ĐIỆN tử VIỄN THÔNG chuong6 khotailieu

86

CHƯƠNG 6

TÍNH TOÁN TUYẾN THÔNG TIN VỆ TINH
6.1 Các tham số cơ bản
Các tham số cơ bản sử dụng trong tính toán thiết kế có thể được tóm tắt như
sau:
A. Trạm mặt đất
+ Vị trí địa lý của trạm (vĩ độ và kinh độ).
+ Loại anten (đường kính, hiệu suất, hệ số phẩm chất, nhiệt độ tạp âm).
+ Công suất máy phát.
B. Vệ tinh
+ Vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo.
+ Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương EIRPs của vệ tinh.
+ Hệ số phẩm chất của vệ tinh (G/T)S
+ Hệ số tạp âm của máy thu vệ tinh
+ Băng thông máy phát đáp, dạng phân cực, dải tần làm việc.

6.2 Tính toán cự ly thông tin, góc ngẩng và góc phương vị của anten trạm
mặt đất
6.2.1 Cự ly thông tin
Trong đó : 0 là góc ở tâm (độ).
d là khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh (km).
Re là bán kính Trái đất, Re = 6378 km.
r là bán kính quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh:
r = 35.768km +6.378km= 42.146km
Trạm mặt đất
d

E

Re
0

r

Tâm trái đất

Vệ tinh

Hình 6.1 Các tham số của đường truyền trạm mặt đất - vệ tinh.
Góc ở tâm 0 được tính theo công thức:
cos

0

cos cos Le

Với

là vĩ độ của trạm mặt đất (độ).
Le là hiệu kinh độ đông của vệ tinh với trạm mặt đất, Le
Khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh tính theo công thức:
d

(r

2

Re2

2rRe cos

0

) (km)

LS

Le

(6.1)


6.2.2 Tính toán góc ngẩng và góc phương vị
6.2.2.1Góc ngẩng
Để tính góc ngẩng anten trạm mặt đất, ta có thể dựa vào hình vẽ 6.2

r

S
e

0

e

Re

O

A

M
Trong hình 6.2, O là tâHmìnthrá6i.2đấTt,ínAh ltàoávnị gtróí ccủngẩtnrạgm
mặt đất, S là vị trí của vệ tinh, 0 là góc ở tâm,
e là góc ngẩng của trạm mặt đất.
MA
SM
OA OS.cos
tg

Ta có
Trong đó,

MA OM
SM OS.sin

Từ đó suy ra:

tg

e

0

e

r sin

r cos 0
r sin

Re

OA r cos

0

0

Re

0

cos

0

Re
0

sin

r
0

6.2.2.2 Góc phương vị

Cực Bắc

Góc phương vị của vệ tinh 2

Góc phương vị của vệ tinh 1

0
450W 30 E

Vệ tinh 2 (45oW)

Vệ tinh1(300 E)

Hình 6.3 Góc phương vị của vệ tinh
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 6.3.Góc phương vị được tính theo biểu thức:
0
a =180 + kinh độ tây hoặc
0
a =180 - 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 =1800- kinh độ đông = 180o-30o =150o
Vệ tinh 2: a2 =1800+ kinh độ tây = 180o + 45o =225o
Góc phương vị a được tính theo công thức:
tg

a

tg Le
( sin )

(6.2)

Với

là vĩ độ của trạm mặt đất (độ).
Le là hiệu kinh độ đông của vệ tinh với trạm mặt đất, Le = L - L .
s
e

6.3 Tính toán kết nối đường lên (UPLINK)

6.3.1 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của trạm mặt đất EIRPe (e để phân biệt của trạm mặt đất "earth station", s - là của vệ tinh "satellite")
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 PTe với hệ số tăng ích của anten phát GTe
EIRPe PTe GTe (W) hoặc đổi ra đơn vị dB:
EIRPe

10 lg(PTe ) GTe

[dB]
(6.3)
EIRPe thông thường của trạm mặt đất có giá trị từ 0dBW đến 90dBW, còn
của vệ tinh từ 20dBW đến 60dBW.

6.3.2 Hệ số khuếch đại anten phát trạm mặt đất GTe
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, nó liên quan đến chảo anten và băng tần công tác:
GTe
GTe

10 log

DfU
c

2

, hoặc:

10 lg( ) 20 lg( DfU ) 20 lg(c) dB

(6.4)

với : D là Đường kính của anten phát.
f U là tần số tín hiệu phát lên.
là hiệu suất của anten, thường khoảng từ 50% - 70% .
c là vận tốc ánh sáng, c = 3.108 m/s.
6.3.3 Công suất sóng mang thu ở vệ tinh
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 :
C RS EIRPe LU G RS (dB)

(6.5)
với : GRS - hệ số khuếch đại của anten thu vệ tinh.


6.3.4 Tổng suy hao tuyến lên
Tổng suy hao tuyến lên: LU LSPU LFU LOU (dB)
(6.6)
Trong đó :
LSPU - suy hao tuyến phát trong không gian tự do.
LFU - suy hao do hệ thống fiđơ và đầu vào máy thu.
LOU - hệ số dự trữ suy hao do: thời tiết (mưa tuyến lên), lệch búp sóng phát
so với vệ tinh, lệch phân cực anten ...
Trong đó suy hao tuyến lên trong không gian tự do được tính theo biểu thức:
LSPU 20 lg( 4 f U d ) 20 lg( c (dB)
)

6.3.5 Độ lợi của anten thu vệ tinh
Độ lợi của anten thu vệ tinh được tính bằng biểu thức:
G RS

( G / T )S 10 lg TU

(G/T)S là hệ số phẩm chất của máy thu vệ tinh
TU là nhiệt tạp âm tuyến lên, chủ yếu là nhiệt tạp âm của máy thu vệ tinh TRS
và nhiệt tạp âm anten thu vệ tinh TAS:
TU

TRS

TAS

6.3.6 Công suất tạp âm tuyến lên
NU
NU

kTU B hay tính theo dB:
10 lg( k ) 10 lg( TU 10 lg( B ) (dB)
)

(6.7)

Trong đó
k là hằng số Boltzman, k =1,38.10-23 (W/Hz0K)
B là băng thông của máy thu.
TU là nhiệt tạp âm tuyến lên: TU TRS TAS
Nhiệt tạp âm của máy thu vệ tinh được tính theo biểu thức:
F

TRS

(10 10 1 )T0

Trong đó, F [dB] là hệ số tạp âm của máy thu vệ tinh và T0 là nhiệt độ chuẩn,
T0

0

290 K

6.3.7 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.
C / N U C RS N U EIRPe LU G RS N U (dB)
(6.8)
(C/N)U là tỷ số sóng mang trên tạp âm tại đầu vào bộ giải điều chế máy thu
vệ tinh.

6.4 Tính toán kết nối đường xuống (DOWNLINK)
6.4.1 Công suất bức xạ hiệu dụng của vệ tinh
Công suất bức xạ hiệu dụng EIRPs 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. EIRPs của vệ tinh thông thường được cho trước .
6.4.2 Tổng suy hao tuyến xuống


Tổng suy hao tuyến lên: LD
Trong đó :

LSPD

LFU

LOD (dB)

(6.9)

LSPD - suy hao tuyến xuống trong không gian tự do.

LFD - suy hao do hệ thống fiđơ và đầu vào máy thu.
LOD - hệ số dự trữ suy hao do: thời tiết (mưa tuyến xuống), lệch

búp sóng phát so với anten trạm mặt đất, lệch phân cực anten ...
Trong đó Suy hao tuyến xuống trong không gian tự do được tính theo biểu
thức:
LSPD 20 lg( 4 f D d ) 20 lg( c (dB)
(6.10)
)

6.4.3 Hệ số khuếch đại anten thu trạm mặt đất
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:
G Re
G Re

Df D
c

10 log

2

10 lg( ) 20 lg( Df D ) 20 lg( c )
dB

(6.11)

6.4.4 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 :
C Re EIRPs LD G Re (dB)
(6.12)
với : GRe là hệ số khuếch đại của anten thu trạm mặt đất
6.4.5 Công suất tạp âm hệ thống
Công suất tạp âm hệ thống được tính bằng biểu thức:
N SYS

10 lg( kTSYS B
)
10 log k
228,6

10 log k 10 log TSYS 10 log B

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

TS

T A TF
LF

TR

[0K]

6.4.6 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:

( C / N )D

C Re N SYS

EIRPs

LD

G Re

N SYS

(6.13)

6.5 BÀI TẬP
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN VỆ TINH
VỚI VỆ TINH VINASAT VÀ TRẠM MẶT ĐẤT TẠI HÀ NỘI
6.5 Một số giả thiết
6.5.1 Băng tần hoạt động
Việc tính toán sẽ được tiến hành trên băng C, với đường lên là 6GHz và
đường xuống là 4GHz.
6.5.2 Trạm mặt đất
- Được đặt tại Hà Nội, có vĩ độ là 210Bắc và kinh độ là 105,450Đông.
- Đường kính anten là 15m, hiệu suất 65%.


-

Công suất của máy phát trạm mặt đất: 40W.

6.5.3 Vệ tinh
- Vị trí của vệ tinh là ở 1320Đông.
- Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của vệ tinh (EIRP)S= 40dBW.
- Hệ số phẩm chất của máy thu vệ tinh (G/T)S = 1 dB/0K.
- Hệ số tạp âm của máy thu vệ tinh F = 3dB.
- Băng thông kênh truyền B = 36MHz.