CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN ĐƯỜNG TRUYỀN THÔNG TIN VỆ TINH KHI CÓ NHIỄU
3.3 Các suy hao ảnh hưởng tới chất lượng truyền dẫn
Đối với vệ tinh địa tĩnh ở độ cao 35.768km, cự ly thông tin cho một tuyến lên hay một tuyến xuống gần nhất là 35.768km. Do cự ly truyền sóng trong thông tin vệ tinh khá lớn nên suy hao trong không gian tự do là đáng kể và thường là lớn nhất.
L0 =
L0 gọi là suy hao trong không gian tự do và biểu thị cho tỷ số công suất phát và công suất thu trong một tuyến thông tin giữa hai anten vô hướng. Trong đó :
D là khoảng cách của tuyến lên hoặc xuống λ là bước sóng của sóng vô tuyến.
Từ đó ta thấy giá trị của L0 phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai anten vô hướng D(km) và tần số f(GHz).
Nếu tính L0 theo dB ta có
L0 dB = 10 lg = 10 lg = 20 lg [3-21]
Suy hao trong không gian tự do của tuyến lên hay xuống khi công tác ở băng tần C (6/4 GHz) vào khoảng 200 dB. Khi tính tới suy hao do không gian tự do, để đảm bảo máy thu nhận được một tín hiệu đủ lớn cỡ -90 dBm đến -60 dBm, người ta sử dụng anten có đường kính lớn hàng chục mét để có hệ số tăng ích lớn (~ 60dB) và máy phát có công suất lớn đến hàng trăm đến hàng ngàn W.
Xét trường hợp một máy phát có công suất bức xạ là 100 W cho mỗi sóng mang, làm việc ở băng tần C (6/4 GHz). Nếu chỉ tính đến suy hao do không gian tự do là 200 dB thì công suất thu được ở sóng mang đó sẽ là
PRx = = 10-18(W) = 10-15 (mW)
PRx = 10log100 – 200 = -180 (dBW) = -150 (dBm)
Với công suất nhỏ như vậy thì máy thu rất khó thu được tín hiệu, để có được công suất đầu vào máy thu khoảng -70 dBm thì ta phải sử dụng anten phát và thu có hệ số tăng ích lớn. Nếu hệ số tăng ích của anten trạm mặt đất là GR = 50dB thì anten thu trên vệ tinh có hệ số tăng ích GT = 30 dB.
Ngoài suy hao của không gian tự do, trên thực tế còn có các suy hao khác, tuy không lớn bằng suy hao trong không gian tự do nhưng khi tính toán vẫn cần phải kể đến.
3.3.2 Suy hao do tầng đối lưu
Tầng đối lưu là lớp khí quyển nằm sát mặt đất lên đến độ cao (10km- 15km) (theo quy định của tầng đối lưu tiêu chuẩn), bao gồm các chất khí chính hấp thụ sóng gây ra suy hao như hơi nước, Oxy, Ozon, Cacbonic. Suy hao này phụ thuộc nhiều vào tần số và góc ngẩng của anten và chỉ đáng kể khi tần số công tác từ 10GHz trở lên, nghĩa là khi công tác ở băng Ku (14/12GHz) hay băng Ka (30/20GHz). Anten có góc ngẩng càng lớn thì suy hao tầng đối lưu
càng nhỏ, do đường truyền của sóng trong tầng đối lưu càng ngắn. Tại các tần số 21GHz và 60GHz có các suy hao cực đại, đó là do sự cộng hưởng hấp thụ đối với các phân tử hơi nước và Oxy.
3.3.3 Suy hao do tầng điện ly
Tầng điện ly là lớp khí quyển nằm ở độ cao khoảng 60 km đến 400 km, do bị ion hóa mạnh nên lớp khí quyển ở độ cao này bao gồm chủ yếu là các điện tử tự do, các ion âm và dương nên được gọi là tầng điện ly. Sự hấp thụ sóng trong tầng điện ly giảm khi tần số tăng, ở tần số trên 600 MHz thì sự hấp thụ không đáng kể.
3.3.4 Suy hao do mưa
Suy hao do các điều kiện thời tiết như mây, mưa, sương mù, suy hao này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cường độ mưa hay sương mù, vào tần số, vào chiều dài quãng đường đi của sóng trong mưa, chiều dài này phụ thuộc vào góc ngẩng anten. Khi góc ngẩng tăng, suy hao giảm, với góc ngẩng anten khoảng 400 trở lên thì Suy hao không đáng kể, lúc đó suy hao do mưa khoảng 0,6 dB, suy hao do sương mù khoảng 0,2dB, còn suy hao trong các chất khí rất nhỏ có thể bỏ qua. Nói chung khi tần số và cường độ mưa tăng thì suy hao tăng nhanh, đặc biệt trong khoảng tần số từ 10GHz đến 100GHz.
Như đã nói ở trên, giá trị suy hao do mưa Lmưa được xác định bởi giá trị hệ số suy hao cụ thể γR (dB/km) và chiều dài của đoạn đường thực tế sóng đi trong mưa lmưa . Như vậy ta có :
Lmưa = lmưa . γR [3-22]
Giá trị γR phụ thuộc vào tần số và cường độ mưa Rp (mm/h). Các giá trị điển hình của suy hao do mưa vượt quá 0.01% của một năm trung bình (với R0.01 ~ 30-50 mm/h) là khoảng 0.1 dB ở 4 GHz; từ 5÷10 dB ở 12 GHz; từ 10÷20 dB ở 20 GHz và từ 25÷40 dB ở 30 GHz.
le là chiều dài thực tế sóng đi qua vùng mưa (km), phụ thuộc vào góc ngẩng anten, độ cao anten và được xác định theo công thức
với hm là độ cao của cơn mưa (km), theo khuyến nghị 564 của CCIR ở vĩ độ từ 00 đến 560 lấy hm = 3 0.028 (km).
hs là độ cao anten trạm mặt đất so với mực nước biển (km) E là góc ngẩng anten (độ)
3.3.5 Suy hao do các hiện tượng khí hậu khác
Suy hao do các chất khí trong khí quyển phụ thuộc vào tần số, góc ngẩng, độ cao đặt trạm và nồng độ hơi nước. Nó không đáng kể ở các tần số nhỏ hơn 10 GHz và không vượt quá 1-2 dB ở tần số 22 GHz ( tần số tương ứng với dải hấp thụ hơi nước) với độ ẩm trung bình của khí quyển và góc ngẩng lớn hơn 100 . Bảng dưới đây mô tả sự suy giảm của khí quyển theo tần số :
Độ Suy hao khí quyển(dB/km) Tần số (GHz)
0.25 2 <f< 5
0.33 5 <f< 10
0.53 10 <f< 13
0.73 13 < f
Suy hao bởi bão cát : Suy hao cụ thể tỷ lệ nghịch với tầm nhìn và phụ thuộc vào độ ẩm của hạt cát. Ở 14 GHz là 0.03 dB/km với các hạt khô và 0.65 dB/km với các hạ có độ ẩm 20%. Nếu độ dài đoạn đường trong bão cát là 3 km thì suy hao có thể tới 1 – 2 dB.
3.3.6 Sự phân cực
Sóng điện từ bao giờ cũng có thành phần điện trường và một thành phần từ trường có hướng vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng.
Theo quy ước, phân cực của sóng được định nghĩa bởi hướng của vecto cường độ điện trường. Nói chung hướng của điện trường không cố định và biên độ của nó cũng không phải hằng số. Khi truyền sóng điện từ, đầu mút của vecto cường độ điện trường vạch ra một hình elip do đó gọi là phân cực elip.
Suy hao do phân cực không đối xứng xảy ra khi anten thu không đúng hướng với sự phân cực của sóng nhận. Vớí đường truyền phân cực tròn, sóng phát chỉ được phân cực tròn trên trục anten phát và nó sẽ trở thành elip khi ra khỏi trục
anten đó. Khi truyền qua bầu khí quyển cũng có thể làm thay đổi phân cực tròn thành phân cực elip. Còn trong đường truyền phân cực thẳng thì sóng có thể bị quay mặt phẳng phân cực của nó khi đường truyền đi qua khí quyển, do đó anten thu không còn mặt phẳng phân cực của sóng đứng và sóng tới. Suy hao do lệch phân cực thường chỉ 0,1dB.
a.Phân cực do các tinh thể băng
Các đám mây băng gần với vùng nhiệt độ 00 C cũng gây ra phân cực. Tuy nhiên, khác với mưa và nồng độ hơi nước khác, ảnh hưởng này không kèm theo suy hao. Nó gây ra giảm giá trị độ phân cực chéo đi một lượng Cice = 0.3 +0.1 log(p).
Trong đó p là phần trăm thời gian. Thực tế giảm khoảng 2 dB với p=0.01 % b. Hiệu ứng phân cực Faraday
Tầng điện ly làm cho mặt phẳng phân cực của sóng phân cực đường thẳng bị quay. Góc quay tỷ lệ nghịch với bình phương tần số. Nó là một hàm của mật độ điện tử tầng điện ly và biến đổi liên tục theo thời gian, mùa và chu kỳ mặt trời. Có độ lớn một hoặc vài độ ở tần số 4 GHz. Vì các thay đổi tuần hoàn có thể dựđoán trước, ảnh hưởng này có thể bù đắp bằng việc quay hợp lý phân cực anten. Tuy nhiên, một vài đột biến (ví dụ như bão địa từ) là hiện tượng đột biến và không thể dự đoán trước được. Kết quả với % thời gian nhỏ có suy hao LPOL = 20 log cos(γ) (dB) của tín hiệu thu và xuất hiện thành phần phân cực chéo làm giảm giá trị độ phân cực chéo XPD. Với góc quay γ, giá trị XPD cho bởi XPD(dB) = 20 log(tanγ). Trường hợp góc quay 90 ở tần số 4 GHz cho LPOL = 0.1dB và XPD = 16 dB.
c. Sự khúc xạ tia sóng
Trong tầng đối lưu và tầng điện ly có hệ số khúc xạ khác nhau. Hệ số khúc xạ của tầng đối lưu giảm theo độ cao, là một hàm của điều kiện khí tượng và không phụ thuộc vào tần số. Với tầng điện ly hệ số khúc xạ phụ thuộc vào tần số và mật độ điện tử. Cả hai đều biến đổi bất thường nhanh. Ảnh hưởng khúc xạ
sóng phát đi. Hầu hết các hiện tượng gây ra do sự thăng giáng của tầng điện ly;
nó lớn hơn khi tần số thấp và trạm mặt đất ở gần xích đạo. Tín hiệu thu biến đổi về biên độ và biên độđỉnh đến đỉnh ở tần số 11GHz và vĩ độ trung bình có thể vượt quá 1dB trong 0.01% thời gian. Các hiện tượng chỉđáng kể khi góc ngẩng thấp (< 100) hoặc khi sóng mang được sử dụng.
d. Hiệu ứng đa đường
Khi anten trạm mặt đất nhỏ vì vậy có búp sóng với độ rộng búp sóng lớn tín hiệu thu có thể là một tia sóng thu trực tiếp và một tia phản xạ từ mặt đất hoặc từ các chướng ngại vật xung quanh. Trong trường hợp các tia giao thoa (có pha ngược nhau) có một suy hao lớn. Ảnh hưởng này không đáng kể khi trạm mặt đất có anten tính hướng đủ cao để loại trừ sóng phản xạ từ mặt đất.
3.3.7 Suy hao do đặt anten chưa đúng
Khi anten phát và thu lệch nhau thì sẽ tạo ra suy hao vì búp chính của anten thu hướng không đúng chùm tia phát xạ của anten phát. Thường thì suy hao do đặt anten chưa đúng từ 0,8 đến 1 dB.
3.3.8 Suy hao trong thiết bị phát/thu
Suy hao trong thiết bị phát và thu đôi khi còn gọi là suy hao do hệ thống phi-đơ, có hai loại như sau : Suy hao LFTX giữa máy phát và anten, để anten phát được công suất PT cần phải cấp một công suất PTX ở đầu ra của bộ khuếch đại phát, do đó :
PT = PTX – LFTX [dB]
Suy hao LFRX giữa anten và máy thu, công suất PRX ở đầu vào máy thu bằng : PR = PRX – LFRX [dB]
Trong các hệ thống vệ tinh hiện nay, để đơn giản thường lấy hệ số tổn hao phi-đơ LFRX = LFTX = 2 dB.
Vậy LFRX = LFTX = 10-0.2 (lần) 3.3.9 Trễ truyền dẫn
Trong thông tin vệ tinh, hiện tượng trễ tín hiệu xảy ra khi cự ly thông tin quá dài, vì toàn bộ đường truyền sóng của tuyến lên và xuống là hơn 72.000km, gây ra sự trễ tín hiệu lên đến 250ms. Thực tế thời gian trễ 500 ms sẽ gây ảnh
hưởng rõ rệt đến chất lượng thoại. Do đó nên giảm trễ truyền dẫn vì sẽ làm tăng tổng thời gian trễ từ trạm phát tới trạm thu, gây ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ cung cấp. Đối với các dịch vụ truyền số liệu khác, thời gian trễ truyền dẫn cao cũng làm giảm chất lượng dịch vụ.
3.4 Các biện pháp nâng cao chất lƣợng dịch vụ 3.4.1 Bù hiệu ứng phân cực
Phương pháp bù hiệu ứng phân cực dựa vào sự thay đổi đặc tính phân cực của trạm mặt đất. Quá trình bù được thực hiện như sau:
- Đối với tuyến lên, hiệu chỉnh phân cực của anten phát bằng dự đoán trước sao cho sóng đến phù hợp với anten vệ tinh.
- Đối với tuyến xuống, điều chỉnh phân cực anten phù hợp với sóng thu.
3.4.2 Bù suy hao
Ở đây đặt ra bài toán đưa ra một tỷ số C/N0 lớn hơn hoặc bằng (C/N0 )yêu cầu trong suốt phần trăm thời gian (100 – p)%. Suy hao Lmưa do mưa làm giảm tỷ số C/N0 theo công thức
Tuyến lên : (C/N0) mưa = (C/N0)trời trong - Lmưa (dBHz)
Tuyến xuống : (C/N0) mưa = (C/N0)trời trong - Lmưa (dBHz) -∆(G/T) (dBHz)
∆(G/T) = ∆(G/T)trời trong – (G/T)mưa (dB) đặc trưng cho việc giảm của hệ số phẩm chất trạm mặt đất do tăng nhiệt tạp âm.
Để đạt được yêu cầu đặt ra cần đạt được (C/N0)Rain = (C/N0)yêu cầu . Điều này có thể đạt được nhờ dự trữ pha đinh M(p) cho bởi
M(p) = (C/N0)trời trong – (C/N0)yêu cầu
= (C/N0)trời trong – (C/N0)mưa
Giá trị Lmưa được sử dụng như là hàm của phần trăm thời gian p, chúng tăng khi p giảm. Đưa ra độ dự trữ pha đinh M(p) ở điều kiện trời trong đòi hỏi tăng EIRP nghĩa là yêu cầu tăng công suất phát. Đối với suy hao cao, công suất cần thiết thêm vào có thể vượt quá năng lực của thiết bị phát.
3.4.3 Biện pháp thích ứng
Thích ứng cần phải thay đổi một ít các thông số của tuyến trong khoảng thời gian suy hao bằng cách duy trì các giá trị yêu cầu của tỷ số C/N0. Một vài phép tính gần đúng có thể được áp dụng như sau:
- Sự chuyển đổi trên tuyến của một tài nguyên phụ được bảo tồn một cách bình thường, đã có ảnh hưởng đến suy hao. Nguồn tài nguyên phụ có thể là:
+ Sử dụng băng tần có tần số thấp hơn, ít bịảnh hưởng bởi suy hao.
+ Sử dụng EIRP cao hơn trên tuyến lên.
- Giảm dung lượng, tuyến ảnh hưởng bởi suy hao giảm dung lượng của nó.
Trong trường hợp truyền dẫn số, giảm tốc độ thông tin cho phép bởi mã sửa lỗi để sử dụng một tốc độ truyền dẫn không đổi. Kết hợp hiệu quả việc giảm tốc độ thông tin và mật độ tăng ích của giải mã cho phép cung cấp một độ dự trữ.
3.5 Nhiễu trong thông tin vệ tinh
Trong thời gian gầy đây với việc khai thác tối đa nguồn tài nguyên thông tin vệ tinh, khả năng xuất hiện gây nhiễu trong cùng hệ thống cũng như giữa các hệ thống càng dẽ xảy ra. Trong thông tin vệ tinh, tác động của nhiễu tới chất lượng dịch vụ rất lớn. Các nguồn nhiễu như : nhiễu sóng mang lân cận, nhiễu vệ tinh lân cận, nhiễu do chính hệ thống của khách hàng, nhiễu xuyên phân cực và nhiều loại nhiễu khác. Dưới đây sẽ xem xét đến một số loại nhiễu ảnh hưởng tới chất lượng hệ thống thông tin vệ tinh: [4]
Nhiễu tín hiệu FM
Nhiễu xuyên phân cực
Nhiễu xuyên điều chế
Nhiễu vệ tinh lân cận 3.5.1 Nhiễu tín hiệu FM
Nguyên nhân :
- Các đầu nối giữa các thiết bị trung tần và thiết bị cao tần không đảm bảo vì vậy các tín hiệu FM quảng báo thâm nhập vào hệ thống và được phát lên vệ tinh.
- Các cáp nối giữa phần trung tần và cao tần là loại có chất lượng kém.
- Hệ thống nối đất không đảm bảo chỉ tiêu kỹ thuật Cách xác định nơi thu nhận nhiễu :
- Tắt các thiết bị cao tần như : Bộ đảo tần lên, bộ khuếch đại công suất, bộ thu phát.
- Tắt các thiết bị trung tần như : Modem, bộ điều chế.
Biện pháp hạn chế, khắc phục nhiễu FM :
- Lựa chọn các cáp nối, đầu nối đúng chủng loại đạt yêu cầu kỹ thuật như hướng dẫn trong tài liệu.
- Trạm mặt đất phải được lắp đặt theo đúng tiêu chuẩn.
- Kiểm tra hệ thống đất có đảm bảo, thiết bị đã được đấu đất đầy đủ chưa.
- Phối hợp đài điều hành khai thác mạng (NOC) để thực hiện đo, kiểm tra các sóng mang.
3.5.2Nhiễu xuyên phân cực
Nếu độ cách ly phân cực của anten phát không tốt ( nhỏ hơn 30 dB), anten này có thể phát đồng thời tín hiệu phân cực ngang và phân cực đứng ở cùng một thời điểm và cũng thu tín hiệu ở 2 phân cực. Vì vậy nhiễu phân cực sẽ xuất hiện ở vệ tinh lân cận và gây nhiễu đến sóng mang ở vệ tinh đó.
Nguyên nhân gây nhiễu xuyên phân cực:
- Căn chỉnh anten không tốt.
- Độ cách ly phân cực không tốt.
- Bị lệch hướng anten và phân cực khi làm việc.
- Các nguyên nhân do điều kiện thời tiết : mưa, bão ...
- Không thực hiện kiểm tra truy nhập của trạm mặt đất trước khi phát sóng Biện pháp hạn chế, khắc phục nhiễu xuyên phân cực :
- Không phát sóng mang khi trạm mặt đất chưa được kiểm tra các thông số kỹ thuật
- Thực hiện bảo dưỡng định kỳ trạm mặt đất 3.5.3Nhiễu xuyên điều chế
chế được tạo ra từ các sóng mang có các tần số khác nhau. Mức công suất của nhiễu xuyên điều chế phụ thuộc vào công suất của các sóng mang và sự tuyến tính của bộ TWTA. Nhiễu xuyên điều chế có thể xuất hiện tại trạm mặt đất hoặc trên vệ tinh.
Nhiễu xuyên điều chế có thể gây ảnh hưởng tới các sóng mang : - Làm giảm mức Eb /No của sóng mang làm việc ở cùng tần số.
- Làm tăng nhiễu ở một vài dải tần.
Nguyên nhân gây nhiễu xuyên điều chế:
- Mức công suất phát của mỗi sóng mang quá lớn
- Tăng mức công suất phát không tính đến nhiễu xuyên điều chế - Tự ý tăng mức công suất phát mà không thông báo cho NOC Biện pháp hạn chế, khắc phục nhiễu xuyên phân cực :
- Kiểm tra tính toán đường truyền của trạm mặt đất phát từ 2 sóng mang trở lên trước khi làm việc với vệ tinh.
- Mức công suất chênh lệch giữa điểm làm việc và điểm bão hòa tại đầu vào của HPA hoặc bộ thu phát phải được nhà quản lý vệ tinh ấn định và thông báo đến khách hàng.
- Không tăng công suất phát khi chưa trao đổi với NOC.
- Không làm việc với công suất lớn hơn mức được sử dụng.
- Khi có thêm các sóng mang mới, phải tính toán lại đường truyền để đảm bảo công suất thiết bị hiện có là đủ lớn.
3.5.4 Nhiễu do vệ tinh lân cận
Trên thực tế, khi các vệ tinh trên quỹ đạo quá gần nhau sẽ gây ra nhiễu giữa các vệ tinh.