Header Page of 126 PHẦN I TÍNH TỐN CƠNG SUẤT YÊU CẦU CỦA MÁY PHÁT TRẠM MẶT ĐẤT TRONG THƠNG TIN VỆ TINH Đề bài: Tính cơng suất u cầu 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 150mm/h + Nhiệt độ chọn theo mùa mưa Việt Nam + Tần số Uplink GHz, Downlink 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 máy thu PR = -75dBmW b Với điều kiện tiêu chuẩn không mưa c So sánh kết cho hai trường hợp tính tốn nêu Bài làm: Câu a: Để tính cơng suất u cầu máy phát thông tin vệ tinh từ trạm phát đến trạm thu qua vệ tinh, cần phải xác định: - Năng lượng đường truyền từ trạm phát lên vệ tinh; từ xác định cơng suất tối thiểu máy phát trạm phát mặt đất - Năng lượng đường truyền từ vệ tinh đến trạm thu; từ xác định cơng suất tối thiểu máy phát vệ tinh - Trên sở thơng số tính tốn thiết kế lượng đường truyền kể trên, áp dụng hai trường hợp mùa mưa mùa khơ Từ đó, Footer Page of 126 Header Page of 126 lập bảng so sánh thơng số rút kết luận (nếu có) Vậy, toán cần giải theo bước sau: Bước 1: Tính tốn lượng đường truyền từ trạm phát Bình Dương lên vệ tinh từ tính cơng suất tối thiểu máy phát trạm phát Bình Dương với điều kiện Công suất thu thông số quan trọng việc xác định chất lượng tuyến thơng tin vệ tinh Hình thể rõ yếu tố định đến công suất thu này: Suy hao Hình 1: Các yếu tố định công suất thu Công suất thu máy thu vệ tinh xác định: PR = PT + GT — LT + GR — LR — Lp Footer Page of 126 (1) Header Page of 126 Trong đó: PR : Cơng suất vào máy thu PT : Công suất máy phát GT : Hệ số tăng ích anten phát GR : Hệ số tăng ích 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 xác định (2): L p =г + L i +L a +L r (2) Trong đó: г: Suy hao khơng gian tự Li : Suy hao hấp thụ tầng điện ly La : Suy hao hấp thụ khơng khí Lr : Suy hao mưa Do đó, để tính PT cần tính thơng số xác định (1) (2), cụ thể: Hệ số tăng ích anten Hệ số tăng ích anten thông số quan trọng, định chất lượng anten mà chất lượng quy mô trạm mặt đất Hệ số tăng ích anten xác định theo công thức:  D  G      Trong đó: D: đường kính anten : hiệu suất, thơng thường =0,5 0,7 Ở chọn  = 0,6 Với f cỡ GHz, thay =C/f ta có:  10D  G      Footer Page of 126 (3) Header Page of 126 Tính theo decibel ta có: G[dB] = 20 lg 10 + 20 lgD + 20 lgf +10 lg = 18,18 + 20 lgD + 20 lgf * Hệ số tăng ích anten phát, D=8m GT[dB = 18,18 + 20lgD + 20lgf[dB = 18,18 + 20lg8 + 20lg 14 = 59,16 [dB] (3) * Hệ số tăng ích 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 Thông tin vệ tinh thiết kế cho nhỏ tốt Ở vệ tinh, có dạng gọn, nhẹ nên suy hao fiđơ nhỏ Tại trạm mặt đất, máy phát máy thu đặt gần anten tốt để cho suy hao ống dẫn sóng nhỏ Thực tế, người ta thiết kế hệ thống fiđơ để có suy hao 1-2dB trạm mặt đất  1dB vệ tinh thơng tin Do đó, chọn suy hao fĩđơ sau: * Suy hao hệ thống fiđơ phát: LT = 2dB (5) * Suy hao hệ thống fiđơ thu: LR = 1dB (6) Suy hao đường truyền Lp Suy hao đường truyền xác định (2), ta tính thành phần này, cụ thể: * Suy hao không gian tự do: г Suy hao khơng gian tự tính theo cơng thức Footer Page of 126 Header Page of 126 Trong Ri: khoảng cách đường truyền, từ trạm phát Bình Dương đến vệ tinh, khoảng cách từ trạm phát Bình Dương (10°51'N, 106°48’E) đến vệ tinh - Vị trí trạm phát Bình Dương: 10°51 ’N, 106°48’E - Vị trí vệ tinh Vinasat: 132,0°E Từ đó, xác định vị trí hình chiếu 00°00’N, 132°00'E - Sử dụng phần mềm tính quãng đường để tính cung trịn từ vị trí trạm phát Bình Dương đến vị trí hình chiếu vệ tinh lên đất, xác định cung tròn là: N=1647 nm (hải lý)   N 1647   28 60 60 - Bán kính đất R = 6400km - Độ cao vệ tinh h = 35750km - Xét tam giác vng AOB ta có: OB = R.cos = 6400.cos28° = 6400.0,8829 = 5650,05 km  BC = h + FB = 35750 + (6400 - 5650,05) = 36499.95 km AB = R.sin = 6400.sin28° = 6400.0,4695 = 3004,8 km Footer Page of 126 Header Page of 126  R1  36499,95  3004,8 = 36623,42km Từ (7) tính theo decibel ta có:  x3,14 x36623,42 x103   4R1    207,23dB  dB   10 lg    10 lg  x02      (8) * Suy hao hấp thụ tầng điện ly: Li Trong dải tần Uplink 14Ghz khơng bị hấp thụ tầng điện ly nên suy hao hấp thụ tầng điện ly: Li = (9) Hình 3: Cửa sỗ tần số vơ tuyến * Suy hao hấp thụ khơng khí: La Trong dải tần Uplink 14Ghz khơng bị hấp thụ khơng khí nên suy hao hấp thụ khơng khí: La= (10) * Suy hao mưa: Lr Trong thông tin vệ tinh, sử dụng tần số Uplink 10GHz suy hao mưa nhân tố quan trọng định chất lượng tuyến Từ hình vẽ, fu= 14GHz ta có: Lr = 3.8[dB] (11) Vậy, từ (2), (8) (11) ta xác định suy hao đường truyền sau: Lp = г + Li + La + Lr = 207,23 + 3,8 = 211,03[dB] Footer Page of 126 (12) Header Page of 126 Công suất phát từ trạm phát Bình Dương lên vệ tinh Với yêu cầu công suất yêu cầu tối thiểu máy thu P T = -75dBmW ta tính cơng suất máy phát từ trạm phát Bình Dương lên vệ tinh sau: (2) PR = PT + GT — LT + GR — Lr— Lp => PT = PR - GT + LT - GR + LR + Lp = -75 - 59.16 + - 42.68 + + 211.03 = 53.61[dBm ( 13) Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương: EIRP = P T + G T - L T = 53,67 + 59,16 - = 110,83[ d B m] (14) Tỷ số công suất sóng mang cơng suất tạp âm xác định (15): C / N = PR -Nsys (15) Để xác định C/N cần tìm Nsys nhiệt tạp âm hệ thống Nhiệt tạp âm hệ thống bao gồm tạp âm tạp âm bên hệ thống, vậy, tạp âm tổng hệ thống tổng cơng suất tạp âm bên ngồi bên Nhiệt tạp âm hệ thống xác định bởi: TSYS  TS  T A  TF  TR LF (16) Trong đó: Ts nhiệt tạp âm bên Ta: Nhiệt tạp âm anten TF: Nhiệt tạp âm hệ thống fíđơ TR: Nhiệt tạp âm máy thu LF : Suy hao hệ thống fiđơ (số thực) Tuy nhiên, đường lên từ trạm mặt đất tới vệ tinh nguyên nhân tạp âm tạp âm máy thu tạp âm (tạp âm bề mặt mặt đất) Vì vậy, bỏ qua tạp âm hệ thống fiđơ anten Vậy: TSYS=Ts+TR (l7) Suy ra, từ Tsys xác định cơng suất tạp âm Nsys cho toàn hệ thống sau: Footer Page of 126 Header Page of 126 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) (18) Các thông số xác định sau: * Tạp âm nhiệt bên Ts Nhiệt tạp âm bên bao gồm: nhiệt tạp âm vũ trụ, nhiệt tạp âm dải ngân hà, nhiệt tạp âm mặt trời, nhiệt tạp âm khí quyển, nhiệt tạp âm mưa, nhiệt tạp âm từ trạm mặt đất xung quanh trạm Trong loại nhiệt tạp âm vũ trụ, nhiệt tạp âm dải ngân hà, nhiệt tạp âm mặt trời, với tàn số Uplink 14GHz bỏ qua loại tạp âm (tạp âm khí quyển) Nhiệt tạp âm từ trạm mặt đất xung quanh trạm góc ngẩng anten trạm Bình Dương Hà Nội có góc ngẩng anten lớn 45° 52° nên ảnh hưởng không đáng kể nên bỏ qua Như nhiệt tạp âm bên chủ yếu mưa tính theo cơng thức: (19) Trong đó: Tr nhiệt tạp âm mưa Tm: Nhiệt độ trung bình mưa tính theo cơng thức: Tm =1,12xT xq - ( ° K ) (20) Txq: Nhiệt độ xung quanh trạm mặt đất Nhiệt độ trung bình mùa mưa Bình Dương 32°c = 305°K Tại nhiệt độ 305°K suy hao mưa LM =16,57 Suy ra: T s =1,12.305-50 = 291,6 (21) * Nhiêt đô tap âm đầu vào máy thu: TR Do máy thu sử dụng loại máy thu LNA nên nhiệt tạp âm tương đương Footer Page of 126 Header Page of 126 nhỏ, thường chọn: TR=40°K (22) Từ (21) (22) ta có: TSYS = T S + T R = 291,6 + 40 = 331,6° K Thay (23) vào (18) xác định N SYS : (23) 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 = P R - Nsys = -75 + 127,83 = 52,83[ d B ] (24) Bước Tính tốn lượng đường truyền từ vệ tinh xuống trạm thu Hà Nội để từ tính cơng suất tối thiểu máy phát trạm phát Bình Dương với điều kiện Tương tự tính thơng số: Hệ số tăng ích anten G [ d B ] = 20 lg 10 + 20 lg D + 20 lg f +10 lg  = 18,18 + 201gD + 20 lgf * Hệ số tăng ích 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 anten thu, D= m GR[dB = 18,18 + 20lgD + 20lg f[dB = 18,18 + 20lg8 + 20lg11 = 57,06 [ d B ] (26) Suy hao hệ thống fiđơ: Hệ thống fiđơ dùng Thông tin vệ tinh thiết kế cho nhỏ tốt Ở vệ tinh, có dạng gọn, nhẹ nên suy hao fi nhỏ Tại trạm mặt đất, máy phát máy thu đặt gần anten tốt để cho suy hao ống dẫn sóng nhỏ Thực tế, người ta thiết kế hệ thống fĩ để có suy hao l-2dB trạm mặt đất  ldB vệ tinh thông tin Footer Page of 126 Header Page 10 of 126 Do đó, chọn suy hao fĩ sau: * Suy hao hệ thống fiđơ phát: LT = ldB (27) * Suy hao hệ thống fỉ thu: LR = 2dB (28) Suy hao đường truyền LP Suy hao đường truyền xác định (2), ta tính thành phần này, cụ thể: * Suy hao không gian tự do: г Suy hao không gian tự tính theo cơng thức Trong R2: khoảng cách đường truyền, từ trạm phát Vệ tinh đến trạm thu Hà Nội - Vị trí trạm thu Hà Nội: 21°09’N, 106°14’E - Vị trí vệ tinh Vinasat: 132,0°E Từ đó, xác định vị trí hình chiếu 00°00’N, 132°00’E Footer Page 10 of 126 Header Page 11 of 126 - Sử dụng phần mềm tính qng đường để tính cung trịn từ vị trí trạm phát Bình Dương đến vị trí hình chiểu vệ tinh lên đất, xác định cung tròn là: N=1980nm (hải lý)   N 1980   330 60 60 - Bán kính đất R = 6400km - Độ cao vệ tinh h = 35750km - Xét tam giác vuông AOB ta có: OB = R.cos = 6400.cos33° = 6400.0,8387 = 5367,68km  BC = h + FB = 35750 + (6400 - 5367,68) = 36782.32km AB = R.sin = 6400.sin33° = 6400.0,5446 = 3485.44km  R2  36782,32  3485,44  36947,09km Từ (29) tính theo dexibel ta có:  4.3,14.36947,09.10  4R1     dB   10 lg   10 lg  0,027     2    204,7dB   30 * Suy hao hấp thụ tầng điện ly: Li Trong dải tần Uplink 11Ghz không bị hấp thụ tầng điện ly nên suy hao hấp thụ tầng điện ly: Li = Tần số (GHz) Hình 3: Cửa sổ tần số vơ tuyến Footer Page 11 of 126 (31) Header Page 12 of 126 * Suy hao hấp thụ không khí: La Trong dải tần Uplink 14Ghz khơng bị hấp thụ khơng khí nên suy hao hấp thụ khơng khí: La = (32) * Suy hao mưa: Lr Trong thông tin vệ tinh, sử dụng tần sổ Uplink 10GHz suy hao mưa nhân tố quan trọng định chất lượng tuyến Từ hình vẽ, fD= 11GHz ta có: Lr =l.9[dB] (33) Vậy, từ (2), (30) (33) ta xác định suy hao đường truyền 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 máy thu Hà Nội PT = 75dBmW, ta tính cơng suất máy phát từ trạm phát Vệ tinh xuống sau: Từ (2) PR = PT + GT — LT + GR — LR — Lp => PT = P R - G T + L T - G R + L R + L p = -75 -40,59 +1 -57,06 + + 204,7 = 35.05[dBm] (35) Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương EIRP = P T + G T - L T = 35,05 + 40,59 -1 = 74,64[dBm] (36) Tỷ số cơng suất sóng mang cơng suất tạp âm xác định Để xác định C/N cần tìm Nsys nhiệt tạp âm hệ thống Nhiệt tạp âm hệ thống xác định bởi: TSYS  TS  TA  TF  TR LF (16) Khác với đường lên, đường xuống từ vệ tinh đến trạm mặt đất cần phải tính hết thơng số (16) Do ta cần xác định: * Tạp âm nhiệt bên ngoài: Ts Tạp âm nhiệt bên xác định theo (17) Tuy nhiên, nhiệt độ Footer Page 12 of 126 Header Page 13 of 126 trung bình mùa mưa Hà Nội 25°C=298°K nên   TS  Tr = Tm 1    1,12.298 - 50 = 283,76 dB  LM  (37) *Tạp âm anten: TA Trong thông tin vệ tinh thường chọn TA = 30°K (39) * Nhiệt tạp âm máy thu: Như với TR = 40°K (40) Nhiệt độ tạp âm tương đương máy thu máy thu sử dụng 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:  T  TA  TF   283,76  30  298  TSYS dB  10 lg  S  TR   10 lg   40   30,25dB LF 0.6     (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 = P R - N SYS = -75 + 122,79 = 47,79[ d B ] Footer Page 13 of 126 (24) Header Page 14 of 126 Bước 3: Trên sở việc thiết kế lượng đường truyền trên, xây dựng bảng kết sau: Vệ tinh 132,0°E Phát Bình Dương Băng tần lên 14Ghz Thu Hà Nội Băng tần xuống 11Ghz (PT) u dBm 53,67 (LT) u dB 2,0 (GT) u dB 59,16 (EIRP) u dBm 110,83 (La) u dB (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 (GR)d dB 57,06 (LR)d dB 2,0 (NsYs)d dBHz -122,79 (C/N)d dBHz 47,79 Câu b Tính thông số với điều kiện vào mùa khô (trời không mưa): Trên sở thông số tuyến lên tuyến xuống xác định ta thấy - Gt, GR không thay đổi; - La, Li coi trên; - Lp, LR khơng thay đổi Do đó, mưa ảnh hưởng đến thông số nhiệt tạp âm NSYS thông số tính sau: Footer Page 14 of 126 Header Page 15 of 126 Công suất tạp âm N hệ thống thu tính đầu vào máy thu biểu thị công thức: N = k.Tsys.B Nhiệt độ tạp âm tương đương hệ thống tính theo công thức: TSYS  TS  TA  TF  TR LF NSYS = 10 lg(k.TSYS.B) [dB] Như phân tích trên, nhiệt tạp âm bên ngồi chủ yếu mưa, xác định bởi:    TS  TM  Tm 1  L M   Trong TM nhiệt tạp âm mưa Tm : Nhiệt độ trung bình mưa tính theo cơng thức: Tm =1,12T x q -50(°K) Txq: Nhiệt độ trung bình mùa khơ Bình Dương 22°c = 295°K LM : Suy hao 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 cơng thức: Theo cơng thức (13) ta có: PT = PR - Gt + LT - GR + LR + L p = -75 - 40,59 +1 - 57,06 + + 204,7 = 35.05[dBm] Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương EIRP = PT + G T - L T = 35,05 + 40,59 -1 = 74,64[ d B m] C/N = PR - Nsys = -75 + 122,89 = 47,89[dB] Footer Page 15 of 126 Header Page 16 of 126 Câu c: Kết luận kết trường hợp trên: Trên sở tính tốn thấy rằng, điều kiện trời mưa hay trời khô, tần số Uplink 14GHz Downlink 11GHz dải tần số chịu suy hao chủ yếu mưa, nhiên, ảnh hưởng không lớn toàn hệ thống Footer Page 16 of 126 Header Page 17 of 126 PHẦN II XÁC ĐỊNH DUNG LƯỢNG KÊNH CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH Đề bài: Tính tốn dung lượng kênh hệ thống thơng tin vệ tinh hai trường hợp khơng nén 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: - Mơ hình hệ thống thơng tin vệ tinh * Trường hợp không nén - Theo công thức Shanon: R = B log(l + - Tốc độ Baud Footer Page 17 of 126 S ) N Header Page 18 of 126 R1  - B 72.10   60.10 ( Baud ) 1,198 1,198 Thực điều chế 32 PSK nên số bit /symbol (vì 25 = 32) Vậy tốc độ sau điều chế là: R2 = 2R1 = 2.60.106 = 120.106 - Do có mã PN nên tốc độ sau mã kênh là: R3 =6R2 = 6X120.106 = 720.106 - Thực mã kênh FEC (tỷ lệ 7/8) nên tốc độ sau mã tin: R4  3 R3  x720 x10  540.10 4 Với băng thông tín hiệu hình: Bh= 48MHz (fmâu = 6MHz), ta xác định số kênh hình là: nhình  R4 100 540.10 100   (kênh) Bh 120 48.10 120 Hệ số dự trữ kênh 20% * Trường hợp có nén Trong truyền hình sử dụng mã có tỷ lệ nén cao 6:1, 16:1, 80:1 100:l Với mã nén khác ta có số bít khác số kênh phát hình khác nhau: Cơng thức chung để tính số kênh hình đầu vào là: - Tốc độ tín hiệu hình sau nén: R5  R4 với m tỷ lệ nén (m= 6; 16; m 80;100) - Số kênh hình đầu vào phát là: nhình  R4 100 mR4 100 100  m R5 120 R5 120 120 Vậy: - Tỷ lệ mã 6:1 Số kênh hình phát là: Footer Page 18 of 126 Header Page 19 of 126 n hình  - 100 = (kênh) 120 Tỷ lệ mã 16:1 Số kênh hình phát là: nhình  16 - 100  13 (kênh) 120 Tỷ lệ mã 80:1 Số kênh hình phát là: nhình  80 - 100  = 66 (kênh) 120 Tỷ lệ mã 100:1 Số kênh hình phát là: n hình  100 100  83 (kênh) 120 Kết luân: Có thể thấy thực nén số kênh truyền tăng lên nhiều, tức số người sử dụng tăng Tuy nhiên, thực nén phải trả giá mặt chất lượng hệ thống (do số lỗi bít tăng) Footer Page 19 of 126  ... 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 máy thu Hà Nội PT = 75dBmW, ta tính cơng suất máy phát từ trạm phát Vệ tinh xuống... Page of 126 Công suất phát từ trạm phát Bình Dương lên vệ tinh Với yêu cầu công suất yêu cầu tối thiểu máy thu P T = -7 5dBmW ta tính cơng suất máy phát từ trạm phát Bình Dương lên vệ tinh sau:... sánh thông số rút kết luận (nếu có) Vậy, tốn cần giải theo bước sau: Bước 1: Tính tốn lượng đường truyền từ trạm phát Bình Dương lên vệ tinh từ tính công suất tối thiểu máy phát trạm phát Bình Dương