Thiết kế và tối ưu hóa công suất tuyến trong thông tin vệ tinh sử dụng hệ thống complan

7 Thuật ngữ viết tắt ECMS Enterprise Capacity Management System Hệ thống quản lý lưu lượng vệ tinh ECM Enterprise Capacity Manager Quản lý lưu lượng FDMA Frequency Division Multi Acces

1

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI CAM ĐOAN 3

Danh mục hình vẽ 4

Danh mục bảng biểu 6

Thuật ngữ viết tắt 7

MỞ ĐẦU 9

Chương 1 Giới thiệu về hệ thống COMPLAN 10

1.1 Hệ thống ECMS 10

1.2 Hệ thống COMPLAN 10

Chương 2 Thiết kế đường truyền và tối ưu hóa công suất trong thông tin vệ tinh 15

2.1 Đường truyền thông tin vệ tinh 15

2.1.1 Phân hệ vệ tinh 16

2.1.2 Phân hệ uplink 17

2.1.3 Phân hệ downlink 17

2.2 Các loại tạp âm trong thông tin vệ tinh 18

2.2.1 Tạp âm nhiệt (thermal noise) 19

2.2.2 Nhiễu (interference) 20

Tạp âm xuyên điều chế 24

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến đường truyền thông tin vệ tinh 30

2.3.1 Sự hấp thụ của tầng khí quyển 31

2.3.2 Ảnh hưởng do mưa 31

2.3.3 Bức xạ của tầng đối lưu 35

2.3.4 Hiệu ứng quay Faraday 36

2.4 Tính toán và tối ưa hóa công suất đường truyền thông tin vệ tinh 36

2.4.1 Tính toán công suất khi thời tiết đẹp 36

2.4.2 Tối ưu hóa công suất trạm phát khi thời tiết đẹp 42

2.4.3 Tính toán công suất và tối ưu hóa khi thời tiết có mưa 47

Chương 3 Xây dựng phần mềm tính toán công suất cho khách hàng sử dụng vệ tinh Vinasat……… 50

3.1 Đặt vấn đề 50

3.2 Phần mềm tính toán công suất 50

3.2.1 Tính toán mức C/N tại trạm thu khi biết thông tin trạm phát và trạm thu 50

3.2.2 Tính toán mức công suất máy phát trạm phát khi biết thông tin trạm thu và mức C/N 55

2

3.2.2 Tính toán hệ số G/T trạm thu khi biết thông tin trạm phát và mức C/N 56

3.3 Hướng phát triển của phần mềm: 57

KẾT LUẬN 58

Tài liệu tham khảo 59

PHỤ LỤC 1 60

PHỤ LỤC 2 64

PHỤ LỤC 3 68

3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là học viên Hoàng Mạnh Quynh, số hiệu học viên CB110898 lớp

11BKTTT2, khóa 2011B, chuyên ngành kỹ thuật truyền thông, thạc sỹ kỹ thuật Tôi xin cam đoan: luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Phạm Thành Công Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này trung thực và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Học viên

Hoàng Mạnh Quynh

4

Danh mục hình vẽ

Hình 1-1 Độ chính xác của hệ thống COMPLAN 11

Hình 1-2 Các tác động đến đường truyền vệ tinh 12

Hình 1-3 Sơ đồ đặc tuyến máy phát trong COMPLAN 13

Hình 1-4 Mối quan hệ giữa kích thước trạm thu với công suất transponder 13

Hình 1-5 Mối quan hệ giữa kích thước trạm phát với công suất transponder 14

Hình 2-1 Đường truyền thông tin vệ tinh 15

Hình 2-2 Các thành phần trong đường truyền thông tin vệ tinh 15

Hình 2-3 Sơ đồ khối phân hệ pay load 16

Hình 2-4 Sơ đồ trạm mặt đất 17

Hình 2-5 Tạp âm nhiệt tuyến lên 19

Hình 2-6 Tạp âm nhiệt tuyến xuống 19

Hình 2-7 Sơ đồ nhiệt độ tạp âm trạm thu 20

Hình 2-8 Ba dạng nhiễu chính trong thông tin vệ tinh 21

Hình 2-9 Nhiễu ACI 21

Hình 2-10 ASI tuyến lên 23

Hình 2-11 Downlink ASI 24

Hình 2-12 Sơ đồ đặc tuyến máy phát loại TWTA 26

Hình 2-13 Mối quan hệ giữa IBO và OBO 27

Hình 2-14 Tần số tạp âm xuyên điều chế cho trường hợp 2 sóng mang 28

Hình 2-15 Tần số tạp âm xuyên điều chế cho trường hợp 3 sóng mang 28

Hình 2-16 Phổ tạp âm xuyên điều chế 28

Hình 2-17 Đặc tuyến tạp âm xuyên điều chế của transponder 29

Hình 2-18 Phổ hiện tượng tái sinh búp sóng phụ 30

Hình 2-19 Ảnh hưởng của góc ngẩng đến sự hấp thụ của tầng khí quyển 31

Hình 2-20 Ảnh hưởng do mưa 32

Hình 2-21 Lệch phân cực sóng mang do mưa 33

Hình 2-22 Mối quan hệ giữa suy hao do mưa và suy giảm do mưa ở trạm mặt đất dùng băng tần Ku 34

Hình 2-23 Khúc xạ đường truyền do tầng đối lưu 35

5

Hình 2-24 Trải rộng búp sóng do tầng đối lưu 36

Hình 2-25 Sơ đồ khối trạm phát 37

Hình 2-26 Sơ đồ uplink 37

Hình 2-27 Mối quan hệ giữa IBO và OBO 38

Hình 2-28 Phổ tạp âm xuyên điều chế và C/IM trong COMPLAN 40

Hình 2-29 HPA C/IM xấp xỉ từ đường cong NPR 41

Hình 2-30 Các yếu tố suy hao trong đường truyền thông tin vệ tinh 43

Hình 2-31 Tối ưu hóa transponder back off trong trường hợp đơn giản 45

Hình 2-32 Tối ưu hóa transponder back-off trong trường hợp phức tạp 46

Hình 2-33 Hai phương pháp tính link budget trong COMPLAN khi trời mưa 49

Hình 3-1 Kết quả tính toán mức thu sóng mang từ Bình Dương bằng phần mềm 52

Hình 3-2 Kết quả mức thu sóng mang từ Bình Dương bằng phân tích phổ 53

Hình 3-3 Kết quả tính toán mức thu sóng mang từ ngoài khơi bằng phần mềm 54

Hình 3-4 Kết quả mức thu sóng mang ngoài khơi bằng phân tích phổ 55

Hình 3-5 Kết quả tính toán mức công suất phát bằng phần mềm 56

Hình 3-6 Kết quả tính toán hệ số G/T trạm thu bằng phần mềm 57

6

Danh mục bảng biểu

Bang 2-1 Tần số các băng tần thông tin vệ tinh 16

7

Thuật ngữ viết tắt

ECMS Enterprise Capacity Management

System

Hệ thống quản lý lưu lượng vệ tinh

ECM Enterprise Capacity Manager Quản lý lưu lượng

FDMA Frequency Division Multi Access Đa truy nhập phân chia theo tần

số ASI Adjacent Satellite Interference Nhiễu vệ tinh lân cận

TWTA Traveling wave tube amplifier Khuếch đại kiểu ống dẫn sóng

SSPA Solid state power amplifier Khuếch đại công suất trạng thái

rắn

CMS Carrier Monitor System Hệ thống giám sát sóng mang

LNA Low Noise Amplifier Khuếch đại tạp âm thấp

ACI Adjacent Carrier Interference Nhiễu sóng mang lân cận

CCI Cross Channel Interference Nhiễu phân cực

8

SFD Saturated Flux Density Mật độ công suất bão hòa

FDM Frequency Division Multilex Ghép kênh phân chia theo tần số

C/N Carrier To Noise Ratio Tỷ số tín hiệu/tạp âm

C/IM Carrier To Intermodulation Ratio Tỷ số tins hiệu/tạp âm xuyên điều

chế C/I Carrier To Interference Ratio Tỷ số tín hiệu/nhiễu

ITU International Telecommunication

G/T Gain To Noise Temperature Ratior Tỷ số tăng ích/nhiệt độ tạm âm

EIRP Equivalent Isotropically Radiated

Power

Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

NPR Noise To Power Ratio Tỷ lệ tạp âm/công suất

9

MỞ ĐẦU

Vệ tinh VINASAT-2 là vệ tinh thứ hai của Việt Nam đã được phóng lên quỹ đạo vào ngày 16/5/2012 chỉ 4 năm sau ngày phóng vệ tinh VINASAT-1 Tám ngày sau khi phóng, vệ tinh VINASAT-2 đã được đưa vào quỹ đạo 131.8oE và hoạt động

ổn định từ đó cho tới nay VINASAT-1,VINASAT-2 là vệ tinh địa tĩnh nằm cách mặt đất gần 36.000 km, ngay trên bầu trời nước ta Với việc phóng thành công vệ tinh VINASAT-1, VINASAT-2, Việt Nam đã trở thành nước thứ 93 trên thế giới

và nước thứ 6 tại Đông Nam Á có vệ tinh riêng trên quỹ đạo địa tĩnh

Sự kiện phóng vệ tinh VINASAT-1, VINASAT-2 có ý nghĩa đặc biệt quan trọng khẳng định chủ quyền quốc gia của Việt Nam trên quỹ đạo không gian, đồng thời nâng cao hình ảnh, uy tín của Việt Nam nói chung và ngành Công nghệ Viễn thông Việt Nam nói riêng VINASAT-1, VINASAT-2 phủ sóng toàn bộ lãnh thổ Việt Nam, Lào, Campuchia, Thái Lan, một phần của Myanma, Ấn Độ, Nhật Bản và

Úc

VINASAT-1, VINASAT-2 đi vào hoạt động đã làm hoàn thiện cơ sở hạ tầng

- Thông tin liên lạc của quốc gia, cung cấp các dịch vụ ứng dụng như: dịch vụ truyền dữ liệu, truyền hình quảng bá, dịch vụ điện thoại, fax và internet thích hợp cho cả vùng sâu vùng xa, dịch vụ thu phát hình lưu động, dịch vụ trung kế mạng di động, truyền hình hội nghị, đảm bảo an ninh quốc phòng… Đặc biệt cung cấp đường truyền thông tin cho các trường hợp khẩn cấp như thiên tai, bão lụt, đường truyền cho các nơi vùng sâu, vùng xa, hải đảo mà các phương tiện truyền dẫn khác khó vươn tới được

Để nâng cao chất lượng dịch vụ truyền dẫn vệ tinh, tránh ảnh hưởng các vệ tinh lân cận, một đòi hỏi cấp thiết với nhà cung cấp dịch vụ truyền dẫn và vận hành VINASAT-1, VINASAT-2 là phải tính toán tối ưu hóa đường truyền cho khách hàng

Vì vậy, luận văn này đi sâu vào việc nghiên cứu tổng quan về các phân hệ cơ bản của Vệ tinh VINASAT-1, VINASAT-2 và kỹ thuật trạm mặt đất để ứng dụng phân tích, tính toán đường truyền tối ưu cho khách hàng của VINASAT-1, VINASAT-2 bằng hệ thống COMPLAN

Hệ thống Enterprise Capacity Management cho Vinasat bao gồm các phần sau :

- Enterprise Capacity Manager (ECM): thực hiện toàn bộ lập kế hoạch, quản

lý data, và báo cáo

- COMPLAN: thực hiện thiết kế truyền dẫn, thiết kế và tối ưu hóa mạng và phát sinh kết quả trên map Tương tác với ECM, ACP, Sun Outage caculator và MONICS

- Antenna Coverage Program (ACP): Thể hiện các thông số dữ liệu kỹ thuật trên bản đồ

- Sun Outage Caculator: Tính toán các dự báo về sun outage

COMPLAN là hệ thống nằm trong ECMS nó bao gồm các chức năng sau:

- COMPLAN là công cụ cho việc lập kế hoạch truyền dẫn các sóng mang FDMA trên vệ tinh địa tĩnh

- Đánh giá hiệu suất của link và tối ưu hóa link cho cả khi thời tiết đẹp và khi

- Có thể sừ dụng để cân bằng các tham số khác nhau (như bandwidth với công suất, phân hệ không gian với phân hệ mặt đất, hub và remote…)

11

Độ chính xác của COMPLAN đã được kiểm tra ở lab và đo đạc trong thực

tế Được xác thực bởi chính phủ Mỹ (DISA) như là tiêu chuẩn để đánh giá các hệ thống SATCOM khác Việc cải thiện tốc độ tính toán qua các phiên bản không làm giảm độ chính xác Kết quả tính toán công suất và hiệu suất sóng mang thường sai lệch ít so với thực tế, do sai lệch về hiệu suất thiết bị, lỗi của con người hay lỗi dữ liệu Do có độ chính xác cao COMPLAN thường được sử dụng để giải quyết khi có rắc rối COMPLAN được sử dụng cúng với các hệ thống giám sát phổ sóng mang giúp tăng độ tin cậy và hiệu suất cho các hệ thống SATCOM

Hình 1-1 Độ chính xác của hệ thống COMPLAN

COMPLAN bao gồm mô hình cho tất cả các yếu tố tác động đến đường truyền vệ tinh bao gồm các nguồn gây nhiễu, nhiễu vệ tinh lân cận ASI (adjacent satellite interference), ảnh hưởng của máy phát phi tuyến

12

Hình 1-2 Các tác động đến đường truyền vệ tinh

Đối với ảnh hưởng của máy phát phi tuyến, COMPLAN có thể mô hình hóa hầu hết các loại máy phát hiện nay bao gồm TWTA (traveling wave tube amplifier), TWTA tuyến tính (linearized traveling wave tube amplifier), hay SSPA (solid state power amplifier) Xác định được mối quan hệ giữa công suất đầu vào IBO (input backoff) với công suất đầu ra OBO (output back off) từ đó tính toán được tạp âm xuyên điều chế Hiện tượng tạp âm xuyên điều chế là hiện tượng xuất hiện khi máy phát có nhiều sóng mang gây suy giảm công suất đầu ra OBO

13

Hình 1-3 Sơ đồ đặc tuyến máy phát trong COMPLAN

COMPLAN có thể cân bằng các tham số trong đường truyền thông tin vệ tinh như: Kích thước trạm thu với công suất transponder, kích thước trạm phát với công suất transponder, phân hệ không gian với phân hệ mặt đất như minh họa dưới đây:

Hình 1-4 Mối quan hệ giữa kích thước trạm thu với công suất transponder

14

Hình 1-5 Mối quan hệ giữa kích thước trạm phát với công suất transponder

COMPLAN có thể tương tác với một vài hệ thống giám sát phổ sóng mang CMS (Carrier Monitor System) Tương tác này là 2 chiều COMPLAN gửi dữ liệu tới hệ thống CMS, tránh dữ liệu phải nhập lại, tránh lỗi con người và làm tăng hiệu suất COMPLAN có thể nhận dữ liệu đo đạc từ hệ thống CMS, hiển thị dữ liệu để đối chiếu, so sánh Hệ thống CMS được cài đặt tại NOC là MONICS

15

Chương 2 Thiết kế đường truyền và tối ưu hóa công suất trong thông tin vệ

tinh 2.1 Đường truyền thông tin vệ tinh

Đường truyền trong thông tin vệ tinh bao gồm các thành phần cơ bản trung tần IF (Intermediate Frequency), cao tần RF (radio frequency), khuếch đại tạp âm thấp LNA (low noise amplifier) và máy phát HPA (high power amplifier) như minh họa ở hình dưới đây:

Hình 2-1 Đường truyền thông tin vệ tinh

Hình 2-2 Các thành phần trong đường truyền thông tin vệ tinh

Đối với vệ tinh địa tĩnh khoảng cách từ vệ tinh đến tâm trái đất là 42 164 km

Khi nói về thông tin vệ tinh chúng ta thường nói về băng tần Dưới đây là

bảng tổng hợp các băng tần hay gặp

- RX ANT :Anten thu

- I/P filter: Bộ lọc

- LNA (low noise amplifier): khuếch đại tạp âm thấp

- D/C (down converter): hạ tần

- OSC: khối tạo dao động nội

- AMP (amlifier): khuếch đại

- Gain adjust attenuator : khối điều chỉnh hệ số khuếch đại

- Upconverter: Bộ chuyển đổi tín hiệu từ IF sang RF Mỗi bộ nâng tần chỉ hoạt động ở một băng tần nhất định C/X/Ku/Ka

- HPA (máy phát): HPA có ba loại TWTA, TWTA tuyến tính và SSPA Đầu

ra của HPA có thể dao động từ 1 W đến vài nghìn W

- Anten phát: Tín hiệu từ HPA được đưa tới feed đặt tại điểm hội tụ của mặt phản xạ anten (reflector), reflector phản xạ tín hiệu đến vệ tinh Anten có kích thước càng lớn thì hệ số khuếch đại G càng lớn và búp sóng chính càng hẹp

2.1.3 Phân hệ downlink

Phân hệ downlink như minh họa ở hình 2.4 bao gồm các thành phần sau:

- MODEM (demodulator): có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu từ digital sang analog Ngoài ra MODEM có thể có thêm các chức năng khác như: amplification (khuếch đại tín hiệu), terrestrial interface (tương tác với router),

âm từ 70 degK đến 120 degK

- Anten thu: Anten thu có LNA đặt tại điểm hội tụ của anten Mặt phản xạ của anten phản xạ tín hiệu từ vệ tinh đến LNA Anten thu có kích thước càng lớn thì

G càng lớn Ngoài LNA tạo ra tạp âm nhiệt thì các thiết bị thu khác cũng góp phần tạo ra tạp âm Tổng các tạp âm này được gọi là tạp âm của trạm thu T Hệ số G/T là một thông số quan trọng đánh giá chất lượng trạm thu

2.2 Các loại tạp âm trong thông tin vệ tinh

Tạp âm (noise) trong thông tin vệ tinh xuất hiện tại các điểm sau trong

đường truyền:

- Tại trạm phát

- Tại hệ thống thu của vệ tinh

- Tại bộ khuếch đại phi tuyến trên vệ tinh

- Tại hệ thống phát của vệ tinh

- Tại trạm thu

Tại mỗi điểm tạp âm tác động và truyền đi cùng với tín hiệu và qua các tầng suy hao, khuếch đại giống như tín hiệu Có nhiều cách tính tạp âm, cách đơn giản nhất là tính toán trong mối tương quan với tín hiệu tại những điểm có tạp âm

(carrier to noise ratio C/N) sau đó tổng hợp các C/N này Dưới đây là các dạng tạp

âm chính trong thông tin vệ tinh:

- Thermal noise (tạp âm nhiệt): tại hệ thống thu của vệ tinh, tại hệ thống phát của vệ tinh, tại trạm thu Còn tạp âm nhiệt tại trạm phát là không đáng kể

- Interference (nhiễu): từ các sóng mang khác cùng transponder, từ các sóng mang ở các transponder khác nhau trên vệ tinh, từ các sóng mang ở vệ tinh khác

- Nhiễu xuyên điều chế: tại HPA trạm phát, tại HPA vệ tinh

19

2.2.1 Tạp âm nhiệt (thermal noise)

Tạp âm nhiệt được sinh ra bởi chuyển động tự do của các hạt electrons Tạp

âm nhiệt là rất yếu nên người ta chỉ xem xét ảnh hưởng của nó khi tín hiệu là yếu như ở hệ thống thu trên vệ tinh hay tại trạm thu Tạp âm nhiệt được đo bởi hệ số nhiệt độ tạp âmT, hệ số G/T là hệ số rất quan trọng tại bất cứ trạm thu nào.Tạp âm nhiệt có 2 phần là uplink thermal noise và downlink thermal noise như minh họa ở hình dưới đây:

Hình 2-5 Tạp âm nhiệt tuyến lên

Hình 2-6 Tạp âm nhiệt tuyến xuống

Công thức tính tạp âm nhiệt:

Mật độ tạp âm No (W/Hz) = kT (2.1) Với k= Boltzmann’s constant = 1.3807* 10-23 J/K

Công suất tạp âm N= No * B = kTB (W) (2.2) Với B= băng thông tạp âm của bộ lọc phía thu

Công thức tính nhiệt độ tạp âm trạm thu:

20

Tạp âm hệ thống tham chiếu ở anten: TSYS = TEXT + (L-1)*TL + L*TREC (2.3) Tạp âm hệ thống tham chiếu tại LNA: TSYS = TEXT /L + (L-1)/L*TL + TREC (2.4)

Trong đó:

TSYS = nhiệt độ tạp âm hệ thống

TEXT = TANT + TSKY (thời tiết đẹp) hoặc TANT + TSKY /A+ (A-1)/A*TRAIN(thời tiết có mưa)

TREC = TLNA + T2 /G1 + T3 /G2 …

TM = nhiệt độ tạp âm của bộ khuếch đại thứ M

GM-1 = Hệ số khuếch đại trước bộ thứ M

A = Suy hao do mưa

channel interference) như minh họa ở hình vẽ dưới đây:

21

Hình 2-8 Ba dạng nhiễu chính trong thông tin vệ tinh

Nhiễu sóng mang lân cận xuất hiện giữa các sóng mang trên cùng

transponder Khi tính toán nhiễu thì ACI là dạng đơn giản nhất Khi tính toán công suất nhiễu sẽ nhân với đáp ứng bộ lọc của thiết bị thu Do hiện tượng suy giảm tín hiệu nhỏ nên ACI được tính toán dựa theo công suất đầu ra của bộ khuếch đại

(C/I)ACI = OBOS – OBOI – IR

Trong đó OBOS là output backoff của tín hiệu (dB), OBOI là output backoff của nhiễu (dB), IR là mức công suất nhiễu chuẩn hóa (dB)

Hình 2-9 Nhiễu ACI

Nhiễu phân cực CCI xuất hiện giữa các sóng mang ở 2 transponder khác nhau nhưng có cùng tần số Việc tính toán CCI giống như ACI tuy nhiên phải xem xét đến độ cách ly giữa các transponder cũng như các mức công suất cần phải được chia theo tỷ lệ chính xác

(C/I) CCIuplink = IR + (PFDS – PFDI) – (SFDS – SFDI) + CSIES + CPI

CSIES = GESS – GESI

22

CPI = 0 dB nếu cùng phân cực

CPI = 3 dB nếu một phân cực tuyến tính một phân cực tròn

Trường hợp còn lại CPI = 10*lg(10^(-0.1* cách ly phân cực anten vệ tinh theo hướng nhiễu (dB)) + 10^(-0.1* cách ly phân cực của anten nhiễu (dB)))

Trong đó PFDS là mật dộ công suất của tín hiệu (dBW/m2) PFDI là mật độ công suất của nhiễu (dBW/m2) SFDS là mật độ công suất bão hòa của tín hiệu (dBW/m2) SFDI là mật độ công suất bão hòa của nhiễu (dBW/m2) CSI là độ cách

ly về không gian giữa trạm phát và trạm gây nhiễu (dB) CPIES là độ cách ly phân cực giữa tín hiệu và nhiễu (dB) GESS là tăng ích anten thu tín hiệu ở phân cực tín hiệu theo hướng tín hiệu GESI là tăng ích anten thu tín hiệu ở phân cực của tín hiệu theo hướng nhiễu.CPI là cách ly phân cực giữa tín hiệu và nhiễu:

(C/I) CCI Downlink = - IR + (EIRPS – EIRPI) + CSIA + CPI

CSIA = GAS - GAI

Trong đó EIRPS là EIRP tín hiệu phát đến trạm thu tín hiệu (dBW) EIRPI là EIRP nhiễu phát đến trạm thu tín hiệu (dBW) CSIA là cách ly về không gian giữa anten tín hiệu và anten nhiễu (dB) CPI là ly phân cực giữa tín hiệu và nhiễu (dB)

GAS là tăng ích anten tín hiệu theo hướng tín hiệu với phân cực tín hiệu (dBi) GAI

là tăng ích anten nhiễu theo hướng thu tín hiệu với phân cực của nhiễu (dBi)

Nhiễu vệ tinh lân cận (ASI) là dạng nhiễu phức tạp nhất trong thông tin vệ tinh Có 2 dạng ASI

- Uplink ASI

- Downlink ASI

Cả uplink và downlink ASI đều có khái niệm giống nhau, nhưng phát sinh từ những nguồn khác nhau

23

Hình 2-10 ASI tuyến lên

Các thông số ảnh hưởng đến uplink ASI

- Công suất: Điều này tương đương với C/I nếu giả sử rằng nhiễu và tín hiệu cùng vệ tinh và transponder

- Suy hao đường truyền: Tín hiệu và nhiễu suy hao đường truyền là khác nhau do phát từ các trạm phát khác nhau Tuy nhên độ lệch này không lớn

- Hệ số G off-axis anten nhiễu: Trạm phát nhiễu được pointing đến vệ tinh lân cận nên theo hướng này G là lớn nhất G off-axis se hướng đến vệ tinh chính sẽ thấp hơn

- Cách ly phân cực theo hướng off-axis anten nhiễu: Anten thường có độ cách ly cao theo hướng boresight và độ cách ly này sẽ giảm nhanh theo hướng lệch boresight Độ cách ly phân cực của nhiễu sẽ tồn hơn rất nhiều theo hướng vệ tinh chính

- Tính định hướng của anten thu vệ tinh chính G anten thu vệ tinh thay đổi theo hướng G phân cực chính và phân cực phụ theo hướng uplink của nhiễu khác rất nhiều so với hướng uplink tín hiệu

- Phân cực: Phân cực của vệ tinh chính và vệ tinh lân cận có thế khác nhau (phân cực tuyến tính vs phân cực tròn), nên ta cần quan tâm đến chuyển đổi công suất giữa các dạng phân cực này

- Tính định hướng của anten phát vệ tinh lân cận: Hệ số G thay đổi theo hướng Cho nên G phân cực chính và phân cực phụ của 2 vệ tinh theo hướng trạm thu tín hiệu là khác nhau

- Phân cực: Phân cực của vệ tinh chính và vệ tinh lân cận có thế khác nhau (phân cực tuyến tính vs phân cực tròn), nên ta cần quan tâm đến chuyển đổi công suất giữa các dạng phân cực này

Tạp âm xuyên điều chế

Đối với bất kì bộ khuếch đại nào, khi công suất đầu vào tăng công suất đầu

ra sẽ nhanh chóng đạt tới cực đại (điểm bão hòa) Bộ khuếch đại bắt đầu hoạt động

25

ở chế độ tuyến tính, sau đó chuyển sang chế độ phi tuyến tính và khi qua điểm bão hòa đặc tính phi tuyến tính càng thể hiện rõ Một bộ khuếch đại thông thường sẽ luôn hoạt động ở chế độ tuyến tính, tức là ở mức công suất thấp hơn mức công suất ngưỡng của thiết bị.bởi vì với công suất cao tín hiệu sẽ bị méo do hiện tượng clipping Tuy nhiên đỗi với vệ tinh công suất là một nuồn tài nguyên, cho nên bộ khuếch đại bắt buộc phải hoạt động ở chế độ không tuyến tính thậm chí là bão hòa

Khi bộ khuếch đại hoạt động ở chế độ phi tuyến tính sẽ có các ảnh hưởng sau:

- Mối quan hệ giữa công suất đầu váo và công suất đầu ra được xác định bởi một hàm tương đối phức tạp

- Tạp âm xuyên điều chế Đây là ảnh hưởng nghiêm trọng nhất của chế độ phi tuyến tính, nó xảy ra khi có nhiều hơn một sóng mang trên một transponder

- Cross-modulation: Đây là mối quan tâm khi ta sử dụng dịch vụ điện thoại FDM/FM

- Suy giảm tín hiệu nhỏ: Một hiện tượng mà tín hiệu càng nhỏ mức độ suy giảm càng lớn

- Tái sinh búp sóng phụ: Hiện tượng này làm tăng nhiễu giữa các sóng mang lân cận

26

Hình 2-12 Sơ đồ đặc tuyến máy phát loại TWTA

Các nhà sản xuất vệ tinh thường cung cấp đặc tuyến giữa IBO và OBO cho trường hợp đơn sóng mang Khi có nhiều sóng mang bộ khuếch đại phi tuyến sẽ tạo

ra các hài và tạp âm xuyên điều chế, những thành phần tiêu thụ công suất làm cho OBO thấp hơn khi có một sóng mang Đối với bộ khuếch đại phi tuyến, độ lệch giữa IBO và OBO là hàm của các thành phần: IBO và đăc tuyến phổ của các sóng mang Hình dưới đây minh họa đường cong giữa IBO và OBO của máy phát TWTA cho các trường hợp 1 sóng mang, 2 sóng mang và nhiều sóng mang

27

Hình 2-13 Mối quan hệ giữa IBO và OBO

Một bộ khuếch đại tuyến tính lý tưởng có tương quan giữa IBO và OBO như sau: y= g*x (x-input, y-output) Một bộ khuếch đại phi tuyến, ví dụ minh họa như sau: y= g*x + h*x3

Giả sử transponder có 2 sóng mang x sẽ có dạng: x= A cos (2πfat) + B

cos(2πfbt)

Vậy y= g*(A cos (2πfat) + B cos(2πfbt) ) + h*(A cos (2πfat) + B cos(2πfbt))3Phân tích y ta được:

y = c1 cos (2πfat) + c2 cos(2πfbt) } tín hiệu sau khuếch đại

+ c3 cos (2π(2fa – fb)t) + c4 cos(2π(2fb – fa)t) } tạp âm xuyên điều chế + c5 cos (2π(2fa + fb)t) + c6 cos(2π(2fb + fa)t) } hài ngoài băng

+ c7 cos (2π(3fa )t) + c4 cos(2π(3fb)t) } hài ngoài băng

2 sóng mang tại tần số fa và fb sẽ tạo ra tạp âm xuyên điều chế cấp độ 3 tại các tần số 2fa – fb và 2fb – fa

28

Hình 2-14 Tần số tạp âm xuyên điều chế cho trường hợp 2 sóng mang

3 sóng mang tại tần số fa fb fc sẽ tạo ra tạp âm xuyên điều chế cấp độ 3 tại các tần số fa + fb –fc , fa - fb + fc , -fa +fb +fc , 2fa- fc , 2fb – fc , 2fb – fa , 2fc -fa

Hình 2-15 Tần số tạp âm xuyên điều chế cho trường hợp 3 sóng mang

Hình 2-16 Phổ tạp âm xuyên điều chế

29

Mô hình link budget truyền thống đơn giản thường lấy C/IM là hằng số từ 25-30 dB Mô hình link budget phức truyền thống tạp hơn thường tính C/IM dựa vào đường cong C/IM với transponder IBO được cung cấp bởi nhà sản xuất Từ thực tế ta có thể thấy rằng C/IM là một hàm số phức tạp của công suất, tần số, và phổ của sóng mang trên transponder Tạp âm xuyên điều chế có thể điều chỉnh được thông qua kế hoạch tần số

Hình 2-17 Đặc tuyến tạp âm xuyên điều chế của transponder

Trước khi phát sóng, sóng mang sẽ qua các bộ lọc để loại bỏ búp sóng phụ

và giảm trừ nhiễu Khi sóng mang qua bộ khuếch đại phi tuyến đang hoạt động ở chế độ phi tuyến (có thể là HPA trạm phát hoặc HPA vệ tinh), các búp sóng phụ này

sẽ xuất hiện trở lại Hiện tượng này được gọi là tái sinh các búp sóng phụ Hiện tượng này càng rõ rệt khi bộ khuếch đại hoạt động càng gần điểm bão hòa (tức điểm

có độ phi tuyến càng lớn) Hiện tượng này có thể làm tăng nhiễu sóng mang lân cận

30

Hình 2-18 Phổ hiện tượng tái sinh búp sóng phụ

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến đường truyền thông tin vệ tinh

Các dạng ảnh hưởng đến truyền sóng trong thông tin vệ tinh:

- Suy hao tín hiệu do

Các khí trong tầng khí quyển, chủ yếu là oxy và hơi nước

Trải rộng phổ búp sóng

- Ảnh hưởng phân cực tín hiệu

Ảnh hưởng phân cực do mưa Hiệu ứng Faraday (ảnh hưởng của tầng ion)

31

2.3.1 Sự hấp thụ của tầng khí quyển

Sự hấp thụ của tầng khí quyển chủ yếu là do tín hiệu bị hấp thụ bởi khí oxy

và hơi nước Sự hấp thụ này rất cao ở tần số gần với tần số cộng hưởng các thành phần có trong tầng khí quyển Hấp thụ bởi oxy là hằng số Hấp thụ bởi hơi nước thay đổi rất lớn trong năm, và sẽ là lớn nhất vào những tháng có mưa nhiều.Khuyến nghị của ITU có mã ITU-R 676 Phụ lục 2 là tài liệu tin cậy cho việc tính toán suy hao tần khí quyển Trạm mặt đất có góc ngẩng nhỏ sẽ bị tầng khí quyển hấp thụ lớn do quãng đường di chuyển qua tầng khí quyển dài như minh họa ở hình dưới đây

Hình 2-19 Ảnh hưởng của góc ngẩng đến sự hấp thụ của tầng khí quyển

2.3.2 Ảnh hưởng do mưa

Tác động của mưa khi tín hiệu truyền từ trạm mặt đất vệ tinh bao gồm cả uplink và downlink Các ảnh hưởng của mưa:

- Suy hao tín hiệu (cả uplink và downlink )

- Lệch phân cực (cả uplink và downlink)

- Suy giảm hệ số G/T hệ thống thu

- Tính toán ảnh hưởng do mưa phải dựa vào các giá trị thống kê trong một thời gian dài

32

Hình 2-20 Ảnh hưởng do mưa

Suy hao do mưa là do khi tín hiệu đi qua mưa một phần năng lượng bị hấp thụ và chuyển thành nhiệt (giông như cơ chế của lò vi sóng) Mức độ suy hao do mưa phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Tần số (bước sóng có quan hệ với kích thước hạt mưa)

- Mật độ mưa (lượng nước trên một sơn vị đường truyền)

- Quãng đường tín hiệu đi qua mưa (góc ngẩng thấp đồng nghĩa với việc quãng đường dài)

Hầu hết các hạt mưa có dạng giống như hình elip dẹt bị dát mỏng bỏi sự cản trở của gió khi qua tầng khí quyển Ảnh hưởng của mưa là hàm của các thành phần sau:

- Percent % time: percent time càng lớn mức độ suy hao không thể vượt quá càng nhỏ

- Chiều cao mưa: phụ thuộc vào trạm mặt đát và vung mưa

- Quãng đường tín hiệu đi qua mưa: góc ngảng càng nhỏ quãng đường càng lớn

- 0.01% mật độ mưa: lấy từ bản đồ lượng mưa của ITU Mật độ mưa càng cao suy hao càng lớn

- Tần số: tần số càng cao suy hao càng lớn

33

Mưa còn gây nên hiện tượng lệch phân cực sóng mang Vecto điện trường E

có thể tách làm 2 thành phần một song song với góc nghiêng của giọt mưa (trục chình của giọt mưa) và một thành phần trực giao Thành phần song song với góc nghiêng của giọt mưa chịu nhiều suy hao hơn do đi qua nhiều hơi nước hơn Và khi

đi qua mưa, vecto E bị suy giảm và lệch đi một góc nhỏ so với hướng ban đầu Hiện tượng này được gọi là lệch phân cực Các hạt mưa có góc nghiêng khác nhau sẽ tạo

ra các góc lệch khác nhau, cho nên ta cần thống kê sự thay đổi góc lệch này Thông thường lêch phân cực phụ thuộc vào tần số và góc ngẩng Tần số cáng cao và góc ngẩng càng nhỏ thì độ lệch càng lớn

Hình 2-21 Lệch phân cực sóng mang do mưa

Lệch phân cực phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Tần số: Tăng khi tần số tăng

- Góc ngẩng: Tăng đáng kẻ khi góc ngẩng nhỏ

- Góc phân cực:Ảnh hưởng là ít nhất với phân cực tròn Ảnh hưởng nhiều nhất với phân cực tuyến tính Đồng thời cũng phụ thuộc vào góc nghiêng phân cực Góc nghiêng càng lớn ảnh hưởng càng lơn

Mưa còn gây ra hiện tượng suy giảm hệ số G/T tại trạm thu Khi trời mưa nhiệt độ tạp âm của anten sẽ tăng do phải cộng thêm tạp âm từ mưa và mây.Bởi vì mưa và mây là ấm (so với trời quang 2.7K) nên nó sẽ làm tăng nhiệt độ tạp âm:

Ti=Tsys+ ΔT (2.5)

34

Với T sky= nhiệt độ tạp âm khi thời tiết đẹp ΔT (deg K) là do mưa làm tăng nhiệt độ tạp âm so với thời tiết đẹp ( nhiệt độ của mưa và mây > nhiệt độ cảu bầu trời)

ΔT = T sky (10A/10 -1 ) + T rain (1-10A/10 ) deg K (2.6)

Với T sky =2.7 deg K T rain = nhiệt độ ảnh hưởng của mưa/mây (khoảng 280K) A = suy hao do mưa (đơn vị dB)

Suy giảm G/T được cho bởi công thức: ΔG/T= 10* lg (Ti/Tsys)

Suy giảm G/T không đáng kể với phân hệ thu của vệ tinh bởi vì nhiệt độ trái đát lớn hơn nhiệt độ vẹ tinh Suy giảm ở phía downlink là tổng của suy hao do mưa

và suy hao G/T trạm mặt đất do nhiệt độ tạp âm của bầu trời tăng lên:

DND = A + 10log (Ti/Tsys)

Hình 2-22 Mối quan hệ giữa suy hao do mưa và suy giảm do mưa ở trạm mặt đất

dùng băng tần Ku

Có một số mô hình về mưa có thể sử dụng để dự đoán ảnh hưởng của mưa:

- Mô hình COMSAT PAP được phát triển ban đầu cho các vệ tinh của Intelsat

- Mô hình COMSAT DAH được các chuyên gia xem là mô hình tốt nhất cho đánh giá ảnh hưởng của mưa, đặc biệt là băng Ka Nó bao gồm một số ảnh hưởng không có trong mô hình ITU

35

- Mô hình ITU: Bao gồm 2 khuyến nghị của ITU R PN 618-8 và R-PN 837 Phiên bản gần đây nhất version 618-7 dựa trên mô hình COMSAT DAH Mô hình của ITU được chấp nhận rộng rãi trong cộng đồng SATCOM Xét một cách tổng quan đây là một lựa chọn tốt

- Mô hình Crane (có nhiều phiên bản khác nhau) được sử dụng rộng rãi cho ngành quân sự và thương mại của Mỹ Tuy nhiên mô hình này ít chính xác hơn mô hình mới nhất của ITU và mô hình DAH

2.3.3 Bức xạ của tầng đối lưu

Hiện tượng bức xạ trong tầng đối lưu là do sự thay đổi nhanh chóng hệ số khúc xạ trong tầng đối lưu Ta có thể bỏ qua ảnh hưởng này nếu tần số dưới 10 Ghz

và góc ngẩng cao Góc ngảng thấp và tần số là trên 10 Ghz nó có thể gây ra ảnh hưởng đáng kể Có 2 dạng ảnh hưởng của bức xạ tầng đối lưu:

- Ảnh hưởng về biên độ: Ảnh hưởng này liên quan đến độ rộng búp sóng và góc mở của anten.Anten càng lớn độ rộng búp sóng càng hẹp Ảnh hưởng này chỉ được xem xét với anten có kích thước lớn (đường kính hơn 30m) Đường kính anten càng lớn ảnh hưởng càng lớn

- Ảnh phưởng về pha: Ảnh hưởng này là do nhiễu giữa các búp sóng phụ với nhau Anten có kích thước càng nhỏ, độ rộng búp sóng càng lớn, càng có nhiều búp sóng phụ ảnh hưởng về pha càng lớn Trong thực tế ta chỉ xem xét ảnh hưởng vè pha

Tầng đối lưu gây ra hiện tượng khúc xạ đường truyền Giống như ánh sáng

bị cong khi truyền qua các môi trường có hệ số khúc xạ khác nhau, tín hiệu RF cũng

bị cong khi truyền từ tầng khí quyển ra ngoài không gian Điều này sẽ thay đổi góc nhìn của vệ tinh Ảnh hưởng của khúc xạ đường truyền càng lớn nếu góc ngẩng càng nhỏ

Hình 2-23 Khúc xạ đường truyền do tầng đối lưu