HẠN CHẾ NHIỄU Ngành Chuyên ngành Mã số : Công nghệ Điện tử - Viễn thông : Kỹ thuật vô tuyến thông tin liên lạc : 2.07.00... thông tin vệ tinh địa tĩnh 2.2.3 Tính nhiễu hệ thống vô tuyến mặt đất với hệ thống vệ tinh địa tĩnh GSO Chương 3: NHIỄU TRONG THÔNG TIN VỆ TINH CÁC KẾT QUẢ ĐO VÀ GIẢI PHÁP HẠN... lạc thông tin vệ tinh 1.2.2 Tuyến liên lạc qua hệ thống thông tin vệ tinh 1.3 Các vấn đề truyền sóng 1.3.1 Tần số công tác thông tin vệ tinh 1.3.2 Phân định tần số thông tin vệ tinh