CƠ SỞ TÍNH TOÁN

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG TÍNH TOÁN ĐƯỜNG TRUYỀN TỐI ƯU QUA VỆ TINH VINASAT-1

3.1. CƠ SỞ TÍNH TOÁN

Phần này trình bày quá trình truyền dẫn của sóng vô tuyến giữa hai trạm mặt đất, một trạm là trạm phát và một trạm là trạm thu thông qua vệ tinh VINASAT-1. Đường truyền như vậy bao gồm hai tuyến: tuyến lên từ trặm mặt đất phát đến vệ tinh và tuyến xuống từ vệ tinh đến trạm mặt đất. Bài toán đặt ra là ngoài việc thu phát giữa trạm thu và phát thông qua vệ tinh VINASAT-1, trạm này còn gây nhiễu sang vệ tinh lân cận của VINASAT-1 là vệ tinh APSTAR VI.

Hình 3-1: Sơ đồ khối tính toán đường truyền

Mục tiêu của chuơng này là xác định tỷ số tín hiệu trên tạp âm tại đầu vào máy thu ở cả trạm thu mong muốn và trạm thu từ vệ tinh APSTAR VI (vệ tinh

bị gây nhiễu) từ đó có cơ sở để căn chỉnh anten sao cho giá trị C/N tại tram thu mong muốn là lớn nhất và nhiễu sang cho vệ tinh lân cận là nhỏ nhất.

3.1.2. Phân tích đường truyền tuyến lên 3.1.2.1. Hệ số tăng ích anten G (Gain)

Hệ số tăng ích của anten là một thông số quan trọng, quyết định không những chất lượng của anten mà cả chất lượng và quy mô trạm mặt đất. Hệ số tăng ích G T của anten nói lên việc tập trung công suất bức xạ của máy phát cung cấp cho anten vào búp sóng hẹp của anten.

Hệ số tăng ích của anten trên một hướng  là tỉ số công suất phát (hoặc thu) trên mỗi đơn vị góc mở của nó theo hướng  chia cho công suất phát (hoặc thu) trên mỗi đơn vị góc mở của một anten vô hướng có cùng công suất:

G = 4π.A e .η/λ 2 (3.1)

Trong đó: A e là diện tích hiệu dụng của anten,  là bước sóng làm việc,  là hiệu suất của anten.

Biểu thức này cho thấy: khi nhìn từ đầu phát, khả năng tập trung sóng vô tuyến điện là vào một hướng xác định, khác với trường hợp sóng bức xạ đồng đều theo mọi hướng.

Trong trường hợp anten gương tròn với đường kính D [m] : A e = πD 2 /4 thay vào (3.1) ta có:

G = (D/ ) 2 = (Df/ c) 2 (3.2)

Hoặc tính theo dB:

G dBi = 10log η + 20log f + 20 log D + 20.4 dB (3.3) Trong đó:

- η là hiệu suất của anten - D [m] là đường kính anten - f [GHz] là tần số làm việc

- 20.4 dB là hằng số được tính từ 20log (1*10 9 */c).

Vậy hệ số tăng ích của anten tỉ lệ với bình phương đường kính anten (D) và bình phương tần số làm việc (f). Điều đó có ý nghĩa là, tần số càng cao và đường kính anten càng lớn thì hệ số tăng ích của anten càng cao. Hoặc nói cách khác tỉ số giữa diện tích hiệu dụng trên bước sóng công tác của anten càng lớn thì hệ số tăng ích của anten càng lớn.

Hệ số tăng ích của anten có diện tích bề mặt 1 m 2 với hiệu suất 100% được cho bởi biểu thức sau:

G dBi = 20log f + 20.4 dB (3.4)

Trong giản độ bức xạ của anten còn tính đến cả búp sóng phụ do đó ta đưa ra công thức để xác định hệ số tăng ích theo hướng búp sóng phụ như sau:

- Nếu d/> 150 thì G = 29 -25log θt `(3.5) - Nếu 35<d/<100 thì G = 52 -10log d/-25log θt (3.6) Giá trị  t được thính theo giá trị  g là góc giữa vệ tinh vệ tinh mong muốn và vệ tinh bị gây nhiễu được tính gần đúng như sau:

 t = arcos 𝑑 1 2 +𝑑 2 2 −(84.332 sin 𝑔 2 ) 2

2𝑑 1 𝑑 2 (3.7)

Trong đó:

- d 1 , d 2 (km) là khoảng cách từ trạm mặt đất bị nhiễu đến các vệ tinh mong muốn và vệ tinh gây nhiễu.

-  g (độ): là góc trong mặt phẳng quỹ đạo giữa vệ tinh mong muốn và vệ tinh gây nhiễu, có tính đến cả quá trình điều khiển vị trí vệ tinh.

3.1.2.2. 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 của anten và hệ số tăng ích của anten đó. Công suất bức xạ đẳng hướng là công suất phát được bức xạ với anten vô hướng, trong trường hợp này có thể xem G T =1. Nếu như anten có búp sóng của đồ thị phương hướng càng hẹp thì EIRP của nó càng lớn. Việc phát sóng với búp sóng hẹp ngoài mục đích tập trung năng lượng bức

xạ theo hướng xác định còn có tác dụng hạn chế nhiễu và giảm tổn hao năng lượng trong môi trường truyền sóng.

Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương được tính bằng công thức sau:

EIRP = P T G T [W] (3.8)

Hoặc tính theo dBW:

EIRP = 10 logP T + G T [dBW] (3.9)

Trong đó:

- P T [W] là công suất đầu vào của anten phát - G T [dBi] là hệ số tăng ích của anten phát

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 dịch vụ.

EIRP của trạm phát được tính:

EIRP Tu = 10 logP T + G T - L FTX [dBW] (3.10) Với L FTX [dB] là suy hao giữa máy phát và anten phát.

EIRP của trạm phát còn được tính bằng công thức:

EIRP Tu = W + G T - L FTX [dBW] (3.11) Trong đó: W [W/m 2 ] là mật độ thông lượng công suất

3.1.2.3. Mật độ thông lượng công suất (W)

Trên một diện tích hiệu dụng A e cách xa anten phát một khoảng d tương ứng với góc đầy tính từ anten phát là A e /d 2 thì công suất thu là:

P R = ﴾

 4

T T G P ﴿﴾ 2

d A e

﴿ = WA e [W] (3.12)

Đại lượng W[W/m 2 ] = 2 .

4 d

G P T T

 được gọi là mật độ thông lượng công suất bức xạ của anten.

Mật độ thông lượng còn được tính theo công thức:

W = SFD – IBO (3.13)

Trong đó:

- SFD (Saturation Flux Density): Dòng mật độ công suất bão hòa - IBO (Input Back Off): Độ lùi đầu vào

3.1.2.4. Khoảng các từ trạm mặt đất đến vệ tinh (d)

Khoảng cách d từ trạm mặt đất đến vệ tinh hay ngược lại được tính theo công thức:

d = {r2 + S2 - 2rS.cos (θ1).cos(θS- θE)}1/2 [Km] (3.14) Trong đó:

- r là bán kính trái đất (6378.14 km).

- S là bán kính quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh (42164 km).

- θ1 là vĩ độ của trạm mặt đất . - θS là kinh độ của vệ tinh . - θE là kinh độ của trạm mặt đất.

3.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng tuyến truyền dẫn

Cả tuyến lên và tuyến xuống, sóng mang đi qua một lớp khí quyển với tần số làm việc từ 1÷30 GHz. Khi xem xét quá trình truyền lan sóng ở các tần số này chỉ có hai tầng khí quyển là có ảnh hưởng, đó là tầng điện ly và tầng đối lưu. Tầng đối lưu rải từ mặt đất đến độ cao khoảng 15 km. Tầng điện nằm trong khoảng từ 70÷1000 km. Các vùng có ảnh hưởng cực đại là vùng gần mặt đất của tầng đối lưu và ở độ cao khoảng 400 km đối với tầng điện ly.

Ảnh hưởng của khí quyển do suy hao khí quyển và trong đấu nối cùng với nhiệt tạp âm anten. Đó là những vấn đề quan trọng của băng tần lớn hơn 10GHz. Ảnh hưởng của lượng mưa được tính theo % mức cường độ vượt quá.

Cường độ thấp với các cường độ không đáng kể tương ứng với % thời gian cao (điển hình 20%); điều này được mô tả ở điều kiện ―bầu trời trong‖. Cường độ cao với các ảnh hưởng quan trọng tương ứng với % thời gian nhỏ (điển hình 0.01%); đó là trong điều kiện có mưa. Các ảnh hưởng này có thể làm giảm chất lượng của tuyến xuống dưới ngưỡng có thể chấp nhận được. Trong bài toán thực hiện ở chương này, chỉ xét bài toán trong thời tiết trời trong, không mưa, bởi vì bài toán dùng vào mục đích kiểm tra đăng nhập nên có thể chọn thời điểm có thời tiết phù hợp để kiểm tra.

Sau đây ta xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng tuyến truyền dẫn trong thông tin vệ tinh.

3.1.3.1. Công suất tín hiệu thu được và suy hao không gian tự do

Một anten thu có diện tích hiệu dụng của anten là A e được đặt cách xa anten phát một khoảng cách d, sẽ thu được một công suất P R theo công thức (2.9) là

P R = WA e [W] (3.15)

Trong đó A e là diện tích hiệu dụng của anten thu A e = G R .(λ 2 /4Л) thay vào ta có công suất thu của anten thu là:

P R = ( 2 .

4 d

P G T T

 )*(



 4

2 )G R [W] (3.16)

Hay

P R = (G T P T )*(

d . 4 

 ) 2 G R [W] (3.17)

Trong đó biểu thức L FS = ﴾



 . d

4 ﴿ 2 = ﴾

c f d.

.

4  ﴿ 2 (3.18)

được gọi là tổn hao truyền sóng không gian tự do và nó đặc trưng cho tỷ số của công suất thu và công suất phát trong một tuyến liên lạc giữa hai anten vô hướng.

Tính theo dB:

L FS = 20log d + 20log f + 92.44 dB [dB] (3.19) Trong đó:

- d [Km] là khoảng cách giữa đầu thu và đầu phát của vệ tinh và trạm mặt đất.

- f [GHz] là tần số làm việc.

- 92.44 dB là hằng số được tính từ 20log{(4π*10 9 *10 3 )/c}

Từ công thức (3.3) và công thức (3.28) ta suy ra công suất thu tính theo dBW sẽ là:

P R = EIRP T + G R – L FS [dBW] (3.20) 3.1.3.2. Suy hao do tầng khí quyển

Tầng khí quyển là môi trường truyền sóng có ảnh hưởng trực tiếp đến sóng truyền trong hệ thống thông tin vệ tinh. Tác động rõ nét nhất đến sóng vô tuyến truyền trong tầng khí quyến là các ảnh hưởng của tầng đối lưu và tầng điện ly. Các ảnh hưởng đó dẫn đến tổn hao và hấp thụ sóng, gọi chung là tổn hao khí quyển L A (Atmosphere Loss).

Bảng sau mô tả sự suy giảm của khí quyển theo tần số:

Bảng 3-1: Suy hao khí quyển theo tần số Suy hao khí quyển L A [dB] Tần số [GHz]

0.25 2<f<5

0.33 5<f<10

0.53 10<f<13

0.73 13<f

Như vậy trong biểu thức (3.17) khi xác định công suất P R tại điểm thu trong trường hợp có tính đến tổn hao của tầng khí quyển chúng ta sẽ thay giá trị tổn hao L FS bằng giá trị tổn hao tổng cộng L T :

L T = L FS + L A [dB] (3.21)

Suy ra:

P R = EIRP T + G R – L T [dBW] (3.22)

3.1.3.3. Nhiệt tạp âm

Nhiệt tạp âm là điện áp tạp âm xuất hiện từ sự chuyển động ngẫu nhiên của sóng mang, thường là các điện tử. Sự chuyển động ngẫu nhiên ở các mức năng lượng nguyên tử của các điện tử là một đặc điểm chung của các nguyên tố tại nhiệt độ trên 0 0 tuyêt đối.

Công suất tạp âm có thể được tính theo công thức:

P N = KT e B [W] (3.23)

Trong đó:

- K = 1.374*10-23 [J/K] = -228,6 [dB] là hằng số Boltzmann.

- T e [K] là nhiệt độ tạp âm tương đương - B [Hz] là độ rộng băng tần

Hình 3-2: Mô tả đầu vào các tầng máy thu

 Nhiệt tạp âm anten

Nhiệt độ tạp âm anten là do các nguồn tạp âm không mong muốn từ không gian và mặt đất khu vực gần anten. Các tạp âm này phụ thuộc vào tần số, góc ngẩng và các điều kiện khí quyển xung quanh anten (trời trong, trời mưa hoặc mây mù). Việc tăng nhiệt độ tạp âm của anten làm giảm đáng kể chất lượng thu

tín hiệu của trạm mặt đất và đôi lúc có thể làm gián đoạn liên lạc. Nhiệt độ tạp âm của anten thường do nhà sản xuất đo đạc và cung cấp đối với mỗi loại anten khác nhau.

 Nhiệt tạp âm của hệ thống

Nhiệt tạp âm của một trạm mặt đất gồm có: Nhiệt tạp âm máy thu và nhiệt tạp âm anten. Do đó, nhiệt tạp âm của hệ thống được tính theo công thức sau:

T sys = T a /L FRx + (1 – 1/L FRx )T 0 + T e [K] (3.24) Trong đó:

- L FRx là suy hao ống dẫn sóng.

- Te là nhiệt độ tạp âm máy thu.

- T0 = 290K là nhiệt độ môi trường.

- Ta là nhiệt độ tạp âm của anten.

Phương trình trên cho ta biết suy hao của ống dẫn sóng có tác động quan trọng trong nhiệt tạp âm của hệ thống. Ví dụ, dọc theo thiết bị ống dẫn sóng suy giảm 0.3 dB giữa anten và bộ khuếch đại sẽ đóng góp 19 K tới nhiệt tạp âm của hệ thống. Suy hao fiđơ phải được giữ ở mức nhỏ, nếu không thì tác dụng của anten tạp âm thấp và bộ LNA sẽ không còn nữa. Vì lý do đó mà tại sao bộ LNA được đặt ở vị trí gần với đầu thu phát sóng của anten.

3.1.4. Các thông số của vệ tinh 3.1.4.1. Bộ phát đáp vệ tinh

Phần này chỉ ra các thông số tham chiếu: hệ số phẩm chất G/T, mật độ dòng công suất bão hòa SFD và EIRP bão hòa của vệ tinh đối với hai phân cực dọc và ngang (Phụ lục 1 và 2).

3.1.4.2. Điểm hoạt động bộ phát đáp

Bộ khuếch đại công suất đầu ra của bộ phát đáp không là một thiết bị tuyến tính, nó phải được hoạt động thấp hơn điểm bão hòa. Do đó, độ lùi đầu vào IBO (Input Back Off) và độ lùi đầu ra OBO (Output Back Off) sẽ được quy định để đạt được điểm đó. Đó là một sự hao phí công suất trong một TWTA điển hình.

IBO được định nghĩa là tỷ số của mật độ thông lượng bão hòa và mật độ thông lượng hoạt động do một sóng mang đem lại.

IBO = SFD – PFD (3.25)

Trong đó:

- SFD là mật độ thông lượng bão hòa (Saturated Flux Density);

- PFD là mật độ thông lượng đầu vào của vệ tinh (Power Flux Density);

OBO được định nghĩa là tỷ số của công suất bức xạ đẳng hướng tương đương EIRP bão hòa và công suất bức xạ đẳng hướng tương đương EIRP hoạt động do một sóng mang đem lại được tính bởi:

OBO = EIRPsaturation - EIRPop (3.26)

Trong đó:

- EIRP op là công suất bức xạ đẳng hướng tương đương hoạt động

- EIRP saturation là công suất bức xạ đẳng hướng tương đương bão hòa của vệ tinh

IBO và OBO có quan hệ với nhau thông qua hệ số X là độ chênh lệch giữa đầu vào và đầu ra IBO = OBO + X.

X được tính toán riêng cho từng vệ tinh. Với VINASAT-1, X = 4.4.

3.1.5. Phân tích đường truyền tuyến xuống 3.1.5.1. Hệ số phẩm chất

Trong mỗi hệ thống truyền dẫn, tạp âm là hệ số có ảnh hưởng lớn lên chất lượng của tuyến truyền dẫn. Hệ số phẩm chất G/T [dB/K] được biết như phép đo

―phẩm chất‖ của một hệ thống thu. VINASAT-1 quy định một hệ số G/T đặc trưng cho tất cả các trạm mặt đất tiêu chuẩn. Điều đó có nghĩa là trạm mặt đất sẽ đáp ứng các đặc điểm kỹ thuật quy định của G/T, VINASAT-1 sẽ cung cấp công suất từ vệ tinh tới đáp ứng được cho các dịch vụ khác nhau.

Từ công thức được tính ở trên, hệ số phẩm chất G/T dễ dàng được tính theo công thức sau:

G/T = G dBi – 10logT sys [dB/K] (3.27) Trong đó:

- GdBi là hệ số tăng ích của trạm mặt đất ở tuyến xuống.

- T sys là nhiệt độ tạp âm của hệ thống.

3.1.5.2. Tỷ số sóng mang trên tạp âm (C/N)

Chất lượng của một tuyến thông tin vô tuyến được đánh giá bằng tỉ số sóng mang trên tạp âm (C/N) và lượng méo tín hiệu thu ở tuyến thông tin, ảnh hưởng tín hiệu gây ra méo tín hiệu thu là nhỏ, vì thế chất lượng đường truyền chỉ cần xác định bằng tỉ số C/N của đường truyền. Tỉ số C/N được tính theo công thức sau:

C/N =

N R

P

P (3.28)

Trong đó:

- P R là công suất thu của anten - P N là công suất nhiệt tạp âm.

Do đó ta có thể tính C/N theo công thức sau:

C/N =  

 sys  T R

L B KT

G EIRP.

(3.29)

Tính theo dB:

C/N = EIRP – L T + G/T – K * – 10logB [dB] (3.30) Trong đó:

- L T [dB] là suy hao tổng cộng ( bao gồm suy hao không gian tự do, suy hao khí quyển, suy hao do mưa…)

- G/T [dB/K] là hệ số phẩm chất của máy thu

- K * [dB J/K] là hằng số Boltzmann (K * = - 228.6 dB J/K).

- B[Hz] là độ rộng băng tần tạp âm .

3.1.5.3. Tỉ số sóng mang trên tạp âm toàn tuyến (C/N)

Giá trị của tổng tỉ số sóng mang trên tạp âm (C/N) T của tuyến thông tin vệ tinh được tính bởi phương trình sau:

Trong đó:

- (C/N) T là C/N tổng.

- (C/N) U là C/N của hướng phát - (C/N) D là C/N của hướng thu

Muốn biết được chất lượng đường truyền tốt hay xấu ta chỉ cần tính được tỉ số C/N tổng cộng mà trạm đầu cuối nhận được khi trạm phát phát dữ liệu.