tính toán và thiết kế hệ thống vệ tinh vsat

Cấu hình trạm mặt đất cần chọn chủ yếu là các tham số:  Loại anten đường kính, hiệu suất, hệ số phẩm chất, nhiệt độ tạp âm.. Các tham số sử dụng trong tính toán thiết kế có thể phân chi

Luận văn

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

HỆ THỐNG VỆ TINH VSAT

1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Mục đích chính của việc hiết kế à hiết lập ỷ số C/N heo yêu cầu Vì vậy trọng âm của chương này à ính oán cự y hông in, kết nối đường ên, đường

x ống Từ đó kiểm ra xem uyến đạt chất lượng so với yêu cầu hay kh ng,q a đó thiếtlập rạm mặtđấtphù hợp

Cấu trúc truyền dẫn tiên tiến đối với cả 2 đường lên và xuống

II CÁC THÔNG SỐ CẦN CHO TÍNH TOÁN

1 Cấu hình trạm mặt đất cần chọn chủ yếu là các tham số:

 Loại anten (đường kính, hiệu suất, hệ số phẩm chất, nhiệt độ tạp âm)

 Công suất máy phát

Người Dùng

Tập đoàn, Văn phòng, Dịch vụ, ISPs (Nhà cung cấp Dvụ Internet), Dài phát thanh

Cáp Quang iPSTAR GATEWAY

Other iPSTAR

Gateways

Internet, PSTN, Public

& Private networks

Return Links (from Terminal to

Gateway)

Forward Links (from Gateway

to Terminal)

2 Việc tính toán sẽ dựa trên một số giả thiết cho trước như:

 Chất lượng tín hiệu yêu cầu

 Các tham số suy hao

 Hệ số dự trữ

3 Các tham số sử dụng trong tính toán thiết kế có thể phân chia theo thành phần hệ thống liên quan như:

 Trạm mặt đất + Vị trí địa lý của trạm, tính toán các tham số như suy hao do mưa (đây cũng là nguồn gây nhiễu loạn ngẫu nhiên nhất), góc nhìn vệ tinh, cự ly thông tin, suy hao đường truyền

+ Mức công suất phát xạ đẳng hướng tương đương (EIRP_Equivalent Isotropic Radiated Power): công suất phát xạ, hệ số phẩm chất (G/T)e của trạm

+ Nhiệt độ tạp âm hệ thống: liên quan tới độ nhạy và hệ số phẩm chất

+ Ảnh hưởng của tạp âm điều chế bên trong tới tỷ số tín hiệu trên tạp âm + Các đặc điểm của thiết bị (suy hao fiđơ, suy hao phân cực anten, đặc tính bộ lọc ) để biết hệ số dự trữ kết nối T

 Vệ tinh + Vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo

+ Mức EIRP của vệ tinh, hệ số phẩm chất (G/T)s của vệ tinh

+ Băng thông máy phát đáp, dạng phân cực, dải tần làm việc

+ Mật độ thông lượng bão hoà

+ Mức lùi công suất đầu vào (IBO), đầu ra (OBO)

5 Khi xem xét đến nhiễu các nhà vận hành vệ tinh sử dụng nhiều phương pháp khác nhau (như ở Intersat sử dụng thông số C/N(dB) để xem xét nhiễu trong khi ở Eutesat thì ngược lại sử dụng C/No(dBHz)) Chất lượng và độ sẵn dùng đựoc định nghĩa là các khoảng % thời gian mà trong đó các mức ngưỡng BER không được vượt quá

Trước khi đi vào tính toán bài toán cụ thể ta cần xem xét vấn đề như :

 Việc xác định kích thước Aten và công suất yêu cầu trên một đường truyền

là tùy thuộc vào độ lợi của bộ phát đáp Độ lợi này thường được đưa ra ở trạng thái bão hòa của bộ phát đáp Điều này còn tùy thuộc vào đặc tính phi tuyến TWT hay SSPA của bộ phát đáp

 Sự chiếm dụng của một mạng VSAT có thể được miêu tả bởi 2 đại lượng :

+ Sự chiếm dụng băng thông : là tỉ số tổng các băng tần được phân phối cho mỗi sóng mang của mạng chia cho độ rộng băng thông bộ phát đáp + Sự chiếm dụng công suất : là tỉ số EIRP cần dùng cho mỗi sóng mang của mạng chia cho EIRP hữu dụng của bộ phát đáp (EIRP ở trạng thái bão hòa trừ cho toàn bộ mức lùi đầu ra

2 BÀI TOÁN THỰC TẾ:

2.1 Giới thiệu chung

Mục đích chính của việc thiết kế là thiết lập tỷ số C/No theo yêu cầu tại đầu vào máy thu Vì vậy trọng tâm của chương này là tính toán các thông số được lựa chọn kỹ lưỡng để nhận dược tỷ số C/No để đầu vào máy thu đạt yêu cầu, từ đó kiểm tra xem tuyến đạt chất lượng so với yêu cầu hay không Qua đó, dựa vào các thông số tính được để lựa chọn các cấu hình cần thiết cho việc thiết lập trạm mặt đất trong thông tin

vệ tinh

2.2 Mô hình và các thông số của một tuyến thông tin

2.2.1 Mô hình tuyến

Hình 2.2 : Mô hình hoạt động của mạng VSAT IPSTAR

2.2.2 Tính toán góc ngẩng và góc phương vị

2.2.2.1 Góc ngẩng

Để tính góc ngẩng anten trạm mặt đất, ta có thể dựa vào hình vẽ 2.3

Hình 2.3 : Tính toán góc ngẩng Trong hình 2.3 : O là tâm trái đất, A là vị trí của trạm mặt đất, S là vị trí của vệ tinh, 0

 r  OS

Từ đó suy ra:

0 0

0

0

sin

cossin

tg

e e

 a = 1800 + kinh độ tây hoặc

 a = 1800 - kinh độ đông

a phụ thuộc vào kinh độ, vừa kinh độ tại điểm thu và kinh độ vệ tinh Góc phương

vị của 2 vệ tinh được tính theo công thức:

Vệ tinh 1:  a1 = 1800- kinh độ đông

Vệ tinh 2:  a2 = 1800+ kinh độ tây

Góc phương vị  a được tính theo công thức:

Cực Bắc

450W 300 E Góc phương vị của vệ tinh 2 Góc phương vị của vệ tinh 1

Hình 2.3 Góc phương vị của vệ tinh

) sin (

L tg

e

L

 là hiệu kinh độ đông của vệ tinh với trạm mặt đất, L e = L s - L e

2.2.3 Tính toán kết nối đường lên (UPLINK)

2.2.3.1 Công suất phát của trạm mặt đất P TXe (e - để phân biệt của trạm mặt đất

"earth station", sl - là của vệ tinh "satellite")

Đây là công suất phát thực của trạm mặt đất tính từ Anten trạm mặt đất và được tính bằng tích độ lùi đầu ra OBOvới công suất phát trạm mặt đất bão hòa PTXsat

PTXe = OBO * PTXsat

OBO là độ lùi đầu ra của Anten trạm mặt đất cũng là độ dự trữ công suất cho trạm khi trời mưa OBO = - Arain (suy hao do mưa)

2.2.3.2 Hệ số khuếch đại anten phát trạm mặt đất G TXe

Độ lợi anten là thông số rất quan trọng trong trạm mặt đất, anten đặt ở ngõ vào để khuếch đại tín hiệu rất nhỏ từ picowatt đến nanowatt Độ khuếch đại lớn sẽ làm tăng tỷ số C/No, nó liên quan đến đặc tính chảo anten và băng tần công tác:

2log

f Ulà tần số tín hiệu phát lên

 là hiệu suất của anten,  thường khoảng từ 50% - 80%

c là vận tốc ánh sáng, c = 3.108 m/s

2.2.3.3 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của trạm mặt đất EIRP e

Công suất bức xạ hiệu dụng EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power) còn gọi là công suất bức xạ đẳng hướng tương đương, nó biểu thị công suất của chùm sóng chính phát

từ trạm mặt đất đến vệ tinh Được tính bằng tích của công suất máy phát đưa tới anten trạm

mặt đất P TXe với hệ số tăng ích của anten phát G Txe

EIRP  e P TXe G TXe (W)

hoặc: EIRP e 10lg(P TXe)G TXe [dBW] (2.5)

EIRP e thông thường của trạm mặt đất có giá trị từ 0dBW đến 90dBW, còn của vệ tinh

từ 20dBW đến 60dBW

2.2.3.4 Tổng suy hao tuyến lên L U

Tổng suy hao tuyến lên: L U LFSL A (dB) (2.6)

Trong đó: L FS - suy hao tuyến phát trong không gian tự do

A

L - suy hao do Anten (do mưa và tầng khí quyển)

Trong đó: Suy hao tuyến lên trong không gian tự do được tính theo biểu thức:

L FS 20lg(4 f U R)20lg(c) (dB) (2.7)

Suy hao tuyến lên Anten được tính theo biểu thức:

rain AG

Với: AAG: suy hao tầng khí quyển

Arain: suy hao do mưa

2.2.3.5 Độ lợi Anten thu (/m 2 ) G 1(dBW/m2)

Độ lợi của anten thu (trên 1m2) được tính bằng biểu thức:

Với : EIRPe : Công suất bức xạ đẳng hướng của trạm mặt đất

LU : Suy hao tuyến lên

G1 : Độ lợi của anten thu (trên 1m2)

2.2.3.7 Độ lùi đầu vào IBO

a) Độ lùi đầu vào IBO 1 của một trạm

IBO1 được tính bởi công thức:

Với : Ф1 : Mật độ dòng công suất bức xạ mặt đất trên 1m2

Фsat : Mật độ dòng công suất bức xạ bão hòa (vệ tinh) trên 1m2

b) Độ lùi đầu vào tổng IBO t

IBO1 được tính bởi công thức:

sat sat

t t IBO

dBW

Với : Фt : Tổng mật độ dòng công suất bức xạ mặt đất trên 1m2

Фsat : Mật độ dòng công suất bức xạ bão hòa (vệ tinh) trên 1m2

2.2.3.8 Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên (C/N o ) U

Trong các tuyến thông tin vệ tinh, chất lượng của tuyến được đánh giá bằng tỷ số công suất sóng mang trên công suất tạp âm (C/No), hay công suất sóng mang trên nhiệt tạp

âm tương đương (C/To) Tạp âm chủ yếu phụ thuộc vào bản thân máy thu, vào môi trường

bên ngoài như môi trường truyền sóng và can nhiễu phụ thuộc các hệ thống viba lân cận… 1) Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên bão hòa (C/N o ) Usat

Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên bão hòa (C/No)Usat được tính theo công thức:

G N

C

SL sat

N

SL sat

(2.13) Trong đó: Фsat : Mật độ dòng công suất bão hòa (vệ tinh) trên 1m2

G1 : Độ lợi Anten thu (/m2)

(G/T)SL : Hệ số phẩm chất máy thu vệ tinh

k : là hằng số Boltzman, k =1,38.10-23 (J/oK)

2) Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên một trạm mặt đất (C/N o ) U1

Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên của trạm mặt đất (C/No)Usat được tính theo công thức:

 /  1 IBO1

N C N

C

sat O

N C dBHz

N C

sat O

Trong đó: (C/No)Usat :Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên bão hòa

IBO1 :Độ lùi đầu vào của một trạm mặt đất

2.2.4 Tính toán kết nối đường xuống (DOWNLINK)

2.2.4.1 Hệ số khuếch đại anten thu trạm mặt đất G RXe

Hệ số khuếch đại anten thu trạm mặt đất có biểu thức tính tương tự như đối với hệ số khuếch đại anten phát trạm mặt đất:

2log

f D :Tần số tín hiệu phát xuống

 : hiệu suất của anten,  thường khoảng từ 50% - 80%

c là vận tốc ánh sáng, c = 3.108 m/s

2.2.4.2 Tổng suy hao tuyến xuống L D

Tổng suy hao tuyến lên: L D L FS L A (dB) (2.16)

Trong đó: LFS - suy hao tuyến xuống trong không gian tự do

LA - suy hao do Anten (do mưa và tầng khí quyển)

Trong đó *Suy hao tuyến xuống trong không gian tự do được tính theo biểu thức:

G

max (dB/0K) (2.18) Trong đó: (G/T)Emax : Hệ số phẩm chất cực đại của trạm mặt đất

LR : suy hao lệch tâm

Lpol : Suy hao do phân cực

δ : Tổng suy hao do Feeder và do mưa

D E R

Hình : a) TDmin Không bị nhiễu do mưa, b) TD Bị nhiễu do mưa

Với TDmin được tính bằng biểu thức:

R ground sky

Trong đó : Tsky:nhiễu nhiệt bầu trời

Tground:nhiễu nhiệt mặt đất

TR : nhiễu nhiệt vào

2.2.4.4 Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến xuống bão hòa (C/N o ) Dsat

Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến xuống bão hòa (C/No)Dsat được tính theo công thức:

L EIRP

N

C

ES D

dBHz N

ES D

SLsat

(2.21) Trong đó: EIRPSLsat : Công suất bức xạ bão hòa (vệ tinh) trên 1m2

G1 : Độ lợi Anten thu (/m2)

(G/T)SL : Hệ số phẩm chất máy thu vệ tinh

k : là hằng số Boltzman, k =1,38.10-23 (J/oK)

2.2.4.5 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của một sóng mang EIRP 1

Công suất bức xạ đẳng hương tương đương một sóng mang EIRP1 được tính bằng

công thức:

EIRP1EIRP SLsat OBO1 (W)

hoặc: EIRP1 EIRP SLsat(dBW)IBO1(dB) [dBW] (2.22)

trong đó :

2.2.4.6 Độ lùi đầu ra OBO

a) Tổng độ lùi đầu ra OBO t

Figure A6.2 OBOt as a function of IBO t

Tổng độ lùi đầu ra OBOt được tính bằng biểu thức:

TXsat

TX t

P

P OBO  

dB dB

dB OBO

dB IBO

dB IBO dB

OBO

t vói

t

t vói

t t

05

)(0)(

5)

5)((9.0)(

(2.23)

Trong đó :

b) Độ lùi đầu ra OBO 1

Tổng độ lùi đầu ra OBOt được tính bằng biểu thức:

n OBO

dB OBO

n

OBO OBO

t

t

log10)

(1

2.2.4.7 Tỷ số sóng mang trên tạp âm nhiễu tuyến xuống trên một sóng mang (C/N o ) D1

Figure 5.18 Geometry of the downlink P TX: carrier power at satellite

transmitter output; L FTX: feeder loss from satellite transmitter to antenna;

P T: carrier power fed to the satellite antenna GT: satellite antenna transmit

gain in direction of earth station; θ T: satellite antenna half beamwidth angle;

GRmax: earth station antenna receive gain at boresight; θR: earth station

antenna depointing angle; L FRX: feeder loss from earth station antenna to

receiver input; CD: carrier power at receiver input; RX: receiver

Tỷ số sóng mang trên tạp âm nhiễu tuyến xuống trên một sóng mang (C/No)D1 được tính bằng biểu thức:

1 0

Trong đó :

2.2.4.8 Tỷ số sóng mang trên tạp âm nhiễu xuyên điều chế tuyến xuống trên sóng mang (C/N o ) IM (IM – intermodulation :xuyên điều chế)

Hình : a) Nhiễu xuyên điều chế tuyến xuống do búp sóng khác(vệ tinh)

b) Nhiễu xuyên điều chế tuyến xuống do trạm GetWay khác

Tỷ số sóng mang trên tạp âm nhiễu xuyên điều chế tuyến xuống trên sóng mang (C/No)IM được tính bằng biểu thức:

C/N0IM 7910logn1.65(OBO t(dB)5)vói IBO t 5dB (2.26)

b)

2.2.4.9 Tỷ số sóng mang trên tạp âm nhiễu giao thoa tuyến xuống trên sóng mang (C/N oi ) D (i – interference :giao thoa)

Hình : a) Nhiễu giao thoa tuyến xuống do búp sóng vệ tinh khác

a)

b)

Tỷ số sóng mang trên tạp âm nhiễu giao thoa tuyến xuống trên sóng mang (C/Noi)D

được tính bằng biểu thức:

C/N0iDEIRP SLw,max EIRP SLi,max 10logB i 10logminB i,BN G RXmax 25log(1.65)

(2.27) Trong đó :

2.2.4.10 Tỷ số sóng mang trên tạp âm nhiễu toàn tuyến trên sóng mang (C/N o ) t

Tỷ số sóng mang trên tạp âm nhiễu toàn tuyến trên sóng mang (C/No)t được tính bằng biểu thức:

0 1

0 1

0 1

/ 10

/ 10

/

/

0 0

0 U C N D C N IM C N i

N C t

N

(2.28) Trong đó :

========================

Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến xuống (C/N o ) D

Trong các tuyến thông tin vệ tinh, chất lượng của tuyến được đánh giá bằng tỷ số công suất sóng mang trên công suất tạp âm (C/No), hay công suất sóng mang trên nhiệt tạp

âm tương đương (C/To) Tạp âm chủ yếu phụ thuộc vào bản thân máy thu, vào môi trường

bên ngoài như môi trường truyền sóng và can nhiễu phụ thuộc các hệ thống viba lân cận…

a) Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên bão hòa (C/N o ) Dsat

2.4.1 Công suất bức xạ hiệu dụng của vệ tinh

Công suất bức xạ hiệu dụng EIRP s của vệ tinh còn gọi là công suất phát xạ đẳng hướng tương đương, nó biểu thị công suất của chùm sóng chính phát từ vệ tinh đến trạm mặt

đất EIRP s của vệ tinh thông thường được cho trước

2.4.4 Công suất sóng mang thu được ở trạm mặt đất

Công suất sóng mang nhận được tại đầu vào máy thu trạm mặt đất được xác định theo biểu thức :

C Re EIRP s L D G Re (dB) (2.12)

với : G Re là hệ số khuếch đại của anten thu trạm mặt đất

2.4.5 Công suất tạp âm hệ thống

Công suất tạp âm hệ thống được tính bằng biểu thức:

N SYS 10lg( kT S YS B )10log k10log T SYS 10log B

L

T T T

T     [0K]

2.4.6 Tỉ số công suất sóng mang trên công suất tạp âm tuyến xuống

Tỉ số công suất sóng mang trên công suất tạp âm tuyến xuống là:

( C / N ) D C Re N SYS EIRP s L DG Re N SYS (2.13)

4.2.2 Những yếu tố cần xem xét khi phân tích tuyến

Tỷ số C/N tại máy thu là một yếu tố quan trọng trong việc thiết kế một tuyến thông tin để đảm bảo được chất lượng yêu cầu, nhưng C/N tại máy thu được xác định bằng các đặc tính của thiết bị riêng biệt trong trạm mặt đất, vệ tinh và các ảnh

hưởng của môi trường đến việc thiết lập tuyến

Trạm mặt đất :

Việc chọn lựa vị trí trạm mặt đất rất phức tạp phải xét đến các điều kiện sau: + Vị trí địa lý của trạm mặt đất giúp ta có thể ước lượng được suy hao do mưa góc nhìn vệ tinh, EIRP của vệ tinh theo hướng trạm mặt đất và suy hao đường truyền

+ Công suất phát liên quan tới EIRP

+ Độ lợi của bộ phát đáp và đặc tính tạp âm

+ Tạp âm xuyên điều chế

Kênh truyền :

+ Tần số hoạt động liên quan đến suy hao tuyến và độ dự trữ tuyến

+ Các đặc tính lan truyền liên quan đến độ dự trữ tuyến và lựa chọn phương pháp điều chế

+ Tạp âm giữa các hệ thống

Cự ly thông tin, góc ngẩng và góc phương vị của anten trạm mặt đất :

Hình 4.2 Các tham số của đường truyền trạm mặt đất - vệ tinh