Đề tài Tính công suất yêu cầu của một máy phát thông tin vệ tinh từ Trạm phát Bình Dương 10°51’N, 106°48’E, Trạm thu Hà Nội 21°09’N, 106°14’E

PHẦN I TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT YÊU CẦU CỦA MÁY PHÁT TRẠM MẶT ĐẤT TRONG THÔNG TIN VỆ TINH Đề bài: Tính công suất yêu cầu của một máy phát thông tin vệ tinh từ Trạm phát Bình Dương 10°51’N, 106°48’E, Trạm thu Hà Nội 21°09’N, 106°14’E. a. Với điều kiện: + Vào mùa mưa, lượng mưa trung bình là 150mm/h. + Nhiệt độ chọn theo mùa mưa ở Việt Nam. + Tần số Uplink 6 GHz, Downlink 4 Ghz. + Đường kính anten trạm mặt đất l0m. + Đường kính anten vệ tinh l,2m. + Tỷ lệ lỗi bít cho phép BER 10-3. + Công suất tối thiểu yêu cầu tại máy thu là PR = -75dBmW. Với điều kiện tiêu chuẩn như trên nhưng không mưa. So sánh kết quả cho hai trường hợp tính toán nêu trên. Bài làm: Câu a: Để tính được công suất yêu cầu của một máy phát thông tin vệ tinh từ một trạm phát đến một trạm thu qua vệ tinh, cần phải xác định: Năng lượng đường truyền từ trạm phát lên vệ tinh; từ đó xác định công suất tối thiểu của máy phát ở trạm phát mặt đất. Năng lượng đường truyền từ vệ tinh đến trạm thu; từ đó xác định công suất tối thiểu của máy phát vệ tinh. Trên cơ sở các thông số tính toán thiết kế năng lượng đường truyền kể trên, có thể áp dụng trong hai trường hợp mùa mưa và mùa khô. Từ đó, có thể lập bảng so sánh các thông số và rút ra kết luận (nếu có). Vậy, bài toán trên cần giải theo các bước sau: Bước 1: Tính toán năng lượng đường truyền từ trạm phát Bình Dương lên vệ tinh từ đó tính công suất tối thiểu của máy phát ở trạm phát Bình Dương với điều kiện trên. Công suất thu là một thông số quan trọng nhất trong việc xác định chất lượng của một tuyến thông tin vệ tinh. Hình 1 thể hiện rõ các yếu tố quyết định đến công suất thu này: Suy hao Hình 1: Các yếu tố quyết định công suất thu Công suất thu tại máy thu vệ tinh được xác định: PR = PT + Gt — Lt + Gr — Lr — Lp (1) Trong đó: Pr : Công suất vào máy thu Pt : Công suất ra của máy phát Gt : Hệ số tăng ích của anten phát Gr : Hệ số tăng ích của anten thu Lt : Suy hao hệ thống fiđơ phát Lr : Suy hao hệ thống fiđơ thu Lp : Suy hao đường truyền. Trong đó, suy hao đường truyền được xác định bởi (2): Lp=г + Li+La+Lr (2) Trong đó: г: Suy hao trong không gian tự do Li : Suy hao hấp thụ trong tầng điện ly La : Suy hao hấp thụ trong không khí Lr : Suy hao do mưa. Do đó, để tính được PT thì cần tính được các thông số xác định bởi (1) và (2), cụ thể: 1. Hệ số tăng ích của anten Hệ số tăng ích của anten là một thông số quan trọng, quyết định không những chất lượng anten mà cả chất lượng và quy mô của các trạm mặt đất. Hệ số tăng ích của anten được xác định theo công thức: (3) Trong đó: D: là đường kính của anten h: là hiệu suất, thông thường h=0,5 ¸0,7. Ở đây chọn h = 0,6 Với f cỡ GHz, thay l=C/f ta có: Tính theo decibel ta có: G[dB] = 20 lg + 20 lgD + 20 lgf +10 lgh = 18,18 + 20 lgD + 20 lgf Hệ số tăng ích của anten phát, D=8m Gt[dB] = 18,18 + 20lgD + 20lgf[dB] = 18,18 + 20lg8 + 20lg 14 = 59,16 [dB] (3) Hệ số tăng ích của anten thu, D=1,2m Gr [dB] = 18,18 + 20 lg D + 20 lgf[dB] = 18,18 + 20 lg1,2 + 20 lg 14 = 42,68 [dB] (4) Suy hao hệ thống fiđơ: Hệ thống fiđơ dùng trong Thông tin vệ tinh được thiết kế sao cho càng nhỏ càng tốt. Ở vệ tinh, nó có dạng gọn, nhẹ nên suy hao fiđơ là nhỏ. Tại trạm mặt đất, máy phát và máy thu được đặt càng gần anten càng tốt để làm sao cho suy hao ống dẫn sóng nhỏ nhất. Thực tế, người ta thiết kế hệ thống fiđơ để có suy hao 1-2dB tại trạm mặt đất và £ 1dB tại vệ tinh thông tin. Do đó, chọn suy hao fĩđơ như sau: Suy hao hệ thống fiđơ phát: LT = 2dB (5) Suy hao hệ thống fiđơ thu: LR = 1dB (6) 3. Suy hao đường truyền Lp Suy hao đường truyền được xác định bởi (2), ta tính lần lượt các thành phần này, cụ thể: Suy hao trong không gian tự do: г Suy hao trong không gian tự do được tính theo công thức Trong đó Ri: khoảng cách đường truyền, từ trạm phát Bình Dương đến vệ tinh, là khoảng cách từ trạm phát Bình Dương (10°51'N, 106°48’E) đến vệ tinh. Vị trí của trạm phát Bình Dương: 10°51 ’N, 106°48’E Vị trí của vệ tinh Vinasat: 132,0°E. Từ đó, xác định được vị trí hình chiếu của nó là 00°00’N, 132°00'E. Sử dụng phần mềm tính quãng đường để tính cung tròn từ vị trí của trạm phát Bình Dương đến vị trí hình chiếu của vệ tinh lên quả đất, xác định được cung tròn này là: N=1647 nm (hải lý) Bán kính quả đất là R = 6400km Độ cao vệ tinh h = 35750km Xét tam giác vuông AOB ta có: OB = R.cosa = 6400.cos28° = 6400.0,8829 = 5650,05 km ® BC = h + FB = 35750 + (6400 - 5650,05) = 36499.95 km AB = R.sina = 6400.sin28° = 6400.0,4695 = 3004,8 km = 36623,42km Từ (7) tính theo decibel ta có: (8) * Suy hao hấp thụ trong tầng điện ly: Li Trong dải tần Uplink là 14Ghz thì không bị hấp thụ bởi tầng điện ly nên suy hao hấp thụ trong tầng điện ly: Li = 0 (9) Hình 3: Cửa sỗ tần số vô tuyến Suy hao do hấp thụ trong không khí: La Trong dải tần Uplink là 14Ghz thì không bị hấp thụ bởi không khí nên suy hao hấp thụ trong không khí: La= 0 (10) Suy hao do mưa: Lr Trong thông tin vệ tinh, khi sử dụng tần số Uplink trên 10GHz thì suy hao do mưa là nhân tố quan trọng nhất quyết định chất lượng tuyến. Từ hình vẽ, tại fu= 14GHz ta có: Lr = 3.8[dB] (11) Vậy, từ (2), (8) và (11) ta có thể xác định được suy hao đường truyền như sau: Lp = г + Li + La + Lr = 207,23 + 3,8 = 211,03[dB] (12) 4. Công suất phát từ trạm phát Bình Dương lên vệ tinh Với yêu cầu công suất yêu cầu tối thiểu ở máy thu là PT = -75dBmW ta có thể tính được công suất máy phát từ trạm phát Bình Dương lên vệ tinh như sau: (2) PR = PT + Gt — Lt + Gr — Lr— Lp => PT = PR - Gt + Lt - Gr + Lr + Lp = -75 - 59.16 + 2 - 42.68 + 1 + 211.03 = 53.61[dBm] ( 13) Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương: EIRP = PT+GT-LT = 53,67 + 59,16 - 2 = 110,83[dBm] (14) Tỷ số công suất sóng mang trên công suất tạp âm được xác định bởi (15): C / N = PR -Nsys (15) Để xác định được C/N cần tìm Nsys là nhiệt tạp âm hệ thống. Nhiệt tạp âm hệ thống bao gồm cả tạp âm ngoài và tạp âm bên trong hệ thống, vì vậy, tạp âm tổng đối với hệ thống đó bằng tổng công suất tạp âm bên ngoài và bên trong của nó. Nhiệt tạp âm của hệ thống được xác định bởi: (16) Trong đó: Ts là nhiệt tạp âm bên ngoài Ta: Nhiệt tạp âm anten TF: Nhiệt tạp âm hệ thống fíđơ TR: Nhiệt tạp âm máy thu LF : Suy hao của hệ thống fiđơ (số thực) Tuy nhiên, đối với đường lên từ một trạm mặt đất tới vệ tinh thì các nguyên nhân tạp âm chính là tạp âm máy thu và tạp âm ngoài (tạp âm bề mặt mặt đất). Vì vậy, có thể bỏ qua tạp âm hệ thống fiđơ và anten. Vậy: TSYS=Ts+TR (l7) Suy ra, từ Tsys có thể xác định được công suất tạp âm Nsys cho toàn bộ hệ thống như sau: Nsys = 10lg(k.Tsys.B) [dB] (18) Trong đó: k: Hằng số Boltzman, k=l,38.10-23 (W/Hz/°K) B: Độ rộng băng tần (Hz) Để tính Nsys cần xác định Ts, TR theo (17) và (18). Các thông số này được xác định như sau: Tạp âm nhiệt bên ngoài Ts Nhiệt tạp âm bên ngoài bao gồm: nhiệt tạp âm vũ trụ, nhiệt tạp âm của dải ngân hà, nhiệt tạp âm của mặt trời, nhiệt tạp âm do khí quyển, nhiệt tạp âm do mưa, và nhiệt tạp âm từ trạm mặt đất xung quanh trạm. Trong đó các loại nhiệt tạp âm vũ trụ, nhiệt tạp âm của dải ngân hà, nhiệt tạp âm của mặt trời, thì với tàn số Uplink là 14GHz có thể bỏ qua các loại tạp âm này (tạp âm khí quyển). Nhiệt tạp âm từ các trạm mặt đất xung quanh trạm do góc ngẩng anten của các trạm Bình Dương và Hà Nội có góc ngẩng anten lớn 45° và 52° nên các ảnh hưởng này không đáng kể nên có thể bỏ qua. Như vậy nhiệt tạp âm bên ngoài chủ yếu là do mưa và nó được tính theo công thức: (19) Trong đó: Tr nhiệt tạp âm do mưa Tm: Nhiệt độ trung bình của cơn mưa tính theo công thức: Tm =1,12xT xq-50 (°K) (20) Txq: Nhiệt độ xung quanh của trạm mặt đất Nhiệt độ trung bình mùa mưa ở Bình Dương là 32°c = 305°K. Tại nhiệt độ 305°K thì suy hao do mưa là LM =16,57 Suy ra: Ts =1,12.305-50 = 291,6 (21) Nhiêt đô tap âm đầu vào máy thu: TR Do máy thu sử dụng là loại máy thu LNA nên nhiệt tạp âm tương đương nhỏ, thường chọn: Tr=40°K (22) Từ (21) và (22) ta có: Tsys =Ts+TR = 291,6 + 40 = 331,6° K (23) Thay (23) vào (18) có thể xác định được N SYS : Nsys = 10 lg(k.Tsrs .B) = 10 lg k +10 lg Tsys +10 lg B = 10 lg(l,38.10 -23) +10 lg 331,6 +10 lg(36.106) = -228,6 + 25,2 + 75,56 = -127,83[dE] Từ (15) ta có: C/N = PR - Nsys = -75 + 127,83 = 52,83[dB] (24) Bước 2. Tính toán năng lượng đường truyền từ vệ tinh xuống trạm thu Hà Nội để từ đó tính công suất tối thiểu của máy phát ở trạm phát Bình Dương với điều kiện trên. Tương tự như trên có thể tính được các thông số: Hệ số tăng ích của anten G[dB] = 20 lg + 20 lg D + 20 lg f +10 lg h = 18,18 + 201gD + 20 lgf Hệ số tăng ích của anten phát, D= 1,2 m Gt [dB] = 18,18 + 20 lg D + 20 lg f[dB] = 18,18 + 20 lg 1,2 + 20 lg 11 = 40,59[dB] (25) Hệ số tăng ích của anten thu, D= 8 m Gr[dB] = 18,18 + 20lgD + 20lg f[dB] = 18,18 + 20lg8 + 20lg11 = 57,06 [dB] (26) Suy hao hệ thống fiđơ: Hệ thống fiđơ dùng trong Thông tin vệ tinh được thiết kế sao cho càng nhỏ càng tốt. Ở vệ tinh, nó có dạng gọn, nhẹ nên suy hao fi đơ là nhỏ. Tại trạm mặt đất, máy phát và máy thu được đặt càng gần anten càng tốt để làm sao cho suy hao ống dẫn sóng nhỏ nhất. Thực tế, người ta thiết kế hệ thống fĩ đơ để có suy hao l-2dB tại trạm mặt đất và £ ldB tại vệ tinh thông tin. Do đó, chọn suy hao fĩ đơ như sau: Suy hao hệ thống fiđơ phát: LT = ldB (27) Suy hao hệ thống fỉ đơ thu: Lr = 2dB (28) Suy hao đường truyền LP Suy hao đường truyền được xác định bởi (2), ta tính lần lượt các thành phần này, cụ thể: Suy hao trong không gian tự do: г Suy hao trong không gian tự do được tính theo công thức Trong đó R2: khoảng cách đường truyền, từ trạm phát Vệ tinh đến trạm thu Hà Nội. - Vị trí của trạm thu Hà Nội: 21°09’N, 106°14’E - Vị trí của vệ tinh Vinasat: 132,0°E. Từ đó, xác định được vị trí hình chiếu của nó là 00°00’N, 132°00’E. - Sử dụng phần mềm tính quãng đường để tính cung tròn từ vị trí của trạm phát Bình Dương đến vị trí hình chiểu của vệ tinh lên quả đất, xác định được cung tròn này là: N=1980nm (hải lý) - Bán kính quả đất là R = 6400km - Độ cao vệ tinh h = 35750km - Xét tam giác vuông AOB ta có: OB = R.cosa = 6400.cos33° = 6400.0,8387 = 5367,68km ® BC = h + FB = 35750 + (6400 - 5367,68) = 36782.32km AB = R.sina = 6400.sin33° = 6400.0,5446 = 3485.44km Từ (29) tính theo dexibel ta có: Suy hao hấp thụ trong tầng điện ly: Li Trong dải tần Uplink là 11Ghz thì không bị hấp thụ bởi tầng điện ly nên suy hao hấp thụ trong tầng điện ly: Li = 0 (31) Tần số (GHz) Hình 3: Cửa sổ tần số vô tuyến Suy hao do hấp thụ trong không khí: La Trong dải tần Uplink là 14Ghz thì không bị hấp thụ bởi không khí nên suy hao hấp thụ trong không khí: La = 0 (32) Suy hao do mưa: Lr Trong thông tin vệ tinh, khi sử dụng tần sổ Uplink trên 10GHz thì suy hao do mưa là nhân tố quan trọng nhất quyết định chất lượng tuyến. Từ hình vẽ, tại fD= 11GHz ta có: Lr =l.9[dB] (33) Vậy, từ (2), (30) và (33) ta có thể xác định được suy hao đường truyền như sau: Lp = г + Li + La + Lr = 204,7 +1,9 = 206,6[dB] (34) Công suất phát yêu cầu từ trạm phát Vệ tinh xuống trạm thu Hà Nội Với yêu cầu công suất yêu cầu tối thiểu ở máy thu Hà Nội là PT = -75dBmW, ta có thể tính được công suất máy phát từ trạm phát Vệ tinh xuống như sau: Từ (2) PR = PT + Gt — Lt + Gr — Lr — Lp => Pt =Pr-Gt +Lt -Gr+Lr + Lp = -75 -40,59 +1 -57,06 + 2 + 204,7 = 35.05[dBm] (35) Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương EIRP = PT+GT-LT= 35,05 + 40,59 -1 = 74,64[dBm] (36) Tỷ số công suất sóng mang trên công suất tạp âm được xác định bởi Để xác định được C/N cần tìm Nsys là nhiệt tạp âm hệ thống. Nhiệt tạp âm của hệ thống được xác định bởi: (16) Khác với đường lên, đường xuống từ vệ tinh đến trạm mặt đất thì cần phải tính hết các thông số của (16). Do đó ta cần xác định: Tạp âm nhiệt bên ngoài: Ts Tạp âm nhiệt bên ngoài được xác định theo (17). Tuy nhiên, nhiệt độ trung bình tại mùa mưa ở Hà Nội là 25°C=298°K nên TS » Tr = Tm 1,12.298 - 50 = 283,76 [dB] (37) *Tạp âm anten: Ta Trong thông tin vệ tinh thường chọn TA = 30°K (39) Nhiệt tạp âm máy thu: Như trên với TR = 40°K (40) Nhiệt độ tạp âm tương đương của máy thu do máy thu sử dụng là loại máy thu LNA nên nhiệt tạp âm tương đương nhỏ khoảng 40°K. Suy hao hệ thống fiđơ: LF = 0,2 dB (41) Vậy: (42) Nsys [dB] = 10 lg k +10 lg Tsys +10 lg B = -228,6 +10 lg 30.25 + 75,56 = -122,79[dB] Suy ra: C/N = PR -NSYS = -75 + 122,79 = 47,79[dB] (24) Bước 3: Trên cơ sở việc thiết kế năng lượng đường truyền như trên, có thể xây dựng được bảng kết quả như sau: Vệ tinh 132,0°E Băng tần lên 14Ghz Băng tần xuống 11Ghz Phát Bình Dương Thu Hà Nội (Pt) u dBm 53,67 (Lt) u dB 2,0 (Gt) u dB 59,16 (EIRP) u dBm 110,83 (La) u dB 0 (Gr) u dB 42,68 (Lr) u dB 1,0 (Nsys) u dBHz -127,83 (C/N)u dBHz 52,83 (PT)d dBm 35,05 (LT)d dB lể0 (GT)d dB 40,59 (EIRP)d dBm 57,174 (La)d dB 0 (GR)d dB 57,06 (LR)d dB 2,0 (NsYs)d dBHz -122,79 (C/N)d dBHz 47,79 Câu b. Tính các thông số như trên với điều kiện vào mùa khô (trời không mưa): Trên cơ sở các thông số tuyến lên và tuyến xuống đã xác định ở trên ta thấy Gt, Gr không thay đổi; La, Li vẫn coi là bằng 0 như trên; Lp, Lr không thay đổi. Do đó, mưa chỉ ảnh hưởng đến các thông số nhiệt tạp âm Nsys thông số này được tính như sau: Công suất tạp âm N của hệ thống thu tính tại đầu vào máy thu được biểu thị bằng công thức: N = k.Tsys.B Nhiệt độ tạp âm tương đương của hệ thống được tính theo công thức: NSYS = 10 lg(k.TSYS.B) [dB] Như đã phân tích ở trên, nhiệt tạp âm bên ngoài chủ yếu là do mưa, được xác định bởi: Trong đó TM nhiệt tạp âm do mưa Tm : Nhiệt độ trung bình của cơn mưa tính theo công thức: Tm =1,12Txq-50(°K) Txq: Nhiệt độ trung bình mùa khô ở Bình Dương là 22°c = 295°K LM : Suy hao do mưa LM =16,57 Suy ra: NSYS [dB] =10 lgk +10 lg T +10 lg B = -228,6 + 30,15 + 75,56 = -122,89[dB] Từ công thức: Theo công thức (13) ta có: PT = PR - Gt + LT - GR + LR + Lp = -75 - 40,59 +1 - 57,06 + 2 + 204,7 = 35.05[dBm] Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương EIRP = PT + GT - LT = 35,05 + 40,59 -1 = 74,64[dBm] C/N = PR - Nsys = -75 + 122,89 = 47,89[dB] Câu c: Kết luận về kết quả của 2 trường hợp trên: Trên cơ sở các tính toán ở trên có thể thấy rằng, trong điều kiện trời mưa hay trời khô, mặc dù tần số Uplink là 14GHz và Downlink là 11GHz là các dải tần số chịu suy hao chủ yếu do mưa, tuy nhiên, sự ảnh hưởng không quá lớn đối với toàn bộ hệ thống. PHẦN II XÁC ĐỊNH DUNG LƯỢNG KÊNH CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH Đề bài: Tính toán dung lượng kênh của hệ thống thông tin vệ tinh trong hai trường hợp không nén và có nén Với điều kiện + Độ rộng băng thông B = 36Mhz + Điều chế 32PSK + Mã kênh FEC tỷ lệ 7/8 + Phát hình Bài làm: Mô hình của hệ thống thông tin vệ tinh Trường hợp không nén Theo công thức của Shanon: R=B. log(l + ) Tốc độ Baud là Thực hiện điều chế 32 PSK nên số bit /symbol là 5 (vì 25 = 32). Vậy tốc độ sau điều chế là: R2 = 2R1 = 2.60.106 = 120.106 Do có 6 mã PN nên tốc độ sau mã kênh là: R3 =6R2 = 6x120.106 = 720.106 Thực hiện mã kênh FEC (tỷ lệ 7/8) nên tốc độ sau mã tin: Với băng thông của tín hiệu hình: Bh= 48MHz (fmâu = 6MHz), ta có thể xác định được số kênh hình là: (kênh) Hệ số dự trữ kênh là 20% Trường hợp có nén Trong truyền hình có thể sử dụng các mã có tỷ lệ nén cao 6:1, 16:1, 80:1 và 100:l. Với các mã nén khác nhau ta có số bít khác nhau do đó số kênh phát hình cũng khác nhau: Công thức chung để tính số kênh hình đầu vào có thể là: Tốc độ tín hiệu hình sau khi nén: với m là tỷ lệ nén (m= 6; 16; 80;100) Số kênh hình đầu vào có thể phát được là: Vậy: Tỷ lệ mã 6:1 Số kênh hình có thể phát được là: = 5 (kênh) Tỷ lệ mã 16:1 Số kênh hình có thể phát được là: (kênh) Tỷ lệ mã 80:1 Số kênh hình có thể phát được là: = 66 (kênh) Tỷ lệ mã 100:1 Số kênh hình có thể phát được là: 83 (kênh) Kết luân: Có thể thấy rằng khi thực hiện nén thì số kênh truyền được tăng lên rất nhiều, tức là số người sử dụng tăng. Tuy nhiên, nếu thực hiện nén thì cũng phải trả giá về mặt chất lượng của hệ thống (do số lỗi bít tăng).