3.1.3.1. Nhiệt tạp õm
Nhiệt tạp õm là điện ỏp tạp õm xuất hiện từ sự chuyển động ngẫu nhiờn của súng mang, thường là cỏc điện tử. Sự chuyển động ngẫu nhiờn ở cỏc mức năng lượng nguyờn tử của cỏc điện tử là một đặc điểm chung của cỏc nguyờn tố tại nhiệt độ trờn 00 tuyệt đối.
Cụng suất tạp õm cú thể được tớnh theo cụng thức: Pn = KTB (W) Trong đú: K = 1.374*10-23 (J/K) là hằng số Boltzmann.
T(K) là nhiệt độ tạp õm tương đương. B(Hz) là độ rộng băng tần.
Từ cụng thức trờn nú cú thể cỏc chỳ ý sau:
- Một tải cho một cụng suất tạp õm lớn nhất là KTB tới một thiết bị thu.
- Cụng suất tạp õm sẵn cú ảnh hưởng trực tiếp tới nhiệt độ tuyệt đối của nguồn tạp õm.
- Nếu nhiệt độ tương đương được biết thỡ ta cũng cú thể biết được cụng suất tạp õm. Cho nờn, một anten cú trở khỏng Za sẽ cung cấp tới thiết bị thu một cụng suất tạp õm là KTB. Nhưng chớnh cỏc thiết bị thu cũng sẽ sinh ra một tạp õm ∆N trong đầu vào của nú, như vậy tổng tạp õm sẵn cú tại đầu ra thiết bị thu sẽ là:
NT = (KTB)G + ∆N
Trong đú: (KTB)G là tạp õm đầu vào mỏy thu cú hệ số tăng ớch G. ∆N = KTeB là tạp õm trong thiết bị thu.
Te là nhiệt độ tạp õm tương đương của thiết bị thu.
Nếu biết nhiệt độ tạp õm tương đương (Te) của một thiết bị ta cú thể biết được hệ số tạp õm của thiết bị đú. Hệ số tạp õm của thiết bị (F) được tớnh theo cụng thức sau:
F = 1 + (Te/T0)
Và nhiệt độ tạp õm tương đương cũng cú thể biết được từ hệ số tạp õm của thiết bị bởi cụng thức:
Te = (F - 1)T0
Trong đú: F là hệ số tạp õm của thiết bị.
Te(K)là nhiệt độ tạp õm tương đương của thiết bị thu. T0 = 290 K là nhiệt độ mụi trường.
3.1.3.2. Nhiệt tạp õm anten
Cú hai trường hợp được xem xột: - Anten vệ tinh (tuyến lờn).
- Anten trạm mặt đất (tuyến xuống).
a) Anten vệ tinh (tuyến lờn)
Tạp õm nhận được bởi anten vệ tinh là tạp õm từ trạm mặt đất và tạp õm từ khụng gian bờn ngoài. Độ rộng bỳp súng của anten vệ tinh bằng hoặc nhỏ hơn gúc quan sỏt từ vệ tinh xuống Trỏi Đất, với vệ tinh địa tĩnh là 17.50. Với cỏc điều kiện như vậy ảnh hưởng chủ yếu là từ trạm mặt đất. Với anten cú độ rộng bỳp súng θ3dB=17.50 thỡ nhiệt độ tạp õm của anten phụ thuộc vào tần số và vị trớ quỹ đạo của vệ tinh. Khi độ rộng nhỏ hơn (một bỳp súng hẹp) nhiệt độ tạp õm phụ thuộc vào tần số
và vựng phủ súng; trờn đất liền thỡ bức xạ tạp õm lớn hơn ngoài đại dương. Thường lấy giỏ trị tạp õm anten là 290 K.
b) Anten trạm mặt đất (tuyến xuống)
Tạp õm gõy ra cho anten của trạm mặt đất bao gồm tạp õm từ bầu trời và tạp õm do bức xạ từ mặt đất. Nú khỏc nhau khi trời trong và trời cú mưa.
1) Trường hợp trời trong.
Ở những tần số lớn hơn 2 GHz ảnh hưởng khụng phải ở vựng ion của khớ quyển mà là mụi trường hấp thụ, là một nguồn tạp õm. Khi khụng xảy ra cỏc hiện tượng khớ tượng (được gọi là bầu trời trong) nhiệt tạp õm anten bao gồm nhiệt tạp õm của bầu trời và mặt đất xung quanh.
Trong thực tế, chỉ cú một phần của bầu trời trong hướng mà anten cú hệ số tăng ớch lớn. Như vậy, ảnh hưởng của tạp õm bầu trời trong TSKY chỉ cú thể cú tỏc dụng nhiệt độ vựng phủ súng đối với gúc ngẩng của anten. Nhiệt tạp õm bầu trời trong như là một hàm số của tần số và gúc ngẩng.
Bức xạ từ mặt đất ở vựng lõn cận trạm mặt đất gõy ra bởi cỏc bỳp súng phụ của anten và một phần bởi bỳp chớnh khi gúc ngẩng nhỏ. Ảnh hưởng của mỗi bỳp súng phụ được tớnh bởi Ti = Gi/(Ωi/4π)Tg, trong đú Gi là giỏ trị hệ số tăng ớch của bỳp phụ cú gúc đặc Ωi và Tg là nhiệt độ vựng chiếu sỏng của mặt đất. Tổng của cỏc ảnh hưởng này là giỏ trị Tground . Ta cú thể lấy cỏc giỏ trị gần đỳng:
- Tg = 290 K đối với cỏc bỳp phụ cú gúc ngẩng E nhỏ hơn -100. - Tg = 150 K đối với -100 < E < 00.
- Tg = 50 K đối với 00 < E < 100. - Tg = 10 K đối với 100 < E < 900. Nhiệt tạp õm anten sẽ là:
Ta = Tsky + Tground (K)
Tạp õm này cú thể tăng thờm bởi cỏc nguồn riờng lẻ nằm trong khu vực lõn cận của tớnh hướng anten. Đối với một nguồn vụ tuyến đường kớnh gúc α và nhiệt tạp õm Tn ở tần số khảo sỏt và đo ở mức mặt đất sau suy hao bởi khớ quyển thỡ nhiệt tạp õm phụ ∆Ta đối với một anten cú độ rộng bỳp súng θ3dB được cho bởi:
∆Ta = Tn(α/θ3dB)2 nếu θ3dB > α ∆Ta = Tn nếu θ3dB < α
Chỉ cú mặt trời và mặt trăng được kể đến đối với cỏc trạm mặt đất hướng vệ tinh địa tĩnh. Mặt trời và mặt trăng cú một đường kớnh gúc tương đương 0.50. Nhiệt tạp õm sẽ tăng lờn khi cú cỏc vật thể trờn bầu trời nằm thẳng hàng với mặt đất và vệ tinh. Điều kiện đặc biệt này cú thể biết trước. Để rừ hơn, tại tần số 12 GHz một anten 13 m nhiệt tạp õm tăng lờn do mặt trời tại thời điểm đú cú giỏ trị ∆Ta = 12000 K. Cỏc điều
khiển xảy ra và giỏ trị của ∆Ta là hàm của đường kớnh anten và tần số. Đối với mặt trăng, sự gia tăng khoảng 250 K tại 4 GHz.
2) Trường hợp cú mưa.
Nhiệt tạp õm anten do điều kiện khớ tượng như mõy và mưa, do hấp thụ nước và do phỏt xạ vào mụi trường. Khi đú ta cú thể tớnh nhiệt tạp õm của anten theo cụng thức sau:
Ta = Tsky/Arain + Tm(1 – 1/Arain) + Tground (K)
Trong đú Arain là suy hao và Tm là giỏ trị của nhiệt độ trung bỡnh hiệu dụng. Tm cú giỏ trị từ 260ữ280 K.
Túm lại, nhiệt tạp õm anten Ta là một hàm của: - Tần số.
- Gúc ngẩng.
- Điều kiện khớ quyển (trời trong hay mưa).
Do vậy, hệ số phẩm chất của một trạm mặt đất cần phải được xỏc định rừ điều kiện thực tế về tần số, gúc ngẩng và tỡnh trạng của khớ quyển.
3.1.3.3. Nhiệt tạp õm của hệ thống
Nhiệt tạp õm hệ thống của một trạm mặt đất gồm cú: nhiệt tạp õm của mỏy thu, nhiệt tạp õm của anten. Do đú, nhiệt tạp õm của hệ thống được tớnh theo cụng thức sau:
Tsystem = Ta/L + (1 – 1/L)T0 + Te
Trong đú: L là suy hao ống dẫn súng. Te là nhiệt độ tạp õm mỏy thu. T0 = 290K là nhiệt độ mụi trường. Ta là nhiệt độ tạp õm của anten.
Phương trỡnh trờn cho ta biết suy hao của ống dẫn súng cú tỏc động quan trọng trong nhiệt tạp õm của hệ thống. Vớ dụ, dọc theo thiết bị ống dẫn súng suy giảm 0.3dB giữa anten và bộ khuếch đại sẽ đúng gúp 19 K tới nhiệt tạp õm của hệ thống. Suy hao fiđơ phải được giữ ở mức nhỏ, nếu khụng thỡ tỏc dụng của anten tạp õm thấp và bộ LNA sẽ khụng cũn nữa. Vỡ lý do đú mà tại sao bộ LNA được đặt ở vị trớ gần với đầu thu phỏt súng của anten.
3.1.3.4. Hệ số phẩm chất (G/T)
Trong mỗi hệ thống truyền dẫn, tạp õm là hệ số cú ảnh hưởng lớn lờn chất lượng của tuyến truyền dẫn. Hệ số (G/TdBK) được biết như là phộp đo “phẩm chất” của một hệ thống thu. INTELSAT quy định một hệ số (G/T) đặc trưng cho tất cả cỏc trạm mặt
đất tiờu chuẩn. Điều đú cú nghĩa là trạm mặt đất sẽ đỏp ứng cỏc đặc điểm kỹ thuật quy định của G/T, INTELSAT sẽ cung cấp đủ cụng suất từ vệ tinh tới đỏp ứng được cho cỏc dịch vụ khỏc nhau.
Từ cỏc cụng thức được tớnh ở trờn, hệ số phẩm chất G/T dễ dàng được tớnh theo cụng thức sau:
G/TdB/K = GdBi – 10logTsystem
Trong đú GdBi là hệ số tăng ớch của trạm mặt đất ở tuyến xuống. Tsystem là nhiệt độ tạp õm của hệ thống.
3.1.3.5. Tỷ số súng mang trờn tạp õm (C/N)
Chất lượng của một tuyến thụng tin vụ tuyến được đỏnh giỏ bằng tỷ số súng mang trờn tạp õm (C/N) và lượng mộo tớn hiệu thu ở tuyến thụng tin, ảnh hưởng tớn hiệu gõy ra mộo tớn hiệu thu là nhỏ, vỡ thế chất lượng đường truyền chỉ cần xỏc định bằng tỷ số C/N của đường truyền.Tỷ số C/N được tớnh theo cụng thức sau:
C/N = PR/Pn
Trong đú: PR là cụng suất thu của anten và Pn là cụng suất nhiệt tạp õm. Do đú, ta cú thể tớnh C/N theo cụng thức sau:
C/N = {EIRP.GR}/{KTsystemB}.L0
Tớnh theo dB:
C/NdB = EIRPdB – L0dB + G/TdB/K – 10log K* - 10log B Trong đú: L0 là suy hao trong khụng gian tự do.
G/T là hệ số phẩm chất của mỏy thu.
K* là hằng số Boltzmann (hoặc bằng – 228.6dBW/K).
B là độ rộng băng tần (với súng mang số B = 06*tốc độ truyền dẫn).
Ta cú mối liờn hệ giữa cụng suất tạp õm (N) và mật độ phổ cụng suất tạp õm (N0) trong độ rộng băng tần (B) được thể hiện trong cụng thức: N = N0B. Do đú, tỷ số súng mang trờn mật độ phổ cụng suất tạp õm (C/N0) được định nghĩa:
C/N0 dBHz = EIRPdB – L0dB + G/TdB/K – 10log K
Một biểu thức đơn giản hơn cú thể được suy ra là tỷ số súng mang trờn nhiệt độ tạp õm của hệ thống (C/T):
C/TdB/K = EIRPdB – L0 dB + G/TdB/K
Từ tỷ số súng mang trờn mật độ phổ cụng suất (C/N0) ta cũng tớnh được tỷ số năng lượng bớt trờn mật độ phổ cụng suất của tuyến thụng tin số:
Eb/N0 = C/N0 dB/K – 10log R Trong đú R là tốc độ truyền dẫn số.
3.1.3.6. Tổng tỷ số súng mang trờn tạp õm (C/TT)
Giỏ trị của tổng tỷ số súng mang trờn tạp õm (C/TT) của tuyến thụng tin vệ tinh được tớnh bởi phương trỡnh sau:
(C/TT)-1 = (C/TU)-1 + (C/TD)-1 Trong đú: (C/TT) là C/T tổng.
(C/TU) là C/T đường lờn. (C/TD) là C/T đường xuống.
Cần chỳ ý rằng tỷ số C/T trong cụng thức trờn là cỏc giỏ trị bằng số và tổng C/T phải được biến đổi từ mối tương quan logarit, hơn nữa tổng tỷ số C/T sẽ thấp hơn tỷ số C/T bậc thấp.
Do vậy, trong một tuyến thụng tin vệ tinh đường lờn phải được giữ chớnh xỏc trong mức bỡnh thường, mức EIRP thấp nghĩa là C/N0 thấp, nhưng mức EIRP cao khụng cần thiết C/N0 tốt hơn.