Thông tin vệ tinh và phần mềm tính toán can nhiễu giữa các vệ tinh

Một ưu điểm vượt trội của thông tin vệ tinh so với các hệ thống thông tin mặt đất khác là sự sẵn sàng của thông tin vệ tinh ở khắp mọi nơi, bởi vậy nó thực sự đặc biệt hữu ích cho những

luận văn thạc sĩ khoa học

ngành : xử lý thông tin và truyền thông

thông tin vệ tinh và tính toán can nhiễu giữa các vệ tinh

đoàn minh Trang

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS.NGUYễN Đức thuận

Hà Nội 2009

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

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

THÔNG TIN VỆ TINH VÀ PHẦN MỀM

NGÀNH: XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

MÃ SỐ:

ĐOÀN MINH TRANG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN ĐỨC THUẬN

Hà Nội 2009

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là: Đoàn Minh Trang

Học viên Cao học ngành Xử lý thông tin của Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, khóa 2007– 2009

Tôi xin cam đoan về luận văn “ THÔNG TIN VỆ TINH VÀ PHẦN MỀM TÍNH TOÁN CAN NHIỄU GIỮA CÁC VỆ TINH ”, do tôi trực tiếp

nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS TS Nguyễn Đức Thuận

Tôi xin chịu hoàn toàn chịu trách nhiệm về Đồ án trên

Hà Nội, tháng 11/2009

Đoàn Minh Trang

MỤC LỤC

DANH SÁCH BẢNG 5

TỪ NGỮ VIẾT TẮT 6

DANH SÁCH HÌNH VẼ 7

MỞ ĐẦU 9

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH 10

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH 10

I GIỚI THIỆU CHUNG 10

1 Các dịch vụ vệ tinh 10

2 Tìm hiểu về quỹ đạo vệ tinh 11

3 Anten trong thông tin vệ tinh 16

4 Sự lan truyền sóng 23

II CẤU HÌNH CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 30

1 Phần không gian 30

2 Phần mặt đất 34

3 Các nguyên lý cơ bản trong thông tin vệ tinh 36

III BĂNG TẦN VỆ TINH 41

1 Băng tần vệ tinh 41

2 Can nhiễu và điều lệ vô tuyến thế giới 48

CHƯƠNG II VỆ TINH VINASAT 49

I CÁC ƯU ĐIỂM CỦA THÔNG TIN VỆ TINH 49

1 Các ưu điểm của thông tin vệ tinh 49

2 Dịch vụ của VINASAT 50

II HỆ THỐNG VỆ TINH VINASAT 51

1 Cấu hình cơ bản của vệ tinh VINASAT 51

2 Các chỉ tiêu kỹ thuật 56

PHẦN II LÝ THUYẾT VÀ PHẦN MỀM TÍNH TOÁN CAN NHIỄU GIỮA CÁC VỆ TINH 59

I LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CAN NHIỄU GIỮA CÁC VỆ TINH 59

1 Giới thiệu 59

2 Tính toán ΔT/T 59

2.1 Cơ sở lý thuyết 59

2.2 Nhiễu giữa hai mạng vệ tinh địa tĩnh và tính ΔT/T 62

3 Phối hợp sử dụng ΔT/T và phương pháp Cung tọa độ 69

3.1 Tính toán ΔT/T bằng cách tách đường truyền lên và xuống 69

3.2 Điều kiện cho phối hợp giữa mạng vệ tinh địa tĩnh đã có và đang chuẩn bị hoạt động 69

4 Phương pháp luận cho tính toán khả năng nhiễu có hại giữa các trạm không gian ( tỷ số C/I) 72

4.1 Sự cần thiết tính toán C/I 72

4.2 Phương pháp tính toán 73

4.3 Các loại nhiễu yêu cầu tính toán C/I và sử dụng các hệ số điều chỉnh nhiễu 74

4.4 Công thức tính toán số dư M, C/I, C/N 75

II PHẦN MỀM TÍNH TOÁN CAN NHIỄU GIỮA CÁC VỆ TINH100 1 Lưu đồ thuật toán 100

1.1 Lưu đồ thuật toán tính giá trị ΔT/T 100

1.2 Lưu đồ thuật toán tính giá trị C/I 101

1.3 Lưu đồ thuật toán tính giá trị C/N 102

1.4 Lưu đồ thuật toán tính giá trị M 103

2 Phần viết chương trình tính toán can nhiễu giữa các vệ tinh 103

3 Giao diện của phần mềm 108

KẾT LUẬN 112

HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 113

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1 Góc phương vị trong hệ toạ độ topocentric-horizon 20

Bảng 2 Giá trị góc phương vị Az 23

Bảng 3 Mục tiêu chất lượng đối với kênh thoại / ISDN 40

Bảng 4 Thống kê các băng tần do ITU-R phân bổ cho dịch vụ FSS 43

Bảng 5 Các tham số chính của vệ tinh trong băng tần C 45

Bảng 6 Các tham số chính của trạm mặt đất trong băng tần C 45

Bảng 7 Các tham số chính của vệ tinh băng tần Ku điển hình 46

Bảng 8 Các tham số chính của trạm mặt đất băng tần Ku điển hình 47

Bảng 9 C¸c tham sè chÝnh cña vÖ tinh b¨ng tÇn Ka ®iÓn h×nh 48

Bảng 10 Các tham số chính của trạm mặt đất băng tần Ka điển hình 48

Bảng 11 Băng tần và cung phối hợp phù hợp 71

Bảng 12 Tổng hợp các trường hợp nhiễu khác nhau yêu cầu tính toán C/I 75

TỪ NGỮ VIẾT TẮT

ITU International Telecommunication Union

FSS Fix Satellite Service

MSS Mobile Satellite Service

BSS Broadcasting Satellite Service

HEO Highly Elpitical Orbit

GEO Geostatinary Earth Orbit

EIRP Equivalent Isotropically Radiated Power

C/N Carrier to Noise (ratio)

S/N Signal to Noise (ratio)

C/I Carrier to Interference (ratio)

I/N Interference to Noise (ratio)

ISDN Integrated Service Digital Network

VSAT Very Small Apenture Terminal

PCF/BCF Primary Control Facility/ Backup Control Facility ESLNT Equivalent Satellite Link Noise Temperature SEI Single Entry Interference

REC.WRC-2000 Recommandation World Radiocommunication

Conference - 2000

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1 Các quỹ đạo trong các hệ thống thông tin vệ tinh 13

Hình 2 Quỹ đạo Ellipse 13

Hình 3 Quỹ đạo chuyển động vệ tinh 14

Hình 4 Thành phần điện trường trong toạ độ cầu 19

Hình 5 Hệ trục toạ độ Toptropic-horizon 21

Hình 6 Mối quan hệ giữa vị trí của trạm mặt đất và vệ tinh với góc nhìn của anten trạm mặt đất 22

Hình 7 Minh hoạ góc giới hạn góc nhìn của trạm mặt đất 24

Hình 8 Đường truyền tín hiệu trong mưa 26

Hình 9 Thành phần đứng và ngang của phân cực tuyến tính 27

Hình 10 Mức độ phân cực chéo XPD 29

Hình 11 Khử phân cực do mưa 30

Hình 12 Bộ phân kênh đầu vào 33

Hình 13 Vệ tinh INTELSAT VIII 34

Hình 14 Sơ đồ chi tiết một trạm phát thu 37

Hình 15 Cấu hình tổng quát của một tuyến vệ tinh một chiều 41

Hình 16 Các dịch vụ sử dụng thông tin vệ tinh 51

Hình 17 Dịch vụ VSAT_IP 52

Hình 18 Hệ thống trạm điều khiển mặt đất 53

Hình 19 Vùng phủ sóng băng tần C 54

Hình 20 Băng tần C mở rộng của vệ tinh VINASAT 55

Hình 21 Vùng phủ sóng băng tần Ku 56

Hình 22 Tần số băng Ku của vệ tinh VINASAT 57

Hình 23 Ảnh hưởng nhiễu ngoài đến hệ thống vệ tinh địa tĩnh 61

Hình 24 Giá trị ΔT tạo ra khi hai vệ tinh địa tĩnh ảnh hưởng đến nhau 63 Hình 25 Tần số bao phủ cùng đường xuống 64 Hình 26.Tần số bao phủ cùng đường lên 64 Hình 27 Tần số bao phủ cùng đường xuống giữa vệ tinh mong muốn và

vệ tinh gây nhiễu có bộ tách sóng biến đổi tần số đơn giản 65 Hình 28 Tần số bao phủ cùng đường lên giữa vệ tinh mong muốn và vệ tinh gây nhiễu có bộ tách sóng biến đổi tần số đơn giản 66 Hình 29 Tần số bao phủ cùng đường lên và xuống giữa vệ tinh mong

muốn và vệ tinh gây nhiễu có bộ tách sóng biến đổi tần số đơn giản 67 Hình 30 Bộ tách sóng biến đổi tần số đơn giản trên vệ tinh mong muốn

- Trường hợp 2 68 Hình 31 Tách riêng ảnh hưởng của đường xuống- Trường hợp 2

Hình 32 Ví dụ bài toán 1 80 Hình 33 Ví dụ bài toán 2 89 Hình 34 Giao diện phần mềm tính toán can nhiễu giữa các vệ tinh 100 Hình 35 Các option của phần mềm tính toán can nhiễu giữa các vệ tinh 100 Hình 36 Chức năng load dữ liệu cho đầu vào của chương trình tính toán 101 Hình 37 Chức năng tra cứu các giá trị đầu vào và đầu ra của chương

trình tính toán 101 Hình 38 Ví dụ tính toán can nhiễu giữa các vệ tinh của chương trình 102 Hình 39 Chức năng save lại các giá trị đầu vào và đầu ra sau khi tính

toán của chương trình 102

MỞ ĐẦU

Trong các hệ thống thông tin mặt đất thì thông tin vệ tinh có nhiều ưu điểm

nổi bật hơn trên rất nhiều ứng dụng Một ưu điểm vượt trội của thông tin vệ

tinh so với các hệ thống thông tin mặt đất khác là sự sẵn sàng của thông tin vệ

tinh ở khắp mọi nơi, bởi vậy nó thực sự đặc biệt hữu ích cho những nơi mà

các công nghệ khác không thể cung cấp Ngoài ra thông tin vệ tinh còn cung

cấp một loạt các dịch vụ có tính toàn cầu Nhờ các ưu điểm nổi bật của mình,

thông tin vệ tinh đã phát triển nhanh chóng trong 3 thập niên qua Số lượng

các vệ tinh được phóng lên không gian với các mục đích khác nhau tăng lên

đáng kể Cùng với xu hướng phát triển của thế giới, ngày 19 tháng 04 năm

2009, Việt Nam đã phóng thành công vệ tinh VINASAT đầu tiên giúp đáp

ứng nhu cầu ngày càng tăng trong lĩnh vực viễn thông Sự kiện ngày là một

bước ngoặt quan trọng trong việc hiện đại hóa hệ thống truyền dẫn mạng viễn

thông của Việt Nam Để dự án phóng vệ tinh VINASAT thành công, việc

đăng ký quỹ đạo vệ tinh, Việt Nam đã phải phối hợp về tần số và vị trí quỹ

đạo với rất nhiều các vệ tinh xung quanh Một trong vấn đề phối hợp quỹ đạo

là tính toán can nhiễu giữa vệ tinh VINASAT và các vệ tinh xung quanh Đây

cũng chính nội dung chính của đồ án thạc sỹ của em với tên đề tài: “THÔNG

TIN VỆ TINH VÀ PHẦN MỀM TÍNH TOÁN CAN NHIỄU GIỮA CÁC VỆ

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH

I GIỚI THIỆU CHUNG

Thông tin vệ tinh ngày nay là một phần tổ hợp của mạng lưới viễn thông toàn cầu Kể từ khi được đưa vào sử dụng cho đến nay, thông tin vệ tinh đã tạo ra mạng lưới điện thoại hoàn toàn tự động trên phạm vi toàn cầu Mặc dù các hệ thống cáp biển quốc tế vẫn đang rất phát triển, thông tin vệ tinh vẫn đóng góp đáng kể vào nền viễn thông của các quốc gia: từ viễn thông quốc tế, nội địa và đặc biệt đối với các dịch vụ quảng bá

Xu hướng phát triển của thông tin vệ tinh ngày nay phụ thuộc vào các đặc tính của riêng thông tin vệ tinh như khả năng đa truy nhập, truyền dẫn một-điểm-tới-nhiều-điểm (quảng bá truyền hình, phát thanh, thông tin di động .)

độ linh hoạt theo yêu cầu lưu lượng và theo cấu trúc hệ thống cũng như việc

dễ dàng triển khai và khai thác Các ưu điểm này rất thích hợp cho các mạng

đa dịch vụ trong tương lai và đem lại một phương tiện hiệu quả để phát triển mạng lưới viễn thông quốc gia

1 Các dịch vụ vệ tinh

Theo Điều lệ Vô tuyến điện (Radio Regulation) các dịch vụ thông tin vệ tinh được phân ra làm các loại dịch vụ tuỳ theo mục đích sử dụng như sau:

Dịch vụ vệ tinh cố định (Fixed Satellite Service FSS):

Dịch vụ vệ tinh cố đinh FSS là dịch thông tin giữa các điểm cố định trên bề mặt trái đất thông qua một hoặc nhiều vệ tinh Các hệ thống vệ tinh như INTELSAT, INTERSPUTNIK được sử dụng cho viễn thông quốc tế Còn cá

hệ thống như EUTELSAT, CS của Nhật bản hay PALAPA của Indonesia được sử dụng cho viễn thông khu vực hay nội địa

Dịch vụ vệ tinh di động (Mobile Satellite Service MSS):

Dịch vụ vệ tinh di động MSS để thông tin các trạm mặt đất di động được gắn trên tàu biển, ô tô, máy bay hoặc mang vác di chuyển với mạng viễn thông cố

định Hệ thống INMARSAT là một hệ thống quốc tế điển hình của loại hình dịch vụ này

− Dịch vụ vệ tinh quảng bá (Broadcasting Satellite Service BSS):

Dịch vụ vệ tinh quảng bá BSS dùng để phát các chương trình phts thanh và truyền hình qua vệ tinh Ngày nay dịch vụ này đang phát triển hết sức mạnh

mẽ, kể cả ở khu vực Châu Á - Thái Bình dương

− Dịch vụ vệ tinh dẫn đường

− Dịch vụ vệ tinh thăm dò trái đất

− Dịch vụ vệ tinh khí tượng thủy văn

Hai loại dịch vụ vệ tinh FSS, BSS được phát triển rộng rãi và được áp dụng khắp nơi trên thế giới, trong khi dịch vụ MSS cũng ngày càng phát triển Xu hướng ngày nay các nước phóng vệ tinh nội địa đa dịch vụ

2 Tìm hiểu về quỹ đạo vệ tinh

Tùy thuộc vào độ cao so với mặt đất, quỹ đạo vệ tinh trong hệ thống thông tin vệ tinh được chia thành:

- HEO (High Elpitical Orbit) quỹ đạo elip cao;

- GSO ( Geostationary Orbit ) hay GEO ( Geostatinary Earth Orbit ) quỹ đạo địa tĩnh;

- MEO ( Medium Earth Orbit) quỹ đạo trung bình;

- LEO ( Low Earth Orbit) quỹ đạo thấp

Hình 1 Các quỹ đạo trong các hệ thống thông tin vệ tinh

Định lý của Kepler

Các định lý của Kepler được áp dụng cho 2 vật thể trong không gian tương tác lẫn nhau bởi lực hấp dẫn Trong hai vật thể này, vật thể có khối lượng lớn hơn được gọi là primary (vật thể cơ sở) và secondary (vật thể thứ hai) chẳng hạn một vệ tinh quay xung quang trái đất thì trái đất được gọi là Primary và

vệ tinh được gọi là Secondary

Trong đó:

- a: bán trục lớn của Elipse

- b: bán trục nhỏ của Elipse

F1, F2: tiêu điểm của Elipse

Trọng tâm của hệ hai vật thể này thường nằm ở tâm một trong hai trọng tâm của vật thể Trong thực tế, hệ 2 vật thể vệ tinh và trái đất thì trọng tâm luôn luôn ở gần tâm của trái đất do khối lượng rất lớn của trái đất so với khối lượng của vệ tinh

Định lý 2:

Trong những khoảng thời gian bằng nhau vệ tinh sẽ quyét được những diện tính bằng nhau tính từ tâm của hệ vệ tinh-trái đất trong mặt phẳng quỹ đạo của vệ tinh

Hình 3 Quỹ đạo chuyển động vệ tinh

Từ định lý này cho thấy vận tốc của vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo nằm ở gần trái đất lớn hơn vận tốc của vệ tinh khi nó chuyển động trên quỹ đạo nằm

Trong đó:

− a: bán trục lớn của Ellipse (mét)

− P: chu kỳ của vệ tinh (giây)

− µ: hệ số hấp dẫn của trái đất µ=3.986005x1014 m3/s2 Công thức trên chỉ áp dụng cho trường hợp quỹ đạo lý tưởng tức là trái đất được coi như là một khối hình cầu đồng nhất và vệ tinh không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài chẳng hạn như: khí quyển, lực hút của các vệ tinh khác,

Ba định lý của Kepler rất quan trọng đối với việc tính toán quỹ đạo vệ tinh, để

từ đó xây dựng lên hệ thống thông tin vệ tinh cụ thể

Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh có vị trí cố định so với trái đất nằm trên mặt phẳng xích đạo Để có được một vệ tinh địa tĩnh cần có 3 điều kiện sau:

Vệ tinh phải quay từ đông sang tây với vận tốc bằng vận tốc quay của trái đất xung quanh trục của nó

Quỹ đạo phải là hình tròn (trường hợp đặc biệt của quỹ đạo Ellipse)

Độ nghiêng của quỹ đạo (so với mặt phẳng xích đạo) vệ tinh phải bằng không

Điều kiện đầu là tất yếu bởi vì vệ tinh địa tĩnh nằm yên so với trái đất do vậy

nó phải có vận tốc quay bằng với vận tốc quay của trái đất xung quanh trục của nó (tốc độ không đổi) Điều kiện thứ hai được suy ra từ định lý thứ hai của Kepler: trong cùng khoảng thời gian bay, vệ tinh sẽ quýet được những diện tích bằng nhau trong mặt phẳng của nó mà vệ tinh bay với tốc độ không đổi do đó quỹ đạo của vệ tinh phải là hình tròn mới thoả mãn định lý này của Kepler Điều kiện thứ 3 là do trong thực tế với bất kỳ độ nghiêng nào so với

µP 2

a 3 =

4π2

mặt phẳng xích đạo cũng làm cho vệ tinh dịch chuyển về phía Bắc hoặc phía Nam và như vậy thì quỹ đạo của vệ tinh sẽ không còn là quỹ đạo địa tĩnh Để tránh sự di chuyển của vệ tinh về hướng Bắc hoặc hướng Nam nhất thiết độ nghiêng của quỹ đạo phải bằng không, do đó quỹ đạo phải nằm trên mặt phẳng xích đạo

Từ định lý thứ 3 của Kepler có thể tính được bán kính của quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh (quỹ đạo tròn) Từ công thức:

Trong đó:

− a: là bán kính của quỹ đạo

− P: là chu kỳ của vệ tinh cũng là chu kỳ của trái đất quay quanh trục của nó: P = 23h56phút4giây

− µ: hệ số hình học hấp dẫn của trái đất µ = 3.986005x1014 m3/s2

Từ đó tính được a = 42164 Km Bán kính của trái đất là ae = 6378 Km, do vậy

độ cao của vệ tinh so với mặt đất là:

hs = a - ae = 35786 Km Giá trị này thường được lấy tròn là 36000 Km Tuy nhiên trong thực tế rất khó có thể đạt được quỹ đạo địa tĩnh thật sự do các tác động từ bên ngoài như các tác động từ vũ trụ và sự không đồng nhất của trái đất (trái đất không phải

là hình cầu) Lực hút của mặt trời và mặt trăng làm dịch chuyển độ nghiêng quỹ đạo hàng năm khoảng 0.850 Hình dạng ellipse của xích đạo cũng làm cho

vệ tinh bị trượt về hướng đông trên quỹ đạo của nó

Bởi vì chu kỳ của trái đất có giá trị xác định lên chỉ có duy nhất một quỹ đạo địa tĩnh (bán kính của quỹ đạo địa tĩnh là duy nhất suy ra từ định lý thứ 3 của

Kepler) Do đó, quỹ đạo địa tĩnh là nguồn tài nguyên tự nhiên và việc sử dụng

nó phải tuân theo các điều khoản được các nước và được quốc tế công nhận

Quỹ đạo phóng

Với quỹ đạo thấp vệ tinh có thể được phóng trực tiếp, nhưng với quỹ đạo cao trên 200 Km thì vệ tinh được phóng từ tàu vụ trũ (tầu phóng) Tàu phóng có thể là loại chỉ sử dụng một lần hoặc là loại được sử dụng nhiều lần Điển hình tàu phóng sử dụng một lần là tầu phóng U.S Atlas-Centaur rocket, Delta rocket của Mỹ và tầu phóng European Space Agency Ariane rocket

Với vệ tinh có quỹ đạo trên 200 Km sẽ được đưa và quỹ đạo chuyển tiếp giữa quỹ đạo thấp quanh trái đất và quỹ đạo cao trước khi được đưa vào quỹ đạo của nó Quỹ đạo chuyển tiếp cần được lựa chọn để tiết kiệm năng lượng Một trong các quỹ đạo chuyển tiếp đó là quỹ đạo Hobmann

Quỹ đạo Hobmann là quỹ đạo Ellipse, tiếp xúc với quỹ đạo tầm thấp và quỹ đạo tầm cao ở điểm cực cận và điểm cực viễn Tại điểm cực cận vệ tinh được phóng ra khỏi tầu vũ trụ và đi vào quỹ đạo chuyển tiếp nhờ động cơ kích điểm cực cận Tại điểm cực viễn nhờ một động cơ điểm cực viễn lái vệ tinh vào quỹ đạo tầm cao của nó Vệ tinh sẽ ổn định hoạt động trong vòng một tới hai tháng

3 Anten trong thông tin vệ tinh

Anten có thể được chia làm hai loại: anten thu và anten phát Mặc dù các yêu cầu cho các chức năng, mode hoạt động (thu, phát) rất khác nhau nhưng một anten có thể được sử dụng để phát và thu tín hiệu đồng thời Rất nhiều các đặc tính khác nhau của hai mode được áp dụng như nhau cho cả hai mode hoạt động đó là nhờ vào tính tương hỗ của anten Có một số dạng nhiễu chỉ xẩy ra trong thông tin vệ tinh mà không có trong các hệ thống khác, vì vậy để tối thiểu hoá ảnh hưởng của nhiễu cần chú ý đặc biệt tới thiết kế anten Trong thông tin vệ tinh anten cũng có thể được chia thành anten trạm mặt đất và anten vệ tinh Nguyên lý chung trong thiết kế hai loại anten là giống nhau

nhưng do đặc điểm môi trường khác nhau nên cần phải thiết kế riêng cho từng loại

Định lý tương hỗ cho anten

Nếu anten A phát tín hiệu sẽ gây ra dòng điện I trên anten thu B Ngược lại nếu cho anten B phát chính tín hiệu đó thì cũng sẽ gây ra một dòng điện có cùng cường độ I trên anten thu A

Xung quang anten có 3 trường điện từ:

khoảng nhỏ hơn:

Trong đó: D là đường kính anten, λ là bước sóng

khoảng:

Sóng điện từ trong khu vực trường khu gần bị suy giảm nhanh chóng theo khoảng cách: sự suy giảm tín hiệu tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách đối với sóng điện từ trong khu vực trường khu gần bức xạ và tỉ lệ nghịch với lập phương khoảng cách đối với sóng điện từ trong khu vực trường khu gần tương tác, trong khi ở khu xa cường độ điện trường chỉ tỉ lệ nghịch với khoảng cách Nói chung, sóng điện từ trong khu vực trường khu gần là nhỏ có thể bỏ qua

D 3

R 1 = 0.62

λ

D 3 0.62

λ

2D 2 < R <

λ

Trong hệ toạ độ cầu, vector cường độ điện trường E được phân tích thành hai thành phần Eφ và Eθ (nằm trên các tiếp tuyến tại điểm đang xét) như hình vẽ dưới đây:

Trong hệ toạ độ này mặt phẳng xz là mặt phẳng từ trường và mặt phẳng yz

là mặt phẳng điện trường Tương ứng với thành phần điện trường Eφ là thành phần Hθ song song với Eθ ngược lại tương ứng với thành phần Hφ là thành phần Eθ song song với Hθ Độ lớn của điện, từ trường quan hệ với nhau theo một hệ số được gọi là trở kháng sóng (bằng 120 Ω đối với môi trường không gian tự do)

Đối với môi trường khí quyển của trái đất thì giá trị của Zw có thay đổi chút ít

Mật độ thông lượng

Mật độ thông lượng là đại lượng được sử dụng trong tính toán để xác định chất lượng của tuyến thông tin vệ tinh được tính bằng công xuất bức xạ của anten đặt tại tâm của hình cầu trên một đơn vị diện tích bề mặt hình cầu đó

Một anten bức xạ đẳng hướng là anten bức xạ theo mọi hướng là như nhau Trong thực tế không có anten nào có thể bức xạ đẳng hướng được, nhưng khái niệm này rất có ý nghĩa khi đem so sánh với anten thực tế Mật độ thông lượng của anten bức xạ đẳng hướng là:

Bảng 1.Góc phương vị trong hệ toạ độ topocentric-horizon

Trong đó:

− ds: hình chiếu của vệ tinh lên trục S

− de: hình chiếu của vệ tinh lên trục

− α: góc được xác định:

Hệ trục toạ độ Toptropic-horizon:

Hình 5 Hệ trục toạ độ Toptropic-horizon

Anten trạm mặt đất sử dụng trong hệ thống thông tin vệ tinh thương mại có

độ rộng búp sóng rất nhỏ, bởi vậy phải có hệ thống giám sát vị trí quỹ đạo Đối với các anten sử dụng trong dịch vụ phát thanh quảng bá, có độ rộng búp sóng lớn thì không cần thiết phải có hệ thống giám sát vị trí vệ tinh Để xác định góc nhìn của vệ tinh cần xác định 3 thông số sau:

Vĩ độ của trạm mặt đất λe

| d e | α= arctan

| d s |

Trạm mặt đất

Hướng Đông (E)

ds

de

Góc phương vị

Vệ tinh

Kinh độ của trạm mặt đất Φe

Vĩ độ của điểm hình chiếu vệ tinh lên mặt phẳng xích đạo Φss

Trong đó:

• Es: vị trí của trạm mặt đất

• Ss: vị trí điểm hình chiếu của vệ tinh nên mặt phẳng xích đạo

• d: khoảng cách từ vệ tinh tới trạm mặt đất

• σ: góc ngẩng + 900

• Az: góc phương vị

• a: a là cung nối giữa cực của trái đất và điểm hình chiếu của vệ tinh,

a=900 Với cách giả định trái đất có dạng hình cầu thì các cạnh của

Hình 6 Mối quan hệ giữa vị trí của trạm mặt đất và vệ tinh

với góc nhìn của anten trạm mặt đất

tam giác cầu (là các cung) có độ lớn bằng các góc đối diện nhìn từ tâm trái đất chắn bởi các cung đó

• b: là cung nối giữa trạm mặt đất và hình chiếu của vệ tinh

• c: là cung nối giữa trạm mặt đất và cực trái đất, c=90-λe

• A, B, C: là các góc tương ứng với các cạnh a, b, c của tam giác cầu

B = Φe - Φss Theo định lý Napier sử dụng cho tam giác hình cầu thì b được xác định như sau:

b = arccos { cos(B) cos(λe) }

Có hai giá trị của A thoả mãn công thức trên do vậy để xác định A cần xem xét kỹ lưỡng vị trí tương quan giữa trạm mặt đất và vệ tinh để có thể xác định được chính xác góc phương vị Az

Giới hạn nhìn thấy của trạm mặt đất

Giới hạn nhìn thấy của trạm mặt đất là một cung trên quỹ đạo đĩa tĩnh mà vệ tinh nằm ở bất kỳ vị trí nào trên cung đó trạm mặt đất cũng thu được tín hiệu

Độ lớn của cung giới hạn này phụ thuộc vào toạ độ của trạm mặt đất và góc

sin | B |

A = arcsin

sin b

ngẩng của anten Giá trị nhỏ nhất của góc ngẩng anten là 0 Trường hợp đơn giản nhất trong việc xác định giới hạn nhìn thấy được của trạm mặt đất là khi trạm mặt đất nằm trên mặt phẳng xích đạo, góc nhìn thấy của trạm mặt đất (là:

Suy hao khí quyển

Suy hao khí quyển là do tầng khí quyển hấp thụ năng lượng sóng điện từ và

do điều kiện thời tiết bất lợi Sự suy hao này phụ thuộc vào tần số Ở tần số thấp suy hao chủ yếu do hơi nước (suy hao lớn nhất ở tần số 22.3 GHz), ở dải

tần số cao hơn suy hao chủ yếu do ôxy (suy hao lớn nhất tại tần số 60 GHz) Ngoài ra, do sự không đồng nhất lớp không khí ở tầng khí quyển dẫn đến chỉ

số chiết xuất khác nhau các lớp khí khác nhau, vì thế các tia sóng điện từ sẽ

có đường đi khác nhau để tới trạm mặt đất cũng làm ảnh hưởng tới chất lượng tín hiệu tại điểm thu (fading nhiều tia)

Ảnh hưởng của tầng điện ly

Tầng điện ly ở trên tầng khí quyển, các nguyên tử khí bị ion hoá chủ yếu do bức xạ của mặt trời Các điện tử tự do được phân bố trong các lớp khác nhau

và không đồng nhất với nhau Các đám mây điện tử tự do di chuyển tự do trong tầng điện ly làm tăng mật độ điện tử ở một vùng nào đó làm ảnh hưởng tới tín hiệu vô tuyến Sự tác động này chỉ xác định được thông qua thống kê bao gồm: fading do sự không đồng nhất của tầng điện ly gây ra, sự hấp thụ tín hiệu, thay đổi hướng tới của tín hiệu, trễ lan truyền, thay đổi tần số, quay phân cực và sự tán sắc Các tác động này tỉ lệ nghịch với bình phương tần số tín hiệu, do đó chúng sẽ giảm khi tần số tăng Trong thông tin vệ tinh thì hai nhân

tố chính tác động đến tín hiệu vô tuyến là: quay phân cực và fading

Fading của tầng điện ly là sự biến đổi về biên độ, pha, phân cực và góc tới của tín hiệu khi tín hiệu đi qua tầng này Khi tính toán đường truyền thông tin

vệ tinh cần thiết phải có một khoảng dự trữ do fading

Suy hao do mưa là một hàm của tốc độ mưa được đo bằng milimét trên giờ Tuy nhiên giá trị có ý nghĩa nhiều tới suy hao mưa là phần trăm thời gian mà tốc độ mưa vượt qua ngưỡng (một giá trị xác định được tính trong một năm), chẳng hạn tốc độ mưa của 0.001 phần trăm có nghĩa là tốc độ mưa vượt qua một giá trị được xác định trong một năm là 0.001 phần trăm vào khoảng 5,3 phút Với tốc độ mưa là Rp, phần trăm thời gian mà tốc độ mưa vượt quá trong một năm là p thì suy hao do mưa là:

α = a x R p b (dB/Km)

Trong đó: a, b là các hệ số phụ thuộc và tần số và phân cực của tín hiệu Từ

đó, tính được tổng suy hao do mưa khi tín hiệu đi qua khu vực này là:

A = α L (dB)

L = L S x r p

-> A = α L S x r p (dB)

Trong đó:

− LS: là chiều dài quãng đường mà tín hiệu đi qua khu vực mưa

− rp: là hệ số suy giảm phụ thuộc Lg (Lg= LS cos(θ) với θ là góc nghiêng của tín hiệu so với đường nằm ngang) và p

− Lg: là hình chiếu của LS theo pương nằm ngang

− hR: độ cao khu vực mưa

− h0: độ cao đặt máy phát tín hiệu so với mặt phẳng nằm ngang

Hình 8 Đường truyền tín hiệu trong mưa

Các suy hao khác

Mưa đá, tuyết cũng cũng làm suy hao tín hiệu vô tuyến Mưa đá làm thay đổi phân cực tín hiệu, các đám mây cũng có tác động tới tín hiệu như là tác động của mưa

Bức xạ sóng điện từ ở khu trường xa của anten phát có đặc tính của điện từ trường ngang (TEM) Trường khu xa là khu vực cách xa anten phát lớn hơn 2D/λ (D đường kính của anten) Đặc tính của của điện từ trường ngang (TEM) là vector cường độ điện trường (E), vector cường độ từ trường (H) và phương truyền sóng tạo thành một tam diện thuận mà nếu quay vector E theo chiều chiếc đinh ốc một góc 900 thì sẽ trùng với vector từ trường Điện trường

và từ trường tỷ lệ thuận với nhau E = H x120Ω

Phân cực của sóng điện từ là hướng của đầu mút của vector cường độ điện trường

Nếu hướng đầu mút của vector cường độ điện trường vạch theo một đường thẳng thì sóng điện từ có phân cực tuyến tính Ngoài ra còn có phân cực Ellipse và phân cực tròn Trường điện từ phân cực đứng hay ngang trong thông tin vệ tinh được xác định với trục của trái đất và mặt phẳng xích đạo Tín hiệu có vector cường độ điện trường song song với trục của trái đất thì đó

là tín hiệu phân cực đứng, còn khi vector trường điện từ song song với mặt phẳng xích đạo thì đó là tín hiệu phân cực ngang Tuy nhiên, không hoàn toàn

có phân cực đứng, phân cực ngang đơn thuần Tín hiệu phân cực đứng cũng

có thành phần sóng điện từ ngang và ngược lại tín hiệu phân cực ngang cũng

có thành phần sóng điện từ đứng Giả sử x,y là hai trục vuông góc với nhau và tương ứng với thành phần sóng điện từ ngang và sóng điện từ đứng như hình

α

Hình 9 Thành phần đứng và ngang của phân cực tuyến tính

− ψ: là pha ban đầu (hằng số)

Vector E là vector tổng hợp từ hai vector thành phần Ex và Ey Khi đó vector E có góc nghiêng α không đổi, đầu mút của vector E vạch theo một đường Ellipse Trong thông tin vệ tinh thường sử dụng phân cực tuyến tính, tròn (trường hợp riêng của phân cực Ellipse) Dưới tác động bởi các nhân tố bên ngoài trong môi trường truyền dẫn, các phân cực này bị biến đổi thành các phân cực Ellipse

Mức độ phân biệt phân cực chéo

Tín hiệu thông tin vệ tinh được truyền dẫn qua các lớp môi trường: khí quyển, điện ly, tinh thể đá, mưa Các môi trường này đều có khả năng tác động làm thay đổi tính chất phân cực của tín hiệu

Anten phát một thành phần sóng điện từ trực giao (Hai thành phần sóng điện từ vuông góc với nhau thì được gọi là sóng điện từ trực giao), tại điểm thu sẽ tồn tại cả hai thành phần, thành phần kia được gọi là thành

E y

α = arctan

E x

phần khử phân cực So sánh hai thành phần này sẽ đánh giá được mức độ

khử phân cực:

Trong đó:

• XPD: mức độ phân biệt phân cực chéo

• E11: thành phần sóng điện từ do anten phát

• E12: thành phần sóng trực giao (khử phân cực) tại điểm thu do tác động của các yếu tố bên ngoài trong qúa trình truyền tín hiệu từ điểm phát đến điểm thu

Hình 10 Mức độ phân cực chéo XPD

Sự khử phân cực của tầng điện ly

Tầng điện ly nằm trên tầng khí quyển trái đất, tầng này bị ion hoá do bức

xạ của mặt trời Các điện tử tự do trong tầng điện ly không đồng nhất (mật

độ ion khác nhau giữa các lớp có độ cao khác nhau) Chính điều đó đã làm cho chuyển động của các điện tử chịu tác động của trường điện từ mặt đất không còn song song với vector trường điện từ, làm quay hướng phân cực

của tín hiệu (quay Faraday) Giả thiết sóng điện từ phân cực tuyến tính tạo

ra cường độ điện trường E tại điểm thu khi không có hiện tượng quay Faraday Khi có tác động quay Faraday cường độ điện trường E bị quay một góc θf Do đó suy hao phân cực (PL)được tính:

Trong thực tế góc quay Faraday θf lớn nhất ở tần số 4GHz là 90 0 và 6GHz

là 400 Để khử tác động của hiện tượng quay Faraday, phân cực tròn được

sử dụng Khi đó góc quay Faraday được bù bởi góc pha ban đầu, do đó

không có ảnh hưởng khử phân cực của tín hiệu Tuy nhiên, nếu sử dụng tín hiệu phân cực tuyến tính thì tại anten thu phải có thiết bị giám sát phân cực

Khử phân cực do mưa

Trong thực tế, hạt mưa có hình Ellipse sẽ làm thay đổi tính chất phân cực

cả về độ lớn và pha Giả thiết cường độ điện trường E của tín hiệu phân cực tuyến tính lệch một góc β so với trục chính của hạt mưa

• E: vector điện từ trường của tín hiệu

• β: góc nghiêng của vector E trên trục chính

• Eh: thành phần trường điện từ trên trục phụ (thành phần đứng)

• Ev: thành phần trường điện từ trên trục chính (thành phần ngang)

• E’: vector điện từ trường của tín hiệu sau khi đi qua hạt mưa

• E’h: thành phần trường điện từ trên trục phụ (thành phần thẳng đứng) khi đi qua hạt mưa

• E’v: thành phần trường điện từ trên trục chính (thành phần ngang) khi đi qua hạt mưa

• β’: góc nghiêng của vector E’ trên trục chính sau khi tín hiệu đi qua hạt mưa

II CẤU HÌNH CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH

1 Phần không gian

Phần không gian của một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm các vệ tinh và các phương tiện thiết bị mặt đất để điều khiển bám, đo từ xa và ra lệnh từ xa (TTC&M) duy trì hoạt động của vệ tinh

Vệ tinh thông tin

Vệ tinh là thành phần chính của hệ thống thực hiện chuyển tiếp tín hiệu trong không gian sử dụng các linh kiện tích cực Nó gồm các hệ thống phụ các thiết

bị thông tin và anten cùng với các hệ thống phụ dịch vụ khác như nguồn điện, pin mặt trời, điều khiển quỹ đạo, đo đạc và ra lệnh từ xa

Thiết bị thông tin còn được gọi là bộ phát đáp thực hiện chức năng chuyển tiếp tín hiệu, thu tín hiệu phát từ mặt đất, khuếch đại và đổi tần rồi phát lại về phía mặt đất Anten của vệ tinh được thiết kế đặc biệt để tạo ra các vùng bao phủ trên bề mặt trái đất theo yêu cầu

Điều khiển bám, đo đạc và ra lệnh từ xa

Các hệ thống phụ này tiến hành các thao tác và hỗ trợ từ mặt đất:

Điều khiển bám vị trí của vệ tinh theo vị trí góc, khoảng cách và xác định độ cao khi vệ tinh được đặt vào quỹ đạo và giám sát toàn bộ hoạt động của vệ tinh

Đo đạc từ xa các chức năng khác nhau của vệ tinh

Ra lệnh điều khiển các chức năng khác nhau của vệ tinh

Giám sát các chức năng thông tin, đặc biệt là các sóng mang khai thác ở các

bộ phát đáp khác nhau, đảm bảo trong toàn mạng lưới công suất bức xạ từ các trạm mặt đất khác nhau phù hợp với chỉ tiêu kỹ thuật

Bộ phát đáp

Trong thông tin vệ tinh một bộ phát đáp là chuỗi các đơn vị chức năng được kết nối với nhau để tạo thành một kênh thông tin giữa anten thu và anten phát Một số đơn vị chức năng đó có thể được dùng chung cho các bộ phát đáp khác nhau

Băng tần được phân bổ cho dịch vụ băng C (4/6 GHz) là 500MHz, băng tần này được chia thành các đoạn băng tần nhỏ hơn được dùng cho một bộ phát đáp Băng tần sử dụng cho một bộ phát đáp điển hình là 36MHz và với một đoạn băng tần bảo vệ 4MHz giữa hai bộ phát đáp liên tiếp thì có tất cả có 12

bộ phát đáp trong băng tần 500MHz này Bằng cách thực hiện cách ly phân cực sóng mang thì số bộ phát đáp có thể tăng lên gấp đôi Cách ly phân cực

có nghĩa là sử dụng các sóng mang dùng chung tần số nhưng có trạng thái phân cực ngược nhau chẳng hạn với phân cực tuyến tính thì các sóng mang phân cực đứng (V) và phân cực ngang (H) được sử dụng, với phân cực tròn thì các sóng mang tròn trái (LHC) và tròn phải (RHC) được sử dụng Bởi vì các sóng mang sử dụng phân ly phân cực có thể sử dụng chung tần số lên phương pháp còn được gọi là phương pháp sử dụng lại tần số Kết hợp với việc sử dụng anten beam chùm (spot beam attenna) thì băng tần thực tế có thể

có được là 2000MHz từ băng tần quy định 500MHz (gấp 4 lần) Giả thiết đường lên hoặc đường xuống băng tần 500MHz từ tần số 5,925 GHz tới

6,425 GHz Các sóng mang trong dải tần số này được thu bởi một hoặc nhiều anten (cùng phân cực) được đi qua bộ thu dải rộng (500MHz) để lọc bỏ nhiễu

và các dải tần nằm ngoài dải tần trên Sau đó các sóng mang được biến đổi xuống băng tần mở rộng (3.7 GHz tới 4.2GHz), được kênh hoá tới những dải tần số riêng biệt phù hợp với tần số của mỗi bộ phát đáp

Bộ thu băng rộng:

Gồm hai tầng Tầng một là bộ khuyếch đại tạp âm thấp (LNA) Sóng mang sau khi đi qua tầng khuyếch đại tạp âm thấp này thì tới bộ trộn với đầu vào là tín hiệu từ oscilllator để biến đổi xuống tần số thấp hơn (6/4 GHz hoặc 14/12 GHz) Sau đó tín hiệu tiếp tục được khuyếch đại ở tầng hai với hệ số khuyếch đại lớn Vì tạp âm phụ thuộc chủ yếu và hệ số khuyếch đại của bộ khuyếch đại tạp âm thấp (tầng đầu) nên hệ số khuyếch đại của nó phải nhỏ Trong một

hệ thống được thiết kế tốt thì nhiễu nhiệt của bộ thu dải rộng xấp xỉ bằng nhiều nhiệt do tầng khuyếch đại tạp âm thấp tạo ra Nhiệt độ tạp âm do bộ thu tạo ra khoảng vài trăm độ kelvin

Bộ phân kênh đầu vào:

Có nhiệm vụ phân chia băng tần đầu vào 3.7GHz-4.2GHz thành các đoạn băng tần 36MHz (các kênh tần số bộ phát đáp) nhờ các bộ lọc thông dải tương ứng Các kênh thường được sắp xếp theo từng nhóm chẵn hoặc lẻ, điều này làm tăng khoảng băng tần trống giữa hai kênh liền kề (giảm nhiễu)

Hình 12 Bộ phân kênh đầu vào

Bộ khuyếch đại công xuất:

Mỗi một bộ phát đáp sử dụng một bộ khuyếch đại công xuất để khuyếch đại công xuất tín hiệu lên mức mong muốn Một bộ suy hao được đặt trước bộ khuyếch đại Điều này là cần thiết để điều chỉnh công xuất đầu vào bộ khuyếch đại ở mức cần thiết nằm trong dải công xuất đầu vào hoạt động của

bộ khuyếch đại Bộ suy hao có hai phần: phần cố định và phần biến đổi Bộ khuyếch đại ống sóng chạy (TWTA) thường được sử dụng trong các bộ phát đáp để cung cấp công xuất đầu ra cuối cùng đáp ứng yêu cầu của anten Bộ khuyếch đại này có ưu điểm hơn các bộ khuyếch đại khác là nó có thể khuyếch đại tín hiệu trong một dải tần số rất rộng Tuy nhiên mức công xuất tín hiệu đầu vào phải được điều chỉnh cẩn thận để tối thiểu hoá méo tín hiệu

do tính phi tuyến tính của bộ khuyếch đại

Hình 13 Vệ tinh INTELSAT VIII

Phát thanh, truyền hình quảng bá phát trực tiếp tới bộ thu tại nhà khác hàng

được quy hoạch trong băng tần Ku (12GHz) Anten thu tín hiệu TV đường xuống trong băng tần C (4GHz) lớn hơn: có đường kính khoảng 3m Tuy nhiên các tín hiệu như vậy không được quy hoạch phát trực tiếp tới tận hộ gia

đình như ở băng tần Ku mà nó sử dụng cho các mạng chuyển tiếp để tới các

bộ oulet TV (bộ thu Tivi) Sự khác nhau chính của hệ thống TVRO trong băng tần C và băng tần Ku là ở tần số hoạt động của bộ outdoor unit và EIRP trong

băng tần Ku cao hơn Bộ outdoor unit: bao gồm anten thu được gắn trực tiếp

tới bộ kết hợp amplifier/converter

Trạm thu phỏt mặt đất

Cấu trúc một trạm mặt đất như hình vẽ dưới đây Theo hướng lên, luồng thông tin của các mạng mặt đất được đưa tới trạm mặt đất thông qua giao diện kết nối mạng mặt đất Các luồng tín hiệu này sau đó được ghép kênh và định dạng lại, được điều chế bởi sóng mang trung tần (thường là 70MHz) Tín hiệu trung tần này tiếp tục được biến đổi tới sóng mang cao tần mong muốn Các sóng mang cao tần có thể được phát đồng thời và mặc dù có tần số khác nhau nhưng được xác định theo nhóm băng tần chẳng hạn 6GHz, 14 GHz, Các sóng mang có thể là các sóng mang đa điểm, có nghĩa là nó được thu tại nhiều

điểm khác nhau

Các sóng mang cao tần tiếp tục được kết hợp lại với nhau thông qua bộ Combiner để thành tín hiệu băng rộng và được khuyếch đại (HPA) Tín hiệu

băng rộng được đưa tới anten thông qua bộ Diplexer (Diplexer cho phép anten thu và phát tín hiệu đồng thời)

Anten thực hiện đồng thời hai chức năng thu và nhận tín hiệu nhưng ở các dải tần số khác nhau chẳng hạn: trong băng tần C tín hiệu được phát lên ở tần số 6GHz và thu ở tần số 4GHz (6/4 GHz), băng tần Ku tín hiệu được phát lên ở tần số 14GHz và thu ở tần số 12GHz (14/12GHz) Anten được sử dụng thường

có độ khuyếch đại lớn, điều đó có nghĩa là búp sóng sẽ nhỏ Búp sóng nhỏ là cần thiết để chống can nhiễu giữa các hệ thống thông tin vệ tinh cạnh nhau Trong băng tần C, nhiễu đến/từ các tuyến viba mặt đất cần phải được ngăn chặn (tuyến viba mặt đất không hoạt động ở băng tần Ku).Ở hướng xuống, tớn hiệu băng rộng được khuếch đại tạp õm thấp (LNA) và đi tới bộ chia (divider), chia thành cỏc súng mang cao tần riờng rẽ, được biến đổi xuống tần

số trung tần đi tới bộ giải điều Tớn hiệu sau bộ giải điều chế được đưa tới giao diện mạng mặt đất theo cỏc tuyến mong muốn

Hình 14 Sơ đồ chi tiết một trạm phát thu

3 Các nguyên lý cơ bản trong thông tin vệ tinh

Các đặc điểm của một tuyến truyền dẫn vệ tinh

Với một tuyến truyền dẫn FSS được thiết kế để tạo một kênh truyền dẫn ra kinh tế, chất lượng cao và tin cậy giữa hai điểm cố định trên mặt đất, thì mức tín hiệu phát từ trạm phát tới trạm thu đủ để đảm bảo chất lượng yêu cầu kể cả trong trường hợp tín hiệu bị méo bởi các nguồn can nhiễu Tỷ số công suất sóng mang trên công suất tạp âm là một tham số quyết định chất lượng tín hiệu băng cơ sở thu được (tỷ số C/N)

Giá trị C/N quyết định chất lượng truyền dẫn của tuyến cao tần, còn tỉ số tín hiệu trên tạp âm S/N (đối với tín hiệu tương tự) hoặc độ sai số bit bit-error-rate BER (đối với tín hiệu số) xác định chất lượng của tín hiệu băng cơ sở, mà

hai tham số này là hàm phụ thuộc vào giá trị C/N Do đó bài toán tính toán truyền dẫn vệ tinh trở thành việc tính toán tỉ số C/N

Các thông số cơ bản của tuyến truyền dẫn vệ tinh

Các thông số cơ bản của anten gồm: hệ số khuếch đại của anten, hiệu suất anten, các búp phụ, phân cực

Hệ số khuếch đại của anten có thể tính bằng công thức:

G (dB) = 20.4 + 20logD + 20logf + 10logη

− PT : Công xuất đầu vào anten (W)

− GTdBi: hệ số khuyếch đại anten

Công suất bức xạ hay công suất thu của anten được đánh giá bằng mật độ thông lượng công suất (Power Flux Density PSD), tức là công suất bức xạ

của một anten theo một hướng tại một khoảng cách đủ lớn trên một đơn vị diện tích bề mặt Giá trị của PSD được tính bằng công thức:

PSD (dBW/m2 ) = EIRP - L 0 + G 1m2

Trong đó:

− EIRP: là công suất bức xạ đẳng hướng hiệu dụng của anten (dBW)

− L0 : là khoảng cách từ khoảng cách (km) từ điểm phát đến điểm thu (trạm mặt đất và vệ tinh)

− G1m2 là hệ số khuếch đại của 1m2 anten có hiệu suất 100% (37 dB/m2 ở băng C và 44.4 dB/m2 ở băng Ku)

Công suất tạp âm tại đầu vào máy thu chủ yếu gây bởi các nguồn tạp âm nhiệt sinh ra do chuyển động của các điện tử Để đánh giá tạp âm của của một hệ

thống người ta sử dụng đại lượng nhiệt độ tạp âm Nhiệt độ tạp âm của một

hệ thống thu bao gồm nhiệt độ tạp âm máy thu, nhiệt độ tạp âm anten, và các nguồn khác:

T system = T ant /L + (1-1/L)T o + T e

Hệ số phẩm chất của một trạm thu đánh giá chất lượng của một trạm thu, là

hàm của hệ số khuếch đại anten thu và nhiệt độ tạp âm hệ thống theo công thức sau:

G/T (dB/K) = 10 logG - 10 logTsystem

G/T phụ thuộc lớn vào kích thước của anten thu Anten càng lớn thì hệ số phẩm chất càng cao Ngoài ra G/T phụ thuộc lớn vào bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA (bộ khuyếch đại tạp âm thấp) Công nghệ ngày nay có thể dễ dàng

có được LNA có nhiệt độ tạp âm rất thấp

Chất lượng của một tuyến truyền dẫn vệ tinh được biểu hiện bằng tỷ số S/N đối với tín hiệu tương tự và bằng BER đối với tín hiệu số Do đó, nó phụ thuộc vào tỉ số sóng mang-trên-nhiệt độ tạp âm C/T, phụ thuộc vào phương thức điều chế và vào chỉ tiêu chất lượng của thiết bị ITU đã xây dựng các mục tiêu chất lượng đối với các loại dịch vụ và phương thức điều chế khác nhau, thông thường có ba ngưỡng chất lượng không được phép vượt quá trong một giá trị phần trăm thời gian

Bảng 3 Mục tiêu chất lượng đối với kênh thoại / ISDN

Điều kiện đo

Kênh thoại tương

tự Kênh thoại số Kênh số liệu

Công suất tạp âm

Một tuyến vệ tinh được xem là bất thông nếu các điều kiện dưới đây xuất hiện kéo dài hơn 10 giây liên tục:

Trong truyền dẫn tương tự, tín hiệu mong muốn của một kênh ở mức ít nhất

là 10 dB dưới mức mong muốn