ch−ơng 2 : tính tốn tuyến thơng tin vệ tinh
2.3. Cơng suất tín hiệu thu
2.3.1. Công suất anten thu nhận đ−ợc
Một anten thu có diện tích hiệu Ahd đặt cách anten phát một khoảng R, nh− chỉ ra trên hình 2.6, sẽ nhận đ−ợc cơng suất:
Ahd Khoảng cách R PR PT GT GR Hình 2.6 PR = ΦAhd = (PT.GT/4πR2).Ahd (W) (2.15) Diện tích hiệu dụng của anten đ−ợc biểu thị qua hệ số tăng ích của anten thu GR bằng:
Ahd = GR/(4π/λ2) (m2) (2.16) Vì vậy công suất anten thu nhận đ−ợc sẽ là:
PR = (PT.GT/4πR2).GR/(4π/λ2)
= (PT.GT)(λ/ 4πR)2. GR (2.17) = (PT.GT)(1/LFS).GR (W)
Trong đó LFS = (4πR/λ)2 đ−ợc gọi là tổn hao không gian tự do, biểu thị cho tỷ số của công suất phát ra từ anten phát trên công suất anten thu nhận đ−ợc, trong một tuyến thông tin khi hai anten là vơ h−ớng. Đồ thị hình 2.7 chỉ ra sự phụ thuộc của suy hao không gian tự do LFS ở cực ly R0 = 35.786 km bằng độ cao bay của vệ tinh địa tĩnh. LFS trong tr−ờng hợp này vào khoảng 200 dB. Với bất kỳ một trạm mà vị trí của nó đ−ợc xác định bởi vĩ độ φ và kinh độ λ có mối quan hệ tới vệ tinh địa tĩnh , giá trị của LFS cho bởi đồ thị hình 2.7 cần phải đ−ợc điều chỉnh bởi tỷ số (R/R0)2 , do đó:
LFS = (4πR/λ)2= ((4πR0/λ)2. (R/R0)2 = LFS(R0) (R/R0)2. (2.18) Trong đó (R/R0)2 = 0,42(1 - cosφ.cosλ). Giá trị (R/R0)2 ở giữa 1 và 1,356 (0 đến 1,3 dB).
Điều khiển tốc độ và cơng suất thích nghi trong thơng tin vệ tinh băng Ka 1 5 1 0 5 0 T ầ n s ố ( G H z ) LF S( d B ) 2 1 0 2 0 0 1 9 0 1 8 0
Hình 2.7: Suy hao trong khơng gian tự do
2.3.2. Tr−ờng hợp thực tế
Trong thực tế cần phải tính đến các tổn hao phụ do các nguyên nhân khác nhau gây ra, đó là:
- Suy hao trong khí quyển thực - Suy hao trong thiết bị thu, phát
- Suy hao phân cực do mất đồng bộ giữa hai anten thu và phát - Mất mát do không phối hợp phân cực.
2.3.2.1. Suy hao trong khí quyển thực.
Suy hao trong khí quyển biểu thị bằng LA do các chất khí có trong tầng đối l−u, phân tử n−ớc, mây, m−a, băng tuyết và trong tầng điện ly nh− mật độ điện tử, ion gây ra. Định l−ợng các ảnh h−ởng này sẽ đ−ợc trình bày ở phần sau của ch−ơng này. Lúc đó mất mát đ−ờng truyền sẽ là:
L = LFS.LA (2.19)
2.3.2.2. Suy hao trong thiết bị thu, phát.
Hình 2.8 mơ tả các suy hao này.
TX LFTX LFRX RX Mất mát Fide Mất mát Fide PTX PT PR GT GR L
Điều khiển tốc độ và công suất thích nghi trong thơng tin vệ tinh băng Ka
Suy hao trên fide phát LFTX do thiết bị tiếp sóng cho anten phát nối từ đầu ra máy phát đến đầu vào anten. Vì vậy để cấp cho anten một cơng suất PT thì cơng suất ra của máy phát là PTX, có quan hệ:
PTX = PT LFTX (W) (2.20)
Nếu biểu thị EIRP qua cơng suất ra của máy phát thì:
EIRP = PTGT = (PTXGT)/LFTX (W) (2.21) Tổn hao trên fide thu LFRX nối giữa anten thu và đầu vào máy thu, cơng suất tín hiệu đầu vào máy thu bằng:
PRX = PR/LRX (W) (2.22)
2.3.2.3. Mất mát do đặt lệch h−ớng giữa các anten.
Hình 2.9 chỉ ra sự lệch h−ớng giữa hai anten, làm giảm hệ số tăng ích của anten gây ra một suy hao do lệch h−ớng là LT ở phía anten phát và LR ở phía anten thu. Mất mát này là một hàm của góc lệch phát αT và góc lệch thu αR đ−ợc xác định bởi cơng thức 2.8. Nếu tính theo dB thì:
LT = 12(αT/θ3dB)2 (dB) LR = 12(αR/θ3dB)2 (dB) (2.23) L GT GR PT P R
Anten phát Anten thu
Góc lệch αT αR
Hình 2.9: Góc lệch h−ớng giữa 2 anten thu và phát
2.3.2.4. Suy hao do không phối hợp phân cực
Suy hao do lệch phân cực LPOL cũng cần đ−ợc tính đến. Khi anten thu khơng đặt song song với phân cực của sóng thu khi phân cực thẳng. Với phân cực trịn, sóng phát đi có phân cực trịn chỉ ở h−ớng trục anten (h−ớng cực đại), và có phân cực êlíp khi lệch khỏi h−ớng trục. Sự truyền lan sóng qua khí quyển cũng có thể làm thay đổi phân cực trịn thành phân cực êlíp. Nếu là
Điều khiển tốc độ và cơng suất thích nghi trong thơng tin vệ tinh băng Ka
phân cực thẳng có thể bị quay mặt phẳng phân cực. Nh− vậy mặt phẳng phân cực phía thu khác với phía phát phát đi. Nếu mặt phẳng phan cực quay một góc γ , thì suy hao do lệch phân cực LPOL = 20lgcosγ (dB). Trong tr−ờng hợp một anten phân cực trịn thu sóng phân cực phẳng LPOL có giá trị bằng 3 dB.
Kết hợp tất cả các nguyên nhân suy hao, theo cơng thức 2.17, cơng suất tín hiệu đầu vào máy thu trong tr−ờng hợp này bằng:
PRX = (PTXGTmax/LTLTFX)(1/LFSLA)(GRmax/LRLFRXLPOL) (W) (2.24)
2.3.3. Kết luận
Biểu thức 2.17 và 2.24 biểu thị cơng suất tín hiệu ở đầu vào máy thu có dạng giống nhau; chúng đ−ợc thiết lập từ ba hệ số:
- Thứ nhất EIRP đặc tr−ng cho thiết bị phát
- Thứ hai (1/L), đặc tr−ng cho môi tr−ờng truyền dẫn
- Thứ ba (hệ số tăng ích của máy thu), đặc tr−ng cho thiết bị thu
- Trong tr−ờng hợp phức tạp nhất nh− công thức 2.24, các hệ số này là: EIRP = (PTXGTmax/LTLTFX) (W) (2.25) Biểu thức chỉ ra việc tính tốn suy hao LFTX giữa đầu ra bộ khuếch đại cơng suất và anten, suy hao hệ số tăng ích của anten LT do lệch h−ớng của anten phát.
1/L = 1/LFSLA (2.26)
Suy hao đ−ờng truyền L tính đến suy hao khơng gian tự do LFS và suy hao trong khí quyển thực LA
- Hệ số tăng ích của anten thu G = GRmax/LR.LRRXLPOL
Chỉ ra suy hao giữa anten thu và máy thu LFRX, suy hao do lệch h−ớng anten thu LR, và suy hao do không phối hợp phân cực PPOL.