Biểu thức (2.38) của C/N0 đ−ara ba hệ số: - Thứ nhất (EIRP) đặc tr−ng cho thiết bị phát.
- Thứ hai (1/L = 1/LFSLA) đặc tr−ng cho môi tr−ờng truyền dẫn
- Thứ ba (hệ số tăng ích máy thu/nhiệt tạp âm) đặc tr−ng cho thiết bị thu. Nó đ−ợc gọi là hệ số phẩm chất, hoặc G/T của thiết bị thu.
Bằng việc khảo sát (2.37) có thể thấy rằng hệ số phấm chất G/T của thiết bị thu là hàm của nhiệt tạp âm anten TA và nhiệt tạp âm t−ơng đ−ơng TR của máy thu. Giá trị của nó sẽ đ−ợc xác định d−ới đây.
5.4. Nhiệt tạp âm anten
Có hai tr−ờng hợp đ−ợc xem xét: - Anten vệ tinh (tuyến lên)
- Anten trạm mặt đất (tuyến xuống)
5.4.1. Anten vệ tinh tuyến lên
Nhiệt độ vùng chiếu sáng ) (K TBe Kinh độ vệ tinh
Hình 2.14: Nhiệt độ tạp âm của vệ tinh địa tĩnh phụ thuộc quỹ đạo và tần số
Tạp âm nhận đ−ợc bởi anten là tạp âm từ mặt đất và tạp âm từ không gian bên ngoài. Độ rộng búp sóng của anten vệ tinh bằng hoặc nhỏ hơn góc quan sát từ vệ tinh xuống quả đất, với vệ tinh địa tĩnh góc quan sát là 17,5o. Với các điều kiện nh− vậy ảnh h−ởng chủ yếu là từ mặt đất. Với anten có độ rộng búp sóng θ3dB bằng 17,5o thì nhiệt tạp âm anten cho ở hình 2.14. Phụ thuộc vào tần số và vị trí quỹ đạo của vệ tinh. Khi độ rộng nhỏ hơn (một búp
sóng hẹp) nhiệt độ phụ thuộc vào tần số và vùng phủ sóng; đất liền bức xạ tạp âm lớn hơn đại d−ơng. Th−ờng lấy giá trị tạp âm anten bằng 290 K. Nhiệt tạp âm đầu vào bộ khuếch đại tạp âm thấp của vệ tinh bằng:
TSL = T1/LFRX + TF(1 - 1/LFRX) + TR (2.40)
5.4.2. Anten trạm mặt đất (tuyến xuống)
Tạp âm gây ra cho anten bao gồm tạp âm từ bầu trời và tạp âm do bức xạ từ mặt đất. Hình 2.15 chỉ ra ảnh h−ởng này.
Tr−ờng hợp trời trong: ở những tần số lớn hơn 2 GHz ảnh h−ởng không phải vùng ion của khí quyển mà là môi tr−ờng hấp thụ, nh− là một nguồn tạp âm. Khi không xẩy ra các hiện t−ợng khí t−ợng (đ−ợc gọi là bầu trời trong) nhiệt tạp âm anten bao gồm nhiệt tạp âm của bầu trời và mặt đất xung quanh.
Tbầu trời/ LRain
Tmặt đất mặt đất Tm= (1- 1/ L Rain) bầu trời Tmặt đất mặt đất
Tbầu trời bầu trời
m−a = bộ suy hao Tm L Rain
Hình 2.15: Các ảnh h−ởng của nhiệt tạp âm trạm mặt đất
Tạp âm bầu trời đ−ợc xác định từ biểu thức 2.30 trong đó Tb(θ,ϕ) là nhiệt độ vùng chiếu sáng của bầu trời ở h−ớng (θ,ϕ). Trong thực tế chỉ có một phần của bầu trời nằm trong h−ớng anten có hệ số tăng ích lớn. Nh− vậy ảnh h−ởng của tạp âm bầu trời trong Tsky chỉ có thể có tác dụng nhiệt độ vùng phủ
sóng đối với góc ngẩng của anten. Hình 2.16 chỉ ra nhiệt tạp âm bầu trời trong nh− là hàm của tần số và góc ngẩng.
Bức xạ từ mặt đất ở vùng lân cận trạm gây ra do các búp phụ của anten và một phần bởi búp chính khi góc tà nhỏ. Nhiệt tạp âm do mỗi búp phụ đ−ợc tính bởi Ti = Gi(Ω/4π)TG, trong đóGi là giá trị hệ số tăng ích của búp phụ có góc đặc Ωi và TG là nhiệt độ vùng chiếu sáng của mặt đất. Tổng của các ảnh h−ởng này là giá trị Tm.đất .
Hình 2.16: Nhiệt tạp âm của bầu trời trong phụ thuộc tần số và góc ngẩng E khi độ ẩm khí quyển trung bình (7,5g/cm3 tại mặt đất)
và các điều kiện về nhiệt độ và độ ẩm tiêu chuẩn tại mặt đất.
Sau đây một số giá trị gần đúng của TG.
- TG = 290 K đối với các búp phụ có góc tà E nhỏ hơn - 10o - TG = 150 Kđốivới - 10o < E < 0o
- TG = 50 Kđốivới 0o < E < 10o - TG = 10 Kđốivới 10o < E < 90o
Nhiệt tạp âm anten sẽ là:
TA = Tbầu trời + Tmặt đất (K) (2.41) Tạp âm này có thể tăng thêm bởi các nguồn riêng lẻ nằm trong khu vực lân cận của tính h−ớng anten. Đối với một nguồn vô tuyến đ−ờng kính góc biểu kiến α và nhiệt tạp âm Tn tại tần số xem xét và đo ở mức mặt đất sau suy hao bởi khí quyển thì nhiệt tạp âm thêm vào ΔTA đối với một anten có độ rộng búp sóng θ3dB đ−ợc cho bởi:
ΔTA = Tn(α/θ3dB)2 nếu θ3dB > α (K)
ΔTA = Tn nếu θ3dB < α (K) (2.42) Chỉ có mặt trời và mặt trăng đ−ợc kể đến đối với các trạm mặt đất h−ớng về vệ tinh địa tĩnh. Mặt trời và mặt trăng có một đ−ờng kính góc t−ơng đ−ơng 0,5o. Nhiệt tạp âm sẽ tăng lên khi có các vật thể trên bầu trời nằm thẳng hàng với trạm mặt đất và vệ tinh. Điều kiện đặc biệt này có thể biết tr−ớc. Để rõ hơn, tại tần số 12 GHz một anten 13 m nhiệt tạp âm tăng lên do mặt trời tại thời gian đó có giá trị bằng 12.000 K. Các điều kiện xẩy ra và giá trị của ΔTA là hàm của đ−ờng kính anten và tần số. Đối với mặt trăng tăng lên khoảng 250 K tại 4 GHz.
Hình 2.17 chỉ ra sự phụ thuộc của nhiệt tạp âm anten TA vào góc tà E với các loại anten khác nhau ở các tần số làm việc khác nhau khi bầu trời trong. Có thể thấy rằng nhiệt tạp âm anten giảm khi góc ngẩng tăng.
Tr−ờng hợp có m−a: Nhiệt tạp âm anten tăng do điều khiện khí t−ợng nh− mây và m−a làm tăng hấp thụ. Từ biểu thức (2.34), nhiệt tạp âm anten trở thành:
TA = Tb.trời/ L rain + Tm(1 - 1/ L rain ) + Tm.đất (K) (2.43) Trong đó L rain là suy hao trong m−a và Tm là giá trị của nhiệt độ trung bình hiệu dụng. Tm có giá trị bằng 260 K đến 280 K.
Tóm lại, nhiệt tạp âm anten TA là một hàm của : - Tần số
- Điều kiện khí quyển (bầu trời trong hay m−a)
Hình 2.17: Các giá trị điển hình của nhiệt tạp âm TA
Do vậy, hệ số phẩm chất của một trạm mặt đất cần phải đ−ợc xác định rõ điều kiện thực tế về tần số, góc ngẩng, và tình trạng của khí quyển.
2.5.5. Nhiệt tạp âm của máy thu
Hình 2.18 chỉ ra cấu trúc của máy thu. áp dụng công thức (2.31) nhiệt tạp âm TR của máy thu có thể biểu thị:
TR = TLNA + TMX/GLNA + TIF/GLNAGMX (K) (2.44) Chú ý: nếu bộ khuếch tạp âm thấp có hệ số khuếch đại cao sẽ hạn chế nhiệt tạp âm TR của máy thu xuống bằng TLNA của bộ khuếch đại tạp âm thấp.
Bộ trộn TMX GMX LO LNA X IF AMP TR TIF.GIF TLNA.GLNA Bộ biến đổi hạ tần
2.5.6. Kết luận
Chất l−ợng của tuyến thông tin giữa một máy phát và máy thu có thể đ−ợc đặc tr−ng bởi tỷ số công suất tín hiệu trên mật độ phổ công suất tạp âm C/N0. Nó là hàm của các đặc tính thiết bị đầu cuối của tuyến, EIRP máy phát và hệ số phẩm chất G/T máy thu và tính chất của môi tr−ờng truyền dẫn. Trong một tuyến thông tin vệ tinh giữa hai trạm mặt đất, hai tuyến cần phải đ−ợc tính đến: - Đặc tr−ng của tuyến lên bởi tỷ số (C/N)U và đặc tr−ng của tuyến xuống bởi tỷ số (C/N0)D. ảnh h−ởng của các điều kiện truyền sóng trong khí quyển của tuyến lên và xuống là khác nhau; M−a làm giảm giá trị tỷ số (C/N0)U do làm giảm giá trị của công suất thu CU cũng nh− giảm giá trị (C/N0)D do giảm giá trị công suất thu CD và tăng nhiệt tạp âm hệ thống của tuyến xuống. Biểu thị kết quả làm giảm bằng Δ(C/N0) ta có:
Δ(C/N0)U = ΔCU = (L rain )U (2.45) Δ(C/N0)D = ΔCD = Δ(G/T) = (L rain )D + ΔT (2.46)
2.6. ảnh h−ởng của môi tr−ờng truyền dẫn
Cả tuyến lên và tuyến xuống, sóng mang đều đi qua lớp khí quyển. Nhớ rằng khoảng tần số làm việc từ 1 đến 30 GHz. Khi xem xét quá trình truyền lan sóng ở đoạn băng tần này chỉ có hai tầng khí quyển là có ảnh h−ởng đó là tầng điện ly và tầng đối l−u. Tầng đối l−u rải từ mặt đất đến độ cao khoảng 15 km. Tầng điện ly nằm trong khoảng từ 70 đến 1000 km. Các vùng ở đó có ảnh h−ởng cực đại là vùng ở gần mặt đất của tầng đối l−u và ở độ cao khoảng 400 km đối với tầng điện ly.
ảnh h−ởng của khí quyển đã đ−ợc nêu ra tr−ớc đây trong LA do suy hao khí quyển trong công thức 2.19 cùng với nhiệt tạp âm anten. Đó là những vấn đề quan trọng của băng tần lớn hơn 10 GHz. ảnh h−ởng của l−ợng m−a đ−ợc định rõ bởi phần trăm thời gian mức c−ờng độ m−a v−ợt quá. C−ờng độ thấp với các ảnh h−ởng đáng kể t−ơng ứng với phần trăm thời gian cao (điển hình 20%); Điều này đ−ợc mô tả ở điều kiện “bầu trời trong”. C−ờng độ cao các ảnh h−ởng quan trọng t−ơng ứng với phần trăm thời gian nhỏ (điển hình 0,01%). Đó là trong điều kiện có m−a. Các ảnh h−ởng này có thể làm giảm
chất l−ợng của tuyến d−ới mức ng−ỡng có thể chấp nhận đ−ợc. Giá trị có thể sử dụng của một tuyến liên quan trực tiếp đến sự thống kê l−ợng m−a theo thời gian. Vì tầm quan trọng của chúng nên ảnh h−ởng của m−a sẽ đ−ợc giới thiệu đầu tiên. Các ảnh h−ởng khác chỉ là hiện t−ợng sẽ đ−ợc nêu sau.
2.6.1. ảnh h−ởng của m−a [3]
C−ờng độ m−a đ−ợc đo bằng tốc độ m−a R biểu thị ở mm/giờ. Thời gian thống kê l−ợng m−a theo xác suất có thể xẩy ra biểu thị % thời gian hàng năm p (%) bởi giá trị l−ợng m−a RP v−ợt quá (mm/h). Số liệu về l−ợng m−a tại các vị trí đặt trạm mặt đất quy định trong tuyến có thể sử dụng số liệu theo khuyến nghị 563, CCIR. Chi tiết hơn, ở châu Âu tốc độ m−a R0,01 (p = 0,01% thời gian hàng năm hầu nh− đ−ợc sử dụng để phân tích hệ thống, nó phù hợp với 53 phút một năm) khoảng 30 mm/h ngoại trừ một số vùng Địa trung Hải ở đó chu kỳ bão (l−ợng m−a lớn trong một khoảng thời gian ngắn) đẫn đến giá trị của R0,01 = 50 mm/h. Các vùng xích đạo, R0,01 =120 mm/h (Ví dụ Florida ở Mỹ) hoặc 160 mm/h (trung Mỹ)
L−ợng m−a gây ra hai ảnh h−ởng: - Suy hao
- Phân cực trực giao
2.6.1.1 Suy hao
Giá trị suy hao do m−a L rain có giá trị γR (dB/km) và chiều dài đoạn đ−ờng thực tế sóng đi trong m−a Le (km) Vì vậy:
L rain = γRLe (dB) (2.47) Giá trị γR phụ thuộc vào tần số và c−ờng độ m−a RP (mm/h). Do giá trị suy hao đ−ợc biểu thị trong phần trăm thời gian p. Việc xác định L rain tiến hành theo một vài b−ớc
- Tính toán độ cao của cơn m−a hm−a (km):
hm−a (km) = 3 + 0,028 , nếu 0 < vĩ độ < 56o = 4 - 0,075 (vĩ độ - 36) nếu vĩ độ ≥ 36o - Tính toán đoạn đ−ờng nằm ngang trong m−a:
LS = (hm−a - hS)/sinE ( có giá trị đối với góc ngẩng E > 5o ) hS = độ cao của trạm mặt đất so với mực n−ớc biển (km)
- Tính toán r0,01 hệ số giảm 0,01% thời gian, tính đến sự không đồng nhất của m−a:
r0,01 = 1/(1 + (LS/L0)cosE Trong đó L0 (km) = 35 exp (- 0,015 R0,01)
- Tính Le:
Le = LSr0,01 (km)
- Xác định R0,01 (v−ợt quá 0,01% của một năm trung bình) tại vị trí đặt trạm mặt đất;
- Xác định γR sử dụng toán đồ hình 2.19 nh− là một hàm của R0,01 và tần số. Trong tr−ờng hợp sóng phân cực tròn, giá trị trung bình của các suy hao đạt đ−ợc cho mỗi mặt phẳng phân cực
- Giá trị suy hao do m−a v−ợt quá 0,01% của một năm trung bình là: L rain (p = 0,01%) = γRLe (dB)
Giá trị suy hao v−ợt quá đối với phần trăm thời gian p giữa 0,001% và 0% là: L rain (p) = Am−a(p=0,01).0,12p- (0,546+0,043lgp) (dB)
Đôi khi yêu cầu đánh giá suy hao v−ợt quá trong phần trăm thời gian pw của tháng bất kỳ (nghĩa là tháng xấu nhất). Phần trăm thời gian hàng năm t−ơng ứng cho bởi:
p = 0,3(pw)1,15 (%) (2.48)
Các giá trị điển hình của suy hao do m−a v−ợt quá 0,01% của một năm trung bình có thể đ−ợc suy ra từ thủ tục tr−ớc của các vùng tỷ lệ l−ợng m−a R0,01 v−ợt quá 0,01% của một năm trung bình với giá trị 30 đến 50 mm/h. Điều đó cho khoảng 0,1 dB ở 4 GHz; 5 đến 10 dB ở 12 GHz; 10 đến 20 dB ở 20 GHz; và 25 đến 40 dB ở 30 GHz.
Suy hao do các đám mây m−a hoặc s−ơng mù γC có thể đ−ợc tính theo công thức:
Trong đó K = 1,1.10-3 f1,8, f ở GHz từ 1 GHz đến 30 GHz, K ở (dB/km)/(g/m3) và M = Mật độ n−ớc trong đám mây (g/m3)
Hình 2.19: Biểu đồ xác định suy hao cụ thể γR phụ thuộc tần số (GHz) và l−ợng m−a R(mm/h)
Suy hao do các đám mây m−a và s−ơng mù thì nhỏ so với l−ợng m−a, trừ tr−ờng hợp mây và s−ơng mù có mật độ hơi n−ớc cao. Với góc ngẩng E = 20o suy hao có thể tới 0,5 đến 1,5 dB ở 15 GHz và 2 đến 4,5 dB ở 30 GHz. Suy hao này dù sao quan sát đ−ợc ở phần trăm thời gian lớn hơn.
Suy hao do các đám mây băng cũng nhỏ hơn. Tuyết khô có ảnh h−ởng ít. Mặc dù tuyết rơi ẩm có thể gây ra suy hao lớn t−ơng đ−ơng với m−a, tình
trạng này rất hiếm và ít ảnh h−ởng lên phép thống kê suy hao. Sự giảm sút các đặc tính anten do chất đống của tuyết và băng có thể đáng kể hơn ảnh h−ởng của tuyết dọc theo tuyến
2.6.1.2. Phân cực trực giao
Nhiệm vụ của phát năng l−ợng trong một phân cực đ−ợc chuyển thành trạng thái phân cực vuông góc. Phân cực trực giao xảy ra nh− kết quả của suy hao khác nhau và sự tr−ợt pha giữa hai phân cực vuông góc. ảnh h−ởng này là do hình thù của giọt m−a không phải hình cầu. Thông th−ờng nhận đ−ợc hình dạng của một giọt n−ớc rơi là hình cầu dẹt với trục chính nghiêng đi so với ph−ơng nằm ngang và với sự biến dạng phụ thuộc bán kính quả cầu thể tích nh− nhau. Th−ờng nhận đ−ợc độ nghiêng các góc thay đổi ngẫu nhiên theo không gian và thời gian. Góc phân cực đặc tr−ng là nằm ngang và thẳng đứng nghĩa là h−ớng vuông góc cả ph−ơng nằm ngang và ph−ơng truyền sóng th−ờng đ−ợc gọi ảnh h−ởng góc nghiêng.
Quan hệ giữa độ phân biệt phân cực chéo XPD và suy hao tuyến cùng phân cực L rain là dự đoán tr−ớc dựa trên thống kê suy hao. Mối liên quan tiếp theo là phù hợp t−ơng đối với sự đo l−ờng ở một thời kỳ dài trong một khoảng tần số từ 3 đến 37 GHz
XPD = U - 20lg(L rain ) (dB) (2.50)
Trong đó:
U = 30lg(f) - D(E) + k2 + I(τ) (dB)
f là tần số (GHz), E là góc tà (độ) và τ góc nghiêng phân cực (đối phân cực đ−ờng thẳng) so với ph−ơng ngang.
Số hạng D(E) thay đổi xấp xỉ với góc tà E cho bởi:
D(E) = 40lg(cosE) (dB)
Tuy nhiên D(E) không dự đoán tr−ớc đ−ợc khi góc ngẩng gần 90o . Số hạng k2 kể đến sự phụ thuộc đầu tiên vào độ trải ngẫu nhiên của các góc nghiêng giọt n−ớc trung bình trên tuyến. Phân bố góc nghiêng giọt n−ớc đối với dạng Gao xơ, k2= 0,0053σ2, ở đây σ (độ) đ−ợc gọi là độ nghiêng chuẩn hiệu dụng của phân bố góc nghiêng giọt n−ớc. Vì k2 phụ thuộc vào một
vài hệ số, σ là số hạng không cần giải thích duy nhất của phân bố góc nghiêng.
Hệ số I(τ) có thể đ−ợc bỏ qua đối với phân cực tròn. Nó đặc tr−ng cho sự cải thiện phân cực đ−ờng thẳng so với phân cực tròn. Nếu cho rằng góc nghiêng hiệu dụng biến đổi ngẫu nhiên trong cơn m−a lớn và từ trận m−a này đến trận m−a khác và phân bố Gao xơ, giá trị 0 và độ lệch chuẩn σm , khi đó có thể biểu thị:
I(τ) = - 10lg{0,5{1 - cos(4τ)exp(-km2)}} (dB) Trong đó km2 = 0,0024σm (σm ở độ)
Giá trị của σ có thể lấy 0o, 5o ,10o, và 15o đối với phần trăm thời gian 1, 0,1, 0,01 và 0,001 với tần số 14/11 GHz. Một giá trị σm = 5o sẽ xuất hiện để cho một sự cải thiện cực đại I = 15 dB đối với τ = 0o hoặc90o
Giá trị điển hình của XPD nhỏ hơn 20 dB đỗi với 0,01% thời gian Tuyết (khô hoặc −ớt) gây ra hiện t−ợng t−ơng tự.
2.6.2. Các ảnh h−ởng khác
2.6.2.1. Suy hao bởi các chất khí trong khí quyển.
Suy hao do các chất khí trong khí quyển phụ thuộc vào tần số, góc