Tính toán dự trữ tuyến có tính đến các tổn hao khác

Các tổn hao khác

Đường truyền sóng trong thực tế phải tính toán đến các dạng tổn hao khác ngoài tổn hao truyền sóng trong không gian tự do, đó là các da ̣ng tổn hao:

- Tổn hao sóng do hấp thu ̣ và ảnh hưởng của tầng khí quyển . - Tổn hao bên trong nô ̣i bô ̣ thiết bi ̣ phát và thiết bi ̣ thu.

- Tổn hao do sự không đồng tru ̣c của anten phát và anten thu. - Tổn hao do phân cực sóng.

Nếu tính đến các tổn hao đó thì khi tính toán , công suất ta ̣i điểm thu sẽ được biểu thi ̣ theo biểu thức [1]:

 max / L 1/ L  max/ 

R TX T T FTX FS A R R FRX POL

P  P G L L G L L L (W) (21)

Trong đó:

LTLFTX là tổn hao ở phía nội bộ máy phát và đường cấp điện phi đơ phát . LFSLA là tổn hao trong không gian tự do và tổn hao khí quyển

LRLFRX là tổn hao ở phía bộ máy thu và tổn hao phi đo anten thu .

2.4Công suất tạp âm và đánh giá chất lƣợng đƣờng truyền 2.4.1.Tạp âm trên tuyến thông tin vệ tinh

Tạp âm là một dạng tín hiệu không chứa nội dung thông tin được trộn lẫn vào tín hiệu. Nó làm giảm độ chính xác của việc phục hồi nội dung thông tin tại máy thu. Nguồn gây ra tạp âm có thể là:

- Tạp âm được phát ra từ những nguồn bức xạ tự nhiên trong vùng thu sóng của ăng ten.

- Tạp âm được tạo ra bởi các thành phần điện tử trong bản thân thiết bị.

Các tín hiệu từ máy phát khác mà không phải là thông tin cần truyền cũng được coi là tạp âm, tạp âm này được gọi là nhiễu.

26

Công suất tạp âm gây hại là những nguồn công suất tạp âm xuất hiện trong độ rộng dải tần của tín hiệu hữu ích. Thông thường sự xuất hiện đó được xem xét ở phía máy thu. Dạng tạp âm thường xuất hiện nhiều nhất là tạp âm trắng, có mật độ phổ công suất N0 (W/Hz) và có mức đồng đều trong băng tần. Trong thực tế tạp âm trắng không phải có mật độ phổ công suất là hằng số.

Tạp âm nhiệt

Là tạp âm của bản thân thiết bị. Công suất tạp âm nhiệt được tạo ra bởi một thiết bị cụ thể được biểu thị bởi biểu thức:

N = kTB (W) (22)

Trong đó k = 1.38.10-23 J/K hoặc k = -228.6 dBW/K/Hz là hằng số Bolzmann T là nhiệt độ tạp âm của thiết bị (độ K)

B là độ rộng băng tần (Hz)

Tạp âm từ mặt đất

Nhiệt độ tạp âm của ăng ten của một trạm mặt đất là do sự hỗn hợp của hai nguồn tạp âm: tạp âm vũ trụ Tkg và tạp âm do ăng ten thu các tín hiệu không mong muốn từ vùng xung quanh Tmt:

Ta = Tkg + Tmt.K (23)

Các nguồn tạp âm không mong muốn thường được biểu diễn dưới dạng nhiệt độ chói Tch. Như vậy nhiệt độ tạp âm của ăng ten là sự chồng nhau của độ lợi ăng ten và nhiệt độ chói [1]:

    2 0 0 1 , , , ( ) 4 a ch T G T d K            (24)

Trong đó Tch , là nhiệt độ chói (K) của một vật thể bức xạ theo hướng

 , .

 , 

G   là đặc trưng cho độ lợi ăng ten ở góc ngẩng  và góc phương vị .

d là góc đầy phần tử theo hướng .

Các nguồn tạp âm không gian là mặt trời, mặt trăng, hấp thụ của ô xi, của hơi nước và mưa. Mặt trời có nhiệt độ trên 10000K ở tần số dưới 10GHz và do đó ăng ten các trạm mặt đất thường tránh hướng về mặt trời. Mặt trăng có nhiệt độ chói

27

khoảng 200K. Tạp âm nền vũ trụ có giá trị khoảng 3K và không phụ thuộc vào tần số.

Các nguồn quan trọng nhất của tạp âm không gian là hấp thụ do các chất khí và do mưa trong tầng khí quyển. Việc tăng giảm nhiệt độ tạp có quan hệ với tần số và góc ngẩng. Khi tính toán trong điều kiện trời trong, nhiệt độ tạp âm có giá trị trong khoảng 15 – 30 K ở tần số từ 4 – 11 GHz ở góc ngẩng 100.

Tạp âm từ mặt đất là do việc thu các tín hiệu không mong muốn thông qua các múi phụ của ăng ten và một phần tử múi chính của ăng ten. Điều đó yêu cầu phải cân nhắc, khi ăng ten làm việc với vệ tinh ở góc ngẩng thấp (nhỏ), nhỏ hơn 100. Nếu góc ngẩng của ăng ten tăng thì cường độ của nhiệt độ mặt đất tác động đến nhiệt dộ tạp âm ăng ten cũng sẽ giảm đáng kể.

2.4.2.Chất lƣợng đƣờng truyền vệ tinh

Chất lượng đường truyền vệ tinh – mặt đất được đánh giá qua hai thông số sau: tỉ số công suất sóng mang trên công suất tạp âm C/N0 và tỉ số năng lượng Bit trên mật độ tạp âm Eb/N0.

Tỉ số công suất sóng mang trên công suất tạp âm

Tỉ số công suất sóng mang trên công suất tạp âm được tính theo biểu thức [2]: 1 1 4 R T T p G C P G N T R kB A          (25)

Hoặc biểu thị dưới dạng dB:   0 4 10lg T T 20lg 10lg 10lg p 10lg ( ) C R G P G A kB dBWHz N T                  (26) Trong đó: 0

N là mật độ công suất tạp âm và có giá trị bằng N – 10lg(B) tính về một phía.

10lgAp đặc trưng cho tổn hao khí quyển.

28

Người ta sử dụng khái niệm tỉ số năng lượng Bit trên mật độ tạp âm Eb/N0 để đo khả năng phục hồi dữ liệu khi có nhiễu. Tỉ số này càng lớn thì BER (Bit Error Rate: tỉ lệ bit lỗi) càng nhỏ [2].

0 .Eb

S R

N  B N (27)

Nếu băng tần để truyền được một bit rộng 1Hz thì:

S/N = Eb/N0 (28) 0 1 10lg C C N  N  B (29) inf 0 0 10lgR 10lg b noise E C B N  N   (30) Trong đó:

B: băng thông truyền dữ liệu tốc độ bit R (b/s). Bnoise: băng thông nhiễu của kênh.

Rinf: tốc độ tín hiệu.

C: công suất sóng mang tại đầu vào (W). Eb: năng lượng trên bit.

29

Chƣơng 3 - XÂY DƢ̣NG PHẦN MỀM TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ ĐƢỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN

Các thông số đường truyền vô tuyến giữa trạm mặt đất và một vệ tinh nhỏ cần tính toán đó là: Tổng suy hao khí quyển, suy hao trong không gian tự do, suy hao do phân cực, độ tăng ích của ăng ten, công suất bức xạ đẳng hướng tương đương, công suất thu, tỉ số công suất sóng mang trên công suất tạp âm và tỉ số năng lượng Bit trên mật độ tạp âm. Với trường hợp cụ thể trong luận văn này là tính toán và đánh giá đường truyền vô tuyến giữa trạm mặt đất Hoà lạc, Hà Nội: 105.54° E & 21.01° N và vệ tinh nhỏ Vnredsat-1 của Việt nam.

Để tính toán và đánh giá các thông số đường truyền, ta cần tính: suy hao khí quyển, suy hao phân cực, độ tăng ích của ăng ten, công suất bức xạ đẳng hướng tương đương EIRP, công suất thu. Để đánh giá chất lượng đường truyền ta cần tính toán tỉ số công suất sóng mang trên công suất tạp âm và tỉ số năng lượng Bit trên mật độ tạp âm với các thông số đầu vào và lưu đồ thuật toán được biểu diễn dưới hình sau:

30

Phần mềm tính toán các thông số đường truyền vô tuyến được xây dựng trên cở sở ngôn ngữ lâ ̣p trình Matlab , là một ngôn ngữ bậc cao, có số lượng các hàm trong và ngoài rất lớn cho phép viết chương trình rất ngắn. Các hoạt động tính toán trong Matlab dựa trên cấu trúc dữ liệu đơn hay ma trâ ̣n với c ú pháp đơn giản, chương trình dễ vi ết hơn các ngôn ngữ lập trình bậc cao hoặc các chương trình đại số máy tính khác. Matlab còn là một ngôn ngữ dịch, tất cả các lệnh có thể được thực hiện trực tiếp và được bổ sung thêm các toolbox cho Matlab khả năng đồ hoạ mạnh và dễ dàng kết hợp với các tính toán số. Ngoài ra, Matlab cho phép ghép nối với các hàm viết bằng ngôn ngữ C và Fortran và có thể dịch để chạy độc lập ngoài môi trường MatLab. Vì vậy, đây là mô ̣t ngôn ngữ lâ ̣p trình dễ phát triển các ứng dụng trên các lĩnh vực khoa học và công nghệ riêng.

3.1 Các thông số đầu vào

- 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

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

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

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