Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thiết bị đo tín hiệu truyền hình vệ tinh k+ để dự báo thời tiết

Hai là: hiện nay ở Việt nam, truyền hình vệ tinh K+ có hơn một triệu thuê bao, điều đó đồng nghĩa với việc, về mặt lý thuyết, nếu có thiết bị đo, ở mỗi thời điểm, chúng tôi có thể thu th

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Vũ Hoàng Giang

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THIẾT BỊ ĐO TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH VỆ TINH K+ ĐỂ DỰ BÁO THỜI TIẾT

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS LÂM HỒNG THẠCH

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp: “nghiên cứu, thiết kế và chế tạo

hệ thiết bị đo tín hiệu truyền hình vệ tinh K+ để dự báo thời tiết” do tôi tự thiết kế

dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Lâm Hồng Thạch cùng thầy cố vấn TS

Nguyễn Xuân Anh Viện trưởng Viện vật lý địa cầu

Trong quá trình thiết kế luận văn, tôi chỉ sử dụng những tài liệu đã được liệt

kê trong phần tài liệu tham khảo Nếu phát hiện có sử dụng các nguồn tài liệu khác tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

HỌC VIÊN

Vũ Hoàng Giang

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

DANH MỤC CÁC BẲNG 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5

LỜI NÓI ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: TRUYỀN SÓNG VỆ TINH TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM 10

1.1 Đặc điểm và cấu trúc của khí quyển 10

1.2 Khái quát về đặc điểm khí hậu Việt Nam 11

1.2.1 Đặc điểm chung 11

1.2.2 Phân bố của một số yếu tố khí hậu cơ bản 12

1.2.3 Phân vùng và đặc điểm các vùng khí hậu Việt Nam 15

1.3 Ảnh hưởng của biến đổi khí quyển Việt Nam đến trường tại điểm thu của truyền dẫn vô tuyến 17

1.3.1 Đặc điểm chung 17

1.3.2 Suy hao do hấp thụ trong mưa 18

1.4 Ảnh hưởng của tầng đối lưu và tầng điện ly đến truyền sóng trong thông tin vệ tinh 21

1.4.1 Suy hao trong không gian tự do 22

1.4.2 Suy hao do sự hấp thụ bởi các phân tử khí 22

1.4.3 Suy hao do hấp thụ sóng khi truyền qua tầng điện ly 22

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THIẾT BỊ ĐO VÀ TRUYỀN DỮ LIỆU 24

2.1 Đặc điểm của tín hiệu truyền hình K+ 24

2.2 Cơ sở lý thuyết 24

2.2.1 Tính toán tuyến thông tin vệ tinh 24

2.2.2 Thông số tại trạm ở Viện vật lý địa cầu 27

2.3 Thiết kế chế tạo thiết bị đo cường độ sóng truyền hình K+ 31

2.3.1 Yêu cầu 31

2.3.2 Tính toán thiết kế 31

CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO THIẾT BỊ - ĐO THỬ VÀ PHÂN TÍCH BIẾN ĐỘNG CỦA DỮ LIỆU ĐO 44

3.1 Chế tạo thiết bị 44

3.2 Đo thử nghiệm 47

3.2.1 Kết quả tại từng điểm thu – phân tích dữ liệu đo 47

3.2.2 Kết quả tại các điểm thu cùng lúc truyền về – phân tích dữ liệu đo 49

KẾT LUẬN 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 Các hệ số phụ thuộc tần số phục vụ tính suy hao do mưa 20 Bảng 2 Thông số kỹ thuật bộ LNB Ku Band K+: LO9750/10600 28 Bảng 3 Chức năng đầu vào và đầu ra của các khối trong thiết bị đo 32

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Bản đồ địa hình vùng lãnh thổ Việt Nam 12

Hình 1.2 Biến trình năm của nhiệt độ tại một số trạm khí tượng 14

Hình 1.3 Tổng lượng mưa trung bình trong năm (mm) và hệ số biến thiên của lượng mưa trong năm (%) tại một số trạm khí tượng 14

Hình 1.4 Biến trình năm của lượng mưa ở một số trạm khí tượng 15

Hình 1.5 Sự phụ thuộc hệ số hấp thụ trong mưa với lượng mưa 100 mm/h vào tần số 19

Hình 1.6 Xác định cự li chịu mưa của tuyến 19

Hình 1.7 Biểu đồ tính toán hệ số suy hao do mưa 21

Hình 1.8 Sự phụ thuộc hệ số hấp thụ do phân tử Oxy và hơi nước trong không khí theo tần số 22

Hình 2.1 Mô hình tương đương cho bài toán tính toán tuyến lên 24

Hình 2.2 Mô hình tương đương cho bài toán tính toán tuyến xuống 26

Hình 2.3 Sơ đồ phủ sóng vệ tinh băng C 27

Hình 2.4 Sơ đồ phủ sóng vệ tinh băng Ku 27

Hình 2.5 Sơ đồ ghép nối bộ thu tại mặt đất 28

Hình 2.6 Hệ thống thu và gửi dữ liệu 31

Hình 2.7 Sơ đồ khối máy thu cường độ sóng vệ tinh K+ 32

Hình 2.8 Cấu trúc IC AD8313 33

Hình 2.9 Điện áp đầu ra và cường độ sóng đầu vào AD8313 34

Hình 2.10 Khối RSSI (received signal strength indicator) 35

Hình 2.11 Module Sim 800C 37

Hình 2.12 Nạp Code 38

Hình 2.13 Block diagram Atmega 8 38

Hình 2.14 Bộ xử lý trung tâm MCU (Micro Controller Unit) 40

Hình 2.15 Block diagram MIC29302 41

Hình 2.16 Nguồn 42

Hình 3.1 Sơ đồ mạch in máy RSSI Version 2 45

Hình 3.2 Hình dáng thiết bị mặt trước Version 2 45

Hình 3.3 Hình dáng thiết bị mặt sau Version 2 46

Hình 3.4 Mô hình lắp đặt thiết bị và truyền dữ liệu về Viện vật lý địa cầu 47

Hình 3.5 Đồ thị tín hiệu RSSI theo thời gian ngày 03/01/2018 48

Hình 3.6 Đồ thị tín hiệu RSSI theo thời gian ngày 16/02/2018 48

Hình 3.7 Đồ thị tín hiệu RSSI theo thời gian ngày 19/02/2018 49

Hình 3.8 Số liệu RSSI tại Hà Nội ở Viện vật lý địa cầu 50

Hình 3.9 Số liệu RSSI tại Nam Định ở Viện vật lý địa cầu 50

LỜI NÓI ĐẦU

Việt Nam là một nước nhiệt đới gió mùa, biến động khí hậu rất phức tạp Vì vậy, dự báo tình hình thời tiết vô cùng quan trọng với cuộc sống con người Trong thực tế có rất nhiều phương pháp giúp con người đưa ra dự báo thời tiết của từng vùng, miền với những ưu và nhược điểm khác nhau Áp dụng những kiến thức đã được học, em đã thực hiện đề tài nghiên cứu, chế tạo thiết bị đo cường độ sóng vệ tinh K+ phục vụ công tác dự báo thời tiết Với ý tưởng trên, em có thể xây dựng được một kho dữ liệu và mong muốn được góp phần vào công tác dự báo thời tiết Giúp các cơ quan chức năng có thêm thông tin chính xác và đưa ra trước những biện pháp kịp thời, giảm thiểu thiệt hại do biến động thời tiết gây ra

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn các thầy cô Viện Điện Tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giảng dạy nhiệt tình và truyền đạt cho em những kiến thức quý báu trong thời gian qua Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Lâm Hồng Thạch đã tận tình hướng dẫn em thực hiện đề tài này Đặc biệt, em xin cảm ơn TS Nguyễn Xuân Anh cũng như toàn bộ Viện Vật lý địa cầu đã nhiệt tình giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đề tài

Dù đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả năng lực của mình tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hiện nay vệ tinh đã được sử dụng để nghiên cứu dự báo thời tiết ở nhiều nước trên thế giới [18], VNREDSat-1 vệ tinh viễn thám đầu tiên của Việt nam được phóng lên quỹ đạo từ tháng 5 năm 2013 đã chụp rất nhiều bức ảnh phục vụ dự báo thời tiết theo chu kỳ bay 98 phút một vòng quanh trái đất [19] Trong luận văn này tôi nghiên cứu theo hướng khai thác sóng vô tuyến có sẵn từ vệ tinh, mà cụ thể

là vệ tinh Vinasat_1 của Việt nam để xây dựng bộ dữ liệu phục vụ dự báo thời tiết

Ý tưởng của tôi dựa trên hai cơ sở

Một là: nguyên lý của radar dự báo thời tiết: phát và thu tín hiệu phản xạ thể hiện sự thay đổi cường độ sóng khi đi qua vùng khí quyển cần khảo sát

Hai là: hiện nay ở Việt nam, truyền hình vệ tinh K+ có hơn một triệu thuê bao, điều đó đồng nghĩa với việc, về mặt lý thuyết, nếu có thiết bị đo, ở mỗi thời điểm, chúng tôi có thể thu thập được hơn một triệu dữ liệu thể hiện sự thay đổi cường độ sóng tín hiệu thu truyền hình vệ tinh K+ đi qua bầu khí quyển trên khắp đất nước theo thời gian thực

Một trạm radar thời tiết hiện đại thực hiện phát các xung tín hiệu hướng vào vùng không gian cần khảo sát, các xung này có bước sóng (1-10) cm, gấp khoảng mười lần so với đường kính của giọt nước (hoặc các hạt băng), vì vậy tán xạ Rayleigh xảy ra tại các tần số này [20] Một phần năng lượng của mỗi xung sẽ phản

xạ trở lại và được thu nhận bởi trạm radar tạo thành một kết quả đo Radar thời tiết thường thực hiện phát xung tín hiệu theo nhiều hướng khác nhau, ví dụ quét theo vòng tròn và sau mỗi vòng quét, độ cao angten được thay đổi cho lần kế tiếp Việc này sẽ được lặp đi lặp lại nhiều góc để có thể quét được tất cả thể tích không khí tối

đa xung quanh radar Chu kỳ quét này được hoàn thành trong vòng 5 phút đến 10 phút để có bộ dữ liệu, với hàng chục ngàn kết quả đo trong phạm vi 250 km xung quanh một radar công suất lớn, với độ cao khảo sát lên đến 15 km Các dữ liệu đo được xử lý, phân tích (nhờ phần mềm chuyên dụng) cho ta biết các yếu tố thời tiết của vùng không gian khảo sát, chẳng hạn mật độ hơi nước (hay chiết suất khí quyển)

Truyền hình vệ tinh K+ Việt Nam sử dụng băng tần Ku của vệ tinh Vinasat_1 có hơn một triệu thuê bao, phân bố trên khắp 63 tỉnh thành, nghĩa là vùng không gian khảo sát rộng hơn rất nhều so với một radar thời tiết Không phải mất 5 đến 10 phút, mà chỉ cần một phút hoặc ít hơn, tùy theo yêu cầu, ta đã có một bộ dữ liệu đo phản ánh sự thay đổi cường độ sóng trên khắp đất nước một cách đồng thời Như vậy trong nghiên cứu của tôi, vệ tinh (truyền hình K+) đóng vai trò máy phát tín hiệu vào không gian, vốn đã có sẵn, tôi chỉ thực hiện phần còn lại là đo cường độ sóng tín hiệu tại máy thu truyền hình vệ tinh K+ của các thuê bao, vốn cũng đã có sẵn và truyền kết quả đo theo gian thực về trung tâm xử lý, tạo nên một bộ dữ liệu

đo phục vụ việc đánh giá, dự báo thời tiết

CHƯƠNG 1: TRUYỀN SÓNG VỆ TINH TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ QUYỂN

VIỆT NAM 1.1 Đặc điểm và cấu trúc của khí quyển

Khí quyển là lớp không khí trên bề mặt trái đất, có thể được chia thành bốn tầng

- Tầng đối lưu là tầng khí quyển sát mặt đất, lên đến độ cao khoảng 15 km đối với các nước nhiệt đới như Việt nam Thành phần khí quyển chủ yếu là Nitơ, chiếm 78% và Oxy chiếm 21% Đặc trưng của tầng đối lưu là nhiệt độ và áp suất giảm dần theo độ cao Nhiệt độ giảm khoảng 5,50C đến 60C khi lên cao thêm 1km [1] Do vậy chiết suất của khí quyển thay đổi theo độ cao, điều này làm khúc xạ sóng vô tuyến Mọi biến động lớn của thời tiết trên bề mặt trái đất như mưa, bão đều diễn ra trong tầng đối lưu Mưa làm suy hao sóng vô tuyến lan truyền, đặc biệt đối với sóng cực ngắn

- Tầng bình lưu là tầng khí quyển có độ dày khoảng 15 km, nhiệt độ tăng dần theo độ cao Nồng độ hơi nước trong tầng bình lưu rất thấp, thấp hơn nồng độ hơi nước trong tầng đối lưu từ 1.000 đến 10.000 lần nên ít ảnh hưởng đến truyền sóng

F1, F2 Mật độ điện tích của các lớp này biến động theo ngày và đêm (do ban ngày chịu ảnh hưởng bức xạ trực tiếp của mặt trời)

Tầng đối lưu và tầng điện ly là hai tầng khí quyển có ảnh hưởng nhiều nhất đến truyền sóng vô tuyến

Ngoài suy hao trong không gian tự do, mưa làm sóng vô tuyến tần số siêu cao suy hao lớn nhất

1.2 Khái quát về đặc điểm khí hậu Việt Nam

1.2.1 Đặc điểm chung

- Việt Nam có vị trí địa lý nằm trọn vẹn trong một dải nội chí tuyến Mọi nơi trên lãnh thổ Việt Nam đều có mặt trời đi qua Vì vậy biến trình năm của bức xạ mặt trời bị chi phối bởi ba nhân tố là bức xạ, hoàn lưu và điều kiện địa lý

+ Về chế độ bức xạ thì ở nước ta thời gian chiếu sáng trong ngày khá dài, bức xạ mặt trời như chúng ta thấy nó tăng dần từ Bắc vào Nam Chính vì vậy khí hậu Việt Nam chịu tác động của bức xạ làm cho nền nhiệt tương đối cao và nó là nguyên nhân chính làm thay đổi thời tiết Mặt khác nó cũng là nhân tố quyết định về chế độ mưa, ẩm và ánh sáng cho các vùng lãnh thổ ở Việt Nam

+ Hoàn lưu khí quyển là sự tuần hoàn của không khí trên diện rộng, nó có đặc điểm nổi bật:

-> Chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của khí hậu vùng biển xích đạo Thái Bình dương;

-> Chịu tác động mạnh mẽ của gió mùa Nam Á về mùa hè, gió mùa Đông Á

về mùa đông và gió mùa Đông Nam Á

Chế độ hoàn lưu khí quyển làm cho khí hậu Việt Nam có những đặc điểm sau:

-> Về mùa đông thì miền Bắc thường có thời tiết lạnh đan xen với những đợt thời tiết ấm áp còn miền Nam thì thời tiết khô, ấm áp và nắng nóng

-> Về mùa hè thì miền Bắc có thời tiết nắng nóng, đầu mùa thường có mưa

và ẩm còn miền Nam thì chịu ảnh hưởng của gió mùa mùa hè Châu Á tạo nên một mùa mưa rất đặc trưng của mưa gió mùa

+ Điều kiện địa lí cũng là một trong những nhân tố rất quan trọng trong việc hình thành khí hậu Việt Nam

-> Diện tích lãnh thổ Việt Nam có đến ba phần tư là đồi núi, trong đó có

-> Mặt khác hệ thống sông ngòi cũng khá dày đặc với rất nhiều các con sông lớn, vừa và nhỏ nó góp phần tạo ra những đặc thù riêng của khí hậu tại các địa phương Mặt khác khí hậu cũng là nhân tố quan trong trong sự hình thành và duy trì

hệ thống sông ngòi này

Hình 1.1 Bản đồ địa hình vùng lãnh thổ Việt Nam [2]

Tác động rõ rệt nhất của điều kiện địa lí đến sự phân hóa không gian khí hậu Việt Nam là vai trò của địa hình nó góp phần vào sự phân hóa không gian của nhiệt

độ, độ ẩm, cán cân bức xạ và lượng mưa

Tóm lại có thể nói một cách khái quát “Khí hậu Việt Nam là khí hậu nhiệt đới gió mùa với miền Bắc có mùa đông lạnh”

1.2.2 Phân bố của một số yếu tố khí hậu cơ bản

a Khí áp và gió:

Việc phân bố khí áp và gió là một yếu tố quan trọng phản ánh chế độ hoàn lưu Sự biến đổi mùa trong chế độ hoàn lưu dẫn đến những biến đổi tương ứng của khí áp và gió

- Khí áp:

Ở những nơi có độ cao lớn thì khí áp bề mặt sẽ nhỏ hơn nhiều so với vùng đồng bằng

Về mùa đông khí áp thường cao hơn về mùa hè

- Gió: Được đặc trưng bởi hướng gió và tốc độ gió Về hướng, gió ở nước ta

có 3 đặc điểm nổi bật sau đây:

+ Là yếu tố phản ánh điều kiện hoàn lưu, hướng gió thường xuyên thay đổi theo mùa

+ Mức độ tập trung của gió giảm dần từ biển vào đất liền

+ Hướng gió trong các mùa liên quan mật thiết với điều kiện địa lý, trước hết

là địa hình

b Nhiệt độ:

Nhiệt độ ở nước ta thay đổi liên tục trong năm, nói chung nhiệt độ thấp nhất xảy ra vào tháng 1 và cao nhất vào tháng 7 Do ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc, nhiều nơi ở vùng núi Bắc Bộ có nhiệt độ dưới 00C

Nhiệt độ cao nhất thường xảy ra vào tháng 3, 4, 5 ở các khu vực phía Nam và tháng 5, 6, 7 ở các khu vực phía Bắc

Biến trình ngày của nhiệt độ ở các vùng gần như giống nhau đó là thấp nhất vào lúc sáng sớm hoặc gần sáng rồi bắt đầu tăng dần, nhiệt độ cao nhất là vào buổi trưa sau đó giảm dần

Biến trình năm của nhiệt độ không đồng nhất giữa các vùng Từ biến trình năm của nhiệt độ tại một số trạm khí tượng ta nhận thấy:

+ Nhiệt độ thấp vào tháng 12, tháng 1 trên phạm vi cả nước

+ Sang tháng 2, tháng 3 trên các tỉnh phía Bắc nhiệt độ tăng dần lên và đạt cực đại vào tháng 7 Trong khi đó ở phía Nam nhiệt độ tăng lên nhanh và đạt cực đại vào tháng 4 trên các khu vực Tây Nguyên và Nam Bộ, vào tháng 5, tháng 6 ở Nam Trung Bộ Sau khi đạt cực đại nhiệt độ giảm dần cho đến giữa mùa đông

Hình 1.2 Biến trình năm của nhiệt độ tại một số trạm khí tượng [2]

c Mưa

Từ hình 1.3 ta thấy tổng lượng mưa trung bình trong một năm ở nước ta dao động trong khoảng từ 0mm – 4500mm Nhìn chung sự phân bố lượng mưa trung bình trong năm khá phức tạp và liên quan nhiều đến chế độ tuần hoàn của không khí trên diện rộng, điều kiện địa hình

Mặt khác những nơi có mưa ít thì mức độ biến động lại mạnh hơn

Hình 1.3 Tổng lượng mưa trung bình trong năm (mm) và hệ số biến thiên của

lượng mưa trong năm (%) tại một số trạm khí tượng [2]

Từ biến trình năm lượng mưa ở một số trạm khí tượng cho ta thấy:

- Từ tháng 1 đến tháng 3 nhìn chung trên cả nước lượng mưa ít dướng 80mm/tháng

- Bắt đầu từ tháng 4 lượng mưa tăng lên trung bình đạt 100mm/tháng có nơi đạt 200mm/tháng

- Từ tháng thứ 5 trở đi nhìn chung lượng mưa ở các tỉnh vượt ngưỡng 200mm/tháng có nơi vượt ngưỡng 450mm/tháng

- Từ tháng 11 đến tháng 12 lượng mưa ở các tỉnh giảm dần

Hình 1.4 Biến trình năm của lượng mưa ở một số trạm khí tượng [2]

d Một số dạng thời tiết đặc biệt:

Nước ta nằm trong vùng nhiệt đới lại chị ảnh hưởng của khí hậu gió mùa Châu Á nên khí hậu Việt Nam có tính đa dạng về các loại hình thời tiết

- Về mùa đông các khu vực phía Bắc thường có rét đậm, rét hại một số vùng cao còn có sương muối, tuyết rơi hoặc nước đóng băng Cuối mùa đông là thời điểm xuất hiện mưa phùn

- Về mùa hè thì trời nắng nóng Giai đoạn chuyển từ màu hè sang mùa đông

có thể xuất hiện những cơn dông, lốc chủ yếu tập trung vào mùa mưa

1.2.3 Phân vùng và đặc điểm các vùng khí hậu Việt Nam [3]

Phân vùng khí hậu là thực hiện xây dựng sơ đồ phân chia lãnh thổ nước ta thành các vùng ở đó thể hiện rõ điều kiện khí hậu và quy luật phân hóa khí hậu

Để phân vùng khí hậu thì nguyên tắc cơ bản là đảm bảo tính khoa học, mối liên hệ giữa điều kiện khí hậu và quy luật phân hóa khí hậu đặc biệt phải dựa trên các số liệu đã thu thập từ mạng lưới trạm khí tượng

Ở nước ta có hai miền khí hậu được phân chia rõ rệt là miền khí hậu phía Bắc và miền khí hậu phía Nam

+ Đặc điểm chính của miền khí hậu phái bắc là bức xạ thấp, nắng ít, nền nhiệt độ thấp và mùa đồng thì lạnh

+Đặc điểm chính của miền khí hậu phía Nam là bức xạ cao, nắng nhiều, nền nhiệt độ cao và mùa đông không lạnh

Đặc điểm cơ bản khí hậu các vùng như sau:

+ Mùa đông nắng ít, lạnh, nhiều năm có sương muối, nhiều mưa phùn

+ Mùa hè nóng, ít gió Tây khô nóng, đặc biệt là ở phía Đông Bắc, mưa nhiều, mùa mưa gần trùng với mùa nóng

+ Hạn hán thường xảy ra vào mùa đông dù có mưa phùn khá nhiều vào cuối mùa

Vùng Đồng bằng Bắc Bộ:

+ Mùa đông lạnh, nắng ít, có năm xảy ra sương muối, mưa phùn nhiều + Mùa hè nóng, ít gió Tây khô nóng, mưa nhiều, mùa mưa gần trùng với mùa nóng

Vùng Bắc Trung Bộ:

+ Mùa đông hơi lạnh, nắng tương đối ít, có năm xảy ra sương muối ở một vài nơi, có mưa phùn

+ Mùa hè nhiều gió Tây khô nóng, nhiệt độ cao, mưa nhiều vào nửa cuối năm, mùa mưa không trùng với mùa nóng

+ Hạn hán chủ yếu xảy ra vào giữa mùa hè do thời tiết gió Tây khô nóng kéo dài

Vùng Nam Trung Bộ:

+ Mùa đông không lạnh, nắng nhiều, nhiều gió Tây khô nóng

+ Mùa hè thì mưa vào cuối mùa hè, đầu mùa đông

+ Hạn hán thường xảy ra từ cuối mùa đông cho đến giữa mùa hè

Vùng Tây Nguyên:

+ Đặc điểm nổi bật của khí hậu Tây Nguyên là nền nhiệt độ tương đối thấp + Mưa nhiều trong mùa hè, rất ít mưa trong mùa đông, thường xuất hiện khô hạn gay gắt vào các tháng nhiệt độ cao ở cuối mùa đông và đầu mùa hè

+ Hạn hán thường xảy ra từ nửa sau mùa đông qua mùa xuân cho đến đầu mùa hè

Vùng Nam Bộ:

Đặc điểm chung của khí hậu Nam Bộ là nắng nhiều, nhiệt độ cao quanh năm, mùa mưa về cơ bản trùng với mùa hè, mùa khô chủ yếu là các tháng giữa và cuối mùa đông, đầu mùa hè, tương phản về mùa mưa rõ rệt hơn nhiều so với mùa nhiệt

+ Hạn hán thường xảy ra vào nửa cuối mùa đông và mùa xuân

1.3 Ảnh hưởng của biến đổi khí quyển Việt Nam đến trường tại điểm thu của truyền dẫn vô tuyến

1.3.1 Đặc điểm chung

Khi tín hiệu vô tuyến được truyền qua khí quyển thì có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng của tín hiệu đặc biệt là môi trường gây ra các hiện tượng phản

xạ, tán xạ từ tầng điện ly và tầng đối lưu

Với các tín hiệu sóng vô tuyến điện từ có tần số dưới 30MHz khi truyền qua khí quyển nó có thể bị khí quyển gây biến thiên cường độ tín hiệu sóng bao gồm

bức xạ trong không gian tự do, sự không đồng nhất của khí quyển, các hiệu ứng khúc xạ, phản xạ và tán xạ

Với các tín hiệu sóng vô tuyến ở dải tần cao hơn 30MHz khi truyền qua khí quyển nó chịu các tác động bao gồm bức xạ vào không gian tự do, khúc xạ, phản xạ

từ các lớp khí quyển tầng cao, tán xạ về phía trước từ những khu vực không đồng nhất của các lớp chất khí, tán xạ và hấp thụ do các thành phần khí quyển

Các điều kiện khí tượng đóng vai trò quan trọng khi xác định cường độ và tính chất biến thiên cường độ tín hiệu sóng của truyền sóng thông qua tầng đối lưu

Suy hao truyền dẫn do nhiễu xạ tăng nhanh theo khoảng cách và được coi như là biến thiên cường độ tín hiệu sóng do tán xạ tầng đối lưu

Suy hao năng lượng tín hiệu bức xạ do hấp thụ trong khí quyển xảy ra từ sự hấp thụ sóng vô tuyến do oxy và hơi nước trong không khí Các hạt nước trong khí quyển, mà chủ yếu là hạt mưa gây ra cả suy hao lẫn tán xạ cho sóng vô tuyến Vì thế việc nghiên cứu đánh giá độ lớn của trường nhiễu tiềm tàng do các hạt mưa tán

xạ gây ra trong dải tần số này là rất quan trọng

Như vậy, đối với truyền dẫn vô tuyến, cấu trúc các chất khí trong khí quyển

và đặc biệt là các yếu tố khí hậu như nhiệt độ, mưa, sương mù, tuyết ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng tín hiệu

1.3.2 Suy hao do hấp thụ trong mưa

Hấp thụ trong mưa phụ thuộc vào cường độ mưa tính theo mm/h và theo tần

số, tăng nhanh với tần số từ 6GHz trở lên

Hình 1.5 biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ trong mưa với lượng mưa

100 mm/h vào tần số

Hình 1.5 Sự phụ thuộc hệ số hấp thụ trong mưa với lượng mưa 100 mm/h vào tần

số [4]

* Tính toán suy hao do mưa:

Suy hao do mưa trong thông tin vệ tinh được tính như sau:

𝐿𝑅(𝑑𝐵) = 𝛾𝑟(𝑑𝐵

𝑘𝑚) 𝐷𝑟𝑎𝑖𝑛(𝑘𝑚) (1.1) Với: 𝛾𝑟(𝑑𝐵

𝑘𝑚) là hệ số suy hao do mưa trên 1 km;

𝐷𝑟𝑎𝑖𝑛(𝑘𝑚) là cự li chịu mưa trong tuyến lên

* Xác định 𝑫𝒓𝒂𝒊𝒏(𝒌𝒎):

Từ mô hình trên ta có thể tính được 𝐷𝑟𝑎𝑖𝑛(𝑘𝑚) theo công thức sau:

𝐷𝑟𝑎𝑖𝑛 =ℎ𝑟𝑎𝑖𝑛 −ℎ𝑎𝑛𝑡𝑒𝑛

Với: ℎ𝑟𝑎𝑖𝑛 là độ cao tầng khí quyển bị ảnh hưởng bởi mưa;

ℎ𝑎𝑛𝑡𝑒𝑛 là độ cao anten trạm mặt đất so với mực nước biển;

𝑒 là góc ngẩng anten trạm mặt đất

ℎ𝑟𝑎𝑖𝑛 phụ thuộc vào vị trí địa lý và được khuyến cáo bởi ITU- RP.838[6]

Ở nước ta ℎ𝑟𝑎𝑖𝑛 thường được chọn là 5 km

* Xác định 𝜸𝒓:

Có 2 cách tính 𝛾𝑟:

- Cách 1: Tính theo khuyến nghị ITU-R P.838[6]

Quan hệ giữa hệ số suy hao γr (dB/km) và lượng mưa R (mm/h) ở dải tần số

đã cho có thể được xấp xỉ theo định luật hàm mũ:

𝛾𝑟 = 𝑘 𝑅𝛼 (𝑑𝐵/𝑘𝑚) (1.3) Các hệ số α và k phụ thuộc tần số được đưa ra trong bảng 1 Các hệ số này là cho phân cực tuyến tính (đứng-V và ngang-H) và các đường truyền ngang Đối với phân cực tròn, k và α được tính từ các giá trị trong bảng 1 sử dụng các phương trình sau:

𝑘 = [𝑘𝐻 + 𝑘𝑣]/2 (1.4)

𝛼 = [𝑘𝐻𝛼𝐻 + 𝑘𝑣𝛼𝑣]/2𝑘 (1.5) Bảng 1: các hệ số phụ thuộc tần số phục vụ tính suy hao do mưa [7]

18 0.07078 1.0818 0.07708 1.0025

19 0.08084 1.0691 0.08642 0.9930

20 0.09164 1.0568 0.09611 0.9847

- Cách 2: Tra theo biếu đồ (theo báo cáo CCIR-) như hình 1.7

Biểu đồ có ba đường, một đường là tần số, có hai đường loại này ứng với sóng phân cực đứng và sóng phân cực ngang Một đường khác sẽ là lượng mưa trung bình theo giờ (mm/h) Nối hai điểm của đường này sẽ cắt đường ở giữa, giao điểm chính là hệ số suy hao 𝛾𝑟(𝑑𝐵/𝑘𝑚)

Đối với sóng phân cực tròn, suy hao do mưa tính cho phân cực đứng và phân cực ngang , sau đó lấy trung bình hai giá trị:

𝛾𝑟 =𝛾𝑉 +𝛾 𝐻

2 (1.6)

Hình 1 7 Biểu đồ tính toán hệ số suy hao do mưa [5]

1.4 Ảnh hưởng của tầng đối lưu và tầng điện ly đến truyền sóng trong thông tin vệ tinh

Khi truyền tải các tín hiệu vô tuyến qua khí quyển có rất nhiều yếu tố môi trường

1.4.1 Suy hao trong không gian tự do

Suy hao khi lan truyền trong không gian tự do Khoảng không mà trong đó các sóng truyền lan bị suy sao được gọi là không gian tự do Mức suy hao của sóng

vệ tinh được phát đi từ anten phát đến anten thu trong không gian tự do tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa hai anten và tỉ lệ nghịch với độ dài bước sóng Suy hao này gọi là suy hao truyền lan trong không gian tự do

Được tính như sau: 𝐿𝑓𝑠[𝑑𝐵] = 10𝑙𝑜𝑔(4𝜋𝑑𝑓)2 (1.7)

Trong đó:

𝑑 là khoảng cách giữa hai anten

𝑓 là tần số sóng

𝑐 là vận tốc truyền sóng

1.4.2 Suy hao do sự hấp thụ bởi các phân tử khí

Suy hao do sự hấp thụ của các phân tử khí chủ yếu là do phân tử Oxy và nước[8]

Hình 1.8 Cho ta thấy sự suy hao do oxy và nước trong không khí

Hình 1.8 Sự phụ thuộc hệ số hấp thụ do phân tử Oxy và hơi nước trong không khí

theo tần số [4]

1.4.3 Suy hao do hấp thụ sóng khi truyền qua tầng điện ly

Hệ số suy hao α qua tầng điện lý được tính gần đúng theo công thức

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THIẾT BỊ

ĐO VÀ TRUYỀN DỮ LIỆU 2.1 Đặc điểm của tín hiệu truyền hình K+

- Công nghệ DTH (Direct To Home - trực tiếp qua vệ tinh) xóa bỏ mọi rào cản về mặt địa lý thông qua việc cho phép phát sóng tín hiệu số chất lượng cao, phủ sóng lãnh thổ Việt Nam với mức giá cạnh tranh nhất đồng thời đảm bảo hình ảnh và

âm thanh chất lượng cao

- Tín hiệu các kênh truyền hình phát trên K+ được thu tại Trạm phát lên vệ tinh tại Vĩnh Yên qua Vệ tinh VINASAT 1 và được truyền đi khắp cả nước

- Toàn bộ các gói kênh do K+ cung cấp được trang bị công nghệ mã hóa thế

hệ mới nhất do đối tác Nagravision phát triển nhằm đảm bảo an toàn cho các gói kênh và bảo vệ các chủ sở hữu bản quyền kênh

- Ngoài ra, công nghệ DTH đóng vai trò tích cực trong việc bảo vệ môi trường do không phải tác động đến hệ thống công trình công cộng khi triển khai dịch vụ đến người dùng cuối

- Công nghệ DTH đáp ứng tốc độ phát triển như vũ bão của các thiết bị nghe nhìn trong kỷ nguyên số ngày nay và đang trở hành xu thế phát triển trên toàn thế giới

2.2 Cơ sở lý thuyết

2.2.1 Tính toán tuyến thông tin vệ tinh

* Tính toán tuyến lên

Trong đó:

𝐿𝑇𝑥 , 𝐿𝑅𝑥 là suy hao do ống dẫn sóng phát và thu;

𝐿𝑝(𝑑) là suy hao truyền sóng;

𝐺𝑇𝑥 , 𝐺𝑅𝑥 là tăng ích anten trạm mặt đất và anten thu trên vệ tinh;

𝑃𝑇 là công suất đưa vào đầu vào anten phát;

𝑃𝑅𝑥 là công suất đầu vào máy thu vệ tinh

Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của trạm mặt đất EIRP (Effective isotropic radiated power):

𝐸𝐼𝑅𝑃(𝑊) = 𝑃𝑇(𝑊) 𝐺𝑇𝑥 =𝑃𝑇𝑥

𝐿 𝑇𝑥 𝐺𝑇𝑥 (2.1) Chuyển sang tính theo decibel (dB):

𝐸𝐼𝑅𝑃(𝑑𝐵𝑊) = 𝑃𝑇𝑥(𝑑𝐵𝑊) − 𝐿𝑇𝑥(𝑑𝐵) + 𝐺𝑇𝑥(𝑑𝐵𝑖) (2.2)

Công suất ở đầu vào máy thu:

Công suất trên đầu vào máy thu được tính như sau:

𝑃𝑅𝑥(𝑚𝑊) =𝐸𝐼𝑅𝑃(𝑚𝑉)

𝐿𝑃 𝐺𝑅𝑥

𝐿𝑅𝑥 =𝐸𝐼𝑅𝑃(𝑚𝑉).𝐺𝑅𝑥

𝐿𝑃 (2.3) Chuyển sang tính theo dB:

𝑃𝑅𝑥(𝑑𝐵𝑚) = 𝐸𝐼𝑅𝑃(𝑑𝐵𝑚) − 𝐿𝑃(𝑑𝐵) + 𝐺𝑅𝑥(𝑑𝐵𝑖) (2.4) Trong đó:

𝐿𝑃 là tổn hao đường truyền, được tính theo công thức sau:

𝐿𝑃(𝑑𝐵) = 𝐿𝐹𝑆(𝑑𝐵) + 𝐿𝐴𝑡(𝑑𝐵) (2.5) Với: + 𝐿𝐹𝑆 là suy hao truyền sóng trong không gian tự do

+ 𝐿𝐴𝑡 là tổn hao truyền sóng trong môi trường khí quyển mà chủ yếu là tổn hao do mưa 𝐿𝑅

Suy hao truyền sóng trong không gian tự do 𝐿𝐹𝑆 được tính như sau:

𝐿𝐹𝑆(𝑑𝐵) = 92,44 + 20 log10𝑑(𝑘𝑚) + 20 log10𝑓𝑢𝑝(𝐺ℎ𝑧) (2.6) Trong đó: + 𝑓𝑢𝑝 là tần số hướng lên;

+ d là khoảng cách từ trạm mặt đất tới vệ tinh

Đối với vệ tinh địa tĩnh, khoảng cách từ trạm mặt đất tới vệ tinh là:

Với: + 𝑙𝐸 là vĩ độ ở trạm mặt đất;

+ 𝐿𝐸 là kinh độ của trạm mặt đất;

+ 𝐿𝑆 là kinh độ của vệ tinh;

+ h là chiều cao từ trạm mặt đất tới vệ tinh h = 35785km;

+ 𝑅𝐸 là bán kính Trái Đất, 𝑅𝐸 = 6378km

* Tính toán tuyến xuống

Công suất nhận được trên vệ tinh từ trạm mặt đất phát lên được khuếch đại với hệ số khuếch đại tổng trên vệ tinh là GSAT và đưa ra anten trên vệ tinh để phát xuống

Hình 2.2 Mô hình tương đương cho bài toán tính toán tuyến xuống [5]

Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của vệ tinh EIRP:

𝐸𝐼𝑅𝑃(𝑊) = 𝑃𝑇𝑥(𝑊) 𝐺𝑇𝑋 = 𝑃𝑅𝑥(𝑊) 𝐺𝑆𝐴𝑇 𝐺𝑇𝑥 (2.8) Tính theo dB ta có:

𝐸𝐼𝑅𝑃(𝑑𝐵𝑊) = 𝑅𝑅𝑥(𝑑𝐵𝑊) + 𝐺𝑆𝐴𝑇(𝑑𝐵) + 𝐺𝑇𝑥(𝑑𝐵𝑖) (2.9) Công suất thu được tại máy thu trạm mặt đất:

𝑃𝑅𝑥𝐸𝑆(𝑑𝐵𝑚) = 𝐸𝐼𝑅𝑃(𝑑𝐵𝑚) + 𝐺𝑅𝑥(𝑑𝐵) − 𝐿𝑝(𝑑𝐵) − 𝐿𝑅𝑥(𝑑𝐵) (2.10) Trong đó Lp là suy hao truyền sóng được tính tương tự như tính tuyến lên Thực tế ngay sau anten sử dụng bộ khuếch đại tạp âm thấp và hạ tần LNB sau đó mới dùng thiết bị trung chuyển để nối vào máy thu Khi đó nếu tính công suất tại đầu vào bộ LNB sẽ là

𝑃𝑅𝑥𝐸𝑆(𝑑𝐵𝑚) = 𝐸𝐼𝑅𝑃(𝑑𝐵𝑚) + 𝐺𝑅𝑥(𝑑𝐵) − 𝐿𝑝(𝑑𝐵) (2.11)