- Trạm mặt đất Hoà lạc có các thông số như sau:
Bảng 3. 1: Thông số quỹ đường truyền của trạm mặt đất băng S [3]
Các thông số kỹ thuật trạm mặt đất băng S
Toạ độ 105.54° E & 21.01° N
Đường kính mặt phản xạ 3.0 m
Băng tần 2.20 đến 2.40 GHz (S band)
Công suất phát 53 dBm (200W)
Tỉ số trục Anten 2.0 dB
Suy hao do công nghệ của bộ thu tại trạm mặt đất 2.0 dB Suy hao do chất lượng bộ phát tại trạm mặt đất 1.0 dB
- Vê ̣ tinh nhỏ Vnredsat -1 với phân hệ RF trên vệ tinh với các thông số trên vệ tinh được liệt kê tại bảng dưới đây:
31
Bảng 3. 2: Các thông số hệ thống thu phát sóng trên vệ tinh [3]
Thông số Giá trị
Tần số TC 2048.1 MHz
Tần số TM 2240.0 MHz
Công suất phát RF trên vệ tinh 34.0 dBm
Suy hao TM trên vệ tinh -4.8 dB
Suy hao TC trên vệ tinh -4.8 dB
Tăng ích của anten TC: -10.7 dB ;TM: -4.4 dB
Tỉ số trục của anten TC: 5.0 dB; TM: 5.0 dB
Tổng suy hao trên vệ tinh TC: 4.75 dB; TM: 4.8 dB
3.2 Một số công thức sử dụng trong việc tính toán quỹ đƣờng truyền
Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương EIRP
Xét 1 anten đẳng hướng - phát xạ theo mọi hướng. Có thể xem như anten ở tâm của 1 hình cầu rỗng có bán kính d, khi đó công suất bề mặt (PFD - power flux density) là:
PFD = PT / (4πd2) W/m2 (31) Các anten có độ tăng ích (Gain) để tập trung công suất vào hướng cần truyền Công suất bề mặt được ở hướng cần truyền được tăng lên bởi giá trị GT, tương đương với công suất từ một anten đẳng hướng với công suất PTGT. Giá trị PTGT chính là công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP)
EIRP = PT + GT (dBW) (32)
Tính toán công suất nhận
Preceive (dB) = Greceive + Gtransmit + Ptransmit + Suy hao trong quá trình truyền dẫn (33) Suy hao trong quá trình truyền dẫn bao gồm các loại như suy hao do các loại khí, mây, mưa trong khí quyển, suy hao trong không gian tự do, suy hao do phân cực của anten...
Suy hao trong không gian tự do:
32 C/No Ta có No = kTN trong đó: TN = Nhiệt độ tạp âm k = Hằng số Boltzmann (1.38 x 10-23 J/K). k tính theo dB: k = 10log(1.38 x 10-23 ) = -228.6 dBW/Hz/K C/No là tỉ số sóng mang trên tạp âm. Đơn vị là dBHz
C / No = PR / (kTN) dBHz (35) Ta có: Công suất tín hiệu = năng lượng bit * số bit: C = EbR (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Do đó:
C / No = R(Eb / No) (36)
Tính theo dB:
(C / No) = R + (Eb / No) (37)
Độ suy hao do phân cực
Độ tăng ích anten trong tính toán quỹ đường truyền được tính với phân cực tròn. Trong trường hợp xấu nhất, độ suy hao do phân cực được tính theo công thức sau [3]:
20.log 1 vetinh . matdat vetinh matdat cross cross co co E E P E E (38)
Trong đó tỉ lệ ECROSS/ECO được tính từ tỉ lệ trục của anten 1 1 cross co E AR E AR (39)
Đối với Vnredsat-1:
Tỉ lệ trục anten trạm mặt đất là 2.0 dB Tỉ lệ trục anten trên vệ tinh là 5.0 dB Ta có:
33 𝐸𝐶𝑅𝑂𝑆𝑆 𝑣ệ 𝑡𝑖𝑛 ℎ 𝐸𝐶𝑂 𝑣ệ 𝑡𝑖𝑛 ℎ = 105/20 − 1 105/20 + 1= 0.28 𝐸𝐶𝑅𝑂𝑆𝑆 𝑚ặ𝑡 đấ𝑡 𝐸𝐶𝑂 𝑚ặ𝑡 đấ𝑡 = 102/20− 1 102/20+ 1= 0.115
Độ suy hao phân cực:
P = 20log (1 – 0.28*0.115) = -0.28 dB
Suy hao do khí quyển và mưa
Những suy hao do mưa, mây, các loại khí, do sự nhấp nháy tín hiệu bao gồm cả sự suy giảm tỉ số G/T được đánh giá với độ sẵn sàng của vệ tinh đạt 99% theo khuyến cáo ITU-R P.618-7 được đưa ra bởi tổ chức ITU [5]. Chi tiết được tổng kết ở các bảng dưới:
Bảng 3.3: Độ suy hao trong khí quyển tại Hà Nội với tần số của tín hiệu TC theo ITU-R P.618-7 [5]
Suy hao trong khí quyển với đường truyền lên
Góc ngẩng o 10 5
Tỉ lệ mưa mm/h 95.53 95.53
Mật độ hơi nước g/m3 20.58 20.58
Tần số MHz 2048.1 2048.1
Suy hao do các loại khí dB 0.22 0.43
Suy hao do mây dB 0.05 0.10
Suy hao do sự nhấp nháy tín hiệu dB 0.48 1.10
Suy hao do mưa (trung bình theo năm) dB 0.01 0.02
34
Bảng 3.4: Độ suy hao trong khí quyển tại Hà Nội với tần số của tín hiệu TM theo ITU-R P.618-7 [5]
Suy hao trong khí quyển với đường truyền xuống
Góc ngẩng o 10 5
Tỉ lệ mưa mm/h 95.53 95.53 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mật độ hơi nước g/m3 20.58 20.58
Tần số MHz 2240.00 2240.00
Suy hao do các loại khí dB 0.22 0.44
Suy hao do mây dB 0.06 0.08
Suy hao do sự nhấp nháy tín hiệu dB 0.50 1.16
Suy hao do mưa (trung bình theo năm) dB 0.01 0.03
Suy hao tổng cộng dB 0.73 1.60
Tính toán các thông số tuyến lên
Quỹ đường truyền TC được tính toán với: - Góc ngẩng 10o và 5o
- Tốc độ truyền TC(telecommand): 20 kbps Độ tăng ích của Anten trạm mặt đất băng S
2 T Df G c = 34.62 (dB)
Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương EIRP = PT + GT + LT = 50 (dBW) Suy hao trong không gian tự do tuyến lên
35
Với trường hợp góc ngẩng giữa trạm mặt đất và vệ tinh là 10o
FSPL = 20log(2112 x 103) + 20log(2048.1 x 106) -147.55 = 165.2 dB Với trường hợp góc ngẩng giữa trạm mặt đất và vệ tinh là 5o
FSPL = 20log(2517 x 103) + 20log(2048.1 x 106) -147.55 = 166.7 dB
Từ kết quả trên ta thấy: Tổn hao trong không gian tự do , trong lý thuyết về truyền sóng còn go ̣i là đi ̣nh luâ ̣t về tỷ lê ̣ nghi ̣ch với bình phương khoảng cách
(1/R2). Bởi vì khoảng cách giữa tra ̣m mă ̣t đất và vê ̣ tinh là khá lớn cho nên tổn hao không gian tự do trong các hê ̣ thống thông tin vê ̣ tinh với vê ̣ tinh ở các quỹ đa ̣o cách xa trái đất là khá lớn.
Trong thông tin vê ̣ tinh , tổn hao sóng trong thông tin liên la ̣c vê ̣ tinh đi ̣a tĩnh là lớn nhất.
Hình 3.2: Suy hao không gian tự do theo độ cao quỹ đạo [9] Công suất tại đầu vào của bộ thu trên vệ tinh
Là tổng của công suất bức xạ đẳng hướng tương đương phát lên từ trạm mặt đất EIRP và các loại suy hao trong quá trình truyền dẫn.
36
Với trường hợp góc ngẩng giữa trạm mặt đất và vệ tinh là 10o = 50 – 0.5 – 165.2 – 0.7 – 10.7 – 0.3 – 4.8
= –132.1 (dB)
Tương tự với trường hợp góc ngẩng 5o ta có công suất tại đầu vào bộ thu trên vệ tinh là –134.5 (dB)
Tính toán các thông số tuyến xuống
Quỹ đường truyền TM được tính toán với: - Góc ngẩng 10o và 5o
- Tốc độ truyền TM (Telemetry): 385 kbps Độ tăng ích của Anten vệ tinh
GS = -4.4 dB
Công suất bức xạ trên vệ tinh EIRP (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Là tổng của công suất đầu ra của thiết bị phát và các suy hao trên vệ tinh. EIRPsat = PTsat + Lsat + GS
= 1.5 – 4.8 – 4.4 = -7.7 dBW
Suy hao trong không gian tự do tuyến xuống FSPL(dB) = 20log(d) + 20log(f) -147.55
Với trường hợp góc ngẩng giữa trạm mặt đất và vệ tinh là 10o FSPL = 20log(2112 x 103) + 20log(2240 x 106) -147.55 = 166 dB Với trường hợp góc ngẩng giữa trạm mặt đất và vệ tinh là 5o
FSPL = 20log(2517 x 103) + 20log(2048.1 x 106) -147.55 = 166.7 dB
Qua kết quả thu được ta thấy: Suy hao trong không gian tự do đối với tuyến lên và tuyến xuống trong trường hợp góc ngẩng giữa trạm mặt đất và vệ tinh là 5olà giống nhau, trong trường hợp góc ngẩng là 10o chênh lệch là không đáng kể.
Tỉ lệ C/N0
37
⇔ C/N0 (dB) = Mức tín hiệu tại đầu vào thiết bị thu + G/T – k
⇔ C/N0 = Preceive + G/T – 10log(1.38*10-23)
Với trường hợp góc ngẩng giữa trạm mặt đất và vệ tinh là 10o C/N0 = -175 + 10.5 + 228.6 = 64.1 dBHz
Với trường hợp góc ngẩng giữa trạm mặt đất và vệ tinh là 5o C/N0 = -177.4 + 10.5 + 228.6 = 61.7 dBHz
Như ta đã biết, tỉ số tín hiệu trên tạp âm là số liệu là rất quan trọng để xác định chất lượng tín hiệu của bất kỳ truyền thông nào. Để đánh giá tỉ số C/N0 ta xét mối quan hê ̣ giữa C/N0 và tỉ số bit lỗi thông qua công thức [7]:
0.5 .
e b
P erfc SNR T (40)
Với Pe là xác suất bit lỗi theo lý thuyết; Tb là thời gian bít, và
2 1.128* t t x erfc x e dt (41)
Ta có thể viết la ̣i công thức trên như sau: 0 1 / ln 0.5 e b P SNR C N T (42)
Và có thể biểu diễn qua biểu đồ dưới đây:
Hình 3. 3: Liên hê ̣ giữa tỉ số tín hiê ̣u trên ta ̣p âm và tỉ lê ̣ bit lỗi [7] Như vâ ̣y C/N0 càng cao thì tỉ lệ bit lỗi càng thấp và ngược lại . Với kết quả tính toán C/N0 là 64.1(dBHz) và 61.7(dBHz) tương ứng với trường hợp góc ngẩng
0 20 40 60 80 100 120 140 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 SN R(dBH z) Pe SNR SNR
38
ăng ten là 10o và 5o cho thấy chất lươ ̣ng đường truyền của hê ̣ thống là tốt với P e
nằm trong khoảng từ 0.1 ~ 0.2.
Eb/N0
Eb/N0 = C/N0 – R – Suy hao thiết bị
Với trường hợp góc ngẩng giữa trạm mặt đất và vệ tinh là 10o Eb/N0 = 64.1 – 2.0 – 10log(384.6 x 103) = 6.3
Với trường hợp góc ngẩng giữa trạm mặt đất và vệ tinh là 5o Eb/N0 = 61.7 – 2.0 – 10log(384.6 x 103) = 3.8 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Như vậy Eb/N0 phụ thuộc vào tỉ số C/N0.
Từ các kết quả tính toán thông số ở trên ta thu được nhận xét như sau:
Thông qua tính toán các thông số đường truyền vô tuyến của hệ truyền tin trạm mặt đất - vệ tinh nhỏ ở trên ta có thể thấy suy hao trong không gian tự do chiếm phần lớn quỹ đường truyền tuyến lên và tuyến xuống vì vậy khi tính toán thiết kế đường truyền vệ tinh cần tính toán công suất phát của thiết bị đủ lớn đề bù đắp sự suy hao tín hiệu khi truyền từ khoảng cách từ bề mặt đất đến vệ tinh. Mặt khác, để nâng cao chất lượng đường truyền, cách đơn giản dễ thực hiện hơn là sử dụng ăng ten trạm mặt đất có độ tăng ích và công suất bức xạ đẳng hướng tương đương lớn.
39
KẾT LUẬN
Từ phần mềm tính toán các thông số đường truyền được xây dựng, đã khảo sát được các loại suy hao sau: suy hao trong không gian tự do, suy hao do phân cực, tổng suy hao khí quyển. Trong đó, suy hao trong không gian tự do chiếm phần lớn quỹ đường truyền tuyến lên và tuyến xuống vì vậy khi tính toán thiết kế đường truyền vệ tinh cần tính toán công suất phát của thiết bị đủ lớn đề bù đắp sự suy hao tín hiệu khi truyền từ khoảng cách từ bề mặt đất đến vệ tinh Mặt khác, để nâng cao chất lượng đường truyền, cách đơn giản dễ thực hiện hơn là sử dụng ăng ten trạm mặt đất có độ tăng ích và công suất bức xạ đẳng hướng tương đương lớn.
Nhằm duy trì một kênh liên kết thông tin ổn định giữa vệ tinh và trạm mặt đất, phân tích tính toán các thông số đường truyền là một công việc không thể thiếu. Các thông số này thường được tính toán trong các điều kiện xấu nhất. Giá trị độ dự phòng thu được cần phải đạt giá trị dương, giúp đảm bảo đường truyền thông tin liên lạc kết nối giữa vệ tinh và trạm mặt đất luôn hoạt động tốt trong bất cứ điều kiện nào.
Phần mềm tính toán thông số đường truyền được xây dựng có khả năng tính toán quỹ đường truyền TM từ vệ tinh xuống trạm mặt đất và quỹ đường truyền TC từ mặt đất lên vệ tinh. Công cu ̣ tính toán này sẽ giúp việc phân tích các thông số được thực hiện một cách nhanh chóng và chính xác, góp phần duy trì đảm bảo kênh thông tin liên lạc ổn định giữa vệ tinh và trạm mặt đất.
40
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Thái Hồng Nhị (2008), Hệ thống thông tin vệ tinh, NXB Bưu Điện, Hà Nội. [2] Trần Mạnh Tuấn (2007), Công nghệ Vệ tinh, NXB Khoa ho ̣c Kỹ thuâ ̣t , Hà
Nội.
[3] Tài liệu kỹ thuật hệ thống Vnredsat-1, Viện Công nghệ Vũ trụ, Hà nội.
Tiếng Anh
[4] The ITU Radiocommunication Assembly, “Maximum permissible level of off-axis e.i.r.p. density from very small aperture terminals (VSATs)”, Recommendation ITU-R S.728-1, 1995.
[5] The ITU Radiocommunication Assembly, “Propagation data and prediction methods required for the design of Earth-space telecommunication systems”, Recommendation ITU-R P.618-7, 2001.
[6] Bruce A. Blevins, Small Satellite Antennas, http://www.antdevco.com
[7] Aws Al-Qaisi (2012), Signal-To-Noise-Ratio of Signal Acquisition In Global
Navigation Satellite System Receiver, Computer Engineering and Intelligent
Systems, ISSN 2222-1719 (Paper), Vol 3, No.8, 2012 [8] http://dripsproject.com/2010/11/map-of-world-rainfall/
[9] Marcos Arias, Fernando Aguado (2016), Small Satellite Link Budget
Calculation, Universidade de Vigo and CINAE, Santiago de Chile, 2016.
[10] https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/v-w-x-y- z/vnredsat-1.
[11] Randy H. Katz (1996), Mobile Satellite Systems, University of California, BerkeleyBerkeley, CA 94720-1776, 1996.
[12] Enserink, Scott Warren (2012), Analysis and Mitigation of Tropospheric
Effects on Ka Band Satellite Signals, UCLA Electronic Theses and