CÔNG SUẤT – BĂNG THÔNG
Một tuyến vệ tinh được định nghĩa là một kết nối: Trạm mặt đất- Vệ tinh – Trạm mặt đất. Trong đó tuyến trạm mặt đất – vệ tinh được gọi là tuyến lên
(uplink) và tuyến vệ tinh – mặt đất gọi là tuyến xuống (downlink). Thiết kế trạm mặt đất gồm có thiết kế tuyến truyền dẫn (hay link budget) và thiết kế hệ thống truyền dẫn.
Link Budget dùng để xác lập các tài nguyên cần thiết nhằm đạt được mục tiêu hiệu năng. Thiết kết hệ thống truyền dẫn nhằm xác định các thiết bị cần thiết để đáp ứng mục tiêu hiệu năng cho dịch vụ được cấp, như công suất của HPA và nhiễu nhiệt LNA. Trong quá trình phân tích, cần tính toán hợp lí để đạt được cân bằng giữa giá cả và hiệu năng.
Mục tiêu cần đạt được cho các tuyến số gồm có: - BER cho các điều kiện hoạt động thông thường
- Độ khả dụng của tuyến, hay phần trăm thời gian mà tuyến có BER tốt hơn một ngưỡng đã chỉ ra.
Tuyến vệ tinh bao gồm các phần chính:
- Trạm phát mặt đất và các phương tiện cho tuyến lên - Vệ tinh
- Trạm thu mặt đất và các phương tiện cho tuyến xuống
Mục đích của chương này là phân tích quá trình tính toán thiết kế tuyến với các mục tiêu hiệu năng để thấy được mối quan hệ của khách hàng - trạm mặt đất và nhà cung cấp đường truyền – vệ tinh. Các khái niệm suy hao, nhiễu đã được trình bày trong chương 1, ở đây ta chỉ công thức hóa các khái niệm đó.
3.1 CÁC MỐI QUAN HỆ TRONG HỆ THỨC TUYẾN
3.1.1 Đơn vị đo lường
Chúng ta biết dB là đại lượng đại diện cho tỉ số giữa hai đại lượng công suất dB = 10 log10(Po/Pi)
Trong thông tin vô tuyến ta có thêm các khái niệm sau:
- dBi được sử dụng để biểu thị độ lợi của một antenna, có quan hệ với antenna vô hướng
- dBm,dBW: Năng lượng có thể được biểu diễn bằng dB, nhưng phải chỉ rõ đơn vị kèm theo. “dBm” dùng cho đại lượng có đơn vị mW còn “dBW” dùng cho đại lượng có đơn vị là W. Hai đại lượng này có quan hệ như sau:
dBm = dBW+30
- “dBr” là tỉ số công suất biểu thị bằng dB, giữa một điểm cho trước và một điểm khác có liên quan. Bất kỳ đại lượng công suất nào biểu thị bằng dBr không phải là mức độ tuyệt đối, nó chỉ là quan hệ đo lường tương đối.
Ví dụ công suất danh định của một sóng mang là 10dBm. Nhưng trong quá trình hoạt động chỉ nhận được 8.7dBm. Trong trường hợp này, chúng ta nói rằng mức công suất của công suất danh định là -1.3dBr
- “dBm0” là công suất với đơn vị dBm nhưng cho điểm truyền dẫn Zero (0 dBr0)
Ví dụ , tone tín hiệu là -10 dBm0 trong 1 kênh. Nếu kênh truyền dẫn zero là -16dBm, thì mức tuyệt đối của tone tín hiệu là -26dBm
- “dBm0p” là công suất nhiễu trong dBmo, được đo bởi một psophometer.
Ví dụ: Nếu một psophometer kết nối tới một điểm 8dBm chỉ một mức xuyên kênh -44dBm, biểu diễn bằng dBm0p sẽ là:
-44 dBm – (+8 dBm) = -52 dBm0p
Khái niêm decibel được mở rộng cho phép tỷ số của bất kỳ hai đại lượng nào có cùng đơn vị đều được biểu thị bằng dB. Ví dụ, hai nhiệt độ T1 và T2 được biểu diễn là 10 log (T1/T2). Nếu nhiệt độ dùng đơn vị Kelvin (oK) thì đơn vị của tỉ số này là dBK.
Ví dụ: nhiệt độ môi trường là 290oK đổi qua dB sẽ là: 10 log(290/1) = 24.64 dBK
Một ví dụ khác là băng thông 36MHz: 10 log(36000000/1) = 75.56 dBHz
Các đơn vị có thể được thêm vào trực tiếp, thậm chí khác nhau về đơn vị. Nếu một công suất 34dBW được truyền qua một mạch có tổn hao 20db, thế thì công suất thu được sẽ là: Pr = 34dBW – 20 dB = 14 dBW
Thỉnh thoảng, các loại khác nhau tỉ số khác nhau cũng được biểu diễn, ví dụ như đại lượng hệ số phẩm chất: G/T trong một hệ thống thu. Biểu diễn qua đơn vị dB sẽ là:
G/TdB/K = GdBi – TdBK Đơn vị của G/T là dB/oK
Một ví dụ khác là tỉ số Eb/No, (tỉ số năng lượng bit trên nhiễu) Eb/NodB= C/NdB-Hz- 10log (data rate)dB-Hz
Việc tính toán với đơn vị dB rất hay xảy ra những lỗi đơn giản nếu không chú ý. Ví dụ, hai sóng mang được phát qua bộ HPA, công suất ra của mỗi sóng mang là +11.5dBW, thế thì công suất tổng của chúng là +14.5dBW (chứ không phải +23dBW). Điều này là do các công suất được cộng theo giá trị tuyệt đối, do vậy phải đổi ra giá trị tuyệt đối trước khi cộng, sau đó mới chuyển lại về dB.
Quan hệ giữa giá trị tuyệt đối với giá trị quy đổi dB theo công thức: A = 10R/10
Trong đó: A là giá trị tuyệt đối, R là tỉ số với đơn vị dB. Do vậy, công suất tổng được tính như sau:
Pt = 10*log(10(P1/10) + 10(P2/10))
3.1.2 Quan hệ Sóng mang – Nhiễu
Mối quan hệ cơ bản sóng mang / nhiễu trong một hệ thống xác lập hiệu năng truyền dẫn của dải RF trong hệ thống, và được định nghĩa bởi công suất sóng mang nhận so với nhiễu tại đầu vào bộ thu.
Ví dụ, Tỉ số sóng mang trên nhiễu nhiệt là: C/N = C- 10log(kTB) Trong đó:
C = Công suất thu tính bằng dBm k = Hằng số Boltzman,
B = Băng thông nhiễu (băng thông chiếm giữ) đo bằng Hz T = Nhiệt độ tuyệt đối của hệ thống thu, tính bằng độ K
3.1.3 Hệ thức tuyến
C/N = EIRP – L + G – 10 logkTB Trong đó:
EIRP = Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (dBW) L = Suy hao truyền dẫn (dB)
G = Độ lợi Antenna thu (dB)
Ba khái niệm đầu cho công suất sóng mang, khái niệm sau cùng là công suất nhiễu của hệ thống thu. Hệ thức tuyến được dùng cho cả tuyến lên và tuyến xuống.
Suy hao truyền dẫn được định nghĩa bao gồm suy hao không gian tự do cùng với các suy hao đường truyền khác.
3.2. Hệ số tăng ích anten (G - Gain)
Hệ số tăng ích (độ lợi) của anten là một thông số quan trọng, quyết định không những chất lượng của
anten mà cả chất lượng và quy mô của trạm mặt đất.
Ta có hệ số tăng ích của anten được cho bởi công thức sau: G
dBi = 10log η + 20log d + 20log f + 20.4
dB
Hệ số tăng ích của anten có diện tích bề mặt 1m2 với hiệu suất 100% là: G 1m 2 dBi = 20log f + 20.4 dB Trong đó:
η là hiệu suất của anten (giá trị điển hình là 0.55 đến 0.75) d (m) là đường kính của anten.
f (GHz) là tần số làm việc. 20.4
dB là hằng số được tính từ 10log(1*109*π/c).
Phương trình trên chỉ ra rằng kích thước anten càng lớn thì hệ số tăng ích của anten càng lớn và nếu tần số làm việc thay đổi thì hệ số tăng ích của anten cũng thay đổi. Các anten giống nhau thì hệ số tăng ích của đường truyền tuyến lên sẽ lớn hơn hệ số tăng ích của đường truyền tuyến xuống cho băng C và K
U.
3.3. Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP)
Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP – Equivalent Isotropic Radiated Power) được định nghĩa là tích số của công suất đầu vào anten và hệ số tăng ích của anten đó và có giá trị tính bởi công thức:
EIRP = P TG T (W) [6] Hoặc tính theo dBW: EIRP dBW = 10log P T + G T dBi Trong đó: P
T (W) là công suất đầu vào anten. G
T dBi (dBi) là hệ số tăng ích của anten phát.
Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) phải được điều chỉnh chính xác, bởi vì EIRP lớn sẽ là nguyên nhân gây nhiễu cùng kênh và nhiễu kênh lân cận của các sóng mang; ngược lại EIRP nhỏ sẽ làm giảm chất lượng của các dịch vụ.
3.4. Suy hao đường truyền
3.4.1. Suy hao trong không gian tự do
Nếu một anten đẳng hướng bức xạ một công suất P
T thì chùm công suất này sẽ trải ra có hình dạng như là một mặt cầu với anten là tâm. Công suất tạo bởi vùng bề mặt đó tại một khoảng cách D sẽ được tính theo công thức sau:
W = P
T/4πD2 (W/m2)
Với một anten phát tập trung năng lượng (khi có hệ số tăng ích của anten) thay đổi theo phương trình: