Tính toán các tham số đường truyền và mô phỏng NPAD

Tính toán các tham số đường truyền và mô phỏng NPAD

D.S.N.G& MẠCH TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ANTEN TRẠM DI ĐỘNG — GVHD:THẦY TS LÊ HỮU PHÚC

CHƯƠNG 2 : TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ ĐƯỜNG TRUYỀN

Phan này trình bày các phương pháp tính cơ bản của đường truyền từ mặt đất lên vệ tình gọi là đường lên (uplink) và đường truyền từ vệ tỉnh xuống gọi là đường

(Downlink) và phần mô phỏng

A_ TÍNH TOÁN THAM SỐ ĐƯỜNG TRUYỀN :

I Sư truyền lan sóng trong thông tỉn vệ tỉnh :

I.1 Khái mệm :

- Ta biết hiện không có một môi trường truyền sóng nào là lý tưởng, mà khoảng

cách từ trạm mặt đất tới vé tinh lại rất xa, vì thế sự suy hao là đáng kể Ngoài ra sóng

vô tuyến điện trong thông tin vệ tinh chịu ảnh hưởng của các tác động như tiêu hao do

sóng bị hấp thụ ở tầng điện ly, khí quyển và mưa Đồng thời sẽ bị can nhiễu bởi tầng

điện ly, khí quyển, mưa và trên mặt đất

I.2 Tiêu hao trong không gian tự do :

- Trong thông tin vệ tỉnh sóng vô tuyến điện đi qua khoảng không vũ trụ gần như chân không

- Trong một môi trường như vậy có rất ít chất có thể suy hao sóng hoặc làm lệch hướng truyền lan của nó Sự suy hao sóng gây ra chỉ do sự khuếch tán tự nhiên của

nó Môi trường như vậy gọ1 là không gian tự do

- Khi sóng vô tuyến điện truyền trong không gian tự do thì tiêu hao là tỷ số công

suất phát trên công suất thu tại điểm cách nơi phát một khoảng R sẽ là:

y= (4nR/A )? (1.1.2.1)

Với ^ là bước sóng của sóng vô tuyến điện

- Trong thông tin vệ tỉnh sự truyền lan sóng đi trong không gian R lớn ( 36.000 km) nên suy hao lớn Do vậy cần sử dụng các máy phát công suất lớn và máy thu độ nhạy cao, cũng như anten thu, phát phải có hệ số tăng ích cao

L3 Cửa sổ vô tuyến :

- Sóng vô tuyến điện trong thông tin vệ tinh ngoài suy hao đường truyền do cự ly

xa còn chịu ảnh hưởng của tầng điện ly và khí quyển

+Ta biết tầng điện ly cách mặt đất 50 +400km là một lớp không khí loãng bị

ion hóa bởi các tia vũ trụ và nó có tính chất hấp thụ và phản xạ sóng Tuy nhiên tần

số càng cao thì càng ít bị ảnh hưởng Các tần số ở băng sóng viba không bị ảnh hưởng

bởi tầng điện ly nên chúng được sử dụng cho thông tin vệ tình

ILI.2.1: Television by Satellite trang 21

D.S.N.G& MACH TU ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ANTEN TRẠM DI ĐỘNG GVHD : THẦY TS LÊ HỮU PHÚC

+Trong khí quyển cần phải tính đến ảnh hưởng của không khí , hơi nước và mưa,

nhưng với các tần số < 30 GHz có thể bỏ qua, vì thế chúng được tận dụng triệt để

trong thông tin vệ tỉnh

Nếu sóng trong cửa sổ vô tuyến sử dụng cho thông tin vệ tỉnh thì tiều hao truyền

lan gần bằng tiêu hao trong không gian tự do, do đó cho phép thiết lập các đường thông tin vệ tinh ổn định

- Tuy nhiên dải tần này lại được sử dụng cả cho các đường thông tin viba trên

mặt đất, muốn các trạm mặt đất ( không bị can nhiễu với các trạm viba) ta phẩi xác

định vị trí cũng như tần số hoạt động

1.4 Tap âm trong truyền lan sóng vô tuyến điện -

- Các chất khí (của khí quyển) và mưa không chỉ hấp thụ sóng vô tuyến điện mà còn là các nguồn bức xạ tạp âm nhiệt Tạp âm do các chất khí trong khí quyển ảnh

hưởng không nhiều đến sự lan truyền sóng vô tuyến ở thông tin vệ tỉnh so với suy hao

lớn do tạp âm gây ra do mưa Vì vậy trong khi thiết kế đường thông tin ngoài việc tính

sự suy hao của sóng còn phải tính thêm tạp âm do mưa

- Hình sau cho thấy sự tăng tạp âm do mưa

- Cũng có tạp âm mặt đất phát sinh trong khi truyền lan sóng Đây là tạp âm nhiệt gây ra bởi quả đất, gần như nhiệt bể mặt của mặt đất Ở phía trạm mặt đất, bức xạ anten huớng lên bầu trời do đó tạp âm từ mặt đất sẽ không ảnh hưởng nhiều đến

- trạm Tuy nhiên ở phía vệ tinh, bức xạ hướng tới mặt đất nên có ảnh hưởng nhiệt tạp

âm của mặt đất đối với vệ tinh 14 250° k= 300°k

Hinh 2:1 Biéu dé tap dm 1.5 Su giảm khả năng tách biêt phân cực chéo do mua:

Điện trường của hai sóng vuông góc với nhau đôi khi kết hợp với nhau thành một

và tạo ra một sóng “phân cực chéo” Một sóng như vậy có thể dùng một anten để tách ra các sóng riêng biệt Tuy nhiên khi sóng đi qua mưa, các hạt mưa có hình đẹt

D.S.N.G& MACH TY DONG DIEU CHINH ANTEN TRAM DI DONG GVHD : THẦY TS LÊ HỮU PHÚC

sẽ làm nghiêng phân cực chéo, do đó sinh ra các thành phần vuông góc hỗn hợp trên

thành phần mong muốn được gọi là “sự tách biệt phân cực chéo” |

1.6 Sự nhiễu loan do các sóng can nhiễu :

a Sự can nhiễu với các vệ tỉnh bên canh

-_- Xây ra hai vệ tỉnh ở gần nhau và khi đó đường xuống can nhiễu xảy ra do Anten

hát của vệ tỉnh 2 chiếu vào trạm thu | va Anen thu của trạm ] cũng thu được hướng

Hình 2.2 Ảnh hưởng can nhiễu

+ Tương tự cho đường lên can nhiễu (như hình vẽ)

- Công suất của sóng can nhiễu giảm khi:

+ Tăng góc bức xạ Ô (giảm cường độ bức xa)

+ Hệ số tăng ích của Anten trạm mặt đất giảm

' b_ Can nhiễu với đường thông tin viba trên mất đất

- Có hai trường hợp với đường thông tin viba can nhiễu với một hệ thống thông tin

-Trong trường hợp Ì anten của thông tin viba được điểu khiển sao cho không

hướng vào quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh, như vậy can nhiễu được giảm nhỏ

Ð.S.N.G& MẠCH TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ANTEN TRAM ĐI ĐỘNG — GVHD : THẦY TS LÊ HỮU PHÚC

-Trong trường hợp 2 việc chọn vị trí đặt trạm mặt đất thích hợp sẽ giảm được sự

can nhiều của tín hiệu viba

-Tương tự ta cũng cần quan tâm đến sự can nhiễu của hệ thống thông tin vệ tính

tới hệ thống viba

Cách khắc phục tốt nhất nếu có thể là ta tránh sự trùng lặp về tần số làm việc

(hoặc kết hợp cả hai)

* Sự can nhiễu được mô phông như sau:

Su Can Nhiễu Từ Hệ Thống VL Ba Lên Hệ Thống Thông Tin Vệ Tinh

D.S.N.G& MACH TY DONG DIEU CHINH ANTEN TRAM DI DONG GVHD : THẦY TS LÊ HỮU PHÚC

II Công suất tín hiệu :

II.1 Đặc trưng :

Công suất tín hiệu thu được tại bể mặt hiệu dụng của anten thu cách xa anten

phát một khoảng cách R được tính bằng mật độ thông lượng nhân với bể

mặt của anten và được tính như sau:

PG,

Trong đó: P, : công suất phát

G, : độ lợi hay hệ số khuếch đại của anten Aver, 1 bé mathiéu dụng của anten

Bể mặt của anten được tính như sau:

= GA (1.2.1.2) 4H

free

G,: độ lợi anten thu

Le suy hao truyền sóng trong truyền tự do

- 1.2.1.1: Television by Satellite trang 21

1.2.1.2: Television by Satellite trang 21

D.S.N.G& MẠCH TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHÍNH ANTEN TRAM DĨ ĐỘNG — GVHD:THẦY TS LÊ HỮU PHÚC

Công suất thủ được tại máy thu được tính bằng công thức :

» fr GG,

Trong đó : P+ là công suất của máy phát

+ là độ lợi của Anten phát

G, là độ lợi của Anten thu

L là độ suy hao tổng trên đường truyền

Hình 2.5 Khoảng cách đường truyền + Độ suy hao tổng trên đường truyền gồm có : độ suy bao bởi tầng điện ly,

suy hao đo mưa, suy hao trên đường truyền, độ suy hao đo mất công suat

L=LAo ° Lain Les wr

Trong dé: Lag 4 suy hao bdi tầng điện ly

Liain độ suy hao do mưa Lps suy hao đường truyền

Lự suy hao đo mất công suất

L2 Tỉ số sóng mang trên nhiễu CN (Carrier(Nois©)

Đó là tỉ số giữa công suất của tín hiệu nhân được với công suất N của tiếng ổn :

CŒN=E+G-L-101gT-10 lạ8 - 101gK hay tinh cach khác

Cụ = ® (G/1 (A.” /410 G/B)

C/Np = EIRPs (G/0øs.( Lp (/) (1.2.2.1)

1.2.1.3: Television by Satellite wang 210

1.2.2.1: Television by Satellite trang 15

HVTH: PHAN THANH

Trang 46

DS.N.G& MACH TY BONG DIEU CHỈNH ANTEN TRẠM Di ĐỘNG —_ GVHD:THẦY TS LẺ HỮU PHÚC

Trong do: E = EIRP (dBW): céng suất đẳng hướng bức xạ tương đương EIRP

được tính theo công suất của máy phát sóng và độ lợi của anten:

EIRP = 10log(P,G)

Với mật độ công suất trên diện tích phía bên trong bình cầu là:

P, /4nR2(W/mm”)

G: d6 Idi anten (dB)

1: sự suy giảm chung (dB)

T nhiệt độ tiếng ồn của anten va ddu thu LNB(°X)

B: dé rong dai tan F cla may thu (MHz)

với 10logK = 226.6 đB (hằng s6 Bolzman)

Tỉ số CN =6: quá ôn chất lượng xấu

8 :mức giới hạn, một vài vệt nhiễu,

LO : thu tốt, mầu sắc đẹp

12 : thu rất tốt, chất lượng truyền hình bằng cáp

Để đảm bảo ti sé tin hiệu trên nhiễu tại điểm thủ cần đấm bảo các thông số sau:

- Độ tăng ích của anten: khoảng 48§.5đB (đối với anten thu 3m)

- Nhiệt độ nhiễu của anten: khoảng 23°K

- Mật độ công suất tại ngõ vào máy thu: khoảng — 1 10dBw/m°

1L3 Hệ số nhiễu nhiệt GI của ram thu:

Hệ số này biểu thị ảnh hướng của nhiệt độ lên độ lợi của vệ tính Nhiệt độ

càng tăng thì nhiều càng lớn, thường tại giá trị nhiệt độ là 0°K thì không bị ảnh

hưởng của phiếu Giá trị này cho phép chọn anten thu thích hợp tùy theo C/N ˆ

Chúng ta có:

G/T = C/N - E+L+iGlogB+i0logK hay

Tùy theo EHRP cda vé tinh, chung ta sẽ khẳng định chất lượng hình ảnh

CN Sau đó chọn giá trị tiếng ổn của đầu LNB thêm vào, sự suy giảm cbung L,

độ rộng dải tần B và 10logK sẽ cho ra giá trị của độ lợi anten tính bang dB

1.2.3.1 Television by satellite trang 14

D.S.N.G& MẠCH TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ANTEN TRAM DI ĐỘNG — GVHD: THẦY T5 LỄ HỮU PHÚC

1H Tính toán đường truyền tuyến lên :

HH.1 Tĩnh toán tuyến lên (Unlình) :

Cho một trạm mặt đất với số liệu ban đầu như sau:

_~ Anten có đường kính Dẹs = 4m, Ds =2m

- Công suất phát Pt = 500 W = 101g500 = 27 đBw

- Tần số tuyến lên : fu = 14 GHz

- Độ rộng búp sóng Anten mặt đất : 934B = 2°

- Khoảng cách giữa Anten mặt đất và vệ tình : R = 36000 Km

- Hiệu suất Anten mặt đất : rị = Ô,6

- Hiệu suất Anten vệ tình :rị = 0,55,

- Giả sử mặt đất ở vùng trung tâm của chùm tia vé tinh bao pha

Các thông số cần tính toán trên đường truyền Uplink :

ø Mật độ thông lượng công suất tại đầu vào vệ tỉnh :

IL3.L.1; Television by Television trang 22

1.3.1.2: Television by Television rang 23

HVTH: PHAN THANH

Trang 48

Đ.S.N.G& MẠCH TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHÍNH ANTEN TRẠM DỊ ĐỘNG GVHD : THẦY T5 LÊ HỮU PHÚC

thay vào ta được :

Công suất tín hiệu thu tại đầu vào vệ tính :

Pr= EIRP — Les + Gmax Thay vào ta được :

Pr = 80,1 - 206,4 + 46,7 = - 79,6 [dBw]

I2 Tính toán đường lên trong điều kiên trôi trong -

Số liệu trạm mặt đất :

- Công suất phát : Pt = 500 W = 101g500 = 27 dBw

' Suy hao feeder giữa Anten và máy phát : Lrrx = 0,5 dB

- Tần số công tác hiyến lên : fu = 14 GHz

- Đường kính Anten : Dạẹs = 4m, Ds =2m

- Hiệu suất Anten : 7 = 0,6

- Lỗi bám vệ tinh: at = 0,1°

- Khoảng cách giữa trạm mặt đất và vệ tỉnh : R = 26000km

- Suy hao khí quyển : La = 0,3 đB

Số liệu lên quan đến vệ tính :

- Độ rộng búp sóng Anten về tỉnh : 83đ8 = 2°

- Hiệu suất Anten vệ tỉnh : rị = 0,55

- Hệ số tạp âm máy thu : F= 3 đB

- Nhiệt độ tạp âm fecder : Ty = 290 °K

- Nhiệt độ tạp âm Anten : Ta = 290 °K

_-I/K=228,6 dB

HVTH: PHAN THANH

Trang 49

D.5.N.G& MẠCH TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHÍNH ANTEN TRẠM DI ĐỘNG — GVHD:THẦY TS LÊ HỮU PHÚC

D.S.N.G& MẠCH TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ANTEN TRẠM DI ĐỘNG — GVHD:THẦY TS LÊ HỮU PHÚC

e Suy hao truyền sóng hướng lên :

Lu =Lrs + La (suy hao do khi quyển)

Trong đó suy hao do khoảng cách :

Ta = 290 °K_ ( nhiệt độ tạp âm tại anten)

Tg = 290 °K_ (nhiệt độ tạp âm tại feeder ) Tr=(F-1)T,= (10 ~ 1 ).290 = 288 °K

Thay các giá trị vào ta được hệ số phẩm chất của trạm thu trên vệ tinh:

D.S.N.G& MACH TY DONG DIEU CHINH ANTEN TRAM DIDONG GVHD: THẦY TS LÊ HỮU PHÚC

e TỈ số công suất sóng mang trên mật độ công suất phổ tạp âm :

(C/N)u = EIRP x (1/Lu) x (G/T)sat x (1/kK) (1.3.2.4)

=> (C/N)u = 78,7 — 206,7 +13,1 + 228,6 = 113,7 dB

(K=1,3§.10”) : hằng số Bolzman

Ep/Ñou=(Œ€ IN) u - 10lg( 12.1024.1024) =113,7 - 73 = 40,7 dB

(Với bịt rate = 12Mbps) II.3 Trường hơp đường lên bị mưa :

Khi đường truyền tuyến lên bị mưa thì sóng điện từ bị hấp thụ năng lượng, bị

biến đổi phân cực do sự biến dạng của hạt mưa, bản thân mưa cũng sinh ra bức xạ

siêu cao tần làm nhiễu tín hiệu hữu ích và nhiệt độ nước mưa làm cộng thêm nhiệt độ

tạp âm cho đường truyền

Suy hao do mưa tại Việt Nam ở băng Ku trong điểu kiện góc ngẩng dưới 50°

theo kết quả tính trên cơ sở số liệu mưa của Việt Nam là 9 đB cộng với 0,3 dB do sai

hướng Anten phát, như vậy suy hao đường truyền sẽ là :

IV Tính toán đường truyền tuyến xuống:

IV.1 Tinh toán tuyến xuống Downlink :

Cho một đường xuống với số liệu ban đầu như sau:

¡ - Đường kính Anten trạm mặt đất : D ss= 2 m, Dạ = 2m

- Công suất phát của vệ tinh : PL= 100 W = 101g100 = 20 dBw

- Tần số tuyến xuống : Fp = 12 GHz

- Độ rộng búp sóng Anten vệ tỉnh : Ð83đB = 2°

- Khoảng cách giữa Anten mặt đất và vệ tinh : R = 36000 Km

- Hiệu suất Anten mặt đất : nị = 0,6

- Hiệu suất Anten vé tinh : n = 0,55

2

- Giả sử mặt đất ở vùng trung tâm của chùm tỉa vệ tỉnh bao phủ

1.3.2.4: Television by Satellite wang 14

D.S.N.G& MẠCH TỰ ĐỘNG ĐIÊU CHÍNH ANTEN TRẠM DI ĐỘNG GVHD : THÂY TS LÊ HỮU PHÚC

Các thông số cần tính toán trên đường truyền Downlink :

Hình 2.6 Các thông số tính toán suy hao

e Mật độ thông lượng công suất tại đầu vào trạm mặt đất :

10lg 0,55 5< ] = 10 lg 34705 = 45,4 dB

3.108

-> Gmax= 45,4dB EIRPsat = 45,4 +20 = 65,4 dBw