BÁO CÁO MÔN CÁC MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ ĐƯỜNG TRUYỀN VỆ TINH

BÁO CÁO MÔN: CÁC MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐƯỜNG TRUYỀN VỆ TINH Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Viết Minh Nhóm : 8 Sinh viên thực hiện : Nguyễn Thị Đông B17DCVT068 Nguyễn Văn Nam B17DCVT249 Nguyễn Hùng Tráng B17DCVT369 Hà Nội, năm 2021 Nhóm 8 – Thiết kế đường truyền vệ tinh GVHD: Thầy Nguyễn Viết Minh MỤC LỤC MỤC LỤC.........................................................................................................................1 DANH MỤC HÌNH ẢNH.................................................................................................2 DANH MỤC BẢNG.........................................................................................................2 BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC.................................................................................3 DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT..........................................................................4 4.7. Thiết kế cho CNR cụ thể: Kết hợp các giá trị CNR và C/I trong các đường truyền vệ tinh................................................................................................................................6 4.7.1 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm kết hợp đường lên và đường xuống.........................6 4.7.2 Tổng thể (CNR)o với suy hao đường lên và đường xuống................................7 4.7.3 Suy hao đường lên và đường xuống khi có mưa...............................................8 4.7.3.1 Suy hao đường lên và (CNR)up.................................................................8 4.7.3.2 Suy hao đường xuống và (CNR)dn...........................................................8 4.8. Thiết kế hệ thống cho hiệu suất cụ thể.......................................................................9 4.8.1 Quy trình thiết kế đường truyền truyền thông qua vệ tinh................................9 4.8.1.1 Thiết kế đường lên băng tần Ku.............................................................10 4.8.1.2 Thiết kế đường xuống băng tần Ku........................................................11 4.8.1.3 Ảnh hưởng của mưa tại băng tần Ku: Đường lên..................................13 4.8.1.4 Suy hao đường xuống và tăng tạp âm bầu trời.......................................13 4.8.1.5 Tóm tắt về hiệu suất đường truyền Băng tần Ku...................................14 4.8.2 Đường truyền đến: Thiết bị đầu cuối di động đến trạm đầu vào.....................19 4.8.3 Thiết bị đầu cuối di động đến đường truyền vệ tinh........................................19 4.8.4 Vệ tinh đến đường xuống trạm đầu vào...........................................................20 4.8.5 Liên kết ngoài..................................................................................................21 4.8.6 Hiệu suất hệ thống...........................................................................................23 4.8.7 Suy hao mưa tại băng tần Ku...........................................................................23 4.8.8 Sự tắc nghẽn đường dẫn ở dải L......................................................................25 4.8.9 Tóm tắt về hiệu suất hệ thống PCS di động băng tần L...................................25 4.9. Tóm tắt......................................................................................................................26 Bài tập..............................................................................................................................27

KHOA VIỄN THÔNG 1

BÁO CÁO MÔN: CÁC MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐƯỜNG TRUYỀN VỆ TINH

Nhóm : 8

Sinh viên thực hiện :

Nguyễn Thị Đông B17DCVT068 Nguyễn Văn Nam B17DCVT249 Nguyễn Hùng Tráng B17DCVT369

Hà Nội, năm 2021

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH ẢNH 2

DANH MỤC BẢNG 2

BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC 3

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 4

4.7 Thiết kế cho CNR cụ thể: Kết hợp các giá trị CNR và C/I trong các đường truyền vệ tinh 6

4.7.1 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm kết hợp đường lên và đường xuống 6

4.7.2 Tổng thể (CNR)o với suy hao đường lên và đường xuống 7

4.7.3 Suy hao đường lên và đường xuống khi có mưa 8

4.7.3.1 Suy hao đường lên và (CNR)up 8

4.7.3.2 Suy hao đường xuống và (CNR)dn 8

4.8 Thiết kế hệ thống cho hiệu suất cụ thể 9

4.8.1 Quy trình thiết kế đường truyền truyền thông qua vệ tinh 9

4.8.1.1 Thiết kế đường lên băng tần Ku 10

4.8.1.2 Thiết kế đường xuống băng tần Ku 11

4.8.1.3 Ảnh hưởng của mưa tại băng tần Ku: Đường lên 13

4.8.1.4 Suy hao đường xuống và tăng tạp âm bầu trời 13

4.8.1.5 Tóm tắt về hiệu suất đường truyền Băng tần Ku 14

4.8.2 Đường truyền đến: Thiết bị đầu cuối di động đến trạm đầu vào 19

4.8.3 Thiết bị đầu cuối di động đến đường truyền vệ tinh 19

4.8.4 Vệ tinh đến đường xuống trạm đầu vào 20

4.8.5 Liên kết ngoài 21

4.8.6 Hiệu suất hệ thống 23

4.8.7 Suy hao mưa tại băng tần Ku 23

4.8.8 Sự tắc nghẽn đường dẫn ở dải L 25

4.8.9 Tóm tắt về hiệu suất hệ thống PCS di động băng tần L 25

4.9 Tóm tắt 26

Bài tập 27

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 4.14 Hình minh họa hệ thống phân phối video cung cấp tín hiệu truyền hình cáp qua vệ tinh GEO Việc phân phối chương trình truyền hình qua vệ tinh tới các hệ thống truyền hình cáp được sử dụng rộng rãi vì một trạm mặt đất đường lên duy nhất và vệ tinh GEO có thể gửi hàng trăm kênh truyền hình đến mọi hệ thống truyền hình cáp trên

toàn lục địa 10

Hình 4.15 Hình minh họa hệ thống điện thoại vệ tinh sử dụng vệ tinh quỹ đạo trái đất thấp với nhiều chùm đường lên và đường xuống PSTN: Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng 15

DANH MỤC BẢNG Bảng 4.8a Đặc điểm kỹ thuật của vệ tinh và trạm mặt đất 11

Bảng 4.8b Các yếu tố suy giảm và lan truyền của mưa 11

Bảng 4.8c Quỹ đường truyền công suất sóng mang đường lên và công suất nhiễu 12

Bảng 4.8d Quỹ đường truyền CNR đường xuống 12

Bảng 4.9a Các thông số của hệ thống liên lạc cá nhân vệ tinh LEO 17

Bảng 4.9b Ngân sách CNR đầu vào của đường lên Thiết bị đầu cuối di động đến vệ tinh 20

Bảng 4.9c Quỹ CNR đường xuống trong nước Vệ tinh đến trạm đầu vào 21

Bảng 4.9d Quỹ đường truyền CNR đường lên đi ra Trạm đầu vào đến vệ tinh 22

Bảng 4.9e Quỹ CNR đường xuống Từ vệ tinh đến thiết bị đầu cuối di động 22

BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC

STT NỘI DUNG DỊCH SINH VIÊN THỰC

HIỆN

CÔNG VIỆC

1 4.7- 4.8.1.1 ( Trang 163-170) Nguyễn Văn Tráng Powerpoint

2 4.8.1.2 – 4.8.1.5 (Trang 171 -179) Nguyễn Văn Nam Word

3 4.8.2 - 4.9( Trang 180 -192) Nguyễn Thị Đông Thuyết trình

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

B

BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit

C

CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh

CINR Carrier to Interference +Noise Ratio Tỉ số sóng mang trên nhiễu

cộng tạp âm CTC Convolutional Turbo Code Mã turbo xoắn

D

DBS Direct Broadcast Satellite Vệ tinh quảng bá trực tiếpDBS-TV Direct Broadcast Satellite Television Truyền hình vệ tinh phát trực

tiếpDVB Digital Video Broadcasting Quảng bá video số

DL Downlink Đường xuống

DAMA Demand assignment multiple

FDMA Frequency Division Multiple

Access Đa truy nhập phân chia theo tần sốFEC Forward Error Corection Hiệu chỉnh lỗi trước

FEC Frame Equivalence Class Loại tương đương để chuyển

INTELSAT International Telecommunications

Satellite Organization Tổ chức vệ tinh quốc tế thông tinISI Inter-Symbol Interference Nhiễu giữa các ký hiệu

ISL Intersatellite link Đường truyền giữa các vệ tinh

thời gian

U

UE User Equipment Thiết bị người sử dụng

UHF Ultra High Frequency Tần số sóng siêu cao

UPC Universal Product Code Mã sản phẩm chung

V

VHF Very High Frequency Tần số sóng cao

THIẾT KẾ ĐƯỜNG TRUYỀN VỆ TINH

4.7 Thiết kế cho CNR cụ thể: Kết hợp các giá trị CNR và C/I trong các đường truyền vệ tinh

BER hoặc SNR trong kênh băng gốc của máy thu trạm mặt đất được xác định bằng tỷ

số giữa công suất sóng mang và công suất nhiễu trong bộ khuếch đại IF tại đầu vào của bộgiải điều chế Tạp âm có trong bộ khuếch đại IF đến từ nhiều nguồn Cho đến nay, trong phântích của chúng tôi về các đường lên và đường xuống, chúng tôi chỉ xem xét tạp âm nhiệt củamáy thu và tạp âm do khí trong khí quyển và mưa phát ra theo đường nghiêng Khi mộtđường truyền vệ tinh hoàn chỉnh được thiết kế, tạp âm trong bộ khuếch đại IF của trạm mặtđất sẽ có sự đóng góp từ chính máy thu, ăng ten thu, tạp âm bầu trời, bộ phát đáp vệ tinh mà

từ đó nó nhận tín hiệu và nhiễu từ các vệ tinh lân cận và máy phát trên mặt đất chia sẻ cùngmột dải tần

4.7.1 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm kết hợp đường lên và đường xuống

Khi có nhiều hơn một CNR trong liên kết, chúng ta có thể thêm các CNR cụ thể mộtcách tương hỗ để có được CNR tổng thể, mà chúng ta sẽ ký hiệu ở đây là (CNR)o Tổng thể(CNR)o là giá trị được đo trong trạm mặt đất ở đầu ra của bộ khuếch đại IF và bộ lọc SRRC,

và được đưa ra bởi:

(CNR)o =

11

(CNR)o = 1/ (N1/C + N2/C + N3/C + …) = C/ (N1 + N2 + N3 + …) Theo đơn vị decibel:

(CNR)o = C dBW – 10 log10 (N 1 + N 2 + N 3 + W) dB Lưu ý rằng (CNR)dn không thể được đo tại trạm mặt đất thu Vệ tinh luôn truyềnnhiễu cũng như tín hiệu, vì vậy phép đo CNR tại máy thu sẽ luôn mang lại kết quả (CNR)o,

sự kết hợp của bộ phát đáp và CNR của trạm mặt đất

Để tính toán hiệu suất của một đường truyền vệ tinh, chúng ta phải xác định tỷ lệ(CNR)up đường lên trong bộ phát đáp và (CNR)dn đường xuống trong máy thu trạm mặt đất.Chúng ta cũng phải xem xét liệu có bất kỳ hiện tượng nhiễu nào trong máy thu vệ tinh haymáy thu trạm mặt đất hay không Một trường hợp quan trọng là khi bộ phát đáp được vậnhành ở chế độ FDMA và các sản phẩm xuyên điều chế (IM) được tạo ra bởi đặc tính đầu vào-đầu ra phi tuyến tính của bộ phát đáp Nếu mức công suất IM trong bộ phát đáp được biết, giátrị C/I có thể được tìm thấy và đưa vào tính toán tỷ lệ (CNR)o Có khả năng gây nhiễu từ các

vệ tinh lân cận bất cứ khi nào sử dụng các ăng-ten thu nhỏ, như với các máy thu VSAT vàDBS-TV Xem Chương 6 để biết thêm chi tiết về xuyên điều chế trong FDMA

Vì giá trị CNR thường được tính toán từ quỹ công suất và tạp âm , giá trị của chúngthường tính bằng decibel Có một số quy tắc ngón tay cái hữu ích để ước tính (CNR)o từ haigiá trị CNR:

+ Nếu các giá trị CNR bằng nhau, (CNR)o thấp hơn 3 dB so với một trong hai giá trị

+ Nếu một giá trị CNR nhỏ hơn 10 dB so với giá trị kia, (CNR)o thấp hơn 0,4 dB so với giátrị CNR nhỏ hơn

+ Nếu một giá trị CNR lớn hơn giá trị CNR khác từ 20 dB trở lên, thì tổng thể (CNR)o bằnggiá trị nhỏ hơn trong hai giá trị CNR trong độ chính xác của phép tính decibel (± 0,1 dB)

(4.42)

(4.43)(4.44)

Ví dụ 4.10

Tạp âm nhiệt trong máy thu trạm mặt đất dẫn đến tỷ lệ (CNR)dn là 20,0 dB Tín hiệunhận được từ bộ phát đáp đường ống uốn cong với (CNR)up = 20,0 dB

a Giá trị của tổng thể (CNR )0 tại trạm mặt đất là bao nhiêu?

b Nếu bộ phát đáp đưa vào các sản phẩm xuyên điều chế với tỷ số sóng mang trên nhiễu C / I

= 24 dB, thì tổng thể (CNR )0 tại trạm mặt đất thu là bao nhiêu?

Câu trả lời

a Sử dụng Eq (4,42) và lưu ý rằng (CNR)up = 20,0 dB tương ứng với tỷ lệ CNR là 100

(CNR )0=

11

(CNR ) up+

1

(CNR) ⅆn

= [ 0,01+0,011 ] = 50 = 17dB

b Giá trị xuyên điều chế (C / I) là 24,0 dB tương ứng với tỷ lệ 250 Giá trị tổng thể (CNR)O

khi hiện diện nhiễu là

(CNR )0= 1

(0,01+ 0,01+0,004) = 41,7 = 16,2 dB

Hầu hết các đường truyền vệ tinh được thiết kế với các biên đường truyền để cho phép

sự suy hao có thể xảy ra trong đường truyền hoặc tăng công suất nhiễu do nhiễu Giao thoathường được coi như thể nó là tạp âm trắng, bất kể tín hiệu gây nhiễu thực sự có phân bố phổcông suất đồng nhất hay thống kê Gaussian Khi giao thoa có các đặc điểm đã biết, chẳng hạnnhư đồng kênh khử phân cực hoặc tín hiệu gây nhiễu phù hợp, các kỹ thuật loại bỏ có thểđược sử dụng để giảm mức độ nhiễu Không thể hủy bỏ hiện tượng nhiễu tạp âm

Ảnh hưởng của sự thay đổi CNR đường lên có tác động khác nhau đến tổng thể (CNR)o

tùy thuộc vào chế độ hoạt động và độ lợi của bộ phát đáp

Có ba loại bộ phát đáp khác nhau hoặc chế độ hoạt động:

Bộ phát đáp tuyến tính: Pout = Pin + Gxp dBW

Bộ phát đáp phi tuyến tính: Pout = Pin + Gxp - ΔG dBW

Bộ phát đáp tái tạo: Pout = hằng số dBW

trong đó Pin là công suất do ăng-ten thu của vệ tinh phân phối tới đầu vào của bộ phát đáp, Pout

là công suất do bộ phát đáp HPA phân phối tới đầu vào của ăng-ten phát của vệ tinh, Gxp là

độ lợi tuyến tính của bộ phát đáp và tất cả các tham số đều đơn vị decibel Tham số ΔG phụthuộc vào Pin và tỷ lệ với sự suy hao độ lợi gây ra bởi đặc tính bão hòa phi tuyến tính của bộphát đáp, điều này khó đạt được gần với công suất đầu ra tối đa của nó, độ lợi giảm hiệu quảkhi mức công suất đầu vào tăng lên (Xem Chương 6 để biết thảo luận chi tiết về hiệu ứngxuyên điều chế và tính phi tuyến tính trong bộ phát đáp.)

Công suất đầu ra tối đa từ bộ phát đáp được gọi là công suất đầu ra bão hòa và là tỷ lệđầu ra công suất phát đáp danh định Đặc tính đầu vào và đầu ra của bộ phát đáp là rất phituyến tính khi hoạt động ở mức công suất đầu ra này Khi một bộ phát đáp được vận hành gầnvới mức công suất đầu ra bão hòa của nó, dạng sóng kỹ thuật số bị thay đổi, dẫn đến giaothoa giữa các ký hiệu (ISI) và hoạt động FDMA dẫn đến việc tạo ra các sản phẩm xuyên điềuchế bằng cách nhân các tín hiệu riêng lẻ Bộ phát đáp thường được vận hành với độ lùi đầu

ra, để làm cho đặc tính gần như tuyến tính hơn Giá trị thực của độ lùi đầu ra chính xác đượcyêu cầu trong bất kỳ ứng dụng nhất định nào phụ thuộc vào các đặc tính cụ thể của bộ phátđáp và tín hiệu mà nó mang theo Các giá trị điển hình của độ lùi đầu ra là 1 dB đối với mộtsóng mang PSK đến 3 dB đối với hoạt động FDMA với một số sóng mang Các giá trị độ lùiđầu vào tương ứng có thể là 3 và 5 dB, nhưng đặc tính bộ phát đáp riêng lẻ phải được biết đểđưa ra đánh giá chính xác Để thuận tiện trong văn bản này, chúng tôi thường giả định hoạt

động của bộ phát đáp tuyến tính khi tính toán tỷ lệ tổng thể (CNR )0, ngay cả khi điều này cóthể không, trên thực tế, là trường hợp

Các vệ tinh xử lý trên bo mạch có bộ phát đáp tái tạo tín hiệu đường lên để truyền trênđường xuống và do đó có công suất phát không đổi Tỷ lệ lỗi bit trong bộ phát đáp (được tính

từ (CNR)up) và trạm mặt đất (được tính từ (CNR)dn) cộng lại với nhau để tạo ra BER tổng thể.Thông thường, (CNR)up cao hơn nhiều so với (CNR)dn nên tỷ lệ lỗi bit tổng thể bị chi phối bởicác lỗi xảy ra tại trạm mặt đất nhận.

4.7.3 Suy hao đường lên và đường xuống khi có mưa

Sự suy hao của mưa ảnh hưởng đến đường lên và đường xuống khác nhau Chúng tôithường giả định rằng sự suy hao mưa xảy ra trên đường lên hoặc đường xuống, nhưng khôngxảy ra trên cả hai cùng một lúc Điều này thường đúng đối với các trạm mặt đất cách xa nhau

về mặt địa lý, nhưng không đúng nếu chúng ở gần nhau (<20 km) Mưa lớn xảy ra với phân

bố địa lý có phần ngẫu nhiên trong thời gian dưới 1%, do đó xác suất suy hao đáng kể xảy rađồng thời trên cả đường lên và đường xuống là nhỏ khi các trạm mặt đất phát và nhận cáchnhau hơn 20 km Trong phân tích sau đây về ảnh hưởng suy hao đường lên và đường xuống,người ta sẽ giả định rằng một đường bị suy giảm và đường kia hoạt động trong không khítrong lành

Nhiệt độ tạp âm của máy thu bộ phát đáp không thay đổi đáng kể khi có mưa trongđường lên vệ tinh Chùm ăng ten thu sóng vệ tinh luôn đủ rộng để nó "nhìn thấy" một khuvực rộng lớn của bề mặt trái đất (ấm áp) và sự biến thiên nhiệt độ tạp âm cục bộ do các đámmây giông chẳng hạn là không đáng kể Nhiệt độ tạp âm của Trái đất do vệ tinh GEO nhìnthấy thay đổi tùy theo vĩ độ, với vùng nhiệt đới ấm hơn đáng kể so với vĩ độ bắc( NASA quansát Trái đất 2013) Nhiệt độ tạp âm hệ thống tương ứng cho các bộ phát đáp trên vệ tinh GEO

ở băng tần C qua băng tần V nằm trong khoảng 300–800 K, các giá trị cao hơn áp dụng chocác dải tần số cao hơn Thực tế không có sự gia tăng công suất nhiễu đường lên khi có mưalớn trong đường lên vì nhiệt độ bức xạ trung bình trên dấu chân của ăng ten vệ tinh

Suy hao mưa trên đường lên tới vệ tinh làm giảm công suất tại đầu vào máy thu vệ tinh,

và do đó giảm (CNR)up tỷ lệ thuận với suy hao trên đường nghiêng Nếu bộ phát đáp hoạtđộng ở chế độ tuyến tính, công suất đầu ra sẽ giảm đi một lượng tương tự, điều này sẽ làmcho (CNR)dn giảm một lượng bằng với suy hao trên đường lên Khi cả (CNR)up và (CNR)dn

đều giảm Aup dB, thì giá trị của (CNR)0 sẽ giảm chính xác cùng một lượng, Aup dB Do đó đốivới trường hợp của một bộ phát đáp tuyến tính và sự suy giảm mưa ở đường lên của Aup dB

(CNR)o uplink rain = (CNR)o clear air – Aup dB Bộ phát đáp tuyến tính Nếu bộ phát đáp là phi tuyến tính, việc giảm công suất đầu vào do suy giảm Aup dB đường lêndẫn đến giảm công suất đầu ra nhỏ hơn, một lượng ΔG

(CNR)o uplink rain = (CNR)o clear air - Aup + ΔG dB Bộ phát đáp phi tuyến

Nếu bộ phát đáp là kỹ thuật số và tái tạo, hoặc kết hợp hệ thống điều khiển độ lợi tự động(AGC) để duy trì mức công suất đầu ra không đổi

(CNR)o uplink rain = (CNR)o clear air dB Bộ phát đáp tái tạo Phương trình trên sẽ chỉ được duy trì nếu tín hiệu nhận được trên ngưỡng và BER của tínhiệu số được phục hồi trong bộ phát đáp nhỏ Nếu tín hiệu giảm xuống dưới ngưỡng, đườnglên sẽ đóng góp đáng kể vào BER của tín hiệu số tại trạm mặt đất thu Trong một liên kết sửdụng bộ phát đáp tái tạo, các BER trong bộ phát đáp và trạm mặt đất sẽ thêm vào Điều nàydẫn đến BER tổng thể thấp hơn so với bộ phát đáp tuyến tính, vì CNR đường lên và đườngxuống luôn cao hơn CNR tổng thể Thông thường, với một trạm mặt đất đường lên lớn, CNRđường xuống sẽ thấp hơn đáng kể so với CNR đường lên, vì vậy hầu hết các lỗi bit trênđường truyền sẽ xảy ra trong máy thu trạm mặt đất

Nhiệt độ tạp âm của máy thu trạm mặt đất có thể thay đổi rất đáng kể khi có mưa trongđường xuống từ vệ tinh Nhiệt độ tạp âm trên bầu trời có thể tăng đến một giá trị gần vớinhiệt độ vật lý của từng hạt mưa, đặc biệt là khi mưa rất to Nhiệt độ hợp lý để giả định chocác vĩ độ ôn đới với nhiều tỷ lệ mưa là 270 K, mặc dù các giá trị trên 290 K đã được quan sátthấy ở vùng nhiệt đới Nhiệt độ tạp âm bầu trời tăng lên 270 K sẽ làm tăng nhiệt độ của ăng-ten thu lên rõ rệt so với giá trị không khí trong của nó Xem phần 4.5 để có minh họa về sựảnh hưởng này Kết quả là mức công suất nhận được, C, bị giảm và công suất nhiễu, N, trong

(4.46)(4.47)

(4.48)

máy thu tăng lên Kết quả cho CNR đường xuống được đưa ra bởi phương trình (4.35), đượclặp lại ở đây

(CNR)dn rain = (CNR)dn ca – Arain – ΔNrain dB CNR tổng thể sau đó được đưa ra bởi Eq (4.42), sử dụng các giá trị tuyến tính cho CNR,không phải decibel

(CNR)o =

11

4.8 Thiết kế hệ thống cho hiệu suất cụ thể

Một đường truyền thông tin vệ tinh hai chiều điển hình bao gồm bốn đường dẫn riêngbiệt: một đường dẫn đi lên từ một thiết bị đầu cuối đến vệ tinh và một đường xuống đi đếnthiết bị đầu cuối thứ hai, và một đường dẫn lên từ thiết bị đầu cuối thứ hai tới vệ tinh và mộtđường dẫn xuống đến thiết bị đầu cuối đầu tiên Các đường truyền theo hai hướng là độc lập

và có thể được thiết kế riêng biệt, trừ khi chúng chia sẻ cùng một bộ phát đáp sử dụngFDMA Một đường truyền quảng bá, giống như hệ thống DBS-TV được mô tả trước đó trongchương này, là một hệ thống một chiều, chỉ với một đường lên và một đường xuống

4.8.1 Quy trình thiết kế đường truyền truyền thông qua vệ tinh

Quy trình thiết kế đường truyền vệ tinh một chiều có thể được tóm tắt theo 10 bước sauđây Thiết kế đường truyền trả về tuân theo quy trình tương tự

1 Xác định dải tần mà hệ thống phải hoạt động Các thiết kế so sánh có thể được yêu cầu đểgiúp lựa chọn

2 Xác định các thông số liên lạc của vệ tinh Ước tính bất kỳ giá trị nào chưa biết

3 Xác định các thông số của trạm mặt đất phát và thu

4 Bắt đầu tại trạm mặt đất đang phát Thiết lập quỹ công suất đường lên và quỹ công suấtnhiễu của bộ phát đáp để tìm (CNR)up trong bộ phát đáp

5 Tìm công suất đầu ra của bộ phát đáp dựa trên độ lợi của bộ phát đáp hoặc độ lệch đầu ra

6 Thiết lập quỹ công suất và tạp âm đường xuống cho trạm mặt đất tiếp nhận Tính (CNR)dn

và (CNR)o cho một trạm ở rìa vùng phủ sóng (trường hợp xấu nhất)

7 Tính SNR hoặc BER trong kênh băng tần cơ sở Tìm lề liên kết

8 Đánh giá kết quả và so sánh với các yêu cầu kỹ thuật Thay đổi các thông số của hệ thốngtheo yêu cầu để có được các giá trị (CNR)o hoặc SNR hoặc BER chấp nhận được Điều này

có thể yêu cầu một số thiết kế thử nghiệm

9 Xác định các điều kiện lan truyền mà liên kết phải hoạt động Tính toán thời gian ngừnghoạt động cho các đường lên và đường xuống

10 Thiết kế lại hệ thống bằng cách thay đổi một số thông số nếu biên đường đi không đủ.Kiểm tra để đảm bảo rằng tất cả các thông số là hợp lý và thiết kế có thể được thực hiện trongquỹ dự kiến

Các thiết kế hệ thống mẫu sau đây chứng minh cách các ý tưởng được phát triển trongchương này có thể được áp dụng vào việc thiết kế các hệ thống thông tin vệ tinh

Ví dụ 4.11 Thiết kế hệ thống

Ví dụ này xem xét thiết kế của một đường truyền thông tin vệ tinh sử dụng vệ tinh địatĩnh băng tần Ku với bộ phát đáp ống cong để phân phối tín hiệu truyền hình kỹ thuật số từmột trạm mặt đất đường lên đến nhiều trạm thu trên khắp Hoa Kỳ Thiết kế yêu cầu bầu trờiquang đãng CNR tổng thể là 17,0 dB tại trạm tiếp nhận mặt đất, sẽ dẫn đến không có lỗi bittrong tín hiệu video kỹ thuật số nhận được khi mã hóa FEC được áp dụng cho tín hiệu đượctruyền CNR tổng thể tối thiểu cho phép là 8,0 dB để đảm bảo rằng BER trong máy thu trạmmặt đất không vượt quá 10-6 Phương thức truyền là QPSK với độ lợi mã hóa FEC 6 dB, sửdụng tiêu chuẩn DVB-S (Xem Chương 5 để biết chi tiết về BER trong đường truyền kỹ thuậtsố.) Công suất máy phát đường lên và độ lợi ăng ten thu và đường kính đáp ứng thông số kỹ

(4.49)

(4.50)

để đăng ký quốc tế cho vị trí vệ tinh này, vị trí sẽ là ký hiệu là 287 ° E

Hình 4.14 Hình minh họa hệ thống phân phối video cung cấp tín hiệu truyền hình cáp qua vệ tinh GEO Việc phân phối chương trình truyền hình qua vệ tinh tới các hệ thống truyền hình cáp được sử dụng rộng rãi vì một trạm mặt đất đường lên duy nhất

và vệ tinh GEO có thể gửi hàng trăm kênh truyền hình đến mọi hệ thống truyền hình cáp trên toàn lục địa.

Quỹ đường truyền được phát triển trong các ví dụ dưới đây sử dụng ký hiệu decibelxuyên suốt Các trạm vệ tinh và trạm mặt đất được quy định trong Bảng 4.8a và các điều kiệnlan truyền trong Bảng 4.8b

4.8.1.1 Thiết kế đường lên băng tần Ku

Đầu tiên chúng ta phải tính toán độ lợi ăng-ten đường lên và suy hao đường truyền ten đường lên có đường kính 5,0 m và hiệu suất khẩu độ là 68% Ở 14,0 GHz, bước sóng là2,120 cm = 0,0212 m Độ lợi của ăng-ten là:

Ăng-Gt =10 log10 [0,68 × (πD/ λ)2] = 55,7 dBGiả sử khoảng cách tới vệ tinh là 38 500 km, đường đi trong không gian trống là

Lp = 10 log10 [(4πR/ λ)2] = 207,2 dBTiếp theo, chúng tôi sẽ tính toán công suất nhiễu trong bộ phát đáp cho băng thông 43,2MHz, và sau đó thêm giá trị CNR đường lên là 27,0 dB để tìm mức công suất đầu vào của bộphát đáp

Nxp = -228,6 + 27,0 + 76,4 = -125,2 dBWBảng 4.8c đưa ra các tính toán này như một sóng mang đường lên và quỹ công suấtnhiễu

Công suất nhận được Pr ở đầu vào bộ phát đáp phải lớn hơn 27,0 dB so với công suấtnhiễu

Pr = −125,2 + 270 = −98,2 dBW

Bảng 4.8a Đặc điểm kỹ thuật của vệ tinh và trạm mặt đất

Vệ tinh băng tần Ku

Độ lợi ăng-ten, trên trục, (truyền và nhận) Gt, Gt’ 31 dB

Nhiệt độ tạp âm của hệ thống phát đáp Ts sat 500 k

Công suất đầu ra bão hòa bộ phát đáp Pt sat 80 W

Băng thông của bộ phát sóng: Btransp 54 MHz

Tín hiệu

Tín hiệu video kỹ thuật số nén: tỷ lệ ký hiệu Rs 43,2 Msps

CNR tổng thể tối thiểu được phép trong máy thu (CNR)o 8,0 dB

Trạm mặt đất đường lên

Đường kính ăng-ten D 5,0 m

Hiệu quả khẩu độ ăng ten truyền η A 68%

Tần số đường lên fup 14,15 GHz

CNR bắt buộc trong bộ phát đáp băng tần Ku (CNR)xp 27 dB

Độ lùi đầu ra HPA của bộ phát đáp Bo xp 1,0 dB

Tổn thất đường lên khác Lmisc up 1,0 dB

Vị trí: đường viền −2 dB của ăng ten đường lên vệ tinh

Trạm mặt đất đường xuống

Hiệu quả khẩu độ ăng ten thu được η A 65%

Tần số đường xuống fdown 11,45 GHz

Máy thu IF nhiễu băng thông Bn 43,2 MHz

Nhiệt độ tạp âm của ăng-ten Ta 30 K

Nhiệt độ tạp âm LNA TLNA 75 K

CNR tổng thể bắt buộc trong không khí trong (CNR)o 17 dB

Các tổn thất khác về đường xuống Lmisc dn 0,8 dB

Vị trí: đường viền −3 dB của anten phát vệ tinh

Bảng 4.8b Các yếu tố suy giảm và lan truyền của mưa

Sự suy giảm không khí trong suốt dải tần Ku (trường hợp xấu nhất)

Đường lên 14,25 GHz 0,7 dB

Đường xuống 11,45 GHz 0,5 dB

Suy giảm mưa (trường hợp xấu nhất)

Đường lên 0,01% trong năm 6,0 dB

Đường xuống 0,01% năm 5,0 dB

Do đó, công suất máy phát đường lên yêu cầu Pt được đưa ra bởi

Ps - 124,2 dB = −98,2 dBW

Ps = 26,0 dBW hoặc 400 WĐây là công suất phát tương đối cao nên chúng ta có thể tăng đường kính anten phát đểtăng độ lợi của nó, cho phép giảm công suất phát Ví dụ, một ăng ten 7 m có độ lợi lớn hơn2,9 dB so với một ăng ten 5 m, điều này sẽ cho phép giảm công suất máy phát xuống còn204W

4.8.1.2 Thiết kế đường xuống băng tần Ku

Bước đầu tiên là tính toán đường xuống (CNR) dn sẽ cung cấp (CNR)o = 17 dB khi(CNR)up = 27 dB Sắp xếp lại phương trình (4.50)

1/(CNR)dn = 1/(CNR)o – 1/(CNR)up (Không tính theo dB)Như vậy 1/(CNR)dn = 1/50 - 1/500 = 0,018

(CNR)dn = 55,5 ⇒ 17,4 dBChúng ta phải tìm công suất đầu vào máy thu yêu cầu để cung cấp cho (CNR)dn = 17,4

dB và sau đó tìm độ lợi anten thu, Gr Sự suy hao trong không khí đẹp của đường xuống là0,5 dB cho nhiệt độ bầu trời là 6,6 x 5 = 33 K

Nhiệt độ tạp âm LNA là 75 K cho nhiệt độ tạp âm của hệ thống trong điều kiện trờiquang đãng là 108 K hoặc 20,3 dBK Với băng thông nhiễu là 43,2 MHz hoặc 76,4 dBHz,công suất nhiễu của máy thu là −131,9 dBW.

Mức công suất tại đầu vào của máy thu trạm mặt đất phải lớn hơn 17,4 dB so với côngsuất nhiễu trong không khí trong Vì thế

Pr = −131,9 dBW + 17,4 dB = −114,5 dBWChúng ta cần tính toán suy hao đường dẫn ở 11,45 GHz Tại 14,15 GHz suy hao đườngdẫn là 207,2 dB Tại 11,45 GHz suy hao đường dẫn là

Lp = 207,2 − 20 log10 (14,15/11,45) = 205,4 dB

Bộ phát đáp được hoạt động với đầu ra 1 dB tắt, do đó, công suất đầu ra là 1 dB dưới80W (80W⇒ 19,0 dBW)

Pt = 19 dBW − 1 dB = 18 dBW

Bảng 4.8c Quỹ đường truyền công suất sóng mang đường lên và công suất nhiễu

Công suất phát tại trạm mặt đất Pt Pt dBW

Độ lợi ăng ten của trạm mặt đất Gt 55,7 dB

Độ lợi ăng ten thu vệ tinh Gr 31,0 dB

Suy hao trong không gian tự do Lp −207,2 dB

Trạm Trái đất trên đường viền −2 dB Lant −2,0 dB

Suy hao đường truyền khí quyển Lup −0,7 dB

Các suy hao khác Lmisc −1,0 dB

Công suất thu tại bộ phát đáp Pr Pt – 124,2 dBW

Hằng số Boltzmann k −228,6 dBW/K/Hz

Nhiệt độ tạp âm của bộ phát đáp ,500 K Txp 27,0 dBK

Băng thông nhiễu của máy thu 43,2 MHz Bn 76,4 dBHz

Công suất nhiễu của bộ phát đáp Nxp −125,2 dBW

Bảng 4.8d Quỹ đường truyền CNR đường xuống

Công suất đầu ra bộ phát đáp vệ tinh Pt 18,0 dBW

Độ lợi ăng ten vệ tinh Gt 31,0 dB

Độ lợi ăng ten của trạm mặt đất Gr Gr dB

Suy hao đường dẫn không gian tự do Lp −205,4 dB

Trạm Trái đất trên đường viền −3 dB của

ăng ten vệ tinh Lra −3,0 dB

Suy hao khí quyển khi trời đẹp Ldn −0,5 dB

Các suy hao khác Lmisc −0,8 dB

Công suất thu được tại trạm mặt đất Pr Gr – 160,7 dBW

Hằng số Boltzmann k −228,6 dBW/K/Hz

Nhiệt độ tạp âm của hệ thống nhận = 33 + 75

Băng thông nhiễu của máy thu 43,2 MHz Bn 76.4 dBHz

Công suất nhiễu máy thu Nr −131,9 dBW

Bảng 4.8d cho thấy quỹ đường truyền cho đường xuống từ vệ tinh đến trạm mặt đất đầuvào

Công suất cần thiết vào máy thu trạm mặt đất để đáp ứng mục tiêu (CNR)dn là

Pr = Nxp + (CNR)dn = −131,9 + 17,4 = −114,5 dBW

Do đó ăng ten thu phải có độ lợi Gr trong đó

Gr – 160,7 dB = −114,5 dBW

Gr = 46,2 dB = 41,690Đường kính ăng ten của trạm mặt đất, D, được tính toán từ công thức cho độ lợi ăng ten,

G, với khẩu độ tròn và hiệu suất khẩu độ là 0,65 (65%)

Gr = 0,65 × (πD/ λ)2 = 41,690

Ở tần số 11,45 GHz, bước sóng là 2,62 cm = 0,0262 m Đánh giá phương trình trên đểtìm D thì đường kính anten thu cần thiết là D = 2,11 m Trong thực tế có thể sử dụng một ăngten 2,2 m, hoặc một ăng ten lớn hơn có thể được sử dụng để tăng biên độ suy giảm mưađường xuống.

4.8.1.3 Ảnh hưởng của mưa tại băng tần Ku: Đường lên

Trong điều kiện mưa lớn, đường dẫn băng tần Ku đến trạm vệ tinh bị suy giảm 6 dBtrong 0,01% trong năm Chúng ta phải tìm biên độ suy giảm đường lên và quyết định liệuUPC có cải thiện hiệu suất hệ thống ở băng tần Ku hay không

CNR đường lên là 27 dB trong không khí đẹp Với suy hao đường lên 6 dB, CNR trong

bộ phát đáp giảm xuống còn 21 dB, và giả sử đặc tính của bộ phát đáp tuyến tính và không cóUPC, công suất đầu ra của bộ phát đáp giảm xuống còn 18−6 = 12 dBW Đường xuống(CNR)dn giảm 6 dB từ 17,4 xuống 11,4 dB và tổng thể (CNR)o giảm 6 dB xuống 11 dB Yêucầu tối thiểu tổng thể (CNR)o là 8,0 dB, do đó biên liên kết có sẵn trên đường lên là 9,4 dBkhông có UPC Đây là biên độ suy hao mư đường lên thích hợp cho nhiều các vùng của Hoa

Kỳ, và thường dẫn đến tình trạng ngừng mưa với tổng thời gian ít hơn một giờ mỗi năm.UPC có thể được thực hiện để tăng công suất đầu ra của máy phát trạm mặt đất khi suyhao đường lên ước tính đạt 3 dB, như minh họa trong Hình 4.13 Điều này sẽ giữ giá trị củatổng thể (CNR)o trong máy thu ở mức 14,4 dB Nếu hệ thống UPC có dải động là 6 dB, biên

độ suy giảm mưa đường lên được tăng lên 15,4 dB và công suất máy phát băng tần Ku tối đađược tăng lên 32,0 dBW (1580W) Suy hao do mưa vượt quá 15,4 dB ở tốc độ 14 GHz chỉtrong vài phút tại một thời điểm trong những cơn giông rất lớn, nhưng sẽ chỉ có một số ítnhững lần như vậy xảy ra trong một năm trung bình UPC chắc chắn cải thiện khả năng củađường lên để chống lại sự suy hao do mưa, nhưng với chi phí của một máy phát đường lênmạnh hơn và đắt hơn đáng kể Chi phí bổ sung có thể được biện minh trong một hệ thốngphân phối video với nhiều trạm thu Cũng có nguy cơ gia tăng là công suất bổ sung do trạmđường lên phát ra khi UPC hoạt động sẽ gây nhiễu ở mức không thể chấp nhận được vào cácđường truyền vệ tinh khác sử dụng cùng tần số Nên tăng đường kính ăng ten của trạm mặtđất để tăng độ lợi và thu hẹp độ rộng chùm tia của nó, do đó giảm công suất phát tối đa cầnthiết và cũng giảm nhiễu với các vệ tinh lân cận Với ăng ten trạm mặt đất đường lên 7 m,công suất máy phát tối đa giảm xuống còn 29,1 dBW (813W) Cần có nhiều hơn một trạmmặt đất đường lên cho một hệ thống phân phối video hoạt động, để cung cấp dung lượng thaythế nếu một trạm mặt đất ngừng hoạt động để bảo trì, hoặc bị lỗi, hoặc bị suy giảm quá mức

do mưa Các trạm mặt đất thường được đặt ở các khu vực địa lý khác nhau để giảm nguy cơmưa lớn ảnh hưởng đến hai trạm cùng một lúc

4.8.1.4 Suy hao đường xuống và tăng tạp âm bầu trời

Đường dẫn 11,45 GHz giữa vệ tinh và trạm thu bị suy giảm do mưa vượt quá 5 dB trong0,01% trong năm Giả sử kết hợp 100% tạp âm bầu trời thành tạp âm ăng-ten và suy giảm khítrong không khí đẹp 0,5 dB, hãy tính CNR tổng thể trong các điều kiện này Giả sử rằng trạmđường lên đang hoạt động trong không khí đẹp Chúng ta phải tính toán biên độ mờ dần củađường xuống có sẵn

Chúng ta cần tìm nhiệt độ tạp âm trên bầu trời là kết quả của tổng suy hao đường đi vượtquá 5,5 dB (suy hao không khí đẹp cộng với suy hao do mưa); đây là nhiệt độ ăng-ten mớikhi trời mưa, vì chúng tôi đã giả định 100% là sự kết hợp 100% giữa nhiệt độ tạp âm bầu trời

và nhiệt độ ăng-ten Chúng ta phải đánh giá sự thay đổi của công suất nhận được và sự giatăng nhiệt độ tạp âm của hệ thống để tính toán sự thay đổi trong CNR cho đường xuống.Trong không khí trong lành, độ suy giảm khí quyển trên đường xuống là 0,5 dB Nhiệt

độ tạp âm bầu trời tương ứng là 33 K.Khi mưa gây ra suy giảm 5 dB, tổng suy giảm đường đi

từ khí quyển và mưa là 5,5 dB

Nhiệt độ tạp âm bầu trời tương ứng được đưa ra bởi

Tsky rain = To(1 − G) Ktrong đó

G= 10-A/10 = 0,282

(CNR)o rain = 8,3 dB

Tổng thể (CNR)o chỉ cao hơn giá trị chấp nhận được tối thiểu là 8,0 dB Dự trữ đườngtruyền đường xuống là

Biên độ mờ dần của đường xuống = (CNR)dn - (CNR)min = 17,4 - 8,4 = 8,0 dB

Chúng tôi đã đáp ứng tất cả các yêu cầu của đặc tả hệ thống và có thể tin tưởng rằng hệthống phân phối video của chúng tôi sẽ cung cấp tính khả dụng theo yêu cầu

4.8.1.5 Tóm tắt về hiệu suất đường truyền Băng tần Ku

Đường truyền băng tần Ku với ăng-ten trạm mặt đất 2,1 m sẽ bị gián đoạn do mưa dosuy hao vượt quá 8,3 dB thỉnh thoảng có thể xảy ra trên các đường xuống, ảnh hưởng đến cáckhách hàng cá nhân Sự cố sẽ hiếm khi xảy ra trên đường lên Với UPC và một máy phátmạnh hơn, sự cố mất kết nối đường lên có thể được hạn chế trong vài phút mỗi năm Cần cómột ăng ten thu 2,2 hoặc 3,0 m để đảm bảo rằng đường xuống băng tần Ku sẽ nằm ngoàikhông quá 0,01% trong một năm trung bình với thống kê suy hao đã cho Giá trị ngưỡng choCNR tổng thể được đặt ở mức 8,0 dB vì chúng ta có thể sử dụng QPSK và mã hóa sửa lỗi nửa

tỷ lệ để có được tỷ lệ (CNR) tương đương khoảng 14,0 dB mà không cần mã hóa Cho phépbiên độ thực thi 0,5 dB (xem Chương 5), BER trên đường xuống sẽ duy trì dưới 10−7 trừ khimưa rất lớn ảnh hưởng đến đường xuống Trong điều kiện trời quang đãng sẽ không có lỗitrên đường truyền Tín hiệu QPSK 43,2 Msps với FEC một nửa tốc độ có thể cung cấp tốc độ

dữ liệu 43,2 Mbps, có thể hỗ trợ tối đa 10 kênh video MPEG 2 trực tiếp và 20 kênh video ghitrước

Hệ thống phân phối video được mô tả ở đây được thiết kế để cung cấp nhiều kênh videođến các đài truyền hình cáp với nguy cơ ngừng hoạt động thấp DBS-TV truyền tín hiệuvideo trực tiếp đến vị trí của khách hàng bằng một ăng-ten thu nhỏ hơn nhiều 0,5 m Có thể

sử dụng ăng-ten nhỏ hơn vì vệ tinh DBS-TV truyền ở công suất cao hơn mức (thường là160W), tốc độ ký hiệu thấp hơn (20–27 Mbps) và tính khả dụng của tín hiệu tại ăng-ten thuđược đảm bảo chỉ 99,7% trong năm Trạm cổng có thể phát nhiều sóng mang trên các tần sốkhác nhau để tách các bộ phát đáp trên cùng một vệ tinh Ví dụ: bằng cách truyền tới năm bộphát đáp, 50 kênh video kỹ thuật số nén MPEG-2 chuyển động đầy đủ và 100 video được ghitrước