Bộ khuyếch đại công suất của vệ tinh th−ờng dùng đèn sóng chạy để cung cấp công suất bức xạ bù vào suy hao truyền dẫn ống dẫn sóng suy hao bao gồm các suy hao: ống dẫn sóng, bộ lọc, coupler giữa đầu ra TWTA và anten phát của vệ tinh.
Ta biết:
[PTWTA] = [EIRP]D – [GT]D – [TFL]D (4.38) Khi tính đ−ợc [PTWTA] công suất phát bWo hòa là: [PTWTA]S = [PTWTA] + [BO]0 (4.39)
Ví dụ: Một vệ tinh hoạt động tại EIRP = 56 dBW với độ thụt lùi công suất đầu vào là 6dB. Suy hao feeder khoảng 2dB , tăng ích anten là 50dB. Tính công suất ra của TWTA cho EIRP bVo hòa
Giải
[PTWTA] = 56 - 50 + 2 = 8[dBW]
⇒ [PTWTA]S = 8 + 6 = 14 (dBW) 4.9. Hiệu ứng m−a
Từ tr−ớc tới nay, các phép tính đ−ợc thực hiện trong điều kiện trời trong, có nghĩa là không có sự ảnh h−ởng của các hiện t−ợng thời tiết liên quan tới đ−ờng truyền. Trong băng C, đặc biệt là Kum−a là rất quan trọng bởi vì hiện t−ợng fading. Suy hao do m−a sẽ tăng dần khi tần số tăng,băng Ku sẽ tồi hơn băng C khi có m−a.
72
4.9.1. Dự trữ m−a tuyến lên
M−a làm tăng sự suy giảm tín hiệu và tăng nhiễu nhiệt kết quả là làm giảm [C/No] tại vệ tinh theo cả hai đ−ờng. Tuy nhiên, sự tăng nhiễu không phải là hệ số th−ờng xuyên chính cho tuyến lên. Bởi vì anten th−ờng xuyên h−ớng về mặt trời nên nó sẽ bị ảnh h−ởng chính bởi nguồn nhiễu nhiệt này hơn là các suy hao do m−a. Điều quan trọng là công suất sóng mang đ−ờng lên phải đ−ợc giữ trong khoảng rất gần với giới hạn của chế độ hoạt động, và một vài kiểu điều khiển công suất lên là cần thiết để bù vào suy hao do m−a. Công suất ra của vệ tinh phải đ−ợc kiểm soát bởi trạm điều khiển trung tâm hoặc theo từng trạm mặt đất và công suất phát của mỗi trạm mặt đất phải đ−ợc tăng lên nếu cần thiết để bù vào suy hao do m−a. Vì vậy HPA của trạm mặt đất phải đ−ợc dự trữ công suất để bù suy hao do m−a.
4.9.2. Dự trữ m−a tuyến xuống
Kết quả của các ph−ơng trình 4.35 và 4.36 đ−ợc nghiệm đúng trong điều kiện trời trong. M−a sẽ làm suy giảm tín hiệu do hấp thụ và tán xạ năng l−ợng. Gọi [A] dB biểu diễn suy hao do m−a gây ra bởi hấp thụ năng l−ợng. Tỷ số suy hao công suất t−ơng ứng là A=10[A]/10 .Ta có:
Train=Ta(1-1/A) (4.40)
ở đây Ta là nhiệt độ hấp thụ biểu kiến đây là một thông số đo đạc là
hàm của rất nhiều hệ số bao gồm nhiệt độ vật lý của m−a và hiệu ứng tán xạ của hạt m−a trong nhiệt nhiễu vốn có trên nó. Giá trị của nhiệt độ hấp thụ biểu kiến nằm trong khoảng 270 và 290K. Tổng nhiễu nhiệt bầu trời là nhiệt nhiễu trời trong cộng nhiệt m−a:
Tsky=TCS+Train (4.41)
M−a sẽ làm giảm tỷ số [C/No] thu đ−ợc theo hai cách: suy giảm năng l−ợng sóng mang và tăng nhiệt nhiễu của bầu trời. Khi công suất suy giảm do m−a: A (không phải là dB) là hấp thụ toàn bộ, tỷ số công suất đ−ờng xuống C/N (không phải là dB) liên quan tới giá trị lúc trời trong bởi công thức:
73 ) ) 1 ( ( ) / ( ) / ( ,CS S a CS rain T T A A N C N C = + − (4.2)
ở đây, CS có nghĩa là trời trong và TS,CS có nghĩa là nhiệt nhiễu của hệ
thống d−ới điều kiện trời trong. Với tín hiệu số, tỷ số yêu cầu [C/No] đ−ợc thay bởi tỷ lệ lỗi bit chấp nhận đ−ợc BER.
Ví dụ:D−ới điều kiện trời trong, [C/N]đ−ờng xuống là 20dB, nhiệt nhiễu ảnh h−ởng hệ thống thu là 400K. Nếu suy hao do m−a v−ợt quá 1,9dB cho 15% thời gian. Tính giá trị d−ới đó với [C/N]giảm0,1%thời gian, giả sử Ta=280 K.
Giải:
1,9dB suy giảm t−ơng đ−ơng với 1,55:1suy hao công suất. Nhiệt nhiễu t−ơng đ−ơng của trời m−a sẽ là: Train=280(1-1/1,55)=99,2 K
Nhiệt nhiễu mới của hệ thống là 400+99,2=499,2 K. Công suất nhiễu lúc này tăng một l−ợng là: [499,2]-[400]=0,96dB. Cùng thời gian này, sóng mang suy giảm một l−ợng là 1,9dB vì vậy [C/N] với 1,9 dB suy hao m−a giảm xuống:
20-1,9-0,96=17,14dB. Đây là giá trị d−ới với [C/N] giảm 0,1% thời gian.
4.10. Kết hợp đ−ờng lên và đ−ờng xuống
Một tuyến liên lạc vệ tinh bao gồm đ−ờng lên và đ−ờng xuống. Tạp âm sẽ xuất hiện tại đầu thu của anten vệ tinh . Ký hiệu công suất nhiễu trên một đơn vị băng thông là PNU và các sóng mang trung bình có cùng một PNU. Tỷ số sóng mang trên tạp âm phía tuyến lên là:
(C/N0)U = (PRU/PNU) ( ở đây là mức năng l−ợng, không phải là dạng dB)
74 γ γ γ γ γ Hình 4.3: Kết hợp đ−ờng lên và đ−ờng xuống
Công suất tại cuối đ−ờng truyền (không gian) là PR cũng là một mức năng l−ợng sóng mang của tuyến xuống. Công suất này gấp γ lần so với công suất của sóng mang tại đầu vào của vệ tinh, γ là hệ số khuyếch đại công suất của hệ thống từ đầu vào vệ tinh đến đầu vào của trạm mặt đất. Bao gồm : hệ số khuyếch đại của bộ phát đáp, anten phát, suy hao đ−ờng xuống, khuyếch đại anten thu và suy hao feeder. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nhiễu tại đầu vào vệ tinh cũng xuất hiện ở đầu vào trạm mặt đất và đW đ−ợc nhân hệ số lên γ lần. Thêm nữa bản thân trạm mặt đất cũng có nhiễu, ký hiệu bởi PND. Vì vậy nhiễu tại cuối tuyến là γPNU + PND
Tỷ số C/N0 của đ−ờng xuống không kể γPNU là PR/PND. Tỷ số C/N0 kết hợp tại đầu thu mặt đất là PR/(γPNU + PND)
Ta có: D o U o R ND RU NU R ND R NU R ND NU R N o C N C N P P P P P P P P P P P P P C N ) ( ) ( + = + = + = + = = γ γ γ γ (4.43)
75 Ph−ơng trình trên chỉ ra rằng, để có đựơc giá trị tổng hợp của C/N0, nghịch đảo của từng giá trị riêng biệt đ−ợc cộng lại với nhau đ−ợc N0/C sau đó nghịch đảo lại lần nữa thì đ−ợc C/N0. Lý do của việc nghịch đảo này là trong khi tín hiệu đ−ợc truyền qua hệ thống thì hàng loạt các công suất nhiễu cũng đ−ợc cộng thêm vào.
Ví dụ: Với một tuyến liên lạc vệ tinh phân biệt tỷ số sóng mang trên mật độ phổ tạp âm là: tuyến lên 100dBHz, tuyến xuống 87dBHz. Tính tỷ số C/No
tổng hợp? Giải: 9 7 , 8 10 10 . 095 , 2 10 10− + − = − = C No Vì vậy: dBHz N C o 97 , 86 ) 10 . 095 , 2 log( 10 ] [ =− −9 =
4.11. Nhiễu xuyên điều chế:
Nhiễu xuyên điều chế xảy ra khi nhiều sóng mang truyền qua bất cứ một thiết bị nào có đặc tính không tuyến tính. Trong hệ thống thông tin vệ tinh nó th−ờng xảy ra trong bộ khuếch đại sóng chạy công suất cao (TWTA) trên vệ tinh. Cả sự không tuyến tính pha và biên độ đều làm tăng sự tạo ra xuyên điều chế. Ta đW biết kết quả xuyên điều chế thứ 3 rơi vào đúng vị trí tần số sóng mang bên cạnh, chúng tạo ra nhiễu. Khi một số l−ợng lớn các sóng mang đ−ợc điều chế, các sản phẩm xuyên điều chế không thể phân biệt đ−ợc riêng biệt, nh−ng thay vì suất hiện nh− là một dạng nhiễu thì chúng đ−ợc gọi là nhiễu xuyên điều chế.
Tỷ số sóng mang trên nhiễu xuyên điều chế th−ờng đ−ợc tính bởi thực nghiệm, nh−ng trong một vài tr−ờng hợp chúng đ−ợc tính bằng máy tính. Một tỷ số đ−ợc biết, nó đ−ợc kết hợp với tỷ số sóng mang trên nhiệt nhiễu bằng cách thêm vào số hạng nghịch đảo nh− đW đề cập trong phần 4.10. Ký hiệu nhiễu xuyên điều chế bởi (C/N)IM và nhớ rằng nghịch đảo của tỷ số C/N
76 (không phải ở dB) phải đ−ợc thêm vào thì ph−ơng trình 4.43 đ−ợc mở rộng nh− sau: IM o D o U o o C N C N C N C N ) ( ) ( ) ( + + = (4.44)
Ví dụ: Một tuyến liên lạc vệ tinh có tỷ số sóng mang trên nhiễu là: tuyến lên 23dB; tuyến xuống 20dB; nhiễu xuyên điều chế 24dB. Tính tỷ số sóng mang trên nhiễu toàn bộ theo dB?
Giải:
Từ ph−ơng trình 4.41 ta có N/C=10-2,4+10-2,3+10-2=0,0019
77
Ch−ơng 5
Thiết kế trạm vệ tinh mặt đất Viettelsat1
5.1. Giới thiệu
Để đáp ứng cho sự phát triển của cơ sở hạ tầng truyền thông, Công ty Viễn thông Quân đội Viettel (Viettel - Corporation) chính thức đ−a vào hoạt động trạm vệ tinh mặt đất Viettel sat1 tại Sơn Tây ngày 27 tháng 11 năm 2003 với dung l−ợng lúc đầu là 20Mbps downlink/5Mbps up link cho internet và 2 luồng E1 cho thoại kết nối đi Mỹ sử dụng vệ tinh Intelsat 804@176oE. Trạm mặt đất Viettel sat1 đ−ợc thiết kế và xây dựng bởi công ty Datacom System Internationnal Ltd. (Hong Kong), cũng trong năm 2003 Datacom System International Ltd. cũng hoàn thành một trạm vệ tinh với dung l−ợng t−ơng tự cho Công ty Viễn thông Điện lực (ETC- nay là VP Telecom) tại Bala - Hà Đông kết nối đi Hong Kong sử dụng vệ tinh Upstar V. Trong ch−ơng này trình bày tóm tắt về cấu hình của trạm Viettel sat1.
5.2. Yêu cầu đặt ra của Viettel
Viettel Corp. muốn xây dựng một trạm vệ tinh mặt đất với các yêu cầu cụ thể sau:
- Trạm vệ tinh mặt đất sử dụng ph−ơng pháp điều chế 8PSK - SCPC - Hệ thống cung cấp các dịch vụ IP và POST.
- Hệ thống đ−ợc kết nối với đ−ờng Internet Backbone - Tier 1, với tỷ lệ bất đối xứng giữa tuyến lên/xuống là 1:4.
- Cho phép kết nối POST E1 trunking qua AT&T , Sprint,... - Sử dụng vệ tinh: Intelsat 804@176oE.
Dự án đ−ợc chia làm 2 pha:
Pha 1: Xây dựng trạm vệ tinh mặt đất với anten 6,3m và các thiết bị cho phép kết nối Internet Backbone - Tier 1 với tốc độ 5Mbps uplink, 20Mbps downlink, và 2E1 cho thoại. Hệ thống dự kiến sẽ đ−ợc đ−a vào sử dụng cuối
78 năm 2003. Sau đó sẽ mở rộng l−u l−ợng 11Mbps uplink, 45Mbps downlink và 5E1 cho thoại.
Pha 2: Tiến hành song song với pha 1, với các anten 11m hay 16m, dung l−ợng của hệ thống là 45Mbps uplink và 155Mbps downlink.
5.3. Giải pháp của Datacom
5.3.1. Sơ đồ hệ thống
Xem hình 5.1 và 5.2 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
5.3.2. Mô tả hệ thống
Pha 1:
Tất cả các thiết bị chính của hệ thống đều đ−ợc cung cấp với cấu hình dự phòng. Thiết bị điều khiển dự phòng sẽ giám sát cả thiết bị đang hoạt động và dự phòng, nếu thiết bị đang hoạt động bị hỏng thì thiết bị dự phòng sẽ đ−ợc điều khiển để cập nhật cấu hình thiết bị đang chạy và tự động đ−ợc chuyển mạch để đảm bảo l−u l−ợng. Tất cả các thiết bị đều có thể điều khiển trực tiếp tại bảng điều khiển trên mặt tr−ớc của thiết bị và đồng thời có thể đ−ợc điều khiển và giám sát qua hệ thống máy tính bằng phần mềm.
Khả năng của trạm mặt đất ở Pha 1 có thể cung cấp Backbone Internet 45Mbps/11Mbps, thoại từ 1 đến 5 luồng E1. Đ−ờng lên Internet 11Mbps đ−ợc cung cấp bởi các bộ điều chế Newtec NTC 2177 cấu hình dự phòng 1:1. Đ−ờng xuống 45Mbps đ−ợc cung cấp bởi bộ giải điều chế Newtec NTC 2056 cấu hình dự phòng 1:1. 5 luồng E1 đ−ợc cung cấp bởi Modem Comtech EFDATA CDM600. Các modem này đều đáp ứng đ−ợc các tiêu chuẩn IESS- 308, IESS-309, IESS-310 và IESS-314 của Intelsat. Dòng dữ liệu đ−ợc xáo trộn để đảm bảo phân bố đều năng l−ợng trên toàn bộ sóng mang. Các modem cũng cung cấp các mW hoá sửa lỗi FEC Viterbi và Reed Solomon để nâng cao hiệu suất của hệ thống. Tín hiệu số có thể lựa chọn các kiểu điều chế BPSK, QPSK, hay 8PSK TCM tuỳ theo ng−ời vận hành. Các modem có thể lựa chọn đầu ra trung tần trong khoảng 100 đến 180 MHz, nh−ng thông th−ờng chúng hoạt động ở tần số trung tần 140MHz. Các bộ DVB MOD và DEMOD sử
79 dụng đầu ra trung tần là 70MHz. Router đ−ợc kết nối với DVB qua giao diện HSSI Y cable. Tín hiệu ra IF đ−ợc kết hợp lại và đ−a đến bộ đổi tần lên. Cấu hình dự phòng cho converter là 1:2, và có thể mở rộng lênh 1:8. Bộ converter biến đổi tần số trung tần IF 140MHz±36MHz lên cao tần RF băng tần rộng 72MHz có thể điều chỉnh với b−ớc là 125kHz. Băng tần C trong dải : 5,85 đến 6,425GHz. Tín hiệu ra khỏi bộ đổi tần lên đ−ợc đ−a tới bộ khuếch đại công suất cao HPA bằng ống dẫn sóng elip. Bộ khuếch đại công suất cao đ−ợc dự phòng với cấu hình 1:2, và đ−ợc nối với bộ chuyển mạch ống dẫn sóng lựa chọn phân cực và bộ điều khiển phân cực đ−ờng lên. Để giảm tối đa suy hao ống dẫn sóng và tiết kiệm công suất phát, yêu cầu thiết kế đ−ờng nối từ HPA đến anten là ngắn và tối −u nhất. Tín hiệu thu về từ anten đ−ợc đ−a tới bộ khuếch đại tạp âm thấp cấu hình dự phòng 1:2 qua một đoạn ống dẫn sóng cứng, ngắn. Sau khi đ−ợc khuếch đại bởi bộ LNA tín hiệu đ−ợc dẫn qua cáp đồng trục mềm tới bộ hạ tần (down converter) và bộ tracking ở trong phòng thiết bị. Bộ hạ tần cấu hình dự phòng 1:2 đổi tần số RF xuống khoảng 3,4 tới 4,2 GHz b−ớc 125kHz và biến đổi dải tín hiệu RF băng tần 72MHz xuống trung tần IF 140MHz±36MHz. Bộ điều khiển dự phòng có thể cho phép thay đổi cấu hình dự phòng từ 1:2lên 1:8. Sau đó sóng mang 45MHz đ−ợc đ−a tới bộ giải điều chế DVB với đ−ờng Internet và CDM600 với thoại.
Anten đ−ợc thiết bao gồm cả bộ tracking để đảm bảo tín hiệu thu đ−ợc luôn lớn nhất trong quá trình chuyển động của vệ tinh. Phân hệ tracking nhận tín hiệu thu về từ vệ tinh đ−ợc cung cấp bởi LNA, và nó cung cấp thông tin về mức beacon cho bộ điều khiển anten ACU. Nhờ các thông tin này mà bộ ACU luôn giữ cho anten ở vị trí tốt nhất đảm bảo mức EIRP tối −u.
Trên mỗi rack cung cấp bảng RF, IF giám sát và điều khiển giúp cho ng−ời vận hành có thể đo, giám sát và xử lý lỗi cho toàn bộ hệ thống.
Sự mở rộng dung l−ợng cho pha 1:
Ban đầu, phân hệ HPA SSPA đ−ợc cấu hình 1:1, nh−ng đ−ợc cung cấp hệ thống chuyển mạch dự phòng 1:2, khi tăng dung l−ợng thì HPA thứ hai sẽ đ−ợc thêm vào mà không làm gián đoạn l−u l−ợng.
80
Pha 2:
Trong pha 2 yêu cầu đ−ờng lên là 45Mbps, đ−ờng xuống 155Mbps. Trong pha 1 đ−ờng lên đ−ợc cung cấp bởi bộ điều chế DVB model NTC 2177 không cần phải thay thế vì nó có khả năng cung cấp tới 60Mbps. Với đ−ờng xuống 155Mbps bộ giải điều chế NTC 2063 không thể đáp ứng đ−ợc vì vậy nó cần phải thay thế bởi bộ giải điều chế Newtech NTC 2056. Trong hệ thống này Router đ−ợc nối với bộ điều chế qua giao diện HSSI và nối với bộ giải điều chế 155Mbps bằng giao diện quang.
Vì đ−ờng xuống là 155Mbps nên anten cũng phải đáp ứng đ−ợc mức thu G/T cho hệ thống, anten đ−ợc khuyến nghị là 11,1 hoặc 16,4m. ở cuối pha
2 này, anten 6,3m đ−ờng dùng cho luồng nội địa hay đảm bảo l−u l−ợng trong khu vực Châu á, và chỉ cần bộ khuếch đại công suất cao HPA cỡ 200W.
Phân hệ đổi tần lên/xuống hoạt động theo cấu hình dự phòng 1:8, một bộ đổi tần lên/xuống dự phòng cho 8 bộ đổi tần lên/xuống hoạt động của 2 hệ thống anten.
5.3.3. Các giao diện sử dụng trong hệ thống
Các giao diện sử dụng cho hệ thống đều là các giao diện chuẩn, cụ thể nh− sau:
Giao diện RF:
- C band Transmit port: WR 137, antenna Tx port: WR159G. - C band LNA và antenna Rx port : WR229 rigid.
- Tất cả các cáp đồng trục RF đều sử dụng loại connector 50Ωloại N hay loại SMA.
Giao diện IF:
BNC connector đ−ợc dùng cho tất cả các kết nối IF.
Giao diện M&C:
Máy tính điều khiển và giám sát đ−ợc kết nối với hệ thống thông qua các giao diện EIA RS-485 hay EIA RS-232
81
Giao diện SCPC Data:
Tất cả các modem đều dùng giao diện ITU G.703. Các giao diện vật lý