c. Duy trì vệ tinh trên quỹ đạo
2.5. Vùng phủ sóng vệ tinh Vinasat
1. Băng tần C mở rộng: toàn bộ khu vực Đông Nam Á, Úc, Ấn Độ, một phần Trung Quốc và Nhật Bản.
2. Băng tần ku: toàn bộ khu vực đông dƣơng, Thái Lan và một phần Mianma.
* Kết luận:
Chƣơng này đã xét cấu trúc chung của bộ phát đáp trên vệ tinh. Mỗi bộ phát đáp bao gồm ba phân hệ: phân hệ anten, phân hệ thông tin và phân hệ TT&C. Hệ thống anten trên vệ tinh bao gồm các anten phủ sóng nửa bán cầu, phủ sóng vùng rộng, phủ sóng vùng hẹp và TT&C. Phân hệ thông tin gồm các máy thu băng rộng, các bộ phân kênh vào, các bộ khuyếch đại và các bộ ghép kênh ra. Các thiết bị này thƣờng đƣợc dự phòng để tăng độ tin cậy. Ngoài ra, phân hệ này cũng có thể chứa các bộ lọc phân cực đứng (V) và ngang (H). Phân hệ TT&C (đo, bám và điều khiển) cho phép đo từ xa các thông số vệ tinh báo cáo vệ trạm điều khiển dƣới mặt đất để nhận đƣợc các lệnh điều khiển tƣơng ứng. Phân hệ này phát đi tín hiệu hải đăng thông báo về vị trị bị xê dịch của nó để đảm bảo bám từ trạm mặt đất. Ngoài ra, dựa trên tín hiệu này trạm điều khiển dƣới mặt đất cũng phát lênh điều khiển vị trí vệ tinh.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Linh 55
CHƢƠNG III
SUY HAO TRONG THÔNG TIN VỆ TINH
* Nội dung chính của chƣơng gồm:
+ Lý thuyết và công thức các loại suy hao vệ tinh
+ Lý thuyết tính toán và các thông số cơ bản EIRP, G/T
3.1. Suy hao trong thông tin vệ tinh
Một tuyến thông tin vệ tinh bao gồm đƣờng truyền sóng từ anten của trạm phát đến vệ tinh (tuyến lên - uplink) và từ vệ tinh đến anten của trạm mặt đất thu (tuyến xuống - downlink).
Do đó suy hao trong thông tin vệ tinh gồm các loại suy hao sau:
3.1.1. Suy hao trong không gian tự do
- Đối với vệ tinh điạ 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 lớn nhƣ vậy nên suy hao trong không gian tự do là suy hao lớn nhất.
- Gọi suy hao này là Ltd, ta có:
Trong đó d[km] : là chiều dài của một tuyến lên hay xuống. λ [m]: bƣớc sóng công tác.
Bƣớc sóng λ đƣợc đổi ra tần số công tác với quan hệ f = c/λ . c: vận tốc ánh sáng c = 3.108 m/s.
f: tần số công tác (GHZ) tính theo dB:
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Linh 56
- Suy hao không gian tự do của tuyến lên hay xuống khi công tác ở băng C (6/4GHz) vào khoảng 200dB. Để bù vào suy hao này, đảm bảo cho máy thu nhận đƣợc một tín hiệu đủ lớn cỡ -90dBm đến -60dBm, ngƣời ta sử dụng anten có đƣờng kính đủ lớn hàng chục mét để có hệ số tăng ích lớn khoảng 60dB và máy phát có công suất lớn hàng trăm đến hàng ngàn W.
- Xét trƣờng hợp một máy phát có công suất bức xạ là 100W cho mỗi sóng mang, công tác ở băng C (6/4GHz). Nếu chỉ tính đến suy hao không gian tự do là 200dB thì công suất thu đƣợc ở sóng mang đó sẽ là:
Tính theo dBw :
PRx = 20 (dBW) - 200 (dB) = -180 (dBW) = -150 (dBmW).
Với công suất nhỏ nhƣ vậy thì máy thu không thể thu đƣợc tín hiệu, để có đƣợc công suất đầu vào máy thu khoảng -70dBm 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=30dB.
- Ngoài suy hao chính trong không gian tự do còn có các suy hao khác tuy không lớn nhƣng khi tính toán tuyến thông tin vệ tinh mà ta không xét hết các khả năng xấu nhất do ảnh hƣởng của môi trƣờng truyền sóng thì khi xảy ra các hiện tƣợng đó chất lƣợng thông tin sẽ xấu đi và có thể làm gián đoạn thông tin.
3.1.2. Suy hao do tầng đối lƣu
Tầng đối lƣu là lớp khí quyển nằm sát mặt đất lên đến độ cao (10km-15km) (theo quy định của tầng đối lƣu tiêu chuẩn), bao gồm các chất khí chính hấp thụ sóng gây ra suy hao nhƣ hơi nƣớc, 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 lƣu càng nhỏ, do đƣờng truyền của sóng trong tầng đối lƣu càng ngắn. Tại các tần số 21GHz và 60GHz có các suy hao cực đại, đó là do sự cộng hƣởng hấp thụ đối với các phân tử hơi nƣớc và Oxy.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Linh 57
3.1.3. Suy hao do tầng điện ly
Tầng điện ly là lớp khí quyển nằm ở độ cao khoảng 60km đến 400km, do bị ion hoá mạnh nên lớp khí quyển ở độ cao này bao gồm chủ yếu là các điện tử tự do, các ion âm và dƣơng nên đƣợc gọi là tầng điện ly. Sự hấp thụ sóng trong tầng điện ly giảm khi tần số tăng, ở tần số trên 600MHz thì sự hấp thụ không đáng kể.
3.1.4. Suy hao do thời tiết
- Suy hao do các điều kiện thời tiết nhƣ mây, mƣa, sƣơng mù, suy hao này phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ cƣờng độ mƣa hay sƣơng mù, vào tần số, vào chiều dài quãng đƣờng đi của sóng trong mƣa, 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 mƣa khoảng 0,6 dB, suy hao do sƣơng mù khoảng 0,2dB, còn suy hao trong các chất khí rất nhỏ có thể bỏ qua. Nói chung khi tần số và cƣờng độ mƣa tăng thì suy hao tăng nhanh, đặc biệt trong khoảng tần số từ 10GHz đến 100GHz.
- Suy hao thực tế tuỳ thuộc vào góc ngẩng anten, độ cao đặt anten so với mức nƣớc biển, chiều cao cơn mƣa và sƣơng mù mà đoạn đƣờng đi thực tế của sóng qua vùng đó là khác nhau. Suy hao trên toàn bộ đoạn đƣờng có chiều dài Lesóng đi qua là: Ltt
= γ .Le(dB)
Trong đó γ : là hệ số suy hao trên đoạn đƣờng 1km (dB/km), phụ thuộc tần số, môi trƣờng gây suy hao nhƣ cƣờng độ mƣa hay độ dày của sƣơng mù.
Le : là chiều dài thực tế sóng đi qua vùng gây suy hao (km), phụ thuộc góc ngẩng anten, độ cao đặt anten, đƣợc xác định theo công thức:
Với hm là độ cao của cơn mƣa (km), theo khuyến nghị 564 của CCIR ở vĩ độ từ 00 đến 560
lấy hm= 3 ± 0,028 (km).
hslà độ cao anten trạm mặt đất so với mức nƣớc biển (km).
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Linh 58
3.1.5. Suy hao do đặt anten chƣa đúng
Khi anten phát và thu lệch nhau thì sẽ tạo ra suy hao vì búp chính của anten thu hƣớng không đúng chùm tia phát xạ của anten phát. Thƣờng thì suy hao do đặt anten chƣa đúng từ 0,8 đến 1 dB.
3.1.6. Suy hao trong thiết bị thu
Hình 3.1. Tổn hao Fiđơ
Suy hao trong thiết bị phát và thu còn gọi là suy hao do hệ thống fiđơ, có hai loại nhƣ sau: Suy hao LFTX giữa máy phát và anten, để anten phát đƣợc công suất PT cần phải cung cấp một công suất PTX ở đầu ra của bộ khuếch đại phát, do vậy:
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 thƣờng lấy hệ số tổn hao fiđơ LFRX = LFTX = 2dB. Suy ra LFRX = LFTX = 10-0,2 (lần).
3.1.7. Suy hao do phân cực không đối xứng
Suy hao do phân cực không đối xứng xảy ra khi anten thu không đúng hƣớng với sự phân cực của sóng nhận. Vớí đƣờng truyền phân cực tròn, sóng phát chỉ đƣợc 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 đƣờng truyền phân cực thẳng thì sóng có thể bị quay mặt phẳng phân cực của nó khi đƣờng 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 thƣờng chỉ 0,1dB.
3.1.8. Nhiễu từ vệ tinh khác
Hình 3.2 cho ta thấy can nhiễu xảy ra do các vệ tinh đặt gần nhau. Ta xem xét tín hiệu can nhiễu từ vệ tinh 1 tác động lên trạm mặt đất 2 và tín hiệu can nhiễu từ vệ
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Linh 59
tinh 2 tác động lên trạm mặt đất 1. Khi góc θ càng nhỏ ( tƣơng ứng với 2 vệ tinh đặt càng gần nhau) thì ảnh hƣởng của chúng lên trạm mặt đất càng lớn.
Hình 3.2. Can nhiễu giữa các hệ thống thông tin vệ tinh
Trong thực tế, tỷ số công suất của sóng mang trên sóng can nhiễu C/N giữa các vệ tinh có thể lớn hơn hoặc bằng 30dB (1000 lần) khi hai vệ tinh đặt cách nhau khoảng 20 trên quỹ đạo, ngay cả nếu các anten của chúng cùng chiếu vào cùng một vị trí.
3.1.9. Trễ truyền dẫn
Trong thông tin vệ tinh, hiện tƣợng trễ tín hiệu xảy ra khi cự ly thông tin quá dài, vì toàn bộ đƣờng truyền sóng của tuyến lên và xuống là hơn 72.000km, gây ra sự trễ tín hiệu lên đến 250ms. Nhƣng thời gian trễ 500ms mới ảnh hƣởng đến cuộc thoại. Do đó nên tránh làm việc với hai bƣớc nhảy (có trạm mặt đất chuyển tiếp cho thông tin giữa hai trạm cần liên lạc với nhau) vì sẽ gây độ trễ quá 1s.
3.2. Lý thuyết tính toán
3.2.1. Một số thuật ngữ và lý thuyết tính toán
- Độ nghiêng(inclination): góc giữa mặt phẳng quỹ đạo và mặt phẳng xích đạo
- Góc ngẩng (elevation): góc giữa vệ tinh và đƣờng nằm ngang (hình 3.3)
- Uplink: tuyến từ trạm mặt đất lên vệ tinh
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Linh 60
- Góc phƣơng vị (azimuth): góc giữa hình chiếu của vệ tinh trên mặt đất với cực bắc trái đất
- Transponder: Khối thu phát kết hợp trong vệ tinh thông tin, thông tin nối tiếp giữa anten phát và anten thu
- G/T: hệ số phẩm chất của máy thu
Hình 3.3. Góc ngẩng vệ tinh
- Công suất phát xạ đẳng hƣớng tƣơng đƣơng: (EIRP) biểu thị công suất thực tế phát tới vệ tinh, nghĩa là nó tƣơng đƣơng với công suất phát cần thiết khi sử dụng anten không có tăng ích và hệ thống phi đơ không có suy hao.
EIRP = PT + GT (dBW)
Với: Pt là công suất phát, Gt là hệ số khuyếch đại của anten phát
- Đối với anten parabol, hệ số khuyếch đại anten thƣờng đƣợc tính theo công thức sau:
Với: f là tần số sóng mang [GHz], D là đƣờng kính gƣơng phản xạ [m] và η là hiệu suất mặt mở. Thông thƣờng η=0,55-0,73.
- Suy hao truyền sóng:
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Linh 61
Với: LP là suy hao truyền sóng, LI là suy hao hấp thụ trong tầng điện ly, LA là suy hao hấp thụ trong không khí, LR là suy hao mƣa, Γ là suy hao không gian tự do
Hay Γ = 92,5 + 20lg f [GHz] + 20lg d [km] (dB) Hay Γ = 32,5 + 20lg f [MHz] + 20lg d [km](dB) R: khoảng cách truyền
λ: bƣớc sóng
- Búp hƣớng anten: một anten có hƣớng sẽ bức xạ theo một búp chính và luôn tồn tại các búp phụ. Búp chính đƣợc xác định theo giới hạn góc θ3dB nhƣ sau:
- Mật độ thông lƣợng công suất: (Ф ) (W/m2)
Với R: khoảng cách truyền
- Tỷ số công suất tín hiệu trên công suất tạp âm: (C/N) biểu thị mối quan hệ giữa độ lớn của tín hiệu thu và tạp âm tại đầu vào máy thu.
C/N0 = Pr/N0 = (C/N) dB+10lg(Δf) (dB.Hz) Với: C là công suất thu sóng mang
C/N0 không phụ thuộc vào tần số thƣờng đƣợc sử dụng để so sánh hiệu suất của các hệ thống khác nhau. C/N phụ thuộc vào độ rộng băng tần của một hệ thống cho trƣớc (chẳng hạn bộ lọc máy thu).
N0 = kT Ta có:
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Linh 62
Với:
là suy hao do lệch anten phát là suy hao do lệch anten thu LFTX và LFRX là suy hao ống dẫn sóng phía phát và thu TA là nhiệt độ tạp âm (0K)
LA là suy hao khí quyển (tầng điện ly và tầng đối lƣu) K = -228,6 (dBw/Hz 0K)
- Biểu thức này có thể hiểu nhƣ sau:
C/N0 = ( EIRP máy phát )( 1/mất mát đƣớng truyền )( hệ số tăng ích của máy thu/nhiệt tạp âm )( 1/k ) (Hz)
3.2.2. Khảo sát thông số EIRP và G/T ở nƣớc ta Băng tần C: Băng tần C: Bảng 3.1. EIRP và G/T ở băng tần C City EIRP (dBW) G/T (dB/K) Hà Nội 44,1 -0,6 Hồ Chí Minh 43,6 -0,3 Hải Phòng 44,1 -0,6 Đà Nẵng 44,1 -0,3 Nha Trang 43,8 -0,2 Quy Nhơn 43,9 -0,2 Huế 44,2 -0,2
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Linh 63 Băng tần ku: Bảng 3.2. EIRP và G/T ở băng tần ku City EIRP (dBW) G/T (dB/K) Hà Nội 54,5 8,4 Hạ Long 54,2 8,3 Thanh Hóa 53,8 8 Đà Nẵng 53,5 7,8 Nha Trang 53,5 7,9 Hồ Chí Minh 53,6 7,8
* Kết luận:
Chƣơng này đã xét các dạng tổn hao đƣờng truyền khác nhau nhƣ: tổn hao do các phần tử của thiết bị vô tuyến, tổn hao không gian tự do, tổn hao khí quyển, tổn hao lệch định hƣớng anten, tổn hao lệch phân cực, tổn hao do mƣa… cho ta biết nguyên nhân của suy hao, đƣa ra các vấn đề để tìm hƣớng giải quyết để giảm suy hao trong thông tin vệ tinh, chúng ta cũng tìm hiểu đƣợc một phần công thức cơ bản để làm tiền đề tính can nhiễu giữa các vệ tinh trong chƣơng IV.
Cần Thơ 43,4 -0,3
Nam Định 44,1 -0,5
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Linh 64
CHƢƠNG IV
TÍNH NHIỄU ẢNH HƢỞNG GIỮA VỆ TINH VINASAT VỚI
VỆ TINH LÂN CẬN
* Nội dung chính của chƣơng gồm: + Tính giá trị ngƣỡng
∆T/T
+ Các trƣờng hợp chồng lấn tần số + Cung phối hợp tần số
+ Tính C/I
+ Hai bài toán thực nghiệm
4.1. Giá trị ngƣỡng của ∆T/T
Hình 4.1. Giá trị C/N
Với D/C (Down Converter ) là bộ đổi tần xuống từ cao tần (RF) thành trung tần (IF) - Ntot = N + I
Với Ntot là tổng các nguồn nhiễu N là công suất tạp âm nhiệt I là tạp âm nhiễu ngoài
- Nếu I << N thì I/N < giới hạn ngƣỡng
khi đó, không có ảnh hƣởng bất lợi đến hiệu suất hệ thống
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Linh 65
- Nhiễu nhiệt hệ thống: N = KTB
Với K là hằng số Bolzman = -228,6 (dBw/Hz 0K) T là nhiệt độ tạp âm bộ thu (0K)
B là băng thông (Hz)
- Nếu N0 là mật độ phổ công suất tạp âm nhiễu (W/Hz) ta có: N = N0B với N0 = KT
- Nếu Im là giá trị max của mật độ phổ của tạp âm nhiễu bên ngoài vào hệ thống là I thì:
I ≤ ImB I/N ≤ Im/N0
- Nếu ∆T là nhiệt độ tạp âm hệ thống tăng lên gây ra bởi Im thì: Im = K∆T Im/N0 = ∆T/T
- Việc tính toán thông qua nhiệt độ nhiệt tạp âm rất thuận lợi vì không phải tính mật độ công xuất nhiễu ngoài qua việc tính tích phân trong toàn bộ băng tần bộ thu. Nhƣ vậy tính toán nhiễu từ bên ngoài thông qua tỷ số T/T sẽ đơn giản hơn nhiều
Hình 4.2. Sơ đồ tuyến thông tin vệ tinh
Với: Prs là công suất ở đầu ra của anten SAT Pre là công suất ở đầu ra của anten ES
γ là độ lợi ( độ khuếch đại) = Pre/ Prs Ts là nhiệt độ tạp âm của máy thu SES
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Linh 66
T là nhiệt độ tạp âm tƣơng đƣơng của trạm mặt đất: T = Te + γTs
Hình 4.3. Vệ tinh gây nhiễu
