Giáo trình Thông tin Viba và vệ tinh - Nguyễn Hứa Duy Khang

101 trang hapham 560

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Thông tin Viba và vệ tinh - Nguyễn Hứa Duy Khang", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_thong_tin_viba_va_ve_tinh_nguyen_hua_duy_khang.pdf

Nội dung text: Giáo trình Thông tin Viba và vệ tinh - Nguyễn Hứa Duy Khang

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CỬU LONG GIÁO TRÌNH THÔNG TIN VIBA & VỆ TINH (Dùng cho sinh viên ngành Điện – Điện tử, hệ đại học) ThS. Nguyễn Hứa Duy Khang Tháng 9-2011
Thông tin Viba – Vệ tinh CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VI BA SỐ Nội dung · Khái niệm và đặc điểm chung của các hệ thống vi ba số · Phân loại các hệ thống Vi ba số · Các ưu, nhược điểm của hệ thống Vi ba số · Các mạng Vi ba số điểm-điểm và điểm-nhiều điểm · Điều chế và giải điều chế · Phương pháp giảm độ rộng băng tần truyền trong hệ thống Vi ba số · Các mã truyền dẫn phổ biến trong hệ thống 1
Thông tin Viba – Vệ tinh 1.1. Đặc điểm Thông tin vi ba số là một trong 3 phương tiện thông tin phổ biến hiện nay (bên cạnh thông tin vệ tinh và thông tin quang). Hệ thống vi ba số sử dụng sóng vô tuyến và biến đổi các đặc tính của sóng mang vô tuyến bằng những biến đổi gián đoạn và truyền trong không trung. Sóng mang vô tuyến được truyền đi có tính định hướng rất cao nhờ các anten định hướng. Hệ thống Vi ba số là hệ thống thông tin vô tuyến số được sử dụng trong các đường truyền dẫn số giữa các phần tử khác nhau của mạng vô tuyến. Hệ thống Vi ba số có thể được sử dụng làm: · Trung kế số nối giữa các tổng đài số. · Truyền dẫn nối tổng đài chính đến các tổng đài vệ tinh. · Truyền dẫn nối các thuê bao với các tổng đài chính hoặc các tổng đài vệ tinh. · Bộ tập trung thuê bao vô tuyến. · Truyền dẫn trong các hệ thống thông tin di động để kết nối các máy di động với mạng viễn thông. Các hệ thống truyền dẫn Vi ba số là các phần tử quan trọng của mạng viễn thông, tầm quan trọng này ngày càng được khẳng định khi các công nghệ thông tin vô tuyến mới như thông tin di động được đưa vào sử dụng rộng rãi trong mạng viễn thông. 1.2. Mô hình hệ thống vi ba số FDM CODEC Thoại Bộ tương tự ADC ghép số Máy phát Nguồn Số Kênh vô tuyến FDM CODEC Thoại Bộ DAC Máy thu tương tự tách số Nguồn Số Hình 1.1 Mô hình của hệ thống vi ba số tiêu biểu Một hệ thống Vi ba số bao gồm một loạt các khối xử lý tín hiệu. Các khối này có thể được phân loại theo các mục sau đây: · Biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số ADC 2
Thông tin Viba – Vệ tinh · Tập hợp các tín hiệu số từ các nguồn khác nhau thành tín hiệu băng tần gốc · Xử lý tín hiệu băng gốc để truyền trên kênh thông tin · Truyền tín hiệu băng gốc trên kênh thông tin · Thu tín hiệu băng gốc từ kênh thông tin · Xử lý tín hiệu băng gốc thu được để phân thành các nguồn khác nhau tương ứng · Biến đổi tín hiệu số thành các tín hiệu tương tự tương ứng DAC - Biến đổi ADC và DAC có thể được thực hiện bằng một trong các phương pháp sau đây: Điều và giải điều xung mã (PCM); xung mã Logarit (Log(PCM)); xung mã vi sai (DPCM); xung mã vi sai tự thích nghi (ADPCM); Điều chế và giải điều delta (DM); Delta tự thích nghi (ADM). - Tập hợp các tín hiệu số từ các nguồn khác nhau thành tín hiệu băng gốc và phân chia tín hiệu số từ tín hiệu băng gốc được thực hiện nhờ quá trình ghép-tách. Có hai hệ thống ghép-tách chủ yếu: theo thời gian TDM và theo tần số FDM. Trong FDM có các tập hợp nhóm, siêu nhóm, chủ nhóm hoặc 16 siêu nhóm. FDM của các kênh âm tần thường cần thiết giao tiếp với hệ thống truyền dẫn số (nhờ các bộ Codec) - Việc xử lý tín hiệu băng gốc thành dạng sóng vô tuyến thích hợp để truyền trên kênh thông tin phụ thuộc vào môi trường truyền dẫn vì mỗi môi trường truyền dẫn có đặc tính và hạn chế riêng. Việc xác định sơ đồ điều chế và giải điều chế thích hợp yêu cầu độ nhạy của thiết bị tương ứng với tỉ lệ lỗi bit BER cho trước ở tốc độ truyền dẫn nhất định, phụ thuộc vào độ phức tạp cũng như giá thành của thiết bị. Giao tiếp Xử lý Điều chế Chuyển đổi KĐ Công nhánh băng tần số suất tần gốc LO Dao động nội ( c nh á Ghép/ ọ l Tách ộ B Kênh kênh Giải Chuyển đổi KĐ âm nghiệp vụ Điều chế tần số thấp Xử lý số Xử lý tương tự Hình 1.2 Sơ đồ khối thiết bị thu phát vi ba số 1.3. Phân loại Phụ thuộc vào tốc độ bít của tín hiệu PCM cần truyền, các thiết bị vô tuyến phải được thiết kế, cấu tạo phù hợp để có khả năng truyền dẫn các tín hiệu đó. Có thể phân thành 3 loại: Vi ba số băng hẹp, băng trung bình, băng rộng; với các thông số cơ bản cho trong bảng sau 3
Thông tin Viba – Vệ tinh Thông số Băng hẹp Băng trung bình Băng rộng (tốc độ thấp) (tốc độ trung bình) (tốc độ cao) Tốc độ (Mbit/s) 2 – 4 – 8 Từ 8 đến 34 Từ 34 đến 140 Dung lượng (kênh) 30 – 60 – 120 Từ 120 đến 480 Từ 480 đến 1920 Tần số vô tuyến (GHz) Từ 0.4 đến 1.5 Từ 2 đến 6 4 – 6 – 8 –12 1.4. Ưu – khuyết điểm của hệ thống vi ba số Ưu điểm 1. Nhờ các phương thức mã hoá và ghép kênh theo thời gian dùng các vi mạch tích hợp cỡ lớn nên thông tin xuất phát từ các nguồn khác nhau như điện thoại, máy tính, facsimile, telex,video được tổng hợp thành luồng bit số liệu tốc độ cao để truyền trên cùng một sóng mang vô tuyến. 2. Nhờ sử dụng các bộ lặp tái sinh luồng số liệu nên tránh được nhiễu tích luỹ trong hệ thống số. Việc tái sinh này có thể được tiến hành ở tốc độ bit cao nhất của băng tần gốc mà không cần đưa xuống tốc độ bit ban đầu. 3. Nhờ có tính chống nhiễu tốt, các hệ thống vi ba số có thể hoạt động tốt với tỉ số sóng mang trên nhiễu lớn hơn 15dB (C/N >15dB). Trong khi đó hệ thống vi ba tương tự yêu cầu C/N lớn hơn nhiều (>30dB, theo khuyến nghị của CCIR). Điều này cho phép sử dụng lại tần số đó bằng phương pháp phân cực trực giao, tăng phổ hiệu dụng và dung lượng kênh. 4. Cùng một dung lượng truyền dẫn, công suất phát cần thiết nhỏ hơn so với hệ thống tương tự làm giảm chi phí thiết bị, tăng độ tin cậy, tiết kiệm nguồn. Ngoài ra, công suất phát nhỏ ít gây nhiễu cho các hệ thống khác. Khuyết điểm 1. Khi áp dụng hệ thống truyền dẫn số, phổ tần tín hiệu thoại rộng hơn so với hệ thống tương tự. 2. Khi các thông số đường truyền dẫn như trị số BER, SNR thay đổi không đạt giá trị cho phép thì thông tin sẽ gián đoạn, khác với hệ thống tương tự thông tin vẫn tồn tại tuy chất lượng kém 3. Hệ thống này dễ bị ảnh hưởng của méo phi tuyến do các đặc tính bão hoà, do các linh kiện bán dẫn gây nên, đặc tính này không xảy ra cho hệ thống tương tự FM Các vấn đề trên đã được khắc phục nhờ áp dụng các tiến bộ kỹ thuật mới như: điều chế số nhiều mức, dùng thiết bị dự phòng (1+n) và sử dụng các mạch bảo vệ. 1.5. Các mạng vi ba số Thường các mạng vi ba số được nối cùng với các trạm chuyển mạch như một bộ phận của mạng trung kế quốc gia hoặc trung kế riêng, hoặc là nối các tuyến nhánh xuất phát từ trung tâm thu thập thông tin khác nhau đến trạm chính. (ứng dụng trong các trung tâm chuyển mạch hoặc tổ chức các mạng Internet) 4
Thông tin Viba – Vệ tinh 1.5.1. Vi ba số điểm nối điểm Mạng vi ba số điểm nối điểm hiện nay được sử dụng phổ biến. Trong các mạng đường dài thường dùng cáp sợi quang còn các mạng quy mô nhỏ hơn như từ tỉnh đến các huyện hoặc các ngành kinh tế khác người ta thường sử dụng cấu hình vi ba số điểm- điểm dung lượng trung bình hoặc cao nhằm thoả mãn nhu cầu của các thông tin và đặc biệt là dịch vụ truyền số liệu. Ngoài ra, trong một số trường hợp vi ba dung lượng thấp là giải pháp hấp dẫn để cung cấp trung kế cho các mạng nội hạt, mạng thông tin di động. RX/TX RX/TX ( ( ( MUX/ MUX/ DEMUX DEMUX ( ( ( Hình 1.3 Mô hình của hệ thống vi ba số điểm nối điểm tiêu biểu. 1.5.2. Vi ba số điểm nối đa điểm Trạm ngoại vi 2 RX/TX Trạm ( ngoại vi 1 MUX/ ( DEMUX RX/TX ( ( Trạm MUX/ ngoại vi 3 ( DEMUX TRẠM TRUNG TÂM ( RX/TX ( ế t MUX/ ạ ( TX RX DEMUX i h ộ N T r un g k ( Hình 1.4 Mô hình của hệ thống vi ba số điểm nối đa điểm tiêu biểu. Mạng vi ba số này ngày càng trở thành phổ biến, nó bao gồm một trạm trung tâm phát thông tin trên một anten đẳng hướng phục vụ cho một số trạm ngoại vi bao quanh. Nếu các trạm ngoại vi này nằm trong phạm vi (bán kính) truyền dẫn cho phép thì không cần dùng các trạm lặp, nếu khoảng cách xa hơn thì sẽ sử dụng các trạm lặp để đưa tín hiệu đến các trạm ngoại vi. Từ đây, thông tin sẽ được truyền đến các thuê bao. Thiết bị vi ba trạm ngoại vi có thể đặt ngoài trời, trên cột v.v mỗi trạm ngoại vi có thể được lắp đặt thiết bị cho nhiều trung kế. Khi mật độ cao có thể bổ sung thêm thiết bị; được 5
Thông tin Viba – Vệ tinh thiết kế để hoạt động trong các băng tần 1,5GHz -1,8GHz và 2,4GHz sử dụng một sóng mang cho hệ thống hoàn chỉnh. Hiện nay các hệ thống điểm nối đến đa điểm 19GHz đã được chế tạo và lắp đặt ở Châu Âu để cung cấp các dịch vụ số liệu (Kbit/s) Internet trong mạng nội hạt khoảng cách 10Km. Trạm trung tâm phát tốc độ bit khoảng 8,2Mb/s và mỗi trạm sử dụng kỹ thuật TDMA. 1.6. Các phương thức Điều chế và Giải điều chế số 1.6.1. Điều chế số Điều chế số là phương thức điều chế đối với tín hiệu số mà trong đó 1 hay nhiều thông số của sóng mang được thay đổi theo sóng điều chế. Hay nói cách khác, đó là quá trình gắn tin tức (sóng điều chế) vào một dao động cao tần (sóng mang) nhờ biến đổi 1 hay nhiều hơn 1 thông số nào đó của dao động cao tần theo tin tức. Thông qua quá trình điều chế số, tin tức ở vùng tần số thấp sẽ được chuyển lên vùng tần số cao để có thể truyền đi xa. Tín hiệu Bộ điều chế Bộ giải Tín hiệu băng gốc điều chế băng gốc Sóng mang Máy phát Máy thu Hình 1.4 Sơ đồ mô tả quá trình điều chế và giải điều chế số. Giả sử có 1 sóng mang hình sin như sau: f 0 (t) = A(cosω0t + ϕ) (1.1) Trong đó: · A : biên độ của sóng mang · ω0 = 2πf0 : tần số góc của sóng mang · f0 : tần số của sóng mang · φ : pha của sóng mang Tuỳ theo tham số được sử dụng để mang tin: có thể là biên độ A, tần số f0, pha φ hay tổ hợp giữa chúng mà ta có các kiểu điều chế khác nhau: · ASK (Amplitude Shift Keying – Khóa dịch biên độ): Sóng điều biên được tạo ra bằng cách thay đổi biên độ của sóng mang theo biên độ tín hiệu băng gốc. · FSK (Frequency Shift Keying – Khóa dịch tần số): Sóng điều tần được tạo ra bằng cách thay đổi tần số sóng mang theo biên độ tín hiệu băng gốc. · PSK (Phase Shift Keying – Khóa dịch pha): Sóng điều pha được tạo ra bằng cách thay đổi pha sóng mang theo biên độ tín hiệu băng gốc. · QAM (Quadrature Amplitude Modulation): Điều chế biên độ và pha kết hợp hay điều chế cầu phương 6
Thông tin Viba – Vệ tinh Hiện nay hầu hết các thiết bị vi ba số đều sử dụng phương pháp điều chế pha (PSK) và điều chế cầu phương (QAM), do vậy chương này tập trung trình bày về hai loại điều chế liên quan đến PSK và QAM. 1.6.2. Giải điều chế số Giải điều chế là quá trình ngược lại với quá trình điều chế, trong quá trình thu được có một trong những tham số: biên độ, tần số, pha của tín hiệu sóng mang được biến đổi theo tín hiệu điều chế và tuỳ theo phương thức điều chế mà ta có các phương thức giải điều chế thích hợp để lấy lại thông tin cần thiết. 1.6.3. Phương thức điều chế PSK 1.6.3.1. Cơ sở toán học PSK là phương thức điều chế mà pha của tín hiệu sóng mang cao tần biến đổi theo tín hiệu băng tần gốc. Giả sử tín hiệu sóng mang được biểu diễn: f0 (t) = cos(ω0t + ϕ). Biểu thức tín hiệu băng gốc s(t) là tín hiệu ở dạng nhị phân (0,1) hay là một dãy NRZ (Non-Return Zero). æ s(t)Dφ ö Khi đó, tín hiệu điều pha PSK có dạng: P()t = cosçω0t + ϕ + ÷ (1.2) è 2 ø Trong đó: Dφ = 2π / n là sự sai pha giữa các pha lân cận của tín hiệu. Biễu diễn tín hiệu theo kiểu cầu phương: æ s(t)Dφ ö és(t)Dφ ù é s(t)Dφ ù P()t = cosçω0t + ϕ + ÷ = cos × cos(ω0t + ϕ)- sin ×sin (ω0t + ϕ) è 2 ø ëê 2 ûú ëê 2 ûú ìa(t) =cos(s(t)Dφ / 2) Đặt í => P(t) = a(t).cos(ω0t + ϕ) + b(t).sin (ω0t + ϕ) (1.3) îb()t =sin(s()t Dφ /2) Vậy, tín hiệu điều pha là tổng của hai tín hiệu điều biên vuông góc nhau. 1.6.3.2. Điều chế pha BPSK Từ biểu thức (1.2), với n = 2, Dφ = π thì ta có kiểu điều chế BPSK (PSK nhị phân - Binary PSK). Tín hiệu BPSK có dạng: æ π ö P()t =cosçω0t +ϕ +s()t ÷(1.4) è 2ø Hình 1.5 Tín hiệu BPSK 7
Thông tin Viba – Vệ tinh Điều chế Tín hiệu băng gốc s(t) là xung NRZ lưỡng cực và sơ đồ điều chế này sử dụng một trong hai pha lệch nhau 180o và được gọi là BPSK. æ π ö · Với các bit 1: P1()t =cosçω0t +ϕ + ÷ è 2ø æ π ö · Với các bit -1: P-1()t =cosçω0t +ϕ - ÷ è 2ø Hình 1.6. Biểu đồ vector BPSK Như vậy, biên độ của của tín hiệu BPSK không đổi trong quá trình truyền dẫn, nhưng bị chuyển đổi trạng thái. Giải điều chế Tín hiệu BPSK được tổng hợp với sóng mang chuẩn thông qua bộ lọc thông thấp để loại bỏ thành phần hài bậc cao cho ta thu đợc tín hiệu ban đầu. BPSK LPF S(t) Sóng mang chuẩn Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý giải điều chế tín hiệu BPSK. Pha của tín hiệu sóng mang chuẩn bằng với pha của tín hiệu thu nhận được, nên nếu tín hiệu thu là: P(t) = 2.cos(ω0t ± π / 2) = 2.s(t)sin(ω0t) với s(t) = ±1 (1.5) thì tín hiệu chuẩn là: ± 2 sin(ω0t) và và tín hiệu giải điều chế là: ±s(t). 1.6.3.3. Điều chế pha 4 trạng thái QPSK Từ biểu thức (1.2), với n = 4, Dφ = π / 2 thì ta có kiểu điều chế QPSK (PSK cầu phương). Tín hiệu QPSK có dạng: æ π ö P()t =cosçω0t +ϕ +s()t ÷ (1.6) è 4ø Tín hiệu băng gốc s(t) là xung NRZ lưỡng cực nhận 4 giá trị. Điều chế Sơ đồ nguyên lý bộ điều chế QPSK sử dụng một trong 4 pha lệch nhau 90o, được gọi là QPSK. Tín hiệu băng gốc được đưa vào bộ biến đổi nối tiếp thành song song, đầu ra được hai luồng số liệu có tốc độ bit giảm đi một nửa, đồng thời biến đổi tín hiệu đơn cực thành tín hiệu ±1. Hai sóng mang đưa tới hai bộ trộn làm lệch pha nhau 90o. Tổng hợp tín hiệu đầu ra 2 bộ trộn ta được tín hiệu QPSK. Tín hiệu ra ở 2 bộ trộn: M1(t) = a(t)cos(ω0t); M 2 (t) = b(t)sin (ω0t) với a(t) = ±1 và b(t) = ±1. Tín hiệu ra QPSK là: P(t) = a(t)cos(ω0t)+ b(t)sin (ω0t) (1.7) 8
Thông tin Viba – Vệ tinh b(t) = ±1 S(t) SPC Bộ quay pha 900 P(t) t) a(t) = ±1 Sóng mang chuẩn f0(t)=cos(ω0t) Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý điều chế tín hiệu QPSK. Hình 1.9 Tín hiệu 4PSK Hình 1.10 Biểu đồ vector của điều chế QPSK Giải điều chế LPF P(t) Bộ quay pha 900 Mạch logic LPF Sóng mang chuẩn f0(t)=cos(ω0t) Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý giải điều chế pha QPSK. Giả sử tín hiệu thu được là: P(t) = 2 cos(ω0t + π / 4 + ϕ(t)) = a(t)cos(ω0t)+ b(t)sin (ω0t) Với φ(t) = nπ/2; n = 0,1,2,3 và a(t) = ±1, b(t) = ±1. ïìPref 1(t) = 2 cos(ω0t +nπ / 2) Hai tín hiệu chuẩn vào bộ trộn: í îïPref 2 ()t = 2 sin (ω0t +nπ /2) ì æ π nπ ö a(t) 1 ïPLPF 1()t =cosçϕ()t + - ÷= =± (1.8a) ï è 4 2 ø 2 2 Tín hiệu sau khi qua các bộ lọc: í ï æ π nπ ö b()t 1 PLPF 2 ()t =sinçϕ()t + - ÷= =± (1.8b) îï è 4 2 ø 2 2 9
Thông tin Viba – Vệ tinh 1.6.3.4. Điều chế pha 8 trạng thái 8-PSK Từ biểu thức (1.2), với n = 8, Dφ = π / 4 thì ta có sóng điều chế 8-PSK. æ π ö Tín hiệu 8-PSK có dạng: P()t =cosçω0t +ϕ +s()t ÷ (1.9) è 8ø Tín hiệu băng gốc s(t) nhận 8 giá trị. Điều chế Bộ điều chế 8-PSK là sự kết hợp tín hiệu của 2 bộ điều chế QPSK. Sóng mang của 2 bộ điều chế có một sự sai pha 45o. Một bộ mã hoá biến đổi tín hiệu được tạo ra từ tín hiệu băng gốc s(t) sau khi đi qua bộ SPC thành các tín hiệu điều chế. Tổng hợp các tín hiệu ra của hai bộ điều chế QPSK ta được tín hiệu 8-PSK. A 900 C O B S(t) SPC D E C Tín hiệu C 8-PSK 900 450 D Sóng mang chuẩn f0(t)=cos(ω0t) Hình 1. 12: Sơ đồ nguyên lý điều chế tín hiệu 8-PSK Biểu đồ vector của điều chế pha 8 trạng thái 8-PSK Hình 1.13 Biểu đồ vector 8-PSK. Giải điều chế Giả sử tín hiệu thu được là: P(t) = 2 cos(ω0t + π /8 +ϕ(t)) = a(t)cos(ω0t)+ b(t)sin (ω0t) Với φ(t) = nπ/2; n = 0,1,2, ,7 và a(t) = ±1, b(t) = ±1. Tín hiệu chuẩn vào bộ trộn: Pref 1(t) = 2 cos(ω0t +φR ) với φR (t) = nπ / 4 Tín hiệu đẫ đợc giải điều chế sau khi qua các bộ lọc thông thấp: 10
Thông tin Viba – Vệ tinh PLPF 1(t) = cos(ϕ(t)+ π /8-φR - 3π / 4) (1.10a) PLPF 2(t) = cos(ϕ(t) + π /8 -φR - 2π / 4) (1.10b) PLPF 3(t) = cos(ϕ(t) + π /8 -φR -π / 4) (1.10c) PLPF 4(t) = cos(ϕ(t)+ π / 8 - φR ) (1.10d) Sau bộ lọc thông thấp là các bộ so sánh nhằm xác định 4 tín hiệu nhị phân. Các mạch logic tạo ra 3 tín hiệu nhị phân từ 4 đường vào bằng các xử lý logic thích hợp. Hình 1.14. Sơ đồ nguyên lý giải điều chế tín hiệu 8-PSK. Nhận xét: · Khi số pha tăng lên thì tốc độ bit giảm, điều này sẽ làm giảm băng thông, tiết kiệm được đường truyền dẫn, cho phép truyền được nhiều kênh thông tin. · Tuy nhiên, khi số pha tăng lên các tổ hợp bit sẽ càng gần nhau hơn, nghĩa là tăng khả năng mắc lỗi của hệ thống. Do vậy, trong thông tin số tốc độ cao số trạng thái pha nhiều, để giảm khả năng mắc lỗi có thể sử dụng phương pháp điều chế biên độ cầu phơng QAM. 1.6.3.5. Điều chế biên độ cầu phương QAM Điều chế biên độ cầu phương QAM là phương pháp điều chế kết hợp giữa điều chế biên độ ASK và điều chế pha PSK. Trong phương thức điều chế này, ta thực hiện điều chế biên độ nhiều mức 2 sóng mang mà 2 sóng mang này được dịch pha 1 góc 90o. Tín hiệu tổng của 2 sóng mang này có dạng vừa điều biên vừa điều pha: Q1(t) = a(t)cos(ω0t +ϕ1(t)) và Q2 (t) = b(t)sin(ω0t +ϕ2 (t)) Tín hiệu s(t) là tổng của 2 thành phần ss(t) và sc(t) và được biểu diễn như sau: ® ® ® Q()t = Q1()t+ Q2()t = a()tcos(ω0t+ ϕ1()t)+ b()tsin (ω0t+ ϕ2()t) (1.11) Nhờ có biên độ thay đổi mà các trạng thái pha của sóng mang đã cách xa nhau, do vậy khả năng mắc lỗi sẽ giảm, đây cũng chính là ưu điểm của QAM. Điều chế Bộ chuyển đổi SPC chuyển đổi tín hiệu điều chế vào thành 2 chuỗi tín hiệu NRZ song song. Bộ biến đổi 2/L có chức năng chuyển đổi chuỗi NRZ thành chuỗi tín hiệu có M 11
Thông tin Viba – Vệ tinh L = M mức. Với L = 4 thì M = 16, ta có điều chế 16-QAM, và với L = 8 thì M = 64, ta có điều chế 64-QAM. Hình 1.15. Sơ đồ nguyên lý điều chế tín hiệu M-QAM. Hình 1.16. Biểu đồ không gian Hình 1.17. Biểu đồ không gian tín hiệu tín hiệu 16QAM QAM nhiều trạng thái Giải điều chế Tín hiệu M-QAM vào: Q(t) = a(t)cos(ω0t) + b(t)sin (ω0t) Tín hiệu chuẩn: Qref 1(t) = 2cos(ω0t) và Qref 2 (t) = 2sin(ω0t) Sau khi loại bỏ thành phần hài bậc cao ở các bộ lọc thông thấp ta sẽ có: Qref 1(t) = a(t) và Qref 2 (t) = b(t) Hình 1.18. Sơ đồ nguyên lý giải điều chế M-QAM. Biên độ của tín hiệu giải điều chế có L = M mức, trong đó M là số trạng thái tín hiệu. Tín hiệu L mức được biến đổi bởi bộ biến đổi ADC thành n/2 tín hiệu 2 mức, trong đó L = 2n / 2 và M = L2. Với 16-QAM thì n = 4, L = 4 và với 64-QAM thì n = 6, L = 8. Từ n tín hiệu này, bộ biến đổi PSC sẽ tạo nên tín hiệu giải điều chế. 12
Thông tin Viba – Vệ tinh 1.7 Giảm độ rộng băng tần truyền bằng phương pháp điều chế nhiều mức. Theo định lý Nyquist, độ rộng băng tần của kênh truyền (B) (kênh thông thấp) phải lớn ér ù hơn hoặc bằng tốc độ ký hiệu chia 2 S để không có hiện tượng giao thoa giữa các ëê 2 ûú r ký hiệu. B ³ S (1.12) 2 Trong hệ thống PCM, rS = fS ´ b (1.13) fS , b : lần lượt là tần số lấy mẫu, số bit trong từ mã. Thay (1.13) vào (1.12) ta được biểu thức về độ rộng băng tần cần thiết của kênh truyền để tránh hiện tượng giao thoa giữa các ký hiệu như sau: r f ´ b B ³ S = S (1.14) 2 2 Giả sử ta sử dụng phương pháp điều chế pha M trạng thái. Lúc đó tốc độ ký hiệu giảm (log2 M) lần. Do đó, độ rộng băng tần cần thiết của kênh truyền cũng giảm (log2 M) lần so với điều chế nhị phân hai mức như biểu thức: f ´ b B ³ S (1.15) 2log2 M Ví dụ: Mã hoá PCM một kênh thoại fS = 8 KHz với số bit trong từ mã: b = 8bit thì băng tần tối thiểu là: r f ´ b 8´ 8 B ³ S = S = = 32KHz 2 2 2 Trong khi đó, phương pháp truyền dẫn tín hiệu tương tự yêu cầu băng tần thoại 3.1KHz (0.3-3.4 KHz). Suy ra, phương pháp truyền dẫn tín hiệu số có băng tần xấp xĩ 10 lần so với phương pháp tương tự. Nếu sử dụng phương pháp điều chế 16-PSK có M=16 mức thì băng thông yêu cầu giảm (log2 M=log216=4) lần và tương đương 8KHz. 1.8 Các mã truyền dẫn Nếu cùng các số liệu được truyền đi liên tục, lỗi có thể phát sinh khi nhận chúng. Vì thế việc phục hồi số liệu cực kỳ khó khăn. Do đó, các tín hiệu nhị phân từ thiết bị ghép kênh được biến đổi thành các mã truyền dẫn để giảm lỗi tín hiệu trong quá trình truyền. Để đạt được điều đó, các mã truyền dẫn phải thoả mãn các yêu cầu sau đây: · Phải phối hợp đặc tính phổ của tín hiệu với đặc tính của kênh truyền. · Đảm bảo các dãy bit phải độc lập thống kê với nhau để giảm lượng trượt, giảm sự phụ thuộc mẫu do các mẫu lặp gây ra. · Dễ dàng tách được xung đồng hồ và tái sinh tín hiệu · Đảm bảo độ dư cần thiết để giám sát lỗi truyền dẫn và phát hiện đợc sự cố của thiết bị. 13
Thông tin Viba – Vệ tinh · Phải duy trì độ dư thừa thông tin ở mức thấp có thể được để giảm tốc độ bít và giảm độ rộng băng tần tín hiệu · Giảm thành phần một chiều của tín hiệu đến mức bằng 0. · Giảm các thành phần tần số thấp để giảm xuyên âm và kích thước của bộ phận và các linh kiện trong mạch. Tín hiệu nhị phân đơn cực có thành phần một chiều, có chứa năng lợng lớn trong trong phổ tần thấp vì vậy không thích hợp cho việc truyền dẫn. Trong thực tế ngời ta thường sử dụng các mã lưỡng cực chẳng hạn như mã truyền dẫn HDB3 (mã nhị phân mật độ cao có cực đại 3 số 0 liên tiếp), CMI 1.8.1 Các mã đường truyền Trong hệ thống truyền dẫn thông tin Vi ba thờng sử dụng các loại mã HDB3, CMI, và do vậy ta chỉ xem xét 2 loại mã này. 1.8.1.1 Mã HDBN (High Density Binary with maximum of 3 consecutive Zeros) Mã HDBN là mã lưỡng cực mật độ cao có cực đại N số 0, đây là loại mã cải tiến của mã AMI thực hiện việc thay thế N+1 số 0 liên tiếp bằng N+1 xung nhịp chứa xung phạm luật V và xung phạm luật này sẽ ở tại bit thứ N+1 của các mã số 0 liên tục. Với loại mã HDBN này thì dạng HDB3 thường được sử dụng trong hệ thống truyền đẫn thông tin vi ba số. 1.8.1.2 Mã HDB3 Mã HDB3 là mã lưỡng cực mật độ cao có cực đại là 3 số 0 liên tiếp. Quy tắc mã hoá: · Mức logic 1 được mã hoá theo mức lưỡng cực. · Mức logic 0 được mã hoá theo trạng thái 0 thông thờng. · Đối với dãy 4 số 0 liên tiếp thì được mã hoá theo một trong 2 trờng hợp sau: OOOV hoặc BOOV sao cho số bit B giữa 2 bit V là lẻ. Hình 1.19. Dạng sóng HDB3. Mã này khá thông dụng và ITU-T khuyến nghị sử dụng ở tốc độ bit 2,048Mbps; 8,448Mbps; 34,368Mbps theo tiêu chuẩn châu Âu (khuyến nghị G-703). 1.8.1.3 Mã CMI (Code Mark Inversion) Mã CMI là mã đảo dấu, đây chính là loại NRZ 2 mức. Quy tắc mã hoá: · Mức logic 0 được mã hoá thành các sóng vuông dương - âm hoặc âm - dương nhưng mỗi mức chỉ chiếm 1 khoảng thời gian T/2. 14
Thông tin Viba – Vệ tinh · Mức logic 1 được mã hoá thành các sóng vuông dương - dương hoặc âm - âm nhưng mỗi mức chỉ chiếm 1 khoảng thời gian T theo luật luân phiên. Hình 1.20. Dạng sóng CMI. Mã CMI được ITU-T khuyến nghị sử dụng ở tốc độ bit 140Mbps theo tiêu chuẩn châu Âu (khuyến nghị G-703). Ngoài ra, còn nhiều mã khác như: mã Wal1, mã Wal2, mã Manchester, mã chuỗi, mã 5B6B, tuy nhiên chúng không được sử dụng thông dụng. Theo khuyến nghị G703 về các giao tiếp của CCITT cho chi tiết trở kháng, loại đôi dây dẫn mức tín hiệu dạng khung, tải khung phân bố cũng nh mã truyền dẫn ở những tốc độ bit khác nhau dùng cho hệ Châu Âu. Bảng 1.2 Mã truyền dẫn dùng trong vi ba số Tốc độ bit (Mb/s) 2.048 8.448 34.368 139.246 Loại cáp S/C C C C Trở kháng (Ω) 120/75 75 75 75 Mã đường HDB3 HDB3 HDB3 CMI Dạng xung chuẩn Vuông Vuông Vuông Vuông S: cáp đối xứng. C: Cáp đồng trục. 15
Thông tin Viba – Vệ tinh CHƯƠNG 2 CÁC CƠ SỞ VỀ SÓNG VÔ TUYẾN – FADING – THIẾT BỊ VI BA SỐ Nội dung · Khái niệm sóng vô tuyến · Các nhân tố ảnh hưởng đến sự truyền lan sóng vô tuyến · Fading · Các chỉ tiêu kỹ thuật của vi ba số 16
Thông tin Viba – Vệ tinh 2.1 Khái niệm về sóng vô tuyến Sóng vô tuyến là sóng điện từ có tần số từ 30KHz đến 300GHz và được chia ra các băng tần LF, HF, VHF, UHF và băng tần cao dùng cho thông tin vệ tinh. Các sóng vô tuyến có thể lan truyền theo các phương thức khác nhau được biểu diễn như sau: Sóng vô tuyến Sóng trời Sóng đất (tầng điện ly) Sóng bề mặt Sóng không gian Sóng truyền Sóng phản xạ Sóng phản xạ trực tiếp từ mặt đất từ tầng đối lưu Hình 2.1 Các phương thức truyền sóng vô tuyến Hình 2.2 Minh họa các phương thức truyền sóng vô tuyến. 2.1.1 Sóng bề mặt Khi sóng vô tuyến lan truyền dọc theo bề mặt trái đất, thì năng lượng truyền dẫn bị tiêu hao. Mức độ tiêu hao này phụ thuộc vào hằng số điện dẫn và điện môi hiệu dụng của đất tương tự như khi sóng đi dọc theo đường dây. Khi tần số sóng trên 30MHz, đất có tác dụng như một dây dẫn kém gây tiêu hao lớn. Do đó, trong thực tế khi truyền sóng trên mặt đất người ta thờng chọn sóng có tần số thấp. 17
Thông tin Viba – Vệ tinh 2.1.2 Sóng không gian Là một loại sóng quan trọng trong thông tin VHF, UHF và SHF. Năng lượng truyền của sóng không gian từ anten phát đến anten thu theo ba đường truyền tương ứng với sóng trực tiếp, sóng phản xạ từ mặt đất và sóng phản xạ từ tầng đối lưu. a) Sóng trực tiếp Là sóng truyền trực tiếp từ anten phát đến anten thu không bị phản xạ trên đường truyền. Trong điều kiện truyền lan bình thờng, nó có biên độ lớn nhất so với các sóng khác đến máy thu. b) Sóng phản xạ đất Sóng này đến an ten thu sau lúc phản xạ một vài lần từ mặt đất hoặc từ các vật thể xung quanh. Sự phản xạ không những chỉ xuất hiện trên mặt phẳng đứng mà còn có thể xuất hiện trên mặt phẳng ngang. Sóng phản xạ tới anten thu có biên độ và pha khác với biên độ và pha của sóng trực tiếp, làm tín hiệu thu không ổn định. Nếu hiệu khoảng cách đường truyền của tia phản xạ và tia trực tiếp bằng số lẻ lần nửa bước sóng thì ở anten thu sóng phản xạ lệch pha với sóng trực tiếp một góc 1800 và kết quả làm suy giảm tín hiệu sóng trực tiếp, đến một mức độ nào đó phụ thuộc vào biên độ của sóng phản xạ. c) Sóng phản xạ từ bầu khí quyển Do thay đổi chỉ số khúc xạ của không khí theo độ cao so với mặt đất, nên sóng có thể bị phản xạ, tuỳ theo góc sóng tới có thể xảy ra phản xạ toàn phần từ tầng đối lưu. Trong trường hợp này xuất hiện một biên giới có tác dụng giống như một bề mặt phản xạ, gửi sóng trở lại mặt đất. Một số tia này sẽ đến an ten thu, có thể làm suy giảm sóng trực tiếp do sự thay đổi pha và biên độ gây ra. Sóng truyền theo tầng đối lưu có thể lan rộng đến 10 dặm (khoảng 15km). Bầu khí quyển chia ra làm 3 tầng: + Tầng đối lưu: là lớp khí quyển từ mặt đất lên đến độ cao khoảng (10-15)km. Càng lên cao mật độ phân tử khí càng giảm, làm thay đổi phơng truyền của các tia sóng. Tầng này thích hợp cho việc truyền sóng ngắn. + Tầng bình lưu: là lớp khí quyển nằm trong miền từ tầng đối lưu lên đến độ cao khoảng 60km, tầng này có mật độ phân tử khí thấp, chiết suất khí có tác dụng làm khúc xạ tia sóng, đổi phương truyền, làm cho các tia sóng phát từ mặt đất lên tầng bình lưu sẽ bị đổi phương truyền quay về mặt đất. Do vậy rất thích hợp cho việc truyền sóng cực ngắn. + Tầng điện ly (Ionosphere): là tầng khí quyển cao nằm từ độ cao 60 - 400km, miền này hấp thụ nhiều tia tử ngoại có năng lượng lớn, các tia này có tác dụng phân ly các phần tử khí trở thành các ion tự do, ở tầng này mật độ phân tử khí giảm thấp. Khi tia sóng được phát lên tầng điện ly thì cũng bị phản xạ bẻ cong và quay trở lại mặt đất do vậy rất thích hợp cho việc truyền sóng ngắn. 2.1.3 Sóng trời (phản xạ từ tầng điện ly) Hình 2.3 biểu diễn các tầng điện ly bao quanh mặt đất có độ cao từ 60 - 400km, chia thành 3 tầng: D, E và F. Tầng F có 2 phần là tầng F1 và F2. Càng ở tầng trên cao thì phân tử không khí càng bị Ion hoá bởi bức xạ mặt trời, ban ngày nhiều hơn ban đêm. 18
Thông tin Viba – Vệ tinh Vào ban đêm, khi không có bức xạ mặt trời thì vùng D và E biến mất còn F1 và F2 thì kết hợp với nhau thành tầng F. Tầng này vẫn tồn tại vào ban đêm vì mật độ không khí rất thấp nên thời gian tái hợp của các Ion diễn ra lâu hơn. Sóng vô tuyến được phóng lên tầng điện ly quay trở về trái đất nhờ hiện tượng khúc xạ, thực hiện liên lạc giữa các địa điểm khác nhau trên mặt đất. Không khí bị ion hoá chứa các điện tử tự do, có thể di chuyển khi có mặt của sóng vô tuyến (điện từ trường). Quá trình tương tác này rất phức tạp, nhưng hiệu ứng chủ yếu là sự giảm hằng số điện môi làm cho sóng vô tuyến bị uốn cong về trái đất. Tần số càng cao thì cần nhiều quá trình ion hoá để tạo ra sự khúc xạ. Nếu không bị khúc xạ đủ mạnh thì nó có thể bị hấp thụ hoặc xuyên qua bầu khí quyển vào không gian. Vào ban ngày, các lớp D và E hấp thụ sóng vô tuyến tương ứng với các tần số lân cận và thấp hơn 8MHz và 10MHz. Còn đối với các tần số từ 10MHz đến 30MHz thì sóng vô tuyến bị khúc xạ bởi các tầng F1 và F2 và có thể quay về trái đất. Vào ban đêm, các lớp D và E biến mất, các tần số thấp hơn không bị hấp thụ nên chúng có thể đến tầng F và bị khúc xạ quay về trái đất. Đồng thời, các tần số cao hơn có thể xuyên qua tất cả các tầng khí quyển để đi vào không gian. Do đó, người ta sử dụng sóng vô tuyến có tần số cao hơn 10MHz vào ban ngày và dùng tần số thấp hơn vào ban đêm để thực hiện liên lạc bằng sóng vô tuyến trên mặt đất. Hình 2.3 Các lớp của tầng điện ly Một điểm hạn chế trong việc truyền sóng nhờ tầng điện ly là sóng vô tuyến trong dải VHF và cao hơn (f>30MHz) không quay về trái đất khi được phóng lên tầng điện ly. Hình 2.4 Thực hiện liên lạc nhờ 2 lần khúc xạ 19
Thông tin Viba – Vệ tinh 2.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến sự truyền lan sóng vô tuyến 2.2.1 Suy hao khi truyền lan trong không gian tự do Khoảng không mà trong đó các sóng truyền lan bị suy hao được gọi là không gian tự do. Mức suy hao của sóng vô tuyến được phát đi từ anten phát đến anten thu trong không gian tự do tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa hai anten và tỉ lệ nghịch với độ dài bước sóng. Suy hao này gọi là suy hao truyền lan trong không gian tự do, được tính như sau: æ 4πd ö Lo = 20logç ÷ [dB] (2.1) è λ ø Với d[m] và λ[m] lần lượt là khoảng cách truyền dẫn và bước sóng của sóng vô tuyến. 2.2.2 Ảnh hưởng của Fading và Mưa Fading được định nghĩa là sự thay đổi cường độ tín hiệu sóng mang cao tần thu được do sự thay đổi khí quyển và phản xạ đất, nước trong đường truyền sóng. Thực tế cho thấy ảnh hưởng do mưa và fading nhiều tia là những ảnh hưởng lan truyền chủ yếu đối với các tuyến vô tuyến tầm nhìn thẳng trên mặt đất làm việc trong dải tần GHz. Vì chúng quyết định các tổn hao truyền dẫn và do đó quyết định khoảng cách lặp cùng với toàn bộ giá thành của một hệ vô tuyến chuyển tiếp. Fading nhiều tia tăng khi độ dài của tuyến tăng tuy nhiên nó không phụ thuộc nhiều vào tần số. Còn tiêu hao do MƯA tăng lên khi tần số tăng. Chẳng hạn, đối với các tuyến sử dụng tần số trên 35GHz thường suy hao do mưa lớn do đó để đảm bảo chất lượng tín hiệu truyền dẫn thì các khoảng cách lặp thường chọn dới 20km, ngoài ra việc giảm độ dài đường truyền sẽ làm giảm các ảnh hưởng của fading nhiều tia. Vậy đối với các đường truyền dài và có tần số hoạt động thấp thì fading nhiều tia là ảnh hưởng chính. Còn đối với các tuyến ngắn và có tần số hoạt động cao hơn thì tiêu hao do mưa là ảnh hưởng chủ yếu. Bảng 2.1 Kết quả thực nghiệm về suy hao do hơi nước - khí hậu theo tần số sóng vô tuyến của Alcatel. Suy hao dB/km 6GHz 10GHz 20GHz 40GHz Mưa vừa 0,25mm/h ≈ 0 ≈ 0 0,013 0,07 Mưa lớn 5mm/h 0,012 0,08 0,45 1,5 Bão 50mm/h 0,22 1,2 5,5 13 Bão lớn 150mm/h 1,2 5,5 18 27 Cùng mức dự trữ fading 40dB, một đường truyền vi ba ở dải tần 38GHz sẽ bị mất đi hoàn toàn do bão lớn, trong khi tuyến vi ba làm việc ở tần số 6GHz vẫn tiếp tục hoạt động bình thường. 2.2.4 Sự can nhiễu của sóng vô tuyến Thông thường nhiễu xảy ra khi có thành phần can nhiễu bên ngoài trộn lẫn vào sóng thông tin. Sóng can nhiễu có thể trùng hoặc không trùng tần số với sóng thông tin. 20
Thông tin Viba – Vệ tinh Chẳng hạn hệ thống Vi ba số đang sử dụng bị ảnh hưởng bởi sự can nhiễu từ các hệ thống vi ba số lân cận nằm trong cùng khu vực, có tần số sóng vô tuyến trùng hoặc gần bằng tần số của hệ thống này, ngoài ra nó còn bị ảnh hưởng bởi các trạm mặt đất của các hệ thống thông tin vệ tinh lân cận. 2.3 Fading Như đã định nghĩa, fading là sự biến đổi cờng độ tín hiệu sóng mang cao tần tại anten thu do có sự thay đổi không đồng đều về chỉ số khúc xạ của khí quyển, các phản xạ của đất và nước trên đờng truyền sóng vô tuyến đi qua. Sự biến đổi này là yếu tố xấu đối với thống thông tin vi ba. - Fading phẳng: làm thay đổi đều tín hiệu sóng mang trong một dải tần số (thay đổi giống nhau đối với các tần số trong dải). - Fading lựa chọn tần số: làm thay đổi tín hiệu sóng mang với mức thay đổi phụ thuộc vào tần số, fading này ảnh hưởng lớn đến tuyến vi ba số dung lượng cao. Hai loại fading này có thể xuất hiện độc lập hoặc đồng thời vì vậy dẫn đến làm gián đoạn thông tin. Sự thay đổi tín hiệu tại anten thu do phản xạ nhiều tia gọi là fading nhiều tia. 2.3.1 Fading phản xạ đất Nếu đường truyền vô tuyến đi qua mặt đất hoặc mặt nước có độ phản xạ cao thì fading do phản xạ mặt đất là fading chủ yếu so với fading do phản xạ từ tầng đối lưu. Đặc biệt với các đường truyền ngắn thì phản xạ mặt đất làm cho các tín hiệu thu tăng giảm ngẫu nhiên do các điều kiện khí tượng gây ra làm biến đổi các tham số truyền dẫn. Nếu đường truyền vô tuyến đi qua các vùng như biển, hồ, các vùng bằng phẳng và ẩm ướt, đầm lầy, thì các mức tín hiệu phản xạ nhỏ hơn 10dB so với mức tín hiệu của đường truyền trực tiếp. Nếu trong trường hợp tuyến vô tuyến đi qua địa hình có sương mù bao phủ có thể có sự phản xạ toàn phần. 2.3.2 Các kỹ thuật giảm ảnh hưởng của fading nhiều tia Các kỹ thuật được sử dụng để giảm các ảnh hưởng của fading phẳng và fading lựa chọn tần số nhiều tia là dùng phân tập không gian và phân tập tần số để nâng cao chất lượng của tín hiệu thu. Phân tập theo không gian cùng với các anten đặt cách nhau theo chiều dọc kết hợp các bộ khữ giao thoa phân cực giao nhau. Hiệu quả của kỹ thuật này đảm bảo không làm gián đoạn thông tin, thường được biểu thị bằng một hệ số nâng cao. Nhờ áp dụng kỹ thuật phân tập không gian và phân tập tần số thời gian gián đoạn thông tin giảm nhỏ so với thời gian yêu cầu để hệ thống đạt được chỉ tiêu chất lượng đề ra. 2.3.2.1 Phân tập theo không gian Định nghĩa: Phân tập theo không gian là kỹ thuật thu hoặc phát một tín hiệu trên 2 anten (hoặc nhiều hơn 2 anten) với cùng một tần số vô tuyến f. Khoảng cách các anten của máy phát và máy thu được chọn sao cho các tín hiệu riêng biệt được thu không tương quan nhau tương ứng với hệ số tương quan bằng “0”. 21
Thông tin Viba – Vệ tinh Trong thực tế không bao giờ đạt được giá trị bằng “0” này. Trong hệ thống thông tin tầm nhìn thẳng người ta đưa ra một công thức bán kinh nghiệm biểu thị hệ số tương quan không gian theo khoảng cách trục đứng: -0.0021sf (0.4d )1 / 2 ρ S = e (2.2) Với s: khoảng cách giữa 2 tâm của anten [m] f: Tần số sóng vô tuyến [GHz]; d: khoảng cách truyền dẫn [Km] Trong biểu thức này, sóng phản xạ đất đã được bỏ qua. Theo khuyến nghị 376-4 của CCIR, người ta chọn khoảng cách giữa các anten sao cho hệ số tương quan không gian không vượt quá 0,6. Do đó có thể sử dụng hệ số nầy để làm ngưỡng cho việc sử dụng phân tập. Khả năng cải thiện tín hiệu thu do sử dụng một cặp anten được xác định bằng độ lợi phân tập IOS Fm -4+ 2 10 æ s ö æ f ö 2 10 IOS = 100ç ÷ ç ÷ar (2.3) è 9 ø è 4 ø d / 40 trong đó s: khoảng cách giữa 2 tâm của 2 anten [m] f: Tần số sóng mang vô tuyến [GHz] d: độ dài của tuyến truyền dẫn [Km]; Fm: độ dự trữ fading phẳng ar: Hệ số khuếch đại tương đối của anten phân tập so với anten chính: (Am-Ad )/ 20 ar =10 Ad và Am: là hệ số khuếch đại anten phân tập và anten chính [dB] Bằng sự mô phỏng nhiều lần tìm được vị trí tốt nhất cho hai anten, khi không thể tính được vị trí, thì khoảng cách hai anten phải lớn hơn 150λ. Thông thường công thức trên tính gần đúng cho một tuyến có chiều dài 20 đến 70Km và tần số 2 đến 11GHz Hình 2.6 Phân tập theo không gian sử dụng 4 an ten. 2.3.2.2 Phân tập theo tần số Định nghĩa: phân tập theo tần số là kỹ thuật thu hoặc phát một tín hiệu trên hai kênh (hoặc nhiều hơn hai kênh) tần số sóng vô tuyến. 22
Thông tin Viba – Vệ tinh Hệ số cải thiện phân tập tần số có thể tính: æ 1 öæ Df ö Fm /10 I = 0.8ç ÷ç ÷10 (2.4) è fd øè f ø Trong đó: f : là tần số trung tâm của băng tần [GHz] d: độ dài của đường truyền [km] ∆f/f: là khoảng cách tần số tương đối biểu thị bằng % Fm: là độ dự trữ fading [dB] Phương trình trên đúng với các giá trị tham số sau: 2GHz < f < 11GHz; 30km < d < 70km; ∆f/f ≤ 5%; Iof ≥ 5 Mặc dù các hệ thống thông tin vô tuyến số phân tập theo tần số có thể cho các hệ số cải thiện tốt hơn nhng việc sử dụng phổ tần không đạt hiệu quả cao. Ngoài ra để tăng hiệu quả chống fading người ta sử dụng kết hợp phân tập không gian và tần số. Hình 2.7 Phân tập không gian và tần số sử dụng 3 anten. 2.3.2.3 Chuyển mạch bảo vệ Mục đích của chuyển mạch bảo vệ là để nâng cao độ khả dụng của hệ thống bằng cách chuyển sang kênh dự phòng khi có hiện tượng sự cố thiết bị chính. Ngoài ra cũng có thể đạt được lợi ích khác khi thiết bị bảo vệ chống lại sự gián đoạn thông tin do pha dinh lựa chọn tần số gây ra bằng cách chuyển sang hệ thống dự phòng. (Nghĩa là kênh dự phòng được sử dụng khi kênh chính bị sự cố hoặc bị gián đoạn thông tin do fading). Hình 2.8 Nâng cao độ an toàn cho tuyến bằng kênh dự phòng 23
Thông tin Viba – Vệ tinh Chất lượng và khả năng sẵn sàng của hệ thống vi ba số có thể nâng cao nhờ sử dụng một hay 2 kênh dự phòng để thay thế có các kênh bị sự cố nhờ thiết bị chuyển mạch tự động. Thông thường khi số kênh truyền dẫn nhỏ hơn hoặc bằng 7 (n ≤ 7) thì dùng một kênh dự phòng, tương ứng với cấu hình (n+1). Trong thực tế dùng cấu hình (1+1) gồm một kênh truyền dẫn và một kênh dự phòng nóng HSB (Hot Standby), có thể hoạt động ở cao tần RF hoặc trung tần IF. Hình 2.9 mô tả một tuyến vi ba số có chuyển mạch bảo vệ bằng kênh dự phòng. Chuyển mạch được thực hiện khi máy phát bị sự cố hoặc là khi có sự lựa chọn máy thu cho tín hiệu tốt nhất trong 2 máy đang hoạt động. Hình 2.9 Phần phát và phần thu của hệ thống dự phòng nóng theo cấu hình (1+1) Bằng phương pháp phân tập theo không gian trong đó sử dụng một anten riêng rẽ cho máy thu dự phòng nóng, chúng ta sẽ có một tuyến thông tin dự phòng nóng cho phép tăng đặc tính truyền dẫn của nó. Trong hệ thống chuyển mạch bảo vệ nhiều đường cũng có thể sử dụng phân tập không gian và tần số để nâng cao đặc tính của hệ thống do điều kiện truyền lan xấu. Trong cấu hình tiếp theo, người ta kết hợp kỹ thuật phân tập theo tần số và chuyển mạch bảo vệ theo cấu hình (1+1) hoặc (n+1). Kênh dự phòng phát tín hiệu trên một tần số sóng vô tuyến khác để tránh trờng hợp thiết bị sự cố và gián đoạn đường truyền xảy ra tại một trong những kênh chính. Chuyển mạch logic được thực hiện tại phần phát khi có yêu cầu chuyển mạch theo kênh phục vụ đến từ thiết bị thu ở khoảng cách xa hoặc trong trường hợp mất nguồn phát. Kiểu Logic này có thể được ứng dụng mở rộng cho cấu hình n+1. Nó cho phép thực hiện chuyển mạch không sai số đối với cả phần phát lẫn phần thu. 24
Thông tin Viba – Vệ tinh Hình 2.10 Phần phát của hệ thống vi ba số có kênh X dự phòng Giả sử bộ phận điều chế và phát của kênh 1 bị sự cố đột xuất, chuyển mạch logic sẽ tác động điều khiển tín hiệu từ băng thông cơ sở BB1 qua khối chuyển mạch vào bộ phận điều chế và phát của kênh X để phát đi trên tần số sóng vô tuyến FXTX để đến máy thu, đồng thời tín hiệu từ băng thông cơ sở BBX cũng được tách ra khỏi khối chuyển mạch, không được chuyển đi, nhường kênh dự phòng X cho kênh 1. Tại phần thu chuyển mạch logic sẽ thực hiện tương tự như phần phát để thu tín hiệu của kênh 1 nhờ bộ thu và giải điều chế của kênh X như trên hình vẽ. Chuyển mạch logic được thực hiện tại máy thu dựa trên sự phân tích kết quả của trường tín hiệu hoặc dựa vào tỉ lệ lỗi bit thu được. 25
Thông tin Viba – Vệ tinh Hình 2.11 Phần thu của hệ thống vi ba số có kênh X dự phòng 2.4 Các chỉ tiêu kỹ thuật của vi ba số 2.4.1 Phân bố tần số luồng cao tần Tần số luồng cao tần ở đây là tần số thu phát của thiết bị vô tuyến, việc lựa chọn phương án phân bố tần số phụ thuộc vào: - Phương thức điều chế số. - Cách sắp xếp các luồng cao tần. - Đặc tính của môi trường truyền sóng. Theo khuyến nghị của của CCITT về vi ba số thì dải tần làm việc nên chọn từ 2GHz đến 23GHz. Nếu sóng mang giữa các luồng cao tần không được phân chia đúng thì có sự can nhiễu giữa chúng và tạp âm sẽ tăng lên. Các luồng lân cận nên cách nhau 29 đến 40 MHz và phân cực trực giao. 2.4.2 Công suất phát Công suất phát cũng giống như ở vi ba tương tự, phụ thuộc vào cự ly và độ nhạy máy thu để đảm bảo tỉ số lỗi bit cho phép. Đơn vị công suất phát tính bằng dBm. P0 = 1mw æ P ö æ P ö ç TX ÷ TX PTX =10log10 ç ÷ =10log10 ç ÷ [dBm] (2.5) è P0 ø è1mW ø 26
Thông tin Viba – Vệ tinh 2.4.3 Độ nhạy máy thu hay ngưỡng thu Là mức tín hiệu cao tần tối thiểu đến ở đầu vào máy thu để nó hoạt động bình thường, nghĩa là thoả mãn tỉ số lỗi bit (BER) cho trước tương ứng với tốc độ bít nhất định. 2.4.4 Tỉ số bit lỗi BER Number of Error bit BER = % (2.6) Number of bit Để thông tin đạt được độ tin cậy cao, đảm bảo cho thiết bị hoạt động không nhầm lỗi thì tỉ số này càng nhỏ càng tốt, bình thường cũng phải đạt 10-3 , với chất lượng tốt hơn phải đạt 10-6. Với yêu cầu BER cho trước máy thu phải có một ngưỡng thu tương ứng. 2.4.5 Phương thức điều chế và giải điều chế Thông thường trong vi ba số, tùy theo tốc độ bit (dung lợng kênh) ngời ta thường dùng các phương thức điều chế như QPSK (hoặc 4PSK hay QAM) hoặc QAM nhiều mức, chẳng hạn (16QAM, 64QAM) Phương thức giải điều chế tại máy thu được chọn tương ứng với phương thức điều chế thực hiện tại máy phát. Thông thường, trong việc giải điều chế có 2 phương pháp là tách sóng kết hợp (Coherent), hoặc tách sóng không kết hợp. Tách sóng kết hợp đòi hỏi máy thu sự khôi phục lại sóng mang đồng pha với đài phát nên cấu hình phức tạp nhưng chất lượng tín hiệu cao hơn so với tách sóng không kết hợp. 2.4.6 Trở kháng vào máy thu và trở kháng ra máy phát Vấn đề phối hợp trở kháng đối với mạch cao tần rất quan trọng, các bộ phận kết nối vào máy phát và máy thu phải phối hợp được trở kháng. Nếu việc phối hợp trở không tốt sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu, công suất phát hoặc thu không đạt cực đại, ngoài ra còn gây ra sóng phản xạ, gây mất cân bằng làm giảm độ nhạy máy thu. Thông thường trở kháng ra của máy phát và trở kháng vào máy thu được chuẩn hoá là 50Ω do đó trở kháng vào ra của các bộ lọc, ống dẫn sóng, phi đơ phải là 50Ω. 2.4.7 Tốc độ ở băng tần gốc Tốc độ ở băng gốc là tốc độ dãy số liệu vào ra máy thu phát vô tuyến Ví dụ: Thiết bị vi ba số RMD 1502/4 HDB3 2*2048kb/s 9470LX HDB3 4*2048kb/s Mini-link HDB3 2*2048kb/s với trở kháng 75 Ω không cân bằng 2.4.8 Kênh nghiệp vụ Có các chỉ tiêu về điều chế, mức vào ra, tỉ số S/N, tần số báo gọi (kênh nghiệp vụ thường được điều chế FM hoặc FSK). 2.4.9 Kênh giám sát và điều khiển từ xa Cũng có các chỉ tiêu như kênh nghiệp vụ (có thể được điều chế theo phương thức ASK, FSK). Người ta sử dụng kênh này để khai thác quản lý và giám sát thiết bị. 27
Thông tin Viba – Vệ tinh 2.5 Thiết bị an ten Yêu cầu chính của thiết bị anten cho một hệ thống vô tuyến là có suy hao truyền dẫn nhỏ và kinh tế (hiệu suất bức xạ an ten cao), hệ số khuếch đại lớn. 2.5.1 Anten Anten là một giao diện chính giữa thiết bị điện và môi trờng truyền sóng, tuỳ thuộc vào tần số, công nghệ và công dụng. Anten YAGI được sử dụng cho tần số 400MHz - 900MHz. Anten Parabol được sử dụng cho tần số từ 1GHz đến 60GHz, bộ phận phản xạ được chế tạo bằng kim loại hoặc nhựa có phủ một lớp kim loại mỏng ở mặt lõm của anten. Khi tần số nhỏ hơn 4GHz bộ phận phản xạ có thể được chế tạo bằng việc phủ kim loại trên các thanh mỏng để làm giảm trọng lượng anten và làm cho gió lướt xuyên. Phần chính của một anten Parabol Hình 2.12 sơ đồ kích thước của một anten Parabol Sơ đồ cấu tạo của anten parabol được biểu diễn như hình 2.12. Trong đó: D: Đường kính anten [m] d: Bề sâu lòng chảo, được tính từ tâm đến mặt miệng chảo [m] F: Tiêu cự của chảo, được tính từ tâm chảo đến tiêu điểm F của nó. Mối liên hệ giữa tiêu cự, bề sâu lòng chảo và đường kính chảo được biểu diễn theo biểu thức: D 2 F = (2.7) 16d Khi pha của nguồn sơ cấp đặt ngay tâm F của Parabol thì các sóng bức xạ đều đồng pha. Độ lợi của anten parabol được tính theo biểu thức: 2 2 æ 4πS ö æ πD ö æ πDf ö GdB = 10lgçη ÷ =10lgçη ÷ =10lgçη ÷ [dB] (2.8) è λ2 ø è λ ø è c ø 28
Thông tin Viba – Vệ tinh Trong đó: S: Diện tích (tiết diện) bề mặt an ten [m2] η: Hiệu suất của an ten từ (0,5 - 0,7) Bảng 2.2 Độ lợi của an ten theo hiệu suất và tần số (số liệu của hãng Alcatel) Tần số 2GHz 4GHz 8GHz 13GHz 23GHz 38GHz D/η 50% 50% 60% 60% 70% 70% 3.7m 32dB 38dB 45dB 2.4m 28dB 34dB 42dB 46dB 1.2m 28dB 36dB 40dB 46dB 0.6m 34dB 40dB 44dB 0.3m 34dB 38dB Sự biến đổi của hình dạng anten parabol hoặc sai lệch tiêu cự đều có thể dẫn đến suy giảm trị số độ lợi của nó. Các anten có thể được dùng để phát hoặc thu nhận sóng theo một hoặc 2 phân cực (phân cực đứng hoặc phân cực ngang). 2.5.2 Biểu đồ bức xạ Phần chính của năng lượng được tập trung ở búp sóng chính nhưng một phần năng lượng sẽ bị bức xạ theo các búp sóng phụ, điều này dẫn đến hiện tượng giao thoa tại các điểm nút. Góc mở θ ở 3dB phụ thuộc vào đường kính anten và bước sóng được tính theo biểu thức sau: 70λ θ » (2.9) -3dB D Trong đó: D Đường kính an ten ; λ : Bước sóng 29
Thông tin Viba – Vệ tinh Hình 2.13 Biểu đồ bức xạ của anten Parabol Bảng 2.3 góc phát xạ theo đường kính anten (số liệu của hãng Alcatel) Tần số 2GHz 4 GHz 8 GHz 13 GHz 23 GHz 38 GHz 3,7m 2.80 1.40 0.70 2,4m 4.40 2.20 1.10 0.70 Đường 1,2m 2.20 1.30 0.80 kính 0,6m 2.70 1.50 0.90 0,3m 3.00 1.80 30
Ch¬ng 3 thiÕt kÕ tuyÕn vi ba 3.1 Qui ®Þnh chung ViÖc thiÕt kÕ tuyÕn th«ng tin nãi chung vµ tuyÕn vi ba sè nãi riªng ®îc tiÕn hµnh trªn c¬ së: + Dù ¸n b¸o c¸o kh¶ thi ®· ®îc c¸c cÊp cã thÈm quyÒn phª duyÖt. + Hå s¬ kh¶o s¸t, thuyÕt minh chÝnh x¸c vÒ néi dung x©y l¾p, c¸c sè liÖu tiªu chuÈn cÇn ®¹t ®îc. + C¸c v¨n b¶n thñ tôc hµnh chÝnh cña c¬ quan trong vµ ngoµi ngµnh liªn quan ®Õn ®Þa ®iÓm, mÆt b»ng x©y dùng tr¹m. + C¸c tiªu chuÈn, qui tr×nh, qui ph¹m x©y dùng cña nhµ níc vµ cña ngµnh + C¸c ®Þnh møc vµ dù to¸n cã liªn quan ®Ó ¸p dông trong thiÕt kÕ. + Hå s¬ tµi liÖu thu thËp ®îc trong qu¸ tr×nh kh¶o s¸t vµ ®o ®¹c ViÖc thiÕt kÕ cÇn ph¶i ®¶m b¶o ®óng tiªu chuÈn, qui tr×nh, qui ph¹m cña nhµ níc ban hµnh, nh: + §¨ng ký tÇn sè lµm viÖc cña thiÕt bÞ víi Côc tÇn sè v« tuyÕn ®iÖn Quèc gia. + An toµn vÒ phßng chèng thiªn tai, b·o lôt. + An toµn khi cã gi«ng sÐt, ®¶m b¶o chÊt lîng cña c¸c hÖ thèng chèng sÐt, tiÕp ®Þa cho thiÕt bÞ vµ th¸p anten theo qui ph¹m cña ngµnh 3.1.2 Néi dung thiÕt kÕ 3.1.2.1 PhÇn thuyÕt minh ThuyÕt minh tæng quan vÒ c¬ së lËp thiÕt kÕ kü thuËt vµ c¸c b¶n vÏ, tãm t¾t c¸c néi dung thiÕt kÕ ®îc chän, ®Ò ra c¸c ph¬ng ¸n thiÕt kÕ, nªu c¸c th«ng sè vµ chØ tiªu ®¹t ®îc cña c«ng tr×nh theo ph¬ng ¸n ®· chän. 3.1.2.2 PhÇn b¶n vÏ §a ra c¸c b¶n ®å tæng thÓ c¸c vÞ trÝ cña 2 tr¹m tØ lÖ 1/250.000 hoÆc 1/500.000 tuú theo yªu cÇu cÊp chÝnh x¸c cÇn cho tríc vµ c¸c b¶n vÏ tuyÕn cÇn thÓ hiÖn. C¸c b¶n vÏ vÒ s¬ ®å mÆt c¾t nghiªng cña tuyÕn vµ c¸c s¬ ®å nguyªn lý tæ chøc th«ng tin gi÷a hai tr¹m. 31
3.1.2.3 PhÇn tæng dù to¸n C¸c c¬ së ®Ó lËp tæng dù to¸n bao gåm c¸c biÓu ®Þnh møc, biÓu ®¬n gi¸ vµ khèi lîng c«ng tr×nh. Tõ ®ã lËp tæng dù to¸n cña c«ng tr×nh. 3.2 TÝnh to¸n ®êng truyÒn 3.2.1 Néi dung viÖc tÝnh to¸n ®êng truyÒn + TÝnh to¸n ®êng truyÒn dÉn. + TÝnh to¸n chØ tiªu chÊt lîng. + TÝnh to¸n thêi gian mÊt th«ng tin. + L¾p ®Æt thiÕt bÞ, anten, ®a hÖ thèng vµo ho¹t ®éng thö nghiÖm ®Ó kiÓm tra. TiÕn hµnh ®o c¸c th«ng sè sau khi l¾p ®Æt nh (c«ng suÊt m¸y ph¸t, ph©n tÝch khung 2Mbit/s, tØ sè bit lçi BER=10 -3 vµ BER=10 -6 trong 24 giê C«ng viÖc tÝnh to¸n ®êng truyÒn ®îc b¾t ®Çu tõ nh÷ng sè liÖu thùc tÕ vÒ ®êng truyÒn, ®Æc ®iÓm ®Þa h×nh, ®é dµi tuyÕn, dung lîng sö dông. Tr×nh tù tÝnh to¸n ®îc tiÕn hµnh theo c¸c bíc nh sau: 3.3 Kh¶o s¸t vÞ trÝ ®Æt tr¹m Trong môc nµy ta sÏ kh¶o s¸t bµi to¸n thiÕt kÕ mét tuyÕn ®¬n chØ cã hai tr¹m truyÒn dÉn. Tríc tiªn, cÇn tiÕn hµnh mét sè c«ng viÖc nh sau: - X¸c ®Þnh tuyÕn trªn b¶n ®å. (cÇn t×m b¶n ®å ®Þa h×nh cña khu vùc x©y tr¹m) - T¹o nªn c¸c b¶n vÏ mÆt c¾t nghiªng cña tuyÕn. Tõ c¸c yªu cÇu thùc tÕ cña mét tuyÕn vi ba gåm: vÞ trÝ tr¹m, kho¶ng c¸ch tr¹m, dung lîng truyÒn dÉn, ®Þa h×nh tuyÕn sÏ ®i qua ta tiÕn hµnh ®¸nh dÊu hai ®Çu cuèi cña tr¹m trªn b¶n ®å cña Së ®o ®¹c ®Ó x¸c ®Þnh chÝnh x¸c kinh ®é, vÜ ®é cña mçi tr¹m. C¸c th«ng sè to¹ ®é nµy ®îc sö dông ®Ó ®iÒu chØnh c¸c anten ë mçi tr¹m trong giai ®o¹n l¾p ®Æt thiÕt bÞ. Ký hiÖu trªn b¶n ®å : tr¹m A lµ tr¹m thø nhÊt vµ tr¹m B lµ tr¹m thø hai. Sau ®ã vÏ mét mÆt c¾t nghiªng cña ®êng truyÒn. H×nh dung mÆt c¾t nµy nh mét con dao c¾t rêi qu¶ ®Êt däc theo híng cña tia v« tuyÕn. H×nh 3.1 thÓ hiÖn mÆt c¾t ®êng truyÒn gi÷a hai tr¹m A vµ B. 32
q ha2 ha1 §é låi E d1 d2 d Tr¹m A Tr¹m B H×nh 3.1 mÆt c¾t ®êng truyÒn gi÷a hai tr¹m A vµ B. MÆc dï mÆt ®Êt cã ®é cong nhng ®Ó ®¬n gi¶n trong tÝnh to¸n ngêi ta thêng vÏ mÆt c¾t nghiªng øng víi hÖ sè b¸n kÝnh hiÖu dông cña tr¸i ®Êt lµ k = 4/3. Ph¬ng tr×nh sau cho ta x¸c ®Þnh chç låi cña mÆt ®Êt: d d E= 1 2 1000 (3.1) 2r1.k r1 lµ b¸n kÝnh qu¶ ®Êt 6370 [km] E = (4/51)d1d2/ k [m] (3.2) k lµ hÖ sè b¸n kÝnh cña qu¶ ®Êt d1, d2 [km]: lÇn lît lµ kho¶ng c¸ch tõ tr¹m A vµ tr¹m B ®Õn ®iÓm ®ang xÐt ®é låi cña mÆt ®Êt. h lµ ®é låi thùc cña mÆt ®Êt t¹i ®iÓm ®ang xÐt. Nh vËy trªn mÆt c¾t nghiªng nµy thÓ hiÖn ®îc bÒ mÆt cña ®Þa h×nh. Ngoµi ra nã còng cã thÓ biÓu diÔn ®îc c¶ ®é cao cña c©y cèi c¸c vËt ch¾n trªn ®êng truyÒn nèi hai tr¹m A, B ch¼ng h¹n nh c¸c gß, ®åi, c¸c nhµ cao tÇng §èi víi kho¶ng truyÒn dÉn dµi, ®é cong cña mÆt ®Êt lín th× cÇn ph¶i tÝnh to¸n ®Õn ®é n©ng cña vÞ trÝ tr¹m. §é n©ng ®îc vÏ däc c¸c ®êng th¼ng ®øng nªn kh«ng ®i däc theo ®êng b¸n kÝnh xuÊt ph¸t tõ t©m qu¶ ®Êt. 3.4 Chän tÇn sè lµm viÖc C«ng viÖc nµy liªn quan ®Õn viÖc chän thiÕt bÞ cho tuyÕn vµ liªn quan ®Õn tÇn sè sãng v« tuyÕn cña c¸c hÖ thèng l©n cËn. ViÖc chän lùa tÇn sè ph¶i tr¸nh can nhiÔu víi c¸c tÇn sè kh¸c ®· tån t¹i xung quanh khu vùc, xem xÐt cã thÓ bè trÝ viÖc ph©n cùc 33
anten nh thÕ nµo cho hîp lý . Khi sö dông c¸c thiÕt bÞ th× gi¸ trÞ c¸c tiªu chuÈn ®îc chän theo khuyÕn nghÞ cña CCIR . 3.5 VÏ mÆt c¾t ®êng truyÒn vµ tÝnh c¸c th«ng sè liªn quan 3.5.1 TÝnh kho¶ng c¸ch tia truyÒn phÝa trªn vËt ch¾n Sau khi ®· chän ®îc tÇn sè lµm viÖc cho tuyÕn, ta tÝnh miÒn Fresnel thø nhÊt. §ã lµ miÒn cã d¹ng h×nh elip tõ anten ph¸t ®Õn anten thu; lµ mét m«i trêng v©y quanh tia truyÒn th¼ng. §êng biªn cña miÒn Fresnel thø nhÊt t¹o nªn quü tÝch sao cho bÊt kú tÝn hiÖu nµo ®i ®Õn anten thu qua ®êng nµy sÏ dµi h¬n so víi ®êng trùc tiÕp mét nöa bíc sãng (l/2) cña tÇn sè sãng mang. MiÒn bªn trong cña elip thø nhÊt nµy gäi lµ miÒn Fresnel thø nhÊt. NÕu tån t¹i mét vËt c¶n ë r×a cña miÒn Fresnel thø nhÊt th× sãng ph¶n x¹ sÏ lµm suy gi¶m sãng trùc tiÕp, møc ®é suy gi¶m tuú thuéc biªn ®é cña sãng ph¶n x¹. Do ®ã viÖc tÝnh to¸n ®èi víi miÒn Fresnel thø nhÊt ®ßi hái cã tÝnh chÝnh x¸c ®Ó viÖc th«ng tin gi÷a hai tr¹m kh«ng bÞ ¶nh hëng ®¸ng kÓ bëi sãng ph¶n x¹ nµy. B¸n kÝnh cña miÒn Fresnel thø nhÊt (F1) ®îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau: d d d d F = 1 2 l = 17,32 1 2 [m] (3.3) 1 d df d1, d2 [km]: lÇn lît lµ kho¶ng c¸ch tõ tr¹m A vµ tr¹m B ®Õn ®iÓm ë ®ã b¸n kÝnh miÒn Fresnel ®îc tÝnh to¸n. d [km] lµ kho¶ng c¸ch gi÷a hai tr¹m, d = d1 + d2 f lµ tÇn sè sãng mang [GHz]. Trong thùc tÕ, thêng gÆp ®êng truyÒn ®i qua nh÷ng ®Þa h×nh kh¸c nhau cã thÓ ch¾n miÒn Fresnel thø nhÊt g©y nªn tæn hao trªn ®êng truyÒn. ë c¸c lo¹i ®Þa h×nh nµy cã thÓ cã vËt ch¾n h×nh nªm trªn ®êng truyÒn vµ c¸c lo¹i chíng ng¹i kh¸c. H×nh 3.2 chØ ra m« h×nh cña vËt ch¾n trªn ®êng truyÒn dÉn, trong ®ã F1 lµ b¸n kÝnh miÒn Fresnel thø nhÊt, F lµ kho¶ng hë thùc; lµ kho¶ng c¸ch gi÷a tia trùc tiÕp vµ mét vËt ch¾n h×nh nªm t¹i ®iÓm tÝnh to¸n miÒn Fresnel thø nhÊt. 34
Đường trực tiếp Miền Fresnethứ nhất ha1 F Hình nêm ha2 h1 Độ lồi của mặt đất h2 d1 d2 d Tr¹m A Kho¶ng c¸ch Tr¹m B H×nh 3.2 MÆt c¾t nghiªng ®êng truyÒn vµ miÒn Fresnel thø nhÊt Theo c¸c chØ tiªu thiÕt kÕ vÒ kho¶ng hë ®êng truyÒn ®îc khuyÕn nghÞ th× ®é cao tèi thiÓu cña anten ®¶m b¶o sao cho tÝn hiÖu kh«ng bÞ nhiÔu x¹ bëi vËt ch¾n n»m trong miÒn Fresnel thø nhÊt lµ F = 0,577F1. NghÜa lµ ®êng trùc tiÕp gi÷a m¸y thu vµ m¸y ph¸t cÇn mét kho¶ng hë trªn mÆt ®Êt hoÆc trªn mét vËt ch¾n bÊt kú Ýt nhÊt lµ vµo kho¶ng 60% b¸n kÝnh miÒn Fresnel thø nhÊt ®Ó ®¹t ®îc c¸c ®iÒu kiÖn truyÒn lan trong kh«ng gian tù do. H×nh 3.7. Sù kh¸c nhau gi÷a (a) nhiÔu t¨ng vµ (b) nhiễu giảm tại tần số sóng mang f =2.5GHz C 35
3.5.2 TÝnh chän chiÒu cao cña th¸p anten §Ó tÝnh ®é cao cña th¸p anten th× tríc tiªn ph¶i x¸c ®Þnh ®îc ®é cao cña tia v« tuyÕn truyÒn gi÷a hai tr¹m. Trªn c¬ së cña ®é cao tia ®· cã ®Ó tÝnh ®é cao tèi thiÓu cña th¸p anten ®Ó thu ®îc tÝn hiÖu. ViÖc tÝnh to¸n ®é cao cña tia v« tuyÕn còng ph¶i dïng ®Õn s¬ ®å mÆt c¾t nghiªng ®êng truyÒn nèi hai tr¹m trong ®ã cã xÐt ®Õn ®é cao cña vËt ch¾n (O), ®é cao cña c©y cèi (T) gi÷a tuyÕn vµ b¸n kÝnh cña miÒn Fresnel thø nhÊt (F1). BiÓu thøc x¸c ®Þnh ®é cao cña tia v« tuyÕn nh sau: B = E(k) + (O + T) + C.F1 ì 4 ü í d1d2 ý 51 d d = î þ + (O + T )+17,32C 1 2 [m] (3.4) k df d, d1,d2, f ®îc dïng nh trong c«ng thøc (3.2) k: lµ hÖ sè b¸n kÝnh cña qu¶ ®Êt, k = 4/3. C: lµ hÖ sè hë, C = 1 Th«ng thêng th× ®é cao cña tia B ®îc tÝnh to¸n t¹i ®iÓm cã mét vËt ch¾n cao nhÊt n»m gi÷a tuyÕn. ha1 CF 1 ha2 Bi Ti+Oi E d d 1 2 d Tr¹m A Tr¹m B H×nh 3.3 X¸c ®Þnh ®é cao tia B ®Ó lµm hë mét vËt ch¾n. C¸c ®é cao cña c©y cèi vµ vËt ch¾n gi÷a tuyÕn ®îc x¸c ®Þnh tõ bíc kh¶o s¸t ®êng truyÒn. H×nh 3.3 biÓu diÔn mÆt c¾t ®êng truyÒn cña tuyÕn cïng víi c¸c vËt ch¾n gi÷a tuyÕn vµ cã xÐt ®Õn miÒn Fresnel thø nhÊt. Sau khi ®· cã ®îc ®é cao tuyÕn, ta tÝnh ®é cao cña anten ®Ó lµm hë mét vËt ch¾n n»m gi÷a tuyÕn (tøc kh«ng g©y nhiÔu ®Õn ®êng truyÒn v« tuyÕn). ë bíc kh¶o s¸t ®Þnh vÞ tr¹m, ta ®· x¸c ®Þnh ®îc ®é cao cña hai vÞ trÝ ®Æt tr¹m so víi mÆt níc biÓn t¬ng øng lµ h1 vµ h2. Hai th«ng sè nµy kÕt hîp víi ®é cao B cña tia 36
nh ®· tÝnh to¸n ë trªn sÏ tÝnh ®îc ®é cao cña cét an ten cßn l¹i khi biÕt tríc ®é cao cña mét cét an ten. ha1 = h2 + ha2 + [B - (h2 + ha2)](d/d2) - h1 [m] (3.5) ha2 = h1 + ha1 + [B - (h1 + ha1)](d/d1) - h2 [m] Trong ®ã: ha1, ha2 [m] lµ ®é cao cña mét trong hai anten cÇn ®îc tÝnh. d1, d2 [km] lµ kho¶ng c¸ch tõ mçi tr¹m ®Õn vÞ trÝ ®· tÝnh to¸n ®é cao cña tia B. Nh vËy khi biÕt ®îc ®é cao cña mét an ten th× cã thÓ tÝnh ®îc ®é cao cña an ten kia sao cho kh«ng lµm gi¸n ®o¹n tia truyÒn cña hai tr¹m. H×nh 3.4 minh ho¹ c¸ch tÝnh to¸n ®é cao cña an ten nãi trªn q h + ha 1 1 B h2 + ha2 d1 d2 d Tr¹m A Tr¹m B q h2 + ha2 h + ha B1B 1 1 d1 d2 Tr¹m A d Tr¹m B H×nh 3.4 Minh ho¹ viÖc tÝnh ®é cao cña mét anten khi biÕt ®é cao anten kia. Tuy nhiªn nh ®· ®Ò cËp ë phÇn tríc, ®Ó ®¶m b¶o cho hÖ thèng ho¹t ®éng kh«ng chÞu ¶nh hëng cña c¸c yÕu tè trong t¬ng lai th× ®é cao an ten ph¶i sö dông mét kho¶ng dù phßng, phô thuéc vµo ngêi thiÕt kÕ. Khi ®ã c¸c ®é cao cña c¸c an ten thùc tÕ ph¶i lµ har1, har2 do ®· ®îc céng víi mét lîng ®é cao dù phßng lµ Ph1 hoÆc Ph2 nh sau: har1 = ha1 + Ph1 [m] (3.6) har2 = ha2 + Ph2 [m] (3.7) 37
3.5.3 TÝnh to¸n c¸c nh©n tè ¶nh hëng ®Õn ®êng truyÒn C«ng suÊt tÝn hiÖu truyÒn gi÷a tr¹m ph¸t ®Õn tr¹m thu bÞ suy hao trªn ®êng truyÒn. Khi ph¸t mét c«ng suÊt Pt ë phÝa ph¸t th× ë bªn thu sÏ ®îc mét c«ng suÊt lµ Pt/ vµ do suy hao nªn Pt > Pt/. Sù mÊt m¸t c«ng suÊt nµy do c¸c yÕu tè g©y nhiÔu ®êng truyÒn; ®îc xem xÐt díi ®©y. +§é dù tr÷ pha dinh ph¼ng: Do t¸c ®éng cña pha ®inh ph½ng møc tÝn hiÖu thu ®îc cã thÓ bÞ sôt ®i so víi møc tÝn hiÖu thu kh«ng bÞ pha ®inh, tríc khi hÖ thèng cßn lµm viÖc ®óng. Nh vËy t¸c ®éng cña pha ®inh lµ lµm thay ®æi møc ngìng thu cña m¸y thu. Do ®ã khi bÞ ¶nh hëng cña pha dinh ph¼ng m¸y thu cã thÓ nhËn ®îc tÝn hiÖu rÊt yÕu tõ ®êng truyÒn vµ cã thÓ lµm gi¸n ®o¹n th«ng tin nÕu trêng hîp pha ®inh m¹nh. ViÖc tÝnh to¸n mét lîng pha ®inh dù tr÷ lµ cÇn thiÕt cho ®êng truyÒn v« tuyÕn. §é dù tr÷ pha ®inh ph¼ng Fm (dB) liªn quan ®Õn møc tÝn hiÖu thu ®îc kh«ng pha dinh Wo (dB) vµ møc tÝn hiÖu thu ®îc thùc tÕ thÊp W(dBm) tríc lóc hÖ thèng kh«ng cßn ho¹t ®éng tÝnh theo biÓu thøc: Fm = 10 lg(w0/w)dB = [W0(dBm) - W(dBm)] [dB] (3.8) +Pha ®inh lùa chän: Pha dinh lùa chän chñ yÕu ¶nh hëng ®Õn c¸c hÖ thèng vi ba sè cã dung lîng trung b×nh (34Mb/s) vµ dung lîng cao (140Mb/s) +Tiªu hao do ma: Tiªu hao do ma vµ pha ®inh lµ c¸c ¶nh hëng truyÒn lan chñ yÕu c¸c c¸c tuyÕn v« tuyÕn tÇm nh×n th¼ng trªn mÆt ®Êt lµm viÖc ë c¸c tÇn sè trong d¶i tÇn GHz, v× chóng quyÕt ®Þnh c¸c biÕn ®æi tæn hao truyÒn dÉn do ®ã quyÕt ®Þnh kho¶ng c¸ch lÆp cïng víi toµn bé gi¸ thµnh cña mét hÖ thèng v« tuyÕn chuyÓn tiÕp. Tiªu hao do ma t¨ng nhanh theo sù t¨ng cña tÇn sè sö dông, ®Æc biÖt víi c¸c tÇn sè trªn 35GHz thêng suy hao nhiÒu vµ do ®ã ®Ó ®¶m b¶o th× kho¶ng c¸ch lÆp ph¶i nhá h¬n 20km, ngoµi ra viÖc gi¶m ®é dµi cña ®êng truyÒn sÏ gi¶m c¸c ¶nh hëng cña pha dinh nhiÒu tia. 3.6 TÝnh to¸n c¸c tham sè cña tuyÕn C¸c tham sè ®îc sö dông trong tÝnh to¸n ®êng truyÒn nh: Møc suy hao trong kh«ng gian tù do, c«ng suÊt ph¸t, ngìng thu, c¸c suy hao trong thiÕt bÞ cã vai trß 38
quan träng ®Ó xem xÐt tuyÕn cã thÓ ho¹t ®éng ®îc hay kh«ng vµ ho¹t ®éng ë møc tÝn hiÖu nµo. +Tæn hao trong kh«ng gian tù do: Tæn hao trong kh«ng gian tù do (A0) lµ tæn hao lín nhÊt cÇn ph¶i ®îc xem xÐt tríc tiªn. §©y lµ sù tæn hao do sãng v« tuyÕn lan truyÒn tõ tr¹m nµy ®Õn tr¹m kia trong m«i trêng kh«ng gian ®îc tÝnh theo biÓut thøc sau: 4πd 4πdf c A0 = 20lg = 20lg , ( λ = ), (3.9) λ c f A0 = 92,5 + 20lg (f) + 20 lg (d) [dB] (3.10) Víi f: lµ tÇn sè sãng mang tÝnh b»ng [GHz]. d: ®é dµi tuyÕn [km] +Tæn hao phi ®¬: §©y lµ tæn hao thiÕt bÞ (èng dÉn sãng) ®Ó truyÒn dÉn sãng gi÷a an ten vµ m¸y ph¸t/ m¸y thu. Khi tÝnh to¸n suy hao nµy th× ph¶i c¨n cø vµo møc suy hao chuÈn ®îc cho tríc bëi nhµ cung cÊp thiÕt bÞ. Ch¼ng h¹n víi phi ®¬ sö dông lo¹i WC 109 cã møc tiªu hao chuÈn lµ 4,5dB/ 100m vµ céng víi 0,3dB suy hao cña vßng trßn ®Ó chuyÓn tiÕp èng dÉn sãng th× tæn hao phi ®¬ m¸y ph¸t (LTxat) vµ m¸y thu (LRxat) ®îc tÝnh nh sau: LTxat = 1,5har1. 0,045 + 0,3 [dB] (3.11) LRxat = 1,5har2 .0,045 + 0,3 [dB] Trong ®ã har1 vµ har2 lµ ®é cao cña c¸c an ten ®· ®îc tÝnh to¸n lîng dù phßng. +Tæn hao rÏ nh¸nh: Tæn hao rÏ nh¸nh x¶y ra t¹i bé ph©n nh¸nh thu ph¸t, tæn hao nµy còng ®îc cho bëi nhµ cung cÊp thiÕt bÞ. Møc tæn hao nµy thêng kho¶ng (2 ¸ 8)dB. +Tæn hao hÊp thô khÝ quyÓn: C¸c thµnh phÇn trong khÝ quyÓn g©y ra c¸c tæn hao mµ møc ®é cña nã thay ®æi theo ®iÒu kiÖn thêi tiÕt, thay ®æi theo mïa, theo tÇn sè sö dông Khi tÝnh to¸n møc suy hao nµy ta dùa theo c¸c chØ tiªu ®· ®îc khuyÕn nghÞ ë c¸c níc ch©u ¢u. ch¼ng h¹n ®èi víi hÖ thèng thiÕt bÞ v« tuyÕn 18, 23 vµ 38GHz th× møc suy hao chuÈn Lsp0 ®îc cho trong khuyÕn nghÞ vµo kho¶ng 0,04 dB/km ¸ 0,19 dB/km vµ 0,9 dB/m khi ®ã tæn hao cho c¶ tuyÕn truyÒn dÉn ®îc x¸c ®Þnh lµ: Lsp = Lsp0d [dB] (3.13) Víi d lµ kho¶ng c¸ch cña tuyÕn tÝnh b»ng km. 39
Ph¬ng tr×nh c©n b»ng c«ng suÊt trong tÝnh to¸n ®êng truyÒn: Pr = Pt + G - At [dB] (3.14) Trong ®ã: Pt lµ c«ng suÊt ph¸t At: Tæn hao tæng = tæn hao trong kh«ng gian tù do + tæn hao phi d¬ + tæn hao rÏ nh¸nh + tæn hao hÊp thô khÝ quyÓn G: Tæng c¸c ®é lîi = §é lîi cña an ten A + ®é lîi cña an ten B Pr: C«ng suÊt t¹i ®Çu vµo m¸y thu. Pr lµ tham sè quan träng khi thiÕt kÕ ®êng truyÒn vi ba, tham sè nµy lµ mét chØ tiªu quyÕt ®Þnh xem tuyÕn cã ho¹t ®éng ®îc hay kh«ng khi ®em so s¸nh nã víi møc ngìng thu cña m¸y thu. 3.7 TÝnh to¸n c¸c tham sè chÊt lîng cña tuyÕn V× chÊt lîng ®êng truyÒn ®îc ®¸nh gi¸ dùa trªn tû sè BER; c¸c tû sè BER kh¸c nhau sÏ cho mét møc ngìng t¬ng øng vµ còng cã ®é dù tr÷ pha ®inh kh¸c nhau. C¸c tû sè BER thêng ®îc sö dông trong vi ba sè lµ: BER = 10-3 vµ BER = 10-6 t¬ng øng víi hai møc ngìng RXa vµ RXb. 1. §é dù tr÷ pha ®inh øng víi RXa vµ RXb lµ FMa vµ FMb ®îc tÝnh theo biÓu thøc: -3 FMa = Pr - RXa víi BER = 10 (3.14) -6 FMb = Pr - RXb víi BER = 10 (3.15) 2. X¸c xuÊt pha dinh ph¼ng nhiÒu tia (P0) lµ mét hÖ sè thÓ hiÖn kh¶ n¨ng xuÊt hiÖn pha dinh nhiÒu tia ®îc ®¸nh gia theo c«ng thøc sau: B c P0 = KQ . f . d (3.16) Trong ®ã KQ = 1, 4 .10-8 ; B = 1 ; C = 3,5 lµ c¸c tham sè liªn quan ®Õn ®iÒu kiÖn truyÒn lan vÒ khÝ hËu vµ ®Þa h×nh cña sãng v« tuyÕn vµ c¸c gi¸ trÞ ®îc sö dông theo khuyÕn nghÞ cña CCIR. 3. X¸c suÊt ®¹t ®Õn ngìng thu RXa; RXb. Gäi Pa; Pb lµ x¸c suÊt ®¹t tíi c¸c gi¸ trÞ ngìng thu t¬ng øng RXa vµ RXb ®îc tÝnh nh sau: FM a FM - - b 10 10 Pa =10 Pb = 10 (3.17) -3 -6 Víi FMa vµ FMb lµ ®é dù tr÷ pha dinh øng víi c¸c tû sè BER = 10 , BER = 10 ®· ®îc tÝnh to¸n ë trªn. 40
4.Kho¶ng thêi gian pha dinh Ta vµ Tb lµ c¸c gi¸ trÞ ®Æc trng cho c¸c kho¶ng thêi gian tån t¹i pha dinh vµ còng øng víi FMa, FMb ®îc tÝnh theo c«ng thøc: é -α 2FM a ù ê ú ë 10 û β2 Ta = C210 f (3.18) é -α2 .FMb ù ê ú β2 ë 10 û Tb = C210 f Víi C2 = 56,6.d; a2 = 0,5; b2 = -0,5 lÊy theo khuyÕn nghÞ. 5.X¸c suÊt pha dinh ph¼ng dµi h¬n 10s vµ 60s P(10) vµ P(60) lµ X¸c suÊt xuÊt hiÖn pha dinh ph¼ng dµi h¬n 10s vµ 60s t¬ng øng víi c¸c tû sè BER kh¸c nhau vµ ®îc c¸c ®Þnh theo c«ng thøc: P(Ta ³ 10) = P(10) = 0, 5 [1 - erf(Za)] = 0, 5 erfc (Za) (3.19) P(Tb ³ 60) = P(60) = 0, 5 [1 - erf(Zb)] = 0, 5 erfc (Zb) Víi Za = 0,548ln(10/Ta); Víi Zb = 0,548ln(10/Tb) Víi erfc(t) = 1- erf(t) t 2 2 Trong ®ã: erf(t) = ò e -t dt lµ hµm sai sè. π 0 6. X¸c suÊt BER vît 10-3 X¸c suÊt BER vît 10-3 thÓ hiÖn sù gi¸n ®o¹n th«ng tin nhng trong thêi gian kh«ng qu¸ 10s. -FMa -3 10 X¸c suÊt (BER ³ 10 ) = P0. Pa = P0 .10 (3.20) 7.X¸c suÊt m¹ch trë nªn kh«ng thÓ sö dông ®îc do pha dinh ph¼ng trong kho¶ng thêi gian lín h¬n 10s. -3 Pu(10) lµ x¸c suÊt m¹ch sÏ cã BER > 10 trong kho¶ng thêi gian lín h¬n 10s tøc lµ m¹ch trë nªn kh«ng sö dông ®îc vµ ®îc tÝnh theo Pu(10) = P0 . Pa . P(10) (3.21) 8.Kh¶ n¨ng sö dông tuyÕn Kh¶ n¨ng sö dông tuyÕn ®îc biÓu thÞ b»ng phÇn tr¨m vµ ®îc x¸c ®Þnh theo Pu(10) nh sau: Av = 100(1 - Pu(10)) (3.22) 41
9. X¸c suÊt BER vît 10-6 X¸c suÊt BER vît 10-6 thÓ hiÖn sù gi¸n ®o¹n th«ng tin nhng trong thêi gian kh«ng qu¸ 60s. -FMa -6 10 X¸c suÊt (BER ³ 10 ) = P0. Pb = P0 .10 (3.20) 8.X¸c suÊt m¹ch trë nªn kh«ng thÓ sö dông ®îc do pha dinh ph¼ng trong kho¶ng thêi gian lín h¬n 60s. -6 Pu(60) lµ x¸c suÊt m¹ch sÏ cã BER > 10 trong kho¶ng thêi gian lín h¬n 60s tøc lµ m¹ch trë nªn kh«ng sö dông ®îc vµ ®îc tÝnh theo Pu(60) = P0 . Pb . P(60) (3.21) 9.Kh¶ n¨ng sö dông tuyÕn Kh¶ n¨ng sö dông tuyÕn ®îc biÓu thÞ b»ng phÇn tr¨m vµ ®îc x¸c ®Þnh theo Pu(60) nh sau: Av = 100(1 - Pu(60)) (3.22) Nh vËy toµn bé c¸c tham sè ®· tÝnh cho ®êng truyÒn còng nh c¸c tham sè ®Ó ®¸nh gi¸ chÊt lîng tuyÕn ®îc sö dông ®Ó ngêi thiÕt kÕ ®a ra c¸c quyÕt ®Þnh vÒ kh¶ n¨ng lµm viÖc cña tuyÕn, ®Ó tÝnh xem tuyÕn cã ®ñ cong suÊt cung cÊp cho m¸y thu hay kh«ng. Ngoµi ra còng dùa vµo c¸c tham sè nµy ®Ó cã thÓ hiÖu chØnh l¹i c«ng suÊt m¸y ph¸t, quyÕt ®Þnh dïng c¸c biÖn ph¸p ph©n tËp 3.8 C¸c chØ tiªu kü thuËt ®¸nh gi¸ chÊt lîng tuyÕn Ba chØ tiªu chñ yÕu ®Ó ®¸nh gi¸ chÊt lîng tuyÕn: 1. §é kh«ng sö dông ®êng cho phÐp (®èi víi ®êng trôc): Pucf = 0,06L/600% víi L<600km L [km] vÝ dô: L=30km Pucf = 0,06L/600% = 0,06.30/600% = 0,003% 2. §é kh«ng sö dông ®îc cña m¹ng néi h¹t (gi¸ trÞ cho phÐp) = 0,0325% (t¹i mçi ®Çu cuèi). 3. §é kh«ng sö dông ®îc (gi¸ trÞ cho phÐp) cña hµnh tr×nh ngîc = 0,0225% Môc ®Ých c¸c tÝnh to¸n chØ tiªu chÊt lîng lµ nh»m x¸c ®Þnh x¸c suÊt vît c¸c chØ tiªu BER, b»ng c¸ch sö dông c¸c gi¸ trÞ cña c¸c x¸c suÊt t×m ra trong c¸c tÝnh to¸n ®êng truyÒn. 42
C¸c môc tiªu tØ lÖ lçi bit BER ®îc sö dông sao cho BER kh«ng ®îc lín h¬n c¸c gi¸ trÞ sau: +1.10-6 trong h¬n 0,4.d / 2500 % cña th¸ng bÊt kú ®èi víi thêi gian hîp thµnh 1 phót, víi 280km < d < 2500km. +1.10-6 trong h¬n 0,045 % cña th¸ng bÊt kú ®èi víi thêi gian hîp thµnh 1 phót, víi d < 280km. +1.10-3 trong h¬n 0,054.d / 2500 % cña th¸ng bÊt kú ®èi víi thêi gian hîp thµnh 1 gi©y, víi 280km < d < 2500km. +1.10-3 trong h¬n 0,006 % cña th¸ng bÊt kú ®èi víi thêi gian hîp thµnh 1 gi©y, víi d < 280km. 3.9 §¸nh gi¸ chÊt lîng tuyÕn, l¾p ®Æt thiÕt bÞ ®a vµo ho¹t ®éng §©y lµ mét bíc ®îc tiÕn hµnh sau khi ®· tÝnh to¸n ®îc kh¶ n¨ng lµm viÖc cña tuyÕn vµ tÝnh xong c¸c tham sè cÇn thiÕt ®Ó thiÕt lËp tuyÕn cã nghÜa lµ trªn tÝnh to¸n thiÕt kÕ th× tuyÕn ®· ho¹t ®éng. Tuy nhiªn vÉn cßn nhiÒu vÊn ®Ò tån t¹i sÏ t¸c ®éng lªn tuyÕn vµ cã thÓ lµm cho kh¶ n¨ng lµm viÖc cña tuyÕn kh«ng nh mong muèn cña ngêi thiÕt kÕ. Nãi chung viÖc ®¸nh gi¸ chÊt lîng cña tuyÕn lµ dùa vµo c¸c gi¸ trÞ ®· tÝnh ®îc ë c¸c bíc thiÕt kÕ trªn. C«ng viÖc cuèi cïng lµ l¾p ®Æt thiÕt bÞ ®a vµo vËn hµnh. TiÕn hµnh c©n chØnh anten ®Ó thu ®îc tin hiÖu tõ m¸y ph¸t. Vµ ®©y còng lµ lóc ®Ó ®èi chiÕu gi÷a viÖc tÝnh to¸n gi÷a thùc tÕ vµ lý thuyÕt phï hîp víi nhau hay kh«ng b»ng viÖc ®o thö c¸c tÝn hiÖu ë hai bªn thu vµ ph¸t. 3.10 vÝ dô TÝnh to¸n ®êng truyÒn tuyÕn vi ba sè Tr¹m 110Kv §iÖn nam - Tr¹m 110Kv Th¨ng b×nh Nh÷ng tiÕn bé cña khoa häc c«ng nghÖ ®iÖn tö viÔn th«ng vµ tin häc ngµy cµng ®îc øng dông réng r·i trong mäi lÜnh vùc, mäi ngµnh kinh tÕ, Trong ®ã ngµnh §iÖn ®· tõng bíc ®i vµo tù ®éng hãa. Tríc ®©y Trung t©m §iÒu ®é hÖ thèng ®iÖn MiÒn trung ®iÒu hµnh s¶n xuÊt ®iÖn trªn ®Þa bµn MiÒn trung vµ T©y nguyªn, viÖc th«ng tin chñ yÕu lµ th«ng tin tho¹i qua c¸c thiÕt bÞ t¶i ba (PLC) vµ m¹ng VHF . 43
Nh»m ®¸p øng nhu cÇu ph¸t triÓn líi ®iÖn trªn ®Þa bµn MiÒn trung trong t¬ng lai, còng nh yªu cÇu ®iÒu hµnh s¶n xuÊt ®iÖn cña Trung t©m tõng bíc ®i vµo tù ®éng hãa th«ng qua hÖ thèng SCADA/EMS ®· ®îc l¾p ®Æt và khai th¸c. Tõ nhu cÇu ®ã viÖc thiÕt lËp hÖ thèng th«ng tin ngµnh ®iÖn trªn ®Þa bµn MiÒn trung hiÖn nay ®ßi hái ph¶i ®ñ kªnh th«ng tin cho truyÒn sè liÖu SCADA vµ c¸c kªnh tho¹i còng nh c¸c kªnh trung kÕ ®Ó nèi liªn tæng ®µi, ngoµi ra còng ph¶i tÝnh ®Õn hÖ thèng më cho t¬ng lai sau nµy. Chän ph¬ng ¸n tÝnh to¸n tuyÕn vi ba gi÷a tr¹m biÕn ¸p 110Kv Th¨ng b×nh vµ tr¹m 110Kv §iÖn ngäc vÒ Trung t©m §iÒu ®é hÖ thèng ®iÖn MiÒn trung (®· ®îc x©y l¾p trong n¨m 2002) Ph¹m vi tÝnh to¸n: Víi thiÕt bÞ vi ba ®· cã: Dïng lo¹i MINI-LINK (cña h·ng ERICSSON) §Æc tÝnh kü thuËt cña thiÕt bÞ TÇn sè 7GHz C«ng suÊt ph¸t +28dBm Ngìng thu BER 10 -3 -91dBm Ngìng thu BER 10 -6 -87dBm Anten 2,4m GdB = 42,5dB èng dÉn sãng WC 42 0,1dB/m Dung lîng 2*2Mb/s: M« t¶ tuyÕn: TuyÕn th«ng tin vi ba gi÷a Trung t©m §iÒu ®é HT§ MiÒn trung ®· cã tríc, do vËy tuyÕn th«ng tin cho tr¹m biÕn ¸p 110Kv Th¨ng b×nh ®îc thiÕt kÕ sö dông kªnh 2w cho tho¹i, 4w E&M, vµ kªnh data V28 ®Ó truyÒn tÝn hiÖu SCADA/EMS vÒ Trung t©m §iÒu ®é HT§ MiÒn trung. C¸c th«ng sè ®îc x¸c ®Þnh trªn b¶n ®å qu©n sù tû lÖ: 1/50.000, cã cù ly tuyÕn lµ 28km . Trªn ®êng truyÒn sãng qua ®Þa h×nh b»ng ph¼ng kh«ng cã vËt ch¾n h×nh nªm. Täa ®é, ®é cao cña 2 tr¹m so víi mùc níc biÓn ®îc x¸c ®Þnh b»ng m¸y thu ®Þnh vÞ GPS 3.10. Th«ng sè tuyÕn §é dµi tuyÕn 28km NhiÖt ®é trung b×nh hµng n¨m 250C Lîng ma trung b×nh hµng n¨m 150mm/h 44
K = 4 , C = 1 (chän theo khuyÕn nghÞ) 3 Tr¹m §iÖn Ngäc Tr¹m Th¨ng b×nh VÜ tuyÕn 15056’00’’ 150 43’14’’ Kinh tuyÕn 1080 15’ 30’’ 1080 21’ 02’’ §é cao mÆt ®Êt (so víi níc biÓn) 5m 12m §é cao anten 30m CÇn tÝnh to¸n §é cao c©y cèi 7m 12m 3.11 TÝnh ®é cao th¸p anten khi cã ®é cao cña anten kia ¸p dông c«ng thøc (3.4) tÝnh ®é cao cña tia v« tuyÕn B B = E(k) + (O + T) + C.F1 1/2 B= (4/51)d1d2/k + (O + T) + 17,32C[d1d2)/df] [m] (3.26) = 11,49 + 11+ 17,32 =39,81 m ha2 = h1 + ha1 + [B - (h1 + ha1)](d/d1) - h2 = 35 +{39,81- 35}(28/14)-12 = 32,62m ta chän th¸p anten cao 35m ®Ó cã ®é dù phßng 45
Dùa vµosèliÖutrªnb¶®å,écacña2eÏmÆ¾ghngñuyÕn 3.12 vÏmÆtc¾nghiª MÆt c¾t tuyÕn VI BA: §iÖn Ngäc Th¨ng B×nh Kho¶ng c¸ch tuyÕn: 28km ; K=1,33 §iÖn Ngäc TÇn sè :7000Mhz ; Kho¶ng: 0,36 Th¨ng B×nh §é cao tù nhiªn: 3mÐt §é cao tù nhiªn: 6mÐt Kho¶ng §é cao §é cao §é cao an ten: 35 mÐt c¸ch tù nhiªn c©y cèi §é cao an ten: 30 mÐt (km) (m) (m) 45 0 3 7 1 3 7 2 3 7 40 3 3 7 4 5 7 5 3 7 35 6 3 7 7 3 6 30 8 6 8 46 9 3 7 10 5 8 25 11 5 7 12 3 8 13 7 6 20 14 6 7 15 5 4 16 4 7 15 17 3 6 18 6 8 19 4 8 10 20 3 7 21 7 6 22 6 8 5 23 6 7 24 7 7 25 5 6 0 26 4 8 0 5 10 15 20 25 28 27 4 7 28 6 6
3.13 TÝnh tæn hao cña ®êng truyÒn a/ TÝnh tæn hao ®êng truyÒn kh«ng gian tù do ¸p dông c«ng thøc A0= 92,5 + 20lg7 + 20lg 28 =138,5dB b/ Tæn hao phi ®¬ Tra b¶ng suy hao 0,1dB/m ë f=7GHz Tr¹m §iÖn ngäc 50m Tr¹m Th¨ng b×nh 55m 5dB 5,5dB c/ Tæn hao rÏ nh¸nh (¸p dông b¶ng) = 4dB (cho 1 tr¹m ) d/ C¸c tæn hao bé phèi hîp vµ ®Çu nèi = 0,5dB (cho 1 tr¹m ) Tæng môc a+b+c+d 138,5 +10,5 + 4*2 + 0, 5*2 =158dB e/ §é lîi cña anten (cho bëi nhµ chÕ t¹o víi f=7GHz) anten 2,4m ®é lîi GdB= 42,5 dB ®é lîi 2anten 42,5 x 2 = 85dB f/ C«ng suÊt ph¸t Pt = +28 dBm Tæng c¸c ®é lîi 85 + 28 = 113dBm Tæng tæn hao A1= Pt -{ Pt -tæng tæn hao + tæng c¸c ®é lîi cña anten} A1 = 28-{28 -158+ 85 }= 73dB g/ Møc ®Çu vµo m¸y thu (dBm) Pr= Pt - A1 =28 - 73 = - 45dBm h/ C¸c møc ngìng m¸y thu Gi¸ trÞ cña ®é dù tr÷ phading ph¼ng -3 FMa = Pr - RXa= -45-(-91) = 46dB Víi BER = 10 -6 FMb = Pr - RXb = -45-(-87)= 42dB Víi BER = 10 47
i/ X¸c suÊt pha ®inh ph¼ng nhiÒu tia ¸p dông biÓu thøc: B C P0 = KQ.f d -8 -3 Trong ®ã: KQ = 1, 4x10 , B = 1, C = 3,5 (theo khuyÕn nghÞ). Suy ra P0 = 11, 38 10 k/ X¸c suÊt ®¹t tíi c¸c ngìng -FMa/10 -46/10 -7 Pa = 10 = 10 =251, 19.10 -FMb/10 -42/10 -7 Pb = 10 = 10 =630, 95. 10 l/ Kho¶ng thêi gian pha ®inh: æ -α2FM a ö é -α2 FMb ù ç ÷ ê ú è 10 ø β2 ë 10 û β2 Ta = C210 f Tb = C210 f Víi C2 = 56,6*d ; a2 = 0,5; b2 = -0,5 lÊy theo khuyÕn nghÞ. é -0,5.46 ù é -0,5.42 ù ê ú ê ú -0,5 ë 10 û -0 ,5 ë 10 û Ta = 56,6.28.7 .10 = 2,99 Tb = 56,6.28.7 .10 = 4,76 m/ X¸c suÊt pha ®inh ph¼ng dµi h¬n 10s vµ 60s: P(Ta ³ 10) = P(10) = 0,5 [1 - erf(Za)] = 0,5 erfc (Za) P(Tb ³ 60) = P(60) = 0,5 [1 - erf(Zb)] = 0,5 erfc (Zb) Víi: Za = 0,548ln(10/Ta) = 0,548ln (10/2,99) = 0,661 Zb = 0,548ln(10/Tb) = 0,548ln (10/4,76) = 0,400 Víi erfc(t) = 1- erf(t) t 2 2 Trong ®ã: erf (t ) = òe-t dt lµ hµm sai sè. π 0 Dïng ph¬ng ph¸p tÝnh gÇn ®óng 2 2 2 3 2n 2 ( -t ) ( -t ) t e -t »1+( -t 2 )+ + + +( -1)n 2! 3! n! 2 t t 4 t 6 2 t 3 t 5 t 7 erf (t ) » ò{1- t 2 + - + + } dt = [ t - + - + + ] π 0 2 6 π 3 10 42 erfc(Za) =erfc(0,661) » 0,4272 erfc(Zb) =erfc(0,400) » 0,57154 P(10)= 0,5* (0,4272)= 0,2136 P(60) = 0,5*0,57154 = 0,2857 n/ X¸c suÊt BER vît qu¸ 10-3: -3 -3 -7 -7 X¸c suÊt BER >10 = Po*Pa = 11,38 10 *251,19.10 = 2,858*10 -3 o/ X¸c suÊt m¹ch kh«ng thÓ sö dông do pha ®inh ph½ng Pu víi BER=10 -7 -7 Pu = Po.Pa.P(10) = 2,858*10 *0,2136 = 0,61046*10 48
p/ Kh¶ n¨ng sö dông tuyÕn víi BER=10-3: Kh¶ n¨ng sö dông tuyÕn% Av = 100 ( 1 - Pu ) = 100 ( 1 - 0,61046*10-7) = 99,9999993895% q/ X¸c suÊt m¹ch cã BER > 10-6: -6 -3 -7 -7 X¸c suÊt BER >10 =Po*Pb = 11,38 10 *630,95. 10 = 7,180*10 -6 r)X¸c suÊt m¹ch kh«ng thÓ sö dông do pha ®inh ph½ng Pu víi BER=10 -3 -7 -7 Pu = Po.Pa.P(60) = 11,38 10 *630,95. 10 *0,2857= 2,051* 10 s/ Kh¶ n¨ng sö dông tuyÕn víi BER=10-6: Kh¶ n¨ng sö dông tuyÕn% Av = 100 ( 1 - Pu ) = 100 ( 1 – 2,051*10-7) = 99,999997949% LËp B¶ng kÕt qu¶ tÝnh to¸n ®êng truyÒn tuyÕn vi ba sè §iÖn Nam - Th¨ng B×nh M« t¶ tuyÕn: Tr¹m A Tr¹m B Sè lo¹i thiÕt bÞ: Mini Link E Tªn tr¹m Tr¹m 110kV §iÖn Nam Tr¹m 110kV Th¨ng B×nh TÇn sè: (MHz) 7157,75 7210,25 TÇn sè trung t©m 7GHz Dung lîng kªnh: (2 x 2) Mb/s Lo¹i ®iÒu chÕ m¸y ph¸t: 4QAM Tham kh¶o b¶n ®å ®o ®¹c: 1/50000 (côc b¶n ®å qu©n ®éi ) VÜ ®é 15056’00” 15043’14” Kinh ®é: 108015’30” 108021’02” §é dµi cña ®êng truyÒn dÉn: 28km §é cao cña an ten: 30mÐt 35mÐt §é cao an ten ph©n tËp: 0 0 §é cao so víi mùc níc biÓn 5mÐt 12mÐt T¨ng Ých (§é KhuÕch ®¹i) Tr¹m A Tr¹m B M¸y ph¸t A (dBm) +28 T¨ng Ých an ten (dB) 42,5 42,5 Tæng t¨ng Ých: (dB) 113 Tæng tæn hao At (dB) 158 Møc vµo cña m¸y thu (dBm) -45 Møc ngìng thu ®îc RXa (dBm) -91 BER 10-3 Møc ngìng thu ®îc RXb (dBm) -87 BER 10-6 §é dù tr÷ pha dinh ph¼ng: FMa (dB) 46 §é dù tr÷ pha dinh ph¼ng: FMb (dB) 42 49
C¸c tæn hao: Tr¹m A Tr¹m B Tæn hao ®êng truyÒn dÉn cña kh«ng gian tù do: A(dB) = 138,5dB 0 Lo¹i phi ®¬: C¸p ®ång trôc 75W §é dµi phi ®¬ 50m 55m Tæn hao phi d¬ 5dB 5,5dB Tæn hao rÏ nh¸nh 4dB 4dB Tæn hao bé phèi hîp vµ nèi (dB) 0,5 0,5 Tæn hao vËt ch¾n: 0 0 Tæn hao hÊp thô khÝ quyÓn: 0 0 Tæng tæn hao cña tÊt c¶ phÇn: (dB) 158dB C¸c hiÖu øng pha dinh ph¼ng: Tr¹m A Tr¹m B -3 X¸c suÊt pha dinh nhiÒu tia P0 11,38 . 10 -46 10 -7 X¸c suÊt ®¹t ngìng: RXa Pa = 10 = 251,19.10 -42 10 -7 X¸c suÊt ®¹t ngìng: RXb Pb = 10 = 630,95. 10 Kho¶ng thêi gian pha dinh Ta (s ) 2,99 Kho¶ng thêi gian pha dinhT (s ) 4,76 b X¸c suÊt fdg > 10s P(10) 0,2136 X¸c suÊt BER vît 10-3 2,858.10-7 -3 -7 X¸c suÊt ®Ó m¹ch trë nªn kh«ng dïng ®îc (BER=10 ) 0,61046*10 §é sö dông cña tuyÕn % (BER=10-3) 99,9999993895% X¸c suÊt fdg > 60s P(60) 0,2857 X¸c suÊt BER > 10-6 7,18.10-7 X¸c suÊt ®Ó m¹ch trë nªn kh«ng dïng ®îc (BER=10-6) 2,051* 10-7 §é sö dông cña tuyÕn % (BER=10-6) 99,999997949% HÖ sè c¶i thiÖn ph©n tËp kh«ng gian: kh«ng KÕt LuËn Qua tÝnh to¸n c¸c th«ng sè trªn cho ta kÕt luËn víi cù ly tuyÕn tõ Tr¹m 110Kv §iÖn ngäc ®Õn Tr¹m 110Kv Th¨ng b×nh còng nh ®é cao anten ë hai tr¹m, víi thiÕt bÞ vi ba sè Minilink Microwave cã c¸c ®Æt tÝnh kü thuËt nh ®· nªu ë trªn cïng kÕt qu¶ tÝnh to¸n ®êng truyÒn : §é dù tr÷ pha dinh 46dB víi BER 10-3, 42dB víi BER 10-6 §é sö dông cña tuyÕn % (BER=10-3) 99,9999993895% §é sö dông cña tuyÕn % (BER=10-6) 99,999997949% Víi c¸c th«ng sè trªn ta kh«ng cÇn sö dông ph©n tËp cho tuyÕn, tuyÕn ho¹t ®éng tèt 50
CHƯƠNG 4 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THÔNG TIN VỆ TINH Nội dung · Nguyên lý thông tin vệ tinh · Các đặc điểm của thông tin vệ tinh · Hệ thống thông tin vệ tinh cơ bản · Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh · Các phương pháp đa truy nhập đến một vệ tinh · Sự phân cực sóng · Cửa sổ tần số · Suy hao trong thông tin vệ tinh · Tạp âm trong thông tin vệ tinh · Hiệu ứng Doppler · Trễ truyền dẫn
Thông tin Viba – Vệ tinh 4.1 Nguyên lý của thông tin vệ tinh Sau khi được phóng vào vũ trụ, vệ tinh trở thành trạm thông tin ngoài trái đất. Nó có nhiệm vụ thu tín hiệu dưới dạng sóng vô tuyến từ một trạm ở trái đất, khuếch đại rồi phát trở về trái đất cho một trạm khác. Có hai quy luật chi phối quỹ đạo của các vệ tinh bay xung quanh quả đất là: · Mặt phẳng quỹ đạo bay của vệ tinh phải cắt ngang tâm Trái đất. · Trái đất phải là trung tâm của bất kỳ quỹ đạo nào của vệ tinh. Quỹ đạo elip nghiêng Quỹ đạo xích đạo Quỹ đạo cực tròn Hình 4.1 Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh. 4.1.1 Quỹ đạo cực tròn Ưu điểm của dạng quỹ đạo này là mỗi điểm trên mặt đất đều nhìn thấy vệ tinh trong một khoảng thời gian nhất định. Việc phủ sóng toàn cầu của dạng quỹ đạo này đạt được vì quỹ đạo bay của vệ tinh sẽ lần lược quét tất cả các vị trí trên mặt đất. Dạng quỹ đạo này được sử dụng cho các vệ tinh dự báo thời tiết, hàng hải, thăm dò tài nguyên và các vệ tinh do thám. Nó ít được sử dụng cho thông tin truyền hình vì thời gian xuất hiện ngắn. 4.1.2 Quỹ đạo elip nghiêng Ưu điểm của loại quỹ đạo này là vệ tinh có thể đạt đến các vùng cực cao mà các vệ tinh địa tĩnh không thể đạt tới. Tuy nhiên quỹ đạo elip nghiêng có nhược điểm là hiệu ứng Doppler lớn và vấn đề điều khiển bám đuổi vệ tinh phải ở mức cao. 4.1.3 Quỹ đạo địa tĩnh GEO (Geosychronous Earth Orbit) - Quỹ đạo xích đạo tròn Đối với dạng quỹ đạo này, vệ tinh bay trên mặt phẳng đường xích đạo và là dạng quỹ đạo được dùng cho vệ tinh địa tĩnh, nếu vệ tinh bay ở một độ cao đúng thì dạng quỹ đạo này sẽ lý tưởng đối với các vệ tinh thông tin. 51
Thông tin Viba – Vệ tinh Hình 4.2 Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh. Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh được phóng lên quỹ đạo tròn ở độ cao khoảng 36.000km so với đường xích đạo, vệ tinh loại này bay xung quanh quả đất một vòng mất 24h. Do chu kỳ bay của vệ tinh bằng chu kỳ quay của trái đất xung quanh trục của nó theo hướng Đông cùng với hướng quay của trái đất, bởi vậy vệ tinh dường như đứng yên khi quan sát từ mặt đất, do đó nó được gọi là vệ tinh địa tĩnh. Một vệ tinh địa tĩnh có thể đảm bảo thông tin ổn định liên tục nên có nhiều ưu điểm hơn vệ tinh quỹ đạo thấp dùng làm vệ tinh thông tin. Nếu ba vệ tinh địa tĩnh được đặt ở cách đều nhau bên trên xích đạo thì có thể thiết lập thông tin liên kết giữa các vùng trên trái đất bằng cách chuyển tiếp qua một hoặc hai vệ tinh. Điều này cho phép xây dựng một mạng thông tin trên toàn thế giới. 4.1.4 Quỹ đạo trung bình MEO (Medium Earth Orbit) Vệ tinh MEO ở độ cao từ 10.000km đến 20.000 km, chu kỳ của quỹ đạo là 5 đến 12 giờ, thời gian quan sát vệ tinh từ 2 đến 4 giờ. Ứng dụng cho thông tin di động hay thông tin radio. Hệ thống MEO cần khoảng 12 vệ tinh để phủ sóng toàn cầu. 4.1.5 Quỹ đạo thấp LEO (Low Earth Orbit) Độ cao điển hình của dạng quỹ đạo này là 160 đến 480 km, nó có chu kỳ 90 phút. Thời gian quan sát thấy vệ tinh khoảng dưới 30 phút. Việc bố trí các vệ tinh LEO gần nhau có thuận lợi là thời gian để dữ liệu phát đi đến vệ tinh và đi về là rất ngắn. Do khả năng thực hiện nhanh của nó, tác dụng tiếp sức tương hỗ toàn cầu giữa các mạng và loại hình hội thoại vô tuyến truyền hình sẽ có hiệu quả và hấp dẫn hơn. Nhưng hệ thống LEO đòi hỏi phải có khoảng 60 vệ tinh loại này mới bao trùm hết bề mặt địa cầu 4.2 Các đặc điểm của thông tin vệ tinh Trong thời đại hiện nay, thông tin vệ tinh được phát triển và phổ biến nhanh chóng vì nhiều lý do khác nhau. Các ưu điểm chính của thông tin vệ tinh so với các phương tiện 52
Thông tin Viba – Vệ tinh thông tin dưới biển và trên mặt đất như hệ thống cáp quang và hệ thống chuyển tiếp viba số là: - Có khả năng đa truy nhập. - Vùng phủ sóng rộng, chỉ cần 3 vệ tinh địa tỉnh là có thể phủ sóng toàn cầu. - Ổn định cao, chất lượng và khả năng cao về thông tin băng rộng. - Có thể ứng dụng cho thông tin di động. - Thích hợp với dịch vụ truyền hình - Hiệu quả kinh tế cao trong thông tin cự ly lớn, đặc biệt trong thông tin xuyên lục địa. Sóng vô tuyến điện phát đi từ một vệ tinh ở quỹ đạo địa tĩnh có thể bao phủ hơn 1/3 toàn bộ bề mặt trái đất, nên những trạm mặt đất đặt trong vùng đó có thể thông tin trực tiếp với bất kỳ một trạm mặt đất khác trong vùng qua một vệ tinh thông tin . Kỹ thuật sử dụng một vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất và việc tăng hiệu quả sử dụng của nó tới cực đại được gọi là đa truy nhập. Nói cách khác đa truy nhập là phương pháp dùng một bộ phát đáp trên một vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất. 4.3 Hệ thống thông tin vệ tinh cơ bản Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm hai phần cơ bản: - Phần trên không là vệ tinh và các thiết bị liên quan. - Phần mặt đất bao gồm các trạm mặt đất . Đường lên Đường xuống 6GHz(14GHz) 4GHz(11GHz) Khuếch đại Hạ Giải điều Điều Nâng Khuếch đại tạp âm tháp tần chế chế tần công suất Hình 4.3 Liên lạc giữa hai trạm mặt đất qua vệ tinh. Trong đó vệ tinh đóng vai trò lặp lại tín hiệu truyền giữa các trạm mặt đất, thực chất kỹ thuật thông tin vệ tinh là kỹ thuật truyền dẫn mà trong đó môi trường truyền dẫn là không gian vũ trụ với khoảng cách đường truyền khá dài. Tại đây ta cũng gặp lại một số vấn đề đối với một bài toán truyền dẫn, đó là các vấn đề điều chế tạp âm và nhiễu đường truyền, đồng bộ giữa hai đầu thu phát. Hình vẽ là một ví dụ đơn giản về liên lạc giữa hai trạm mặt đất thông qua vệ tinh thông tin . Đường hướng từ trạm mặt đất phát đến vệ tinh được gọi là đường lên (Uplink) và đường từ vệ tinh đến trạm mặt đất thu gọi là đường xuống (Downlink). Hầu hết, các 53
Thông tin Viba – Vệ tinh tần số trong khoảng 6GHz hoặc 14GHz được dùng cho đường lên và tần số khoảng 4GHz hoặc 11GHz cho đường xuống. Tại đầu phát, thông tin nhận từ mạng nguồn (có thể là kênh thoại, truyền hình quảng bá, truyền số liệu ) sẽ được dùng để điều chế một sóng mang trung tần IF. Sau đó tín hiệu này được đưa qua bộ chuyển đổi nâng tần (Up Converter) cho ra tần số cao hơn RF (Radio Frequency). Tín hiệu RF này được khuếch đại ở bộ khuếch đại công suất cao HPA (High Power Amplifier) rồi được bức xạ ra không gian lên vệ tinh qua anten phát. Tại vệ tinh, tín hiệu nhận được qua anten sẽ được khuếch đại và chuyển đổi tần số xuống (Down Converter), sau đó được khuếch đại công suất rồi được phát trở lại trạm mặt đất. Ở trạm mặt đất thu, tín hiệu thu được qua anten được khuếch đại bởi bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier). Sau đó được chuyển đổi tần số xuống trung tần qua bộ chuyển đổi hạ tần (Down Converter) và cuối cùng được giải điều chế khôi phục lại tín hiệu băng gốc. 4.4 Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh Các tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh nằm trong băng tần siêu cao SHF (Super High Frequency) từ 3 đến 30 GHz, trong phổ tần số sử dụng cho vệ tinh người ta còn chia các băng tần nhỏ với phạm vi của dãy phổ như bảng 4.1 Bảng 4.1. Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh. Băng Tần số (GHz) Bước sóng (cm) C 3,400 ¸ 7,075 8,82 ¸ 4,41 X 7,025 ¸ 8,425 4,41 ¸ 3,56 Ku 10,90 ¸ 18,10 2,75 ¸ 1,66 Ka 17,70 ¸ 36,00 1,95 ¸ 0,83 Hiện nay, băng C và băng Ku được sử dụng phổ biến nhất, băng C (4/6 GHz) nằm ở khoảng giữa cửa sổ tần số, suy hao ít do mưa, trước đây được dùng cho các hệ thống viba mặt đất. Sử dụng chung cho hệ thống Intelsat và các hệ thống khác bao gồm các hệ thống vệ tinh khu vực và nhiều hệ thống vệ tinh nội địa. Băng Ku (12/14 và 11/14 GHz), được sử dụng rộng rãi tiếp sau băng C cho viễn thông công cộng, dùng nhiều cho thông tin nội địa và thông tin giữa các công ty. Do tần số cao nên cho phép sử dụng những anten có kích thước nhỏ, nhưng cũng vì tần số cao nên tín hiệu ở băng Ku bị hấp thụ lớn do mưa. Băng Ka (20/30 GHz) lần đầu tiên sử dụng cho thông tin thương mại qua vệ tinh Sakura của Nhật, cho phép sử dụng các trạm mặt đất nhỏ và hoàn toàn không gây nhiễu cho các hệ thống viba. Tuy nhiên băng Ka suy hao đáng kể do mưa nên không phù hợp cho thông tin chất lượng cao. 4.5 Các phương pháp đa truy nhập đến một vệ tinh 4.5.1 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA FDMA (Frequency Division Multiplex Access) là loại đa truy nhập được dùng phổ biến trong thông tin vệ tinh, trong hệ thống này mỗi trạm mặt đất phát đi một sóng mang có tần số khác với tần số sóng mang của các trạm mặt đất khác. Mỗi một sóng mang được phân cách với các sóng mang khác bằng các băng tần bảo vệ thích hợp sao 54
Thông tin Viba – Vệ tinh cho chúng không chồng lên nhau. FDMA có thể được sử dụng cho tất cả các hệ thống điều chế: hệ thống điều chế tương tự hay điều chế số như các sóng mang FM (Frequency Modulation) điều chế bằng các tín hiệu điện thoại đã ghép kênh hoặc các tín hiệu truyền hình và các sóng mang PSK (Phase Shift Keying) điều chế số. Một trạm mặt đất thu các tín hiệu có chứa thông tin nhờ một bộ lọc thông dải. Thời gian fA fB fC fD Tần số Bộ phát đáp Hình 4.4 FDMA. Phương pháp này cho phép tất cả các trạm truyền dẫn liên tục, nó có ưu điểm là không cần thiết điều khiển định thời đồng bộ và các thiết bị sử dụng khá đơn giản. Hiệu quả sử dụng công suất vệ tinh của nó là khá tốt, tuy nhiên vì các kênh truyền dẫn được phân chia theo một thước đo vật lý là tần số. Nên phương pháp này thiếu linh hoạt trong việc thay đổi cách phân phối kênh và hiệu quả thấp khi số sóng mang tăng. Nhưng bù lại phương pháp này có thủ tục truy nhập đơn giản, các cấu hình phương tiện trạm mặt đất cũng đơn giản hơn 4.5.2 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA A D Thời gian C 1khung B TDMA A f 0 Tần số Hình 4.5. Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA là phương pháp đa truy nhập trong đó các trạm mặt đất dùng chung một bộ phát đáp trên cơ sở phân chia theo thời gian như hình 4.5. Trong đó trục hoành chỉ tần số, trục tung chỉ thời gian. Trục thời gian được phân chia thành các khoảng thời gian gọi là các khung TDMA, mỗi khung TDMA được phân chia thành các khe thời gian, các khe thời gian này được ấn định cho mỗi trạm mặt đất. Tất cả các trạm mặt đất đều dùng chung một sóng mang có tần số trung tâm là f0 và chỉ phát và thu tín hiệu trong các khe thời gian được ấn định. Vì thế, trong một khoảng thời gian nhất định, chỉ có 55
Thông tin Viba – Vệ tinh tín hiệu từ một trạm mặt đất chiếm toàn bộ băng tần của bộ phát đáp vệ tinh và không bao giờ xảy ra trường hợp tín hiệu từ hai trạm mặt đất trở lên chiếm bộ phát đáp của vệ tinh trong cùng một thời gian. Độ dài của khe thời gian ấn định cho mỗi trạm mặt đất tuỳ thuộc vào lưu lượng của trạm. TDMA sử dụng các sóng mang điều chế số và các sóng mang được phát đi từ trạm mặt đất cần phải được điều khiển chính xác sao cho chúng nằm trong khe thời gian được phân phối. Để làm được điều này, cần phải có một tín hiệu chuẩn phát đi từ một trạm chuẩn và các trạm khác lần lượt truyền tín hiệu ngay sau tín hiệu chuẩn. Trong phương pháp đa truy nhập này, các trạm mặt đất phải truyền tín hiệu một cách gián đoạn và cần phải dự phòng khoảng thời gian bảo vệ giữa các sóng mang để các tín hiệu từ các trạm mặt đất không chồng lấn lên nhau khi đến bộ phát đáp. Ưu điểm của phương pháp này là có thể sử dụng tốt công suất tối đa của vệ tinh và có thể thay đổi dễ dàng dung lượng truyền tải bằng cách thay đổi khoảng thời gian phát và thu, do đó nó linh hoạt trong việc thay đổi, thiết lập tuyến, đặc biệt là hiệu suất sử dụng tuyến rất cao khi số kênh liên lạc tăng. Mặt khác, TDMA khi kết hợp với kỹ thuật nội suy tiếng nói thì có thể tăng dung lượng truyền dẫn lên ba đến bốn lần. Tuy nhiên, TDMA có một số nhược điểm như sau: · Yêu cầu phải có đồng bộ cụm Mạng TDMA chứa các trạm lưu lượng và ít nhất một trạm chuẩn. Các cụm được phát đi từ các trạm lưu lượng được gọi là các cụm lưu lượng. Số liệu lưu lượng được phát bằng các cụm lưu lượng. Trạm chuẩn phát một cụm đặc biệt theo chu kỳ gọi là cụm chuẩn. Cụm chuẩn cung cấp chuẩn định thời và chu kỳ của nó đúng bằng một khung TDMA. Mỗi trạm lưu lượng phát các cụm lưu lượng trong các khe thời gian được ấn định ở vệ tinh bằng cách điều khiển định thời phát cụm theo cụm chuẩn, cụm chuẩn được sử dụng làm chuẩn định thời, cụm chuẩn và các cụm lưu lượng được đặt theo thứ tự đúng để tránh chồng lấn trong mỗi khung TDMA. Nếu không có đồng bộ cụm thì các cụm được phát có thể trượt khỏi các khe thời gian được ấn định ở vệ tinh. Nếu xảy ra chồng lấn các cụm ở vệ tinh thì thông tin sẽ bị mất. · Tín hiệu tương tự phải được chuyển sang dạng số khi sử dụng kỹ thuật TDMA. · Giao diện với các hệ thống mặt đất tương tự rất phức tạp dẫn đến giá thành của hệ thống cao. 4.5.3 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA CDMA (Code Division Multiplex Access) là phương pháp truy nhập ứng dụng kỹ thuật trải phổ, trong đó mọi đối tượng có thể : · Được phép hoạt động đồng thời. · Hoạt động tại tần số như nhau. · Sử dụng toàn bộ băng tần của hệ thống cùng một lúc mà không gây nhiễu sang thông tin của đối tượng khác. Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA là phương pháp đa truy nhập mà ở đó các trạm mặt đất có thể phát tín hiệu một cách liên tục và đồng thời, và sử dụng cùng một băng tần của kênh. 56
Thông tin Viba – Vệ tinh Trong CDMA, mỗi sóng mang phát được điều chế bằng một mã đặc biệt qui định cho mỗi trạm mặt đất và trạm mặt đất thu có thể tách được tín hiệu cần thu khỏi các tín hiệu khác nhờ mã đặc biệt đó. Tập hợp các mã cần dùng phải có các thuộc tính tương quan sau đây: · Mỗi mã phải có thể được phân biệt một cách dễ dàng với bản sao của chính nó bị dịch chuyển theo thời gian. · Mỗi mã phải có thể được phân biệt một cách dễ dàng bất chấp các mã khác được sử dụng trên mạng. Việc truyền dẫn tín hiệu hữu ích kết hợp với mã đòi hỏi một băng thông lớn hơn nhiều so với băng thông yêu cầu để truyền dẫn chỉ riêng thông tin hữu ích. Đó là lý do vì sao người ta gọi là truyền dẫn trải phổ. Đặc điểm của CDMA: - Hoạt động đơn giản, do nó không đòi hỏi bất kỳ sự đồng bộ truyền dẫn nào giữa các trạm. Đồng bộ duy nhất là đồng bộ của máy thu với chuỗi sóng mang thu được. - Nhờ việc trải phổ ở phía phát và thu hẹp phổ ở phía thu nên nó có khả năng chống lại can nhiễu giữa các hệ thống và nhiễu do hiện tượng đa đường truyền rất tốt, đồng thời có tính bảo mật của tín hiệu cao. Bên cạnh các ưu điểm như trên, CDMA vẫn tồn tại nhược điểm như hiệu quả sử dụng băng tần kém, độ rộng băng tần truyền dẫn yêu cầu lớn. Tuy vậy CDMA rất phù hợp đối với các mạng có các trạm nhỏ với độ rộng chùm tia anten lớn và đối với truyền thông vệ tinh với các máy di động. 4.5.4 Phương pháp đa truy nhập phân phối trước và đa truy nhập phân phối theo yêu cầu 4.5.4.1 Đa truy nhập phân phối trước Đa truy nhập phân phối trước là một phương pháp đa truy nhập mà trong đó các kênh vệ tinh được phân bố cố định cho tất cả các trạm mặt đất khác nhau, bất chấp có hay không có các cuộc gọi phát đi. 4.5.4.2 Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu là phương pháp đa truy nhập mà trong đó các kênh vệ tinh được sắp xếp lại mỗi khi có yêu cầu thiết lập kênh từ các trạm mặt đất có liên quan. Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu cho phép sử dụng có hiệu quả dung lượng kênh của vệ tinh đặc biệt khi một số trạm mặt đất có dung lượng nhỏ sử dụng chung một bộ phát đáp như trong trường hợp hệ thống điện thoại vệ tinh trên biển. 4.6 Sự phân cực sóng Trường điện từ của sóng vô tuyến điện khi truyền qua một môi trường thì dao động theo một hướng nhất định, tuỳ theo kiểu dao động đó mà ta có hai loại phân cực. Hai loại phân cực sóng vô tuyến điện được sử dụng trong thông tin vệ tinh là sóng phân cực thẳng và sóng phân cực tròn. 57
Thông tin Viba – Vệ tinh 4.6.1 Sóng phân cực thẳng Một sóng phân cực thẳng có thể được tạo ra bằng cách dẫn các tín hiệu từ một ống dẫn sóng chữ nhật đến một anten loa, nhờ đó sóng được bức xạ theo kiểu phân cực thẳng đứng song song với cạnh đứng của anten loa. Để thu được sóng này anten thu cũng cần phải bố trí giống như tư thế anten phía phát. Trong trường hợp khi đặt anten thu vuông góc với anten phát thì không thể thu được sóng này ngay cả khi sóng đi vào ống dẫn sóng. Ta dễ dàng tạo ra sóng phân cực thẳng, nhưng cần phải điều chỉnh hướng của ống dẫn sóng anten thu sao cho song song với mặt phẳng phân cực sóng đến. 4.6.2 Sóng phân cực tròn Sóng phân cực tròn là sóng trong khi truyền lan phân cực của nó quay tròn, có thể tạo ra loại sóng này bằng cách kết hợp hai sóng phân cực thẳng có phân cực vuông góc nhau và góc lệch pha là 900. Sóng phân cực tròn là phân cực phải hay trái phụ thuộc vào sự khác nhau giữa các sóng phân cực thẳng là sớm pha hay chậm pha. Đối với sóng phân cực tròn mặc dù không cần điều chỉnh hướng của loa thu, nhưng mạch fiđơ của anten lại trở nên phức tạp hơn đôi chút. Trong thông tin vệ tinh, sóng phân cực tròn được chọn để sử dụng nhờ có tính ưu việt sau: - Sự chênh lệch giữa phân cực tròn phải và phân cực tròn trái là khá lớn. Vì vậy mà việc phát và thu tín hiệu không ảnh hưởng lên nhau với kỹ thuật sử dụng lại tần số. - -Trong khoảng tần số từ 4GHz đến 6GHz thì mức độ phân cách giữa hai phân cực phải và phân cực trái rõ rệt, do đó chúng không gây giao thoa hay can nhiễu lên nhau. 4.7 CỬA SỔ TẦN SỐ 100 50 Suy hao do Suy hao do mưa 25mm/h tầng điện ly 10 S uy h a o ( d B) 5 Cửa sổ tần số 1 0,1 0,5 1 5 10 50 100 Tần số (GHz) Hình 4.6. Đồ thị biểu diễn suy hao do mưa và do tầng điện ly theo tần số. Các sóng vô tuyến điện truyền đến hay đi từ các vệ tinh thông tin chịu ảnh hưởng của tầng điện ly và khí quyển. Tầng điện ly là một lớp khí loãng bị ion hoá bởi các tia vũ trụ, có độ cao từ 60km đến 400km so với mặt đất, lớp mang điện này có tính chất hấp thụ và phản xạ sóng. Do các biến đổi trạng thái của tầng điện ly, làm giá trị hấp thụ và 58
Thông tin Viba – Vệ tinh phản xạ thay đổi gây ra sự biến thiên cường độ sóng đi vào, gọi là sự thăng giáng. Tuy nhiên tính chất này ảnh hưởng chủ yếu đối với băng tần thấp, khi tần số càng cao ảnh hưởng của tầng điện ly càng ít, các tần số ở băng sóng viba (1GHz) hầu như không bị ảnh hưởng của tầng điện ly. Khi tần số >10GHz thì cần tính toán suy hao do mưa như hình 4.6. Từ hình vẽ ta thấy các tần số nằm trong khoảng giữa 1GHz và 10GHz thì suy hao kết hợp do tầng điện ly và mưa nhỏ là không đáng kể, do vậy băng tần này được gọi là "cửa sổ tần số". Lúc đó nếu sóng nằm trong cửa sổ vô tuyến thì suy hao truyền dẫn có thể được xem gần đúng là suy hao không gian tự do. Vì vậy, cho phép thiết lập các đường thông tin vệ tinh ổn định, nhưng phải lưu ý đến sự can nhiễu với các đường thông tin viba trên mặt đất vì các sóng trong thông tin viba cũng sử dụng tần số nằm trong cửa sổ này. Ngoài ra, khi mưa lớn thì suy hao do mưa trong cửa sổ tần số cần phải được tính toán, xem xét thêm để kết quả tính toán có độ chính xác cao hơn. 4.8 Suy hao trong thông tin vệ tinh Một tuyến thông tin vệ tinh bao gồm đường truyền sóng từ anten của trạm phát đến vệ tinh (tuyến lên - uplink) và từ vệ tinh đến anten của trạm mặt đất thu (tuyến xuống - downlink). Do đó suy hao trong thông tin vệ tinh gồm các loại suy hao sau: 4.8.1 Suy hao trong không gian tự do Đối với vệ tinh điạ tĩnh ở độ cao 35.768km, cự ly thông tin cho một tuyến lên hay một tuyến xuống gần nhất là 35.768km. Do cự ly truyền sóng trong thông tin vệ tinh lớn như vậy nên suy hao trong không gian tự do là suy hao lớn nhất. Gọi suy hao này là Ltd, ta có : 2 æ 4πd ö Ltd = ç ÷ è λ ø (4.1) Trong đó d[km] : là chiều dài của một tuyến lên hay xuống. λ [m] : bước sóng. Bước sóng λ được đổi ra tần số với quan hệ f = c / λ . c : vận tốc ánh sáng c = 3.108 m/s. f : tần số [GHz]. Trong đơn vị dB 2 2 æ 4πd ö æ 4πdf ö æ 4πdf ö L td dB = 10 lg ç ÷ = 10 lg ç ÷ = 20 lg ç ÷ è λ ø è c ø è c ø (4.2) Suy hao không gian tự do của tuyến lên hay xuống khi công tác ở băng C (4/6GHz) vào khoảng 200dB. Để bù vào suy hao này, đảm bảo cho máy thu nhận được một tín hiệu đủ lớn cỡ -90dBm đến -60dBm, người ta sử dụng anten có đường kính đủ lớn hàng chục mét để có hệ số tăng ích lớn khoảng 60dB và máy phát có công suất lớn hàng trăm đến hàng ngàn W. 59
Thông tin Viba – Vệ tinh Xét trường hợp một máy phát có công suất bức xạ là 100W cho mỗi sóng mang, công tác ở băng C (6/4GHz). Nếu chỉ tính đến suy hao không gian tự do là 200dB thì công suất thu được ở sóng mang đó sẽ là: PRx = 10lg100(dBW ) - 200(dB) P = 100 / 10 20 = 10 -18 (W ) = 10-15 ( mW ) Rx Tính theo dBW : = 20 (dBW) - 200 (dB) = -180 (dBW) = -150 (dBm). Với công suất nhỏ như vậy thì máy thu không thể thu được tín hiệu, để có được công suất đầu vào máy thu khoảng -70dBm thì ta phải sử dụng anten phát và thu có hệ số tăng ích lớn. Nếu hệ số tăng ích của anten trạm mặt đất là GR=50dB thì anten thu trên vệ tinh có hệ số tăng ích GT=30dB. Ngoài suy hao chính trong không gian tự do còn có các suy hao khác tuy không lớn nhưng khi tính toán tuyến thông tin vệ tinh mà ta không xét hết các khả năng xấu nhất do ảnh hưởng của môi trường truyền sóng thì khi xảy ra các hiện tượng đó chất lượng thông tin sẽ xấu đi và có thể làm gián đoạn thông tin. Các suy hao đó được trình bày sau đây. 4.8.2 Suy hao do tầng đối lưu Tầng đối lưu là lớp khí quyển nằm sát mặt đất lên đến độ cao (10km-15km) (theo quy định của tầng đối lưu tiêu chuẩn), bao gồm các chất khí chính hấp thụ sóng gây ra suy hao như hơi nước, Oxy, Ozon, Cacbonic. Suy hao này phụ thuộc nhiều vào tần số và góc ngẩng của anten và chỉ đáng kể khi tần số công tác từ 10GHz trở lên, nghĩa là khi công tác ở băng Ku (14/12GHz) hay băng Ka (30/20GHz). Anten có góc ngẩng càng lớn thì suy hao tầng đối lưu càng nhỏ, do đường truyền của sóng trong tầng đối lưu càng ngắn. Tại các tần số 21GHz và 60GHz có các suy hao cực đại, đó là do sự cộng hưởng hấp thụ đối với các phân tử hơi nước và Oxy. 4.8.3 Suy hao do tầng điện ly Tầng điện ly là lớp khí quyển nằm ở độ cao khoảng 60km đến 400km, do bị ion hoá mạnh nên lớp khí quyển ở độ cao này bao gồm chủ yếu là các điện tử tự do, các ion âm và dương nên được gọi là tầng điện ly. Sự hấp thụ sóng trong tầng điện ly giảm khi tần số tăng, ở tần số trên 600MHz thì sự hấp thụ không đáng kể. 4.8.4 Suy hao do thời tiết Suy hao do các điều kiện thời tiết như mây, mưa, sương mù, suy hao này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cường độ mưa hay sương mù, vào tần số, vào chiều dài quãng đường đi của sóng trong mưa, chiều dài này phụ thuộc vào góc ngẩng anten. Khi góc ngẩng tăng, suy hao giảm, với góc ngẩng anten khoảng 400 trở lên thì suy hao không đáng kể, lúc đó suy hao do mưa khoảng 0,6 dB, suy hao do sương mù khoảng 0,2dB, còn suy hao trong các chất khí rất nhỏ có thể bỏ qua. Nói chung khi tần số và cường độ mưa tăng thì suy hao tăng nhanh, đặc biệt trong khoảng tần số từ 10GHz đến 100GHz. Suy hao thực tế tuỳ thuộc vào góc ngẩng anten, độ cao đặt anten so với mức nước biển, chiều cao cơn mưa và sương mù mà đoạn đường đi thực tế của sóng qua vùng đó là khác nhau. Suy hao trên toàn bộ đoạn đường có chiều dài Le sóng đi qua là: Ltt = γ ´ Le [dB] 60
Thông tin Viba – Vệ tinh Trong đó g: là hệ số suy hao trên đoạn đường 1km (dB/km), phụ thuộc tần số, môi trường gây suy hao như cường độ mưa hay độ dày của sương mù. Le : là chiều dài thực tế sóng đi qua vùng gây suy hao (km), phụ thuộc góc ngẩng anten, độ cao đặt anten, được xác định theo công thức: hm - hs Le = ( km ) sin E (4.3) 0 Với hm là độ cao của cơn mưa (km), theo khuyến nghị 564 của CCIR ở vĩ độ từ 0 0 đến 56 lấy hm = 3 + 0,028 (km). hs là độ cao anten trạm mặt đất so với mức nước biển (km). E là góc ngẩng anten (độ). 4.8.5 Suy hao do đặt anten chưa đúng Khi anten phát và thu lệch nhau thì sẽ tạo ra suy hao vì búp chính của anten thu hướng không đúng chùm tia phát xạ của anten phát. Thường thì suy hao do đặt anten chưa đúng từ 0,8 đến 1 dB. Anten thu Anten phát Góc sai lệch αT aR Hình 4.7. Sai lệch do đặt anten chưa đúng 4.8.6 Suy hao trong thiết bị phát và thu Tổn hao Feeder Tổn hao Feeder L TX LFTX LFRX RX PR PTX PT PRX GT GR Hình 4.8 Suy hao trong thiết bị phát và thu Suy hao trong thiết bị phát và thu còn gọi là suy hao do hệ thống fiđơ, có hai loại như sau: Suy hao LFTX giữa máy phát và anten, để anten phát được công suất PT cần phải cung cấp một công suất PTX ở đầu ra của bộ khuếch đại phát, do vậy: PT = PTX - LFTX [dB] Suy hao LFRX giữa anten và máy thu, công suất PRX ở đầu vào máy thu bằng: PR = PRX - LFRX [dB] Trong các hệ thống vệ tinh hiện nay, để đơn giản thường lấy hệ số tổn hao feeder LFRX = LFTX = 2dB. Suy ra LFTX = LFRX = 10-0,2 (lần). 61
Thông tin Viba – Vệ tinh 4.8.7 Suy hao do phân cực không đối xứng Suy hao do phân cực không đối xứng xảy ra khi anten thu không đúng hướng với sự phân cực của sóng nhận. Với đường truyền phân cực tròn, sóng phát chỉ được phân cực tròn trên trục anten phát và nó sẽ trở thành elip khi ra khỏi trục anten đó. Khi truyền qua bầu khí quyển cũng có thể làm thay đổi phân cực tròn thành phân cực elip. Còn trong đường truyền phân cực thẳng thì sóng có thể bị quay mặt phẳng phân cực của nó khi đường truyền đi qua khí quyển, do đó anten thu không còn mặt phẳng phân cực của sóng đứng và sóng tới. Suy hao do lệch phân cực thường chỉ 0,1dB. 4.9 TẠP ÂM TRONG THÔNG TIN VỆ TINH Trong một tuyến thông tin vệ tinh,tạp âm gây ra cho trạm mặt đất do nhiều nguyên nhân như sau: 4.9.1 Nhiệt tạp âm hệ thống Trong một tuyến thông tin vệ tinh, tạp âm gây ra cho trạm mặt đất do nhiều nguyên T nhân và được tính bằng nhiệt tạp âm tương đương SYS và được gọi là nhiệt tạp âm hệ thống. Nhiệt tạp âm hệ thống được xem là tổng của bốn thành phần được biểu diễn theo biểu thức: TS + TA + TF TSYS = + TR L 0 F [ K] (4.4) Dải ngân hà Tầng điện ly Mặt trăng Mặt trời Trời mưa búp chính búp ngược búp Hình 4.9. Các nguồn tạp âm ảnh hưởng đến thông tin vệ tinh. Trong đó: TSYS: nhiệt tạp âm hệ thống ; TS : nhiệt tạp âm bên ngoài TA: nhiệt tạp âm anten ; TF: nhiệt tạp âm của hệ thống feeder TR: nhiệt tạp âm hiệu dụng đầu vào máy thu 62
Thông tin Viba – Vệ tinh LF: Suy hao của hệ thống feeder, được đưa vào tính toán với nhiệt tạp âm bên ngoài, nhiệt tạp âm an ten và nhiệt tạp âm feeder vì 3 loại tạp âm này có liên quan đến suy hao của fiđơ. Ta lần lượt xét đến các loại tạp âm này. 4.9.1.1 Nhiệt tạp âm bên ngoài TS và nhiệt tạp âm anten TA Nhiệt tạp âm bên ngoài và anten bao gồm: + Nhiệt tạp âm không gian: gồm các thành phần sau: - Nhiệt tạp âm vũ trụ: tác động ở tần số vô tuyến là do bức xạ từ vũ trụ còn dư lại (khoảng 2,760K) - Nhiệt tạp âm của dải ngân hà: nếu hướng anten vào vùng có số sao cực đại của dải ngân hà thì nhiệt tạp âm có thể lên đến gần 1000K trong vùng tần số từ 0,3GHz đến1,2GHz. - Nhiệt tạp âm của mặt trời: mặt trời bức xạ ra sóng điện từ ở tất cả các tần số, đặc biệt là ở dải viba (microwave). Nhiệt tạp âm do mặt trời gây ra cho trạm mặt đất phụ thuộc vào hướng anten, nếu mặt trời nằm ngoài vùng phủ sóng của búp chính anten thì nhiệt tạp âm dưới 500K. Còn khi mặt trời chiếu thẳng vào anten thì nhiệt tạp âm lên đến 10.0000K hoặc có thể hơn tuỳ thuộc tần số công tác, kích thước mặt phản xạ và số vết đen của mặt trời (số vết đen thể hiện sự hoạt động mạnh hay yếu của mặt trời). Trường hợp trạm mặt đất - vệ tinh - mặt trời nằm trên cùng một đường thẳng chỉ xảy ra một vài ngày trong năm vào mùa xuân làm cho thông tin bị gián đoạn vài ba phút. + Nhiệt tạp âm do khí quyển (nhiệt tạp âm do tầng đối lưu): nó phụ thuộc vào chiều dài quãng đường đi của sóng trong tầng đối lưu (độ cao 15 km từ mặt đất). Nói cách khác chính là phụ thuộc vào góc ngẩng của anten, tần số công tác. + Nhiệt tạp âm do mưa, được xác định bằng công thức : 1 T = T (1- ) M m L M (4.5) Trong đó TM: nhiệt tạp âm do mưa (0K). L LM: suy hao do mưa, M = 16,57. Tm: nhiệt độ trung bình của cơn mưa. Txq Tm= 1,12 - 50 (0K) (4.6) 0 Txq: nhiệt độ xung quanh trạm mặt đất ( K). + Nhiệt tạp âm từ trạm mặt đất xung quanh trạm: Vì anten của trạm mặt đất hướng lên bầu trời nên nhiệt tạp âm của mặt đất gây ra chủ yếu do búp phụ và búp ngược, một phần cho búp chính khi anten có tính định hướng kém và góc ngẩng nhỏ. - Nhiệt tạp âm cho mỗi búp phụ gây ra được tính theo công thức: T = G ´T i i D (4.7) Trong đó Gi: hệ số tăng ích của búp phụ. 63