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.
- 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
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.
Hình 3.1: Nhiễu giữa các vệ tinh lân cận
Độ lớn của nhiễu gây bởi vệ tinh lân cận phụ thuộc vào nhiều yếu tố như khoảng cách kinh/vĩ độ của các vệ tinh, trạm mặt đất, công suất phát / thu của anten, độ lợi của anten
Một số nguyên nhân gây nhiễu giữa các vệ tinh lân cận và cách khắc phục:
Nguyên nhân 1 : Anten phát căn chỉnh hướng đến vệ tinh không tốt. ( hình 3.2)
Trạm phát hệ thống A
Vệ Tinh A
Trạm thu hệ thống A
Trạm thu hệ thống B Vệ Tinh B
Hình 3.2:Nhiễu vệ tinh lân cận do chỉnh anten phát không đúng
Trạm phát hệ thống A
Vệ Tinh A
Trạm thu hệ thống A
Trạm thu hệ thống B Vệ Tinh B
Hình 3.3: Khắc phục nhiễu vệ tinh lân cận do chỉnh anten phát không đúng
Nguyên nhân 2 : Anten không đạt yêu cầu kỹ thuật, công suất búp sóng phụ rất lớn Trạm phát hệ thống A Vệ Tinh A Trạm thu hệ thống A Trạm thu hệ thống B Vệ Tinh B
Hình 3.4 : Nhiễu vệ tinh lân cận do công suất búp sóng phụ lớn
Biện pháp hạn chế : Kiểm tra kỹ thông số kỹ thuật của anten. Sử dụng anten có kích thước như khuyến nghị
Trạm phát hệ thống A
Vệ Tinh A
Trạm thu hệ thống A
Trạm thu hệ thống B Vệ Tinh B
Hình 3.5 : Nhiễu vệ tinh lân cận do búp sóng chính quá lớn
Biện pháp hạn chế : Kiểm tra kỹ thông số kỹ thuật của anten. Sử dụng anten có kích thước như khuyến nghị
Nguyên nhân 4 : Trạm thu nằm trong vùng đường đẳng mức EIRP của vệ tinh lân cận
Vệ Tinh A Vệ Tinh B
Hình 3.6 : Nhiễu vệ tinh lân cận do trùng đường đẳng mức
Biện pháp hạn chế : thực hiện tính toán đường truyền, sử dụng công suất phát theo khuyến nghị.
Tóm Tắt chƣơng :
Chương này đã trình bày phương pháp và cách tính toán chất lượng một tuyến thông tin vệ tinh, bao gồm phân tích đường truyền tuyến lên/xuống, phân tích các suy hao và các loại nhiễu (đặc biệt là nhiễu gây ra bởi các vệ tinh lân cận) ảnh hưởng tới đường truyền, từ đó đề ra biện pháp nâng cao chất lượng tuyến. Chương 3 là cơ sở để chương 4 thực hiện tính toán một tuyến thông tin vệ tinh khi có tính tới nhiễu giữa các vệ tinh lân cận.
Chƣơng 4 : TÍNH TOÁN ĐƢỜNG TRUYỀN THÔNG TIN VỆ TINH KHI CÓ NHIỄU GIỮA CÁC VỆ TINH LÂN CẬN CHO VỆ TINH VINASAT-1 4.1 Nhắc lại một số công thức :
4.1.1. Hệ số tăng ích của anten G
G [dBi] = 10logη + 20logf + 20logd + 20,4[dB] Hệ số tăng ích cho 1m2 của anten với hiệu suất 100 % là :
G1m2 [dBi] = 20 logf +21.4 [dB] trong đó :
η là hiệu suất anten d là đường kính anten
f là tần số công tác tính theo GHz 20.4 là kết quả của 10 log(1*109*π/c) c là vận tốc ánh sáng
4.1.2.Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương EIRP ( Equivalent Isotropic Radiated Power)
EIRP [dBW] = 10 log PTX + GTX [dBi] trong đó :
PTX là công suất đầu vào anten
GTX [dBi] là hệ số tăng ích của anten phát [dBi]
4.1.3. Khoảng cách từ vệ tinh tới trạm mặt đất
D được tính như sau :
D = {R2 + S2 – 2RS(cosC)}1/2
Trong đó
R là bán kính mặt phẳng quỹ đạo trái đất 6378.14 km S là bán kính quỹ đạo địa tĩnh (42164.57 km)
C là cos-1
({cos θ1* cos(θS - θE )}
θ1 là vĩ độ trạm mặt đất
4.1.4. Tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm C/N
Đây là một trong những tham số quan trọng của đường truyền
C/N = PRX / PN hoặc có thể viết C/N = {EIRP*GRX} / {K*TSYSB}*L0
PN là tạp âm nhiệt
PRX công suất tín hiệu thu
K hằng số Boltzmann (~ 228.6 dBW/K) TSYS nhiệt tạp âm hệ thống
B là băng tần sóng mang chiếm
Mặt khác ta có thể viết đơn giản hơn theo tỷ số công suất sóng mang trên nhiệt độ tạp âm hệ thống :
C/T [dB] = EIRPTX – L0 + G/T
trong đó :
L0 là suy hao trường tự do
G/T là hệ số phẩm chất hệ thống thu
4.1.5.Tỷ sốsóng mang trên mật độ phổ tạp âm C/N0
C/N0 [dBHz] = EIRP – L0 + G/T – 10log(K)
EB / N0 = C/N0 – 10log R
R là tốc độ luồng dữ liệu
4.1.6.Tỷ số công suất sóng mang trên nhiệt tạp âm hệ thống C/T
C/T [dB/K] = EIRP - L0 + G/T
4.1.7. Tạp âm do can nhiễu từ các tín hiệu phân cực vuông góc
C/TCO = C/ I + 10log (BW) - 228,6
Trong đó BW là băng tần sóng mang chiếm (đơn vị BW)
4.1.8. Tỷ số sóng mang trên nhiệt tạp âm hệ thống trên toàn bộ đường truyền
4.1.9 Tỷ số công suất sóng mang tín hiệu hữu ích trên nhiễu
C/I (có tài liệu gọi là S/I - Signal to Interference ratio) là viết tắt của chữ Carrier to Interference ratio, trong đó C là công suất sóng mang trung bình thu được (phần tín hiệu có ích), còn C là công suất nhiễu đồng kênh trung bình thu được (phần không mong muốn). C/I là một tham số quan trọng trong việc đánh giá chất lượng kênh truyền. Như vậy, tỷ số C/I là tỷ số công suất sóng mang tín hiệu hữu ích trên nhiễu. Hiển nhiên trong hệ thống vô tuyến di động số như GSM thì tỷ số này càng nhỏ, xác suất thu lỗi các bít (BER: Bit Error Rate) càng lớn, do đó chất lượng thoại hay dữ liệu càng thấp. Tới một mức nào đó phụ thuộc sơ đồ điều chế (trong GSM thì là GMSK), chất lượng cuộc gọi không thể chấp nhận được nữa thì cuộc gọi bị rớt. Ngoài ra, nếu C/I quá thấp (công suất tín hiệu thu được quá thấp hay mức nhiễu quá lớn) thì các kênh điều khiển, dù có được mã hóa chống nhiễu (mã kênh) cẩn thận hơn, cũng bị rớt, dẫn đến không thể kết nối/thiết lập cuộc gọi.
Phương pháp tính tỷ số C/I :
Theo khuyến nghị S.1418 của tổ chức ITU, các thông số cơ bản sử dụng để tính toán tỷ số công suất sóng mang tín hiệu hữu ích trên nhiễu C/I được cho bởi bảng dưới đây [10]:
Tham số Ký hiệu Tần số trung tâm fc Hệ thống bị nhiễu Kinh độ trạm thu (độ) Vrx Kinh độ máy phát(độ) Vtx Công suất phát (dBW) Pv
Độ lợi anten phát(dBi) Gv,tx
Băng thông truyền (MHz) Bv
Độ lợi anten thu (dBi) Gv,rx
Hệ thống gây nhiễu
Kinh độ trạm thu (độ) Irx
Kinh độ máy phát(độ) Itx
Công suất phát (dBW) Pi
Độ lợi anten phát(dBi) Gi,tx
Băng thông truyền (MHz) Bi
Độ lợi anten thu (dBi) Gi,rx
Bán kính anten thu (*) di,tx
* Bán kính anten có thể dùng để tính toán độ lợi G Như vậy
C/I up = (EIRP matdat + G tram_matdat_mongmuon- L1 + Gvetinh_mongmuon) – (EIRPmatdat_gaynhieu + G tram_matdat_gaynhieu() - L2 + Gvetinh_mongmuon) Trong đó :
L1 là tổng suy hao tuyến lên trong không gian từ trạm phát mặt đất tới vệ tinh mong muốn
L2 là tổng suy hao từ trạm mặt đất gây nhiễu tới vệ tinh mong muốn
G tram_matdat_gaynhieu() là độ lợi của anten trạm mặt đất gây nhiễu theo hướng vệ tinh mong muốn
Tương tự ta có tỷ số C/Idown được tính theo công thức
C/I down = (EIRP vetinh_mongmuon + G tram_matdat_mongmuon- L3 + Gvetinh_mongmuon ) – (EIRPvetinh_gaynhieu+ G tram_matdat () - L4 + Gvetinh_gaynhieu)
L3 là tổng suy hao từ vệ tinh mong muốn tới trạm thu mặt đất mong muốn L4 là tổng suy hao trong không gian từ vệ tinh gây nhiễu tới trạm mong muốn G tram_matdat()là độ lợi của anten trạm mặt đất mong muốn theo hướng vệ tinh gây nhiễu.
Theo khuyến nghị của ITU-T, độ lợi này có thể tính theo công thức G = 32 − 25 log
4.2 Tính toán cho vệ tinh Vinasat
Xét bài toán thực tế như sau
Vệ tinh gây nhiễu (130+/- 0.5)
Trạm phát gây nhiễu
Vệ tinh Vinasat1 (132+/- 0.5)
Trạm thu mong muốn Trạm phát mong muốn
EIRPdBW = 44.2 G2m = 21 dB 6500 MHz 3500 MHz G2 = 21 dBW d1 = 37036 km L1 = 200.08 dB d2 = 37036 km L2 = 194.7 dB EIRPdBW = 25.6 G1 = 53 dB G4 = 49 dB G4 (θw)= 27.46 dBW d4 = 36957 km L4 = 196.26 dB EIRPdBW = -12.6 dBW G3 = 20 dB 6422.5 MHz G1 (θi)= 26.46 dB EIRPdBW = 16 d5 = 36957 km L5 = 199.958 km θw= 1.5 θi= 1.5 105E 21 N G/T = 5dB/K Độ rộng dải tần 36x106 - Tính C/I
Cuplink= (EIRP matdat + G tram_matdat_mongmuon - L1 + Gvetinh_mongmuon ) =25.6+53-200.08+21= - 100.48
Iuplink= (EIRPmatdat_gaynhieu + G tram_matdat_gaynhieu() - L2 + Gvetinh_mongmuon) = 16+27.461-199.977+21=-135.516
C/Iuplink = -100.48 + 135.516=35.036 Tương tự ta có :
Cdownlink = (EIRP vetinh_mongmuon + G tramthu_matdat_mongmuon - L3 + Gvetinh_mongmuon ) = 44.2+49-194.7+21 = -80.4
Idownlink = (EIRPvetinh_gaynhieu + G tram_matdat () - L4 + Gvetinh_gaynhieu ) = -12.6+20-196.22+27.461= -161.39
C/Idown = -80.4 + 161.359=80.89
C/Itotal = -10* lg(10-3.5 + 10-8 ) =34.99 dB
- Tính C/Tup
Theo bảng phụ lục chỉ tiêu vệ tinh Vinasat ta có G/Tsat dB/K = -0.3 Vậy C/Tup = 25.6 – 200.08 -0.3 = -174.78 (dB/K)
Hay C/Tup = 10-17.47 (W/K) - Tính C/Tdown
Tương tự ta có C/Tdown = EIRPsat_dBW – L + G/Ttram_thu Với G/Ttram_thu = 5dB/K
Vậy C/Tdown = 44.2 – 194.7+5= -145.50 (dB/K) hay C/Tdown = 10-14.55 (W/K)
- Tính C/Ttotal
Như trên đã trình bày, ta có
= + +
C/TCO = C/ I + 10log (BW1) - 228,6
Ở đây BW1 là băng tần sóng mang chiếm (ở đây là 873.8 KHz)
Vậy C/TCO = 34.99 + 10 log10(36x106) – 228.6 = -118.04 (dB/K) hay C/TCO = 10-11.80 (W/K) Vậy (C/Ttotal )-1 = (C/Tup)-1 + (C/Tdown )-1 + (C/TCO )-1 = (10-17.47 )-1 +(10-14.55 )-1+(10-11.80 )-1 = 2.9548*1017 C/Ttotal = 3.3844*10-18 (W/K) C/Ttotal = 10*log10(3.3844*10-18) = -174.70 (dB/K) - Tính C/N0 C/N0 = C/Ttotal - 10 log K = -174.70 + 228.6 =53.90 dBHz
- Tính tỷ số năng lượng bit trên cường độ tạp âm của cả tuyến là Es / N0 = C/N0 – 10 log R
Nếu ta xét một tuyến có tốc độ bit là 2,048 mbps thì R=2.048 *106 bps
4.3 Mô phỏng chất lƣợng tín hiệu sử dụng công nghệ DVB-S2
4.3.1 Giới thiệu công nghệ DVB-S2
DVB-S2 là tiêu chuẩn mới nhất trong hệ thống tiêu chuẩn DVB cho các ứng dụng vệ tinh băng rộng, với hiệu suất sử dụng băng thông tăng từ 30% đến 131% so với công nghệ DVB-S hiện nay. [7]
Kỷ nguyên truyền dẫn thông tin bằng vệ tinh thực sự có hiệu quả vào những năm 80. Khi đó, truyền dẫn qua vệ tinh đã tiết kiệm băng thông và giá thành khi sử dụng các kiểu điều chế QPSK và BPSK. Những năm 90, công nghệ phát quảng bá qua vệ tinh đã phát triển rộng rãi sau khi ETSI công bố chuẩn DVB-S đầu tiên, kết hợp điều chế QPSK với mã sửa lỗi hướng truyền trong và ngoài (Viterbi và Reed-Solomon).
Cuộc cách mạng về mã sửa lỗi kết hợp với các cấu hình điều chế mới và một loạt các đặc tính mới là nền tảng làm nên tiêu chuẩn DVB-S2. Đây là tiêu chuẩn mới nhất trong các tiêu chuẩn của ETSI về truyền dẫn thông tin vệ tinh. Kiểu điều chế này cũng đã khép lại con đường tiệm cận giới hạn về mặt lý thuyết (giới hạn shannon).
DVB-S2 với hiệu suất sử dụng băng thông tăng từ 30% đến 131% so với DVB-S đang được kỳ vọng sẽ đem lại hiệu quả to lớn khi được ứng dụng, với khả năng truyền dẫn đồng thời nhiều dịch vụ có tốc độ lớn như truyền hình có độ phân giải cao HDTV, Internet tốc độ cao, truyền số liệu và các ứng dụng chuyên nghiệp… trên cùng một bộ phát đáp của vệ tinh mà hệ thống DVB-S trước đó khó có thể thực hiện được.
DVB-S2 được ví như là một bộ công cụ cho các dịch vụ tương tác: Điều chế và mã hoá cao cấp, truyền tải bất kì dạng (format) dữ liệu nào. Mục tiêu của bộ công cụ DVB-S2 là một hệ thống đơn phục vụ cho các ứng dụng khác nhau.
4.3.2 Giới thiệu module commdvb-s2 của Matlab để mô phỏng đường truyền vệ tinh sử dụng công nghệ DVB-S2
4.4 Kết quả mô phỏng
Hình 4.1 : Kết quả mô phỏng chất lượng tuyến thông tin vệ tinh
Từ kết quả trên ta thấy tỷ lệ lỗi Bit BER là khá lớn 0.28
Như vậy với đường truyền sử dụng công nghệ DVB-S2 cho kết quả BER khá lớn, đường truyền xấu sẽ gây ảnh hưởng tới chất lượng khách hàng.