tính toán và thiết kế hệ thống vệ tinh vsat

1





















L
L
u
u
ậ
ậ
n
n

v
v
ă
ă
n
n


















T
T
Í
Í
N

N
H
H


T
T
O
O
Á
Á
N
N


V
V
À
À


T
T
H
H
I
I
Ế
Ế
T

T


K
K
Ế
Ế


H
H
Ệ
Ệ


T
T
H
H
Ố
Ố
N
N
G
G


V
V
Ệ

Ệ


T
T
I
I
N
N
H
H


V
V
S
S
A
A
T
T

2









1
1
.
.


G
G
I
I
Ớ
Ớ
I

I


T
T
H
H
I
I
Ệ
Ệ
U
U


C
C
H
H
Ư
Ư
Ơ
Ơ
N
N
G
G


M

M
ụ
ụ
c
c


đ
đ
í
í
c
c
h
h


c
c
h
h
í
í
n
n
h
h


c

c
ủ
ủ
a
a


v
v
i
i
ệ
ệ
c
c


t
t
h
h
i
i
ế
ế
t
t


k

k
ế
ế


l
l
à
à


t
t
h
h
i
i
ế
ế
t
t


l
l
ậ
ậ
p
p

t
t
ỷ
ỷ


s
s
ố
ố


C
C
/
/
N
N


t
t
h
h
e
e
o
o

y
y
ê
ê
u
u


c
c
ầ
ầ
u
u


.
.
V
V
ì
ì


v
v
ậ
ậ
y

y


t
t
r
r
ọ
ọ
n
n
g
g


t
t
â
â
m
m


c
c
ủ
ủ
a
a

c
c
h
h
ư
ư
ơ
ơ
n
n
g
g


n
n
à
à
y
y


l
l
à
à


t

t
í
í
n
n
h
h


t
t
o
o
á
á
n
n


c
c
ự
ự


l
l
y
y

t
t
h
h
ô
ô
n
n
g
g


t
t
i
i
n
n
,
,


k
k
ế
ế
t
t

n
n
ố
ố
i
i


đ
đ
ư
ư
ờ
ờ
n
n
g
g


l
l
ê
ê
n
n
,
,

đ
đ
ư
ư
ờ
ờ
n
n
g
g


x
x
u
u
ố
ố
n
n
g
g
.
.


T
T
ừ

ừ


đ
đ
ó
ó


k
k
i
i
ể
ể
m
m


t
t
r
r
a
a


x
x
e

e
m
m


t
t
u
u
y
y
ế
ế
n
n


đ
đ
ạ
ạ
t
t


c
c
h
h
ấ

ấ
t
t


l
l
ư
ư
ợ
ợ
n
n
g
g


s
s
o
o


v
v
ớ
ớ
i
i

y
y
ê
ê
u
u


c
c
ầ
ầ
u
u


h
h
a
a
y
y


k
k
h
h
ô

ô
n
n
g
g
,
,
q
q
u
u
a
a


đ
đ
ó
ó


t
t
h
h
i
i
ế
ế
t

t


l
l
ậ
ậ
p
p


t
t
r
r
ạ
ạ
m
m


m
m
ặ
ặ
t
t


đ

đ
ấ
ấ
t
t


p
p
h
h
ù
ù


h
h
ợ
ợ
p
p
.
.


Cấu trúc truyền dẫn tiên tiến đối với cả 2 đường lên và xuống.


II. CÁC THÔNG SỐ CẦN CHO TÍNH TOÁN
1. Cấu hình trạm mặt đất cần chọn chủ yếu là các tham số:

 Loại anten (đường kính, hiệu suất, hệ số phẩm chất, nhiệt độ tạp âm).
 Công suất máy phát.
Người Dùng
T
ập đo
àn, Văn ph
òng,
Dịch vụ, ISPs (Nhà
cung cấp Dvụ Internet),
Dài phát thanh
Cáp Quang

iPSTAR GATEWAY

Other iPSTAR
Gateways
Internet, PSTN, Public
& Private networks
Return Links (from Terminal to
Gateway)

Forward Links (from Gateway
to Terminal)

3

2. Việc tính toán sẽ dựa trên một số giả thiết cho trước như:
 Chất lượng tín hiệu yêu cầu.
 Các tham số suy hao.
 Hệ số dự trữ.

3. Các tham số sử dụng trong tính toán thiết kế có thể phân chia theo thành
phần hệ thống liên quan như:
 Trạm mặt đất
+ Vị trí địa lý của trạm, tính toán các tham số như suy hao do mưa (đây cũng là
nguồn gây nhiễu loạn ngẫu nhiên nhất), góc nhìn vệ tinh, cự ly thông tin, suy hao
đường truyền.
+ Mức công suất phát xạ đẳng hướng tương đương (EIRP_Equivalent Isotropic
Radiated Power): công suất phát xạ, hệ số phẩm chất (G/T)e của trạm.
+ Nhiệt độ tạp âm hệ thống: liên quan tới độ nhạy và hệ số phẩm chất.
+ Ảnh hưởng của tạp âm điều chế bên trong tới tỷ số tín hiệu trên tạp âm.
+ Các đặc điểm của thiết bị (suy hao fiđơ, suy hao phân cực anten, đặc tính bộ
lọc ) để biết hệ số dự trữ kết nối T.
 Vệ tinh
+ Vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo.
+ Mức EIRP của vệ tinh, hệ số phẩm chất (G/T)s của vệ tinh.
+ Băng thông máy phát đáp, dạng phân cực, dải tần làm việc.
+ Mật độ thông lượng bão hoà.
+ Mức lùi công suất đầu vào (IBO), đầu ra (OBO).
5. Khi xem xét đến nhiễu các nhà vận hành vệ tinh sử dụng nhiều phương pháp
khác nhau (như ở Intersat sử dụng thông số C/N(dB) để xem xét nhiễu trong khi ở
Eutesat thì ngược lại sử dụng C/N
o
(dBHz)). Chất lượng và độ sẵn dùng đựoc định
nghĩa là các khoảng % thời gian mà trong đó các mức ngưỡng BER không được vượt
quá.
Trước khi đi vào tính toán bài toán cụ thể ta cần xem xét vấn đề như :
4

 Việc xác định kích thước Aten và công suất yêu cầu trên một đường truyền
là tùy thuộc vào độ lợi của bộ phát đáp. Độ lợi này thường được đưa ra ở trạng

thái bão hòa của bộ phát đáp. Điều này còn tùy thuộc vào đặc tính phi tuyến
TWT hay SSPA của bộ phát đáp.
 Sự chiếm dụng của một mạng VSAT có thể được miêu tả bởi 2 đại lượng :
+ Sự chiếm dụng băng thông : là tỉ số tổng các băng tần được phân phối
cho mỗi sóng mang của mạng chia cho độ rộng băng thông bộ phát đáp.
+ Sự chiếm dụng công suất : là tỉ số EIRP cần dùng cho mỗi sóng mang
của mạng chia cho EIRP hữu dụng của bộ phát đáp (EIRP ở trạng thái
bão hòa trừ cho toàn bộ mức lùi đầu ra.
2
2
.
.


B
B
À
À
I
I


T
T
O
O
Á
Á
N
N

T
T
H
H
Ự
Ự
C
C


T
T
Ế
Ế
:
:


2.1. Giới thiệu chung
Mục đích chính của việc thiết kế là thiết lập tỷ số C/N
o
theo yêu cầu tại đầu vào
máy thu. Vì vậy trọng tâm của chương này là tính toán các thông số được lựa chọn kỹ
lưỡng để nhận dược tỷ số C/N
o
để đầu vào máy thu đạt yêu cầu, từ đó kiểm tra xem
tuyến đạt chất lượng so với yêu cầu hay không. Qua đó, dựa vào các thông số tính
được để lựa chọn các cấu hình cần thiết cho việc thiết lập trạm mặt đất trong thông tin

vệ tinh.
2.2 Mô hình và các thông số của một tuyến thông tin
2.2.1 Mô hình tuyến
5


Hình 2.2 : Mô hình hoạt động của mạng VSAT IPSTAR.
2.2.2 Tính toán góc ngẩng và góc phương vị
2.2.2.1 Góc ngẩng
Để tính góc ngẩng anten trạm mặt đất, ta có thể dựa vào hình vẽ 2.3


Hình 2.3 : Tính toán góc ngẩng
Trong hình 2.3 : O là tâm trái đất, A là vị trí của trạm mặt đất, S là vị trí của vệ tinh,
0

là góc ở tâm,
e

là góc ngẩng của trạm mặt đất.

Trạm
Uts

phát
Trạm
Uts

thu
Tr

ạm cổng
GW
V
Ệ TINH

M
Vệ tinh
θ
e


r

Tâm quả đất
R
e


0
R

S
A
6

Ta có
SM
MA
tg
e




Trong đó,
e
RrOAOSOAOMMA 
00
coscos.



00
sinsin.

rOSSM 
Từ đó suy ra:
0
0
0
0
sin
cos
sin
cos





r

R
r
Rr
tg
e
e
e





2.2.2.2 Góc phương vị
Góc phương vị là góc dẫn đường cho anten quay tìm vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh
theo hướng từ Đông sang Tây.
Góc phương vị được xác định bởi đường thẳng hướng về phương Bắc đi qua trạm mặt
đất với đường nối đến vệ tinh. Góc được xác định theo chiều kim đồng hồ như hình 2.3. Góc
phương vị được tính theo biểu thức:


a
= 180
0
+ kinh độ tây hoặc


a
= 180
0
- kinh độ đông


a
phụ thuộc vào kinh độ, vừa kinh độ tại điểm thu và kinh độ vệ tinh. Góc phương
vị của 2 vệ tinh được tính theo công thức:
Vệ tinh 1:

a1
= 180
0
- kinh độ đông


Vệ tinh 2:

a2
= 180
0
+ kinh độ tây
Góc phương vị

a
được tính theo công thức:
Cực Bắc

45
0
W
30
0

E
Góc phương vị của vệ tinh 2
Góc phương vị của vệ tinh 1
Vệ tinh 2
Vệ tinh 1
Hình 2.3 Góc phương vị của vệ tinh
7


)sin(
Ltg
tg
e
a




 (2.2)
Với

là vĩ độ của trạm mặt đất (độ).
e
L là hiệu kinh độ đông của vệ tinh với trạm mặt đất,
e
L = L
s
- L
e
.

2.2.3 Tính toán kết nối đường lên (UPLINK).
2.2.3.1 Công suất phát của trạm mặt đất P
TXe
(e - để phân biệt của trạm mặt đất
"earth station", sl - là của vệ tinh "satellite")
Đây là công suất phát thực của trạm mặt đất tính từ Anten trạm mặt đất và được tính
bằng tích độ lùi đầu ra OBO

với công suất phát trạm mặt đất bão hòa P
TXsat
.
P
TXe
= OBO * P
TXsat
hay P
TXe
(dBW)

= OBO(dB) * P
TXsat
(dBW) (2.3)

OBO là độ lùi đầu ra của Anten trạm mặt đất cũng là độ dự trữ công suất cho trạm khi
trời mưa OBO = - A
rain
(suy hao do mưa).
2.2.3.2. Hệ số khuếch đại anten phát trạm mặt đất G
TXe

Độ lợi anten là thông số rất quan trọng trong trạm mặt đất, anten đặt ở ngõ vào để
khuếch đại tín hiệu rất nhỏ từ picowatt đến nanowatt. Độ khuếch đại lớn sẽ làm tăng tỷ số
C/N
o
, nó liên quan đến đặc tính chảo anten và băng tần công tác:

2
log10







c
Df
G
U
TXe



hoặc:


dBcDfG
UTXe
)lg(20)lg(20)lg(10 


(2.4)
với : D là Đường kính của anten phát.

U
f là tần số tín hiệu phát lên.


là hiệu suất của anten,

thường khoảng từ 50% - 80% .
c là vận tốc ánh sáng, c = 3.10
8
m/s.
2.2.3.3 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của trạm mặt đất
e
EIRP .
Công suất bức xạ hiệu dụng EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power) còn gọi là
công suất bức xạ đẳng hướng tương đương, nó biểu thị công suất của chùm sóng chính phát
từ trạm mặt đất đến vệ tinh. Được tính bằng tích của công suất máy phát đưa tới anten trạm
mặt đất P
TXe
với hệ số tăng ích của anten phát G
Txe
.

TXeTXee
GPEIRP  (W)
8

hoặc:

TXeTXee
GPEIRP  )lg(10 [dBW] (2.5)
EIRP
e
thông thường của trạm mặt đất có giá trị từ 0dBW đến 90dBW, còn của vệ tinh
từ 20dBW đến 60dBW.
2.2.3.4. Tổng suy hao tuyến lên L
U
.
Tổng suy hao tuyến lên:
AU
LLL 
FS
(dB) (2.6)
Trong đó:
FS
L - suy hao tuyến phát trong không gian tự do.

A
L
- suy hao do Anten (do mưa và tầng khí quyển).
Trong đó: Suy hao tuyến lên trong không gian tự do được tính theo biểu thức:
)lg(20)4lg(20 cRfL
UFS


(dB) (2.7)

Suy hao tuyến lên Anten được tính theo biểu thức:
rainAGA

AAL . (dB) (2.8)
Với: A
AG
: suy hao tầng khí quyển.
A
rain
: suy hao do mưa.
2.2.3.5. Độ lợi Anten thu (/m
2
) G
1
)/(
2
mdBW .
Độ lợi của anten thu (trên 1m
2
) được tính bằng biểu thức:

 
2
2
1
4
4








c
f
G
U
RX



(2.9)
Với :
U
f : là tần số tín hiệu phát lên.
c : là vận tốc ánh sáng, c = 3.10
8
m/s.
2.2.3.6. Mật độ dòng công suất bức xạ hiệu dụng (trên 1m
2
) của trạm mặt đất
Ф
1
(dBW/m
2
).
Mật độ dòng công suất bức xạ hiệu dụng trên 1m
2
được tính bằng công thức:






1
2
1
/ GLdBWEIRPmdBW
Ue
 (2.10)
Với : EIRP
e
: Công suất bức xạ đẳng hướng của trạm mặt đất
L
U
: Suy hao tuyến lên.
G
1
: Độ lợi của anten thu (trên 1m
2
)
2.2.3.7. Độ lùi đầu vào IBO.
a) Độ lùi đầu vào IBO
1
của một trạm.
IBO
1
được tính bởi công thức:
9


sat

IBO


1
1

Hay:






22
1
2
1
/// mdBWmdBWmdBWIBO
sat

 (2.11)
Với : Ф
1
: Mật độ dòng công suất bức xạ mặt đất trên 1m
2

Ф
sat
: Mật độ dòng công suất bức xạ bão hòa (vệ tinh) trên 1m
2

b) Độ lùi đầu vào tổng IBO
t
.
IBO
1
được tính bởi công thức:

satsat
t
t
IBO




1


Hay:






222
/// mdBWmdBWmdBWIBO
sattt


 (2.12)
Với : Ф
t
: Tổng mật độ dòng công suất bức xạ mặt đất trên 1m
2

Ф
sat
: Mật độ dòng công suất bức xạ bão hòa (vệ tinh) trên 1m
2


2.2.3.8. Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên (C/N
o
)
U
Trong các tuyến thông tin vệ tinh, chất lượng của tuyến được đánh giá bằng tỷ số
công suất sóng mang trên công suất tạp âm (C/N
o
), hay công suất sóng mang trên nhiệt tạp
âm tương đương (C/T
o
). Tạp âm chủ yếu phụ thuộc vào bản thân máy thu, vào môi trường
bên ngoài như môi trường truyền sóng và can nhiễu phụ thuộc các hệ thống viba lân cận…
1) Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên bão hòa (C/N
o
)
Usat
.
Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên bão hòa (C/N

o
)
Usat
được tính theo công thức:
 




kT
G
G
NC
SL
sat
Usat
11
/
1








(Hz)





)/(log10)/()/()/()(/
2
1
2
KdBJkKdB
T
G
mdBGmdBWdBHzNC
oo
SL
satUsat


(2.13)
Trong đó: Ф
sat
: Mật độ dòng công suất bão hòa (vệ tinh) trên 1m
2

G
1
: Độ lợi Anten thu (/m
2
).
(G/T)
SL
: Hệ số phẩm chất máy thu vệ tinh.
k : là hằng số Boltzman, k =1,38.10

-23
(J/
o
K).
2) Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên một trạm mặt đất (C/N
o
)
U1
.
Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên của trạm mặt đất (C/N
o
)
Usat
được tính theo
công thức:
10


 
1
1
/ IBO
N
C
NC
sat
O
U








 (Hz)

 














1
log10)(/ IBO
N
C
dBHzNC
sat
O
U

(2.14)
Trong đó: (C/N
o
)
Usat
:Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên bão hòa.
IBO
1
:Độ lùi đầu vào của một trạm mặt đất.
2.2.4 Tính toán kết nối đường xuống (DOWNLINK).
2.2.4.1. Hệ số khuếch đại anten thu trạm mặt đất G
RXe

Hệ số khuếch đại anten thu trạm mặt đất có biểu thức tính tương tự như đối với hệ số
khuếch đại anten phát trạm mặt đất:

2
log10







c
Df
G
D
RXe







dBcDfG
DRXe
)lg(20)lg(20)lg(10 

(2.15)
với : D :Đường kính của anten phát.

D
f :Tần số tín hiệu phát xuống.


: hiệu suất của anten,

thường khoảng từ 50% - 80% .
c là vận tốc ánh sáng, c = 3.10
8
m/s.

2.2.4.2 Tổng suy hao tuyến xuống L
D
Tổng suy hao tuyến lên:
AFSD
LLL  (dB) (2.16)
Trong đó: L

FS
- suy hao tuyến xuống trong không gian tự do.
L
A
- suy hao do Anten (do mưa và tầng khí quyển).
Trong đó *Suy hao tuyến xuống trong không gian tự do được tính theo biểu thức:
)lg(20)4lg(20 cdfL
DFS


(dB) (2.17)
*Suy hao tuyến lên Anten được tính giống như tuyến lên:
2.2.4.3. Hệ số phẩm chất của trạm mặt đất (G/T)
E
.
Hệ số phẩm chất của trạm mặt đất (G/T)
E
được tính bằng biểu thức:







polR
EE
LL
T
G

T
G
max
(dB/
0
K) (2.18)
Trong đó: (G/T)
Emax
: Hệ số phẩm chất cực đại của trạm mặt đất.
L
R
: suy hao lệch tâm.
L
pol
: Suy hao do phân cực.
δ : Tổng suy hao do Feeder và do mưa.
11


Hình : hjg
Ở đây (G/T)
Emax
được tính bằng biểu thức:

   








min
max
max
1
/
D
E
R
E
T
GTG (
o
K
-1
)







minmaxmax
log10/
D
E
RE
TGTG  (2.20)

Trong đó : G
Rmax
: Độ lợi Anten thu.
T
Dmin
: Nhiễu nhiệt đường xuống(không có thành phần nhiễu
do mưa)


Hình : a) T
Dmin
Không bị nhiễu do mưa, b) T
D
Bị nhiễu do mưa
Với T
Dmin
được tính bằng biểu thức:

RgroundskyD
TTTT 
min

Trong đó : T
sky
:nhiễu nhiệt bầu trời.
12

T
ground
:nhiễu nhiệt mặt đất.

T
R
: nhiễu nhiệt vào
2.2.4.4. Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến xuống bão hòa (C/N
o
)
Dsat
.
Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến xuống bão hòa (C/N
o
)
Dsat
được tính theo công
thức:
 




kT
G
L
EIRPNC
ES
D
SLsat
Dsat
11
/
0







 (Hz)




)/(log10)/()()/()(/
2
0
KdBJkKdB
T
G
dBLmdBWEIRPdBHzNC
oo
ES
DSLsat
Dsat

(2.21)
Trong đó: EIRP
SLsat
: Công suất bức xạ bão hòa (vệ tinh) trên 1m
2

G

1
: Độ lợi Anten thu (/m
2
).
(G/T)
SL
: Hệ số phẩm chất máy thu vệ tinh.
k : là hằng số Boltzman, k =1,38.10
-23
(J/
o
K).
2.2.4.5. Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của một sóng mang EIRP
1
.
Công suất bức xạ đẳng hương tương đương một sóng mang EIRP
1
được tính bằng
công thức:

11
OBOEIRPEIRP
SLsat
 (W)
hoặc: )()(
11
dBIBOdBWEIRPEIRP
SLsat
 [dBW] (2.22)
trong đó :

2.2.4.6. Độ lùi đầu ra OBO.
a) Tổng độ lùi đầu ra OBO
t
.
13



Figure A6.2 OBOt as a function of IBOt

Tổng độ lùi đầu ra OBO
t
được tính bằng biểu thức:

TXsat
TX
t
P
P
OBO


Hay:








dBIBOdBdBdBOBO
dBIBOdBIBOdBOBO
t
vói
t
t
vói
tt
05)(0)(
5)5)((9.0)(
(2.23)
Trong đó :

b) Độ lùi đầu ra OBO
1
.
Tổng độ lùi đầu ra OBO
t
được tính bằng biểu thức:

nOBOdBOBO
n
OBO
OBO
t
t
log10)(
1

1



Hay: )5)((9.0)(
11
 dBIBOdBOBO (2.24)
Trong đó :


14

2.2.4.7. Tỷ số sóng mang trên tạp âm nhiễu tuyến xuống trên một sóng mang
(C/N
o
)
D1
.

Figure 5.18 Geometry of the downlink. P TX: carrier power at satellite
transmitter output; L FTX: feeder loss from satellite transmitter to antenna;
P T: carrier power fed to the satellite antenna GT: satellite antenna transmit
gain in direction of earth station; θ T: satellite antenna half beamwidth angle;
GRmax: earth station antenna receive gain at boresight; θR: earth station
antenna depointing angle; L FRX: feeder loss from earth station antenna to
receiver input; CD: carrier power at receiver input; RX: receiver

Tỷ số sóng mang trên tạp âm nhiễu tuyến xuống trên một sóng mang (C/N
o
)

D1
được
tính bằng biểu thức:

 
Dsat
D
N
C
OBONC







0
1
1
0
/ (2.25)
Trong đó :
2.2.4.8. Tỷ số sóng mang trên tạp âm nhiễu xuyên điều chế tuyến xuống trên
sóng mang (C/N
o
)
IM
(IM – intermodulation :xuyên điều chế).
15

Hình : a) Nhiễu xuyên điều chế tuyến xuống do búp sóng khác(vệ tinh).
b) Nhiễu xuyên điều chế tuyến xuống do trạm GetWay khác.
Tỷ số sóng mang trên tạp âm nhiễu xuyên điều chế tuyến xuống trên sóng mang
(C/N
o
)
IM
được tính bằng biểu thức:


dBIBOdBOBOnNC
t
vói
t
IM
5)5)((65.1log1079/
0
 (2.26)
Trong đó :
GW
UT
Satellite


GetWay

UT
Satellite

a)
b)
16


2.2.4.9. Tỷ số sóng mang trên tạp âm nhiễu giao thoa tuyến xuống trên sóng
mang (C/N
oi
)
D
(i – interference :giao thoa).

Hình : a) Nhiễu giao thoa tuyến xuống do búp sóng vệ tinh khác.
b) Nhiễu giao thoa tuyến xuống do trạm GetWay khác.
a)
b)
17

Tỷ số sóng mang trên tạp âm nhiễu giao thoa tuyến xuống trên sóng mang (C/N
oi
)
D

được tính bằng biểu thức:







)65.1log(25,minlog10log10/
maxmax,max,0


RXiiSLiSLw
D
i
GBNBBEIRPEIRPNC
(2.27)
Trong đó :

2.2.4.10. Tỷ số sóng mang trên tạp âm nhiễu toàn tuyến trên sóng mang (C/N
o
)
t
.
Tỷ số sóng mang trên tạp âm nhiễu toàn tuyến trên sóng mang (C/N
o
)
t
được tính bằng
biểu thức:













111
0
1
0
1
0
1
0
//////


D
i
U
i
IMDUt
NCNCNCNCNCNC (Hz
-1
)
Hay:
 


















10
/
10
/
10
/
10
/
0
10101010log10/
00
0
i
IMD
U
NC
NCNCNC
t

NC
(dBHz)
(2.28)
Trong đó :




========================



Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến xuống (C/N
o
)
D
Trong các tuyến thông tin vệ tinh, chất lượng của tuyến được đánh giá bằng tỷ số
công suất sóng mang trên công suất tạp âm (C/N
o
), hay công suất sóng mang trên nhiệt tạp
âm tương đương (C/T
o
). Tạp âm chủ yếu phụ thuộc vào bản thân máy thu, vào môi trường
bên ngoài như môi trường truyền sóng và can nhiễu phụ thuộc các hệ thống viba lân cận…
a) Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên bão hòa (C/N
o
)
Dsat
.

18

2.4.1 Công suất bức xạ hiệu dụng của vệ tinh
Công suất bức xạ hiệu dụng EIRP
s
của vệ tinh còn gọi là công suất phát xạ đẳng
hướng tương đương, nó biểu thị công suất của chùm sóng chính phát từ vệ tinh đến trạm mặt
đất. EIRP
s
của vệ tinh thông thường được cho trước .

2.4.4 Công suất sóng mang thu được ở trạm mặt đất
Công suất sóng mang nhận được tại đầu vào máy thu trạm mặt đất được xác định theo
biểu thức :

ReDsRe
GLEIRPC  (dB) (2.12)
với : G
Re
là hệ số khuếch đại của anten thu trạm mặt đất
2.4.5 Công suất tạp âm hệ thống
Công suất tạp âm hệ thống được tính bằng biểu thức:
BlogTlogklog)BkTlg(N
SYSYSSSYS
10101010 
6,228log10


k

T
SYS
là nhiệt tạp âm hệ thống được xem là tổng của bốn thành phần được biểu diễn
theo biểu thức:

R
F
FAS
SYS
T
L
TTT
T 

 [
0
K]
2.4.6 Tỉ số công suất sóng mang trên công suất tạp âm tuyến xuống
Tỉ số công suất sóng mang trên công suất tạp âm tuyến xuống là:

SYSReDsSYSReD
NGLEIRPNC)N/C(  (2.13)



4.2.2 Những yếu tố cần xem xét khi phân tích tuyến
Tỷ số C/N tại máy thu là một yếu tố quan trọng trong việc thiết kế một tuyến
thông tin để đảm bảo được chất lượng yêu cầu, nhưng C/N tại máy thu được xác định
bằng các đặc tính của thiết bị riêng biệt trong trạm mặt đất, vệ tinh và các ảnh
hưởng của môi trường đến việc thiết lập tuyến.

Trạm mặt đất :
Việc chọn lựa vị trí trạm mặt đất rất phức tạp phải xét đến các điều kiện sau:
+ Vị trí địa lý của trạm mặt đất giúp ta có thể ước lượng được suy hao do mưa
góc nhìn vệ tinh, EIRP của vệ tinh theo hướng trạm mặt đất và suy hao đường
truyền.
+ Tránh khả năng bị nhiễu loạn ở các trạm viba cùng dải tần số.
19

+ Vị trí ở xa các vùng có cường độ trường lớn.
+ Các đặc tính thiết bị (ví dụ như độ dự trữ, độ phân tập phân cực ) quyết
định một phần độ dự trữ tuyến.
+ Quy mô trạm có thể mở rộng trong tương lai, dễ quản lý, bảo vệ.
Vệ tinh :
+ Vị trí vệ tinh liên quan đến vùng che phủ và góc nhìn của trạm mặt đất.
+ Độ lợi anten phát, thu quyết định đến EIRP và vùng che phủ.
+ Công suất phát liên quan tới EIRP.
+ Độ lợi của bộ phát đáp và đặc tính tạp âm.
+ Tạp âm xuyên điều chế.
Kênh truyền :
+ Tần số hoạt động liên quan đến suy hao tuyến và độ dự trữ tuyến.
+ Các đặc tính lan truyền liên quan đến độ dự trữ tuyến và lựa chọn phương
pháp điều chế.
+ Tạp âm giữa các hệ thống.
Cự ly thông tin, góc ngẩng và góc phương vị của anten trạm mặt đất :

Hình 4.2 Các tham số của đường truyền trạm mặt đất - vệ tinh
Cự ly thông tin :
Góc ở tâm (
0

) đượctính theo công thức:

eo
L coscoscos

1.1
Với: (

) là vĩ độ của trạm mặt đất (độ).
(

L
e
) là hiệu kinh độ đông của vệ tinh với trạm mặt đất,

L
e
= L
s
- L
e

20

Khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh tính theo công thức:
)cos2(
0
22

ee
rRRrR  (Km) 1.2
Trong đó : (

0
) là góc ở tâm (độ).
R là khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh (Km).
R
e
là bán kính trái đất, R
e
= 6378 (Km).
r là bán kính quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh, r = 42.146(Km).
Góc ngẩng anten :
Theo hình vẽ (4.2), góc ngẩng E được tính:

0
0
0
0
0
sin
cos
sin
cos

sin






r
R
r
Rr
r
ROB
BC
AB
Tg
e
ee
e







1.3
Góc phương vị :
Góc phương vị Ф
A

được tính theo công thức :
)sin(





e
A
Ltg
tg
1.4 Công suất sóng mang :
Công suất thu là một yếu tố quan trọng nhất trong việc xác định chất lượng của
tuyến thông tin vệ tinh.
P
R
= P
T
- L
F
- G
T
- L
P
- G
R
- L
R
1.5
Trong đó:

P
T
- L
F
- G
T
biểu thị công suất thực tế phát tới máy thu. Nghĩa là nó tương
đương với công suất phát cần thiết khi sử dụng anten không có tăng ích và hệ thống
fiđơ không có suy hao. Công suất này được gọi là EIRP (công suất phát xạ đẳng
hướng tương đương), thường được dùng để biểu thị khả năng của một phương tiện
truyền dẫn đối với thông tin vệ tinh.
EIRP = 10lg(P.G) dBw 1.6 
P
T
: công suất phát.
L
F
: suy hao hệ thông fiđơ truyền dẫn.
G
T
: hệ số tăng ích của anten phát.
21

Suy hao truyền sóng là tên chung đối với suy hao trong không gian tự do, suy
hao xảy ra do hấp thụ bởi tầng điện ly, không khí và mưa. Nó được biểu thị:
L
P
= L
A
+ L

DL
+ L
T
+ L
FS

L
P
: Suy hao truyền sóng.
L
T
: Suy hao do đặc tính thiết bị.
L
A
: Suy hao do mưa.
L
FS
: Suy hao trong không gian tự do
L
FS
= (4R/λ)
2

4.7
L
DL
: Suy hao hấp thụ trong tầng đối lưu.
Suy hao trong không gian tự do chiếm phần lớn suy hao đường truyền. Khi sử
dụng tần số lớn hơn 10GHz thì suy hao do mưa có thể là nhân tố quyết định chất
lượng tuyến.

Công suất tạp âm nhiệt :
Tạp âm nhiệt được tạo ra trong máy phát và nó kết hợp với tạp âm bên ngoài đi
vào anten thu và tạp âm bên trong tạo ra từ bên trong máy thu, anten và hệ thống fiđơ.
Mặc dù số lượng tạp âm tạo ra từ máy phát là đáng kể nhưng nó giảm dọc theo đường
truyền vì thế có thể bỏ qua. Ta chỉ cần xét đến tạp âm bên trong và tạp âm bên ngoài.
Tạp âm bên ngoài:
Tạp âm bên ngoài bao gồm tạp âm không gian, tạp âm từ bề mặt trái đất, tạp
âm khí quyển và tạp âm mưa. Tạp âm bề mặt trái đất không ảnh huởng đến trạm mặt
đất bởi vì ta sử dụng anten có hướng nhưng nó ảnh hưởng đến vệ tinh thông tin vì
anten của nó hướng về phía trái đất. Nhiệt độ tạp âm của tạp âm bề mặt trái đất thu
bằng vệ tinh thông tin gần giống như của bề mặt trái đất. Nhiệt tạp âm của anten vệ
tinh thường lấy T
R
= 290
0
K.
Tạp âm bên trong.
Tạp âm bên trong xảy ra trong các anten, các hệ thống fiđơ và các máy thu,
tổng tạp âm đó là toàn bộ công suất tạp âm bên trong.
T
IN
=
R
F
FA
T
L
LTT

 )1(

0
4.8
22

T
IN
: tạp âm tổng bên trong. T
0
(L
F
- 1): tạp âm hệ thống fiđơ.
T
0
: nhiệt độ môi trường. T
A
: nhiệt tạp âm anten.
T
R
: nhiệt tạp âm máy thu. L
F
: suy hao hệ thông fiđơ (số thực).
Nguyên nhân chính gây ra tạp âm anten là tạp âm nhiệt xảy ra tại anten và có
nhiệt độ khoảng (30100)
0
K.
Nhiệt tạp âm đối với một máy thu bằng tổng nhiệt tạp âm gây ra trong mỗi
phần. Nhiệt tạp âm của máy thu được dựa trên công thức :
)1(2121
3
1

2
1


.


K
K
R
GGG
T
GG
T
G
T
TT 4.9
k : là số tầng khuếch đại của máy thu.
G
1
,G
2
,G
3
, G
K
là hệ số khuếch đại lần lượt của các tầng.
T
1
,T

2
,T
3
, T
K
lần lượt là nhiệt tạp âm của các tầng.
Vì tín hiệu trở nên lớn hơn khi đi qua mỗi tầng khuếch đại, nên tác động tạp
âm của mỗi tầng lại nhỏ đi. Như vậy khi cần giảm tạp âm trong máy thu xuống nhỏ
hơn như là trong hệ thống thông tin vệ tinh, thì sử dụng tầng khuếch đại đầu tiên có hệ
số khuếch đại cao thì tạp âm xảy ra tại tầng 2 và các tầng tiếp theo có thể bỏ qua. Tạp
âm đầu vào tầng đầu tiên là (70300)
0
K.
Xác định độ dự phòng công suất trạm mặt đất :
Khi phân tích để thiết kế các tuyến phải xác định độ dự phòng có thể cho phép
để xác định các chỉ tiêu kỹ thuật đối với trạm mặt đất. Phải chấp nhận một độ dự
phòng nào đó. Môi trường truyền dẫn ở Việt Nam thì ta thấy suy hao do mưa là yếu tố
quan trọng nhất trong các yếu tố ảnh hưởng. Cho nên việc tính toán suy hao do mưa
cần phải thận trọng, đóng vai trò quan trọng để đi đến độ dự trữ đạt giá trị nào. Ngoài
ra, những yếu tố như: sự hấp thụ khí quyển, nhiễu mặt trời, giao thoa bên trong hệ
thống và giữa các hệ thống, sự lão hóa thiết bị, tính không hiệu quả của thiết bị cũng
cần phải xem xét. Vì vậy ta phải tính đến các yếu tố đó để đảm bảo độ dự phòng công
suất của trạm và đảm bảo được chất lượng tuyến.


23

Công suất sóng mang thu là một yếu tố quan trọng trong việc xác định chất lượng của
một tuyến thông tin vệ tinh, công suất sóng mang phụ thuộc vào thiết bị như công suất máy
phát, hệ số tăng ích của anten thu vệ tinh Công suất sóng mang nhận được tại đầu vào máy
thu vệ tinh được xác định theo công thức :

RSUeRS
GLEIRPC  (dB) (2.5)
với : G
RS
- hệ số khuếch đại của anten thu vệ tinh.

2.3.6 Công suất tạp âm tuyến lên
BkTN
UU
 hay tính theo dB:
)Blg()Tlg()klg(N
UU
101010  (dB) (2.7)
Trong đó
k là hằng số Boltzman, k =1,38.10

-23
(W/Hz
0
K)
B là băng thông của máy thu.
T
U
là nhiệt tạp âm tuyến lên:
ASRSU
TTT 
Nhiệt tạp âm của máy thu vệ tinh được tính theo biểu thức:

0
10
110 T)(T
F
RS

Trong đó, F [dB] là hệ số tạp âm của máy thu vệ tinh và T
0
là nhiệt độ
chuẩn, KT
0
0
290
2.3.7 Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên
Trong các tuyến thông tin vệ tinh, chất lượng của tuyến được đánh giá bằng tỷ số
công suất sóng mang trên công suất tạp âm (C/N), hay công suất sóng mang trên nhiệt tạp âm
tương đương (C/T). Tạp âm chủ yếu phụ thuộc vào bản thân máy thu, vào môi trường bên
ngoài như môi trường truyền sóng và can nhiễu phụ thuộc các hệ thống viba lân cận.



URSUeURSU
NGLEIRPNCN/C  (dB) (2.8)
(C/N)
U
là tỷ số sóng mang trên tạp âm tại đầu vào bộ giải điều chế máy thu vệ tinh.

24

4.3 Ví dụ tính toán đường truyền tuyến thông tin vệ tinh Vinasat đối với
trạm mặt đất đặt tại Đà Nẵng

TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CỦA TUYẾN THÔNG TIN VỆ TINH TINH
VỚI TRẠM MẶT ÐẤT TẠI TP HỒ CHÍ MINH VÀ VỆ TINH THAICOM
Trong phần này ta tính các thông số của tuyến thông tin vệ tinh cụ thể, xét một
trạm mặt đất đặt tại TP Đà Nẵng có vĩ độ 13
0
04, kinh độ 100
0
Đông, thông tin với vệ
tinh địa tĩnh THAICOM có kinh độ 120
0
Ðông là quỹ đạo vệ tinh ta xin đăng ký với
ITU có khả năng chấp nhận nhất. Ta giả sử đang làm việc với băng Ku với tuyến
xuống 12 (GHz) và tuyến lên 14(GHz).
Số liệu ban đầu
 Băng tần hoạt động
Việc tính toán thiết kế được thực hiện trên băng K

u
với đường lên là 14GHz và đường
xuống là 12GHz. Với một trạm GetWay(trạm cổng-Hub) và 3 nhóm (G = 3) UserTerminal.
Mỗi nhóm gồm 20 trạm UT (L = 20).
 Trạm mặt đất:
Trạm mặt đất đặt tại Đà Nẵng có các đặc điểm sau:
 Vĩ độ là 16
0
Bắc.
 Kinh độ 102
0
Đông.
 Trạm mặt đất có anten đường kính
 D
UT
1,20m và hiệu suất 60% (η = 60%).
 D
GW
5,5m và hiệu suất 75% (η = 75%)
(đường kính-công suất GW lớn hơn UT).
 Công suất máy phát trạm mặt đất
 P
TX(UT)sat
= 1W.
 P
TX(GW)sat
= 5W.
 Độ cao anten trạm mặt đất so với nước biển 10m.
 Vệ tinh:
 Vị trí của vệ tinh là 120

0
Đông.
 EIRP
SLsat
của vệ tinh là 43 dBW
 Băng thông kênh truyền B = 36MHz.
 Hệ số tạp âm của máy thu vệ tinh F = 3dB.
 Hệ số phẩm chất của máy thu vệ tinh (G/T)s = 1dB/0K.
25

 Với một số giả thiết sau:
 Suy hao độ lệch hướng phân cực (Depointing Loss):
 Đối với UT L
T
= 1,2 dB(phát) và L
R
= 0,9 dB(thu).
 Đối với GW L
T
= L
R
= 0,5 dB.
 Suy hao do fiđơ:
L
FTX
= 0,2dB(phát) và L
FR
= 0,5dB (thu)
 Hệ số suy hao do mưa (độ cao vùng mưa 3,028Km) chọn A
rain

= 6dB.
 Hệ số suy hao do tầng đối lưu 0,02dB/Km.
 Nhiệt độ môi trường xung quanh trạm mặt đất Txq = 3000K.
4.3.2 Tính toán cự ly thông tin, góc ngẩng, góc phương vị
Tính toán cự ly thông tin
Từ công thức 4.1

0000
0
94,0)3,108120cos().16cos()cos(.coscos 
es
LL




0
=19,73
0
.

 cự ly thông tin
0
2
2
cos 2

rRrRR
ee


Thay số vào ta có :
94,0.42146.6378.2421466378
22
R =1311606,7(km).
Tính góc ngẩng θ
e
:
34,2
337,0
788,0
73,19sin
42146
6378
94,0
sin
cos
0
0
0








r
R
Tg

e
e

Từ đó suy ra θ
e
= 66.8
0

Góc phương vị Φ
e
Góc phương vị A tính theo công thức 4.4 :

)sin(





e
e
Ltg
tg

= 75,0
16
sin
7,11
0
0



tg
là một số âm và bằng -36,87
0
.
Suy ra Φ
e
=180
0
-36,87
0
=143,13
0
.
4.3.3 Tính toán tuyến lên