Bài giảng Thông tin Viba Trương Thu Hương [Full/Mới nhất]

Thông ’n vi ba

Giảng viên: Trương Thu Hương Email: huong.truong@mail.hut.edu.vn

Kiến thức đạt được

n  Khái niệm thông tin vi ba n  Cấu trúc của hệ thống n  Ảnh hưởng của môi trường truyền sóng n  Các biện pháp nâng cao chất lượng đường

truyền

Truyền sóng

n  Phân bố tần số:

q  VLF, LF, MF, HF, VHF, UHF, SHF, EHF, mm,

infra red, visible light, ultra violet

q  L, S, C, X, Ku, Ka…

n  Cấu trúc khí quyển

q  Tầng: đối lưu, bình lưu, điện ly

n  Truyền sóng:

q  Sóng mặt đất, sóng trời, đường truyền trong tầm

nhìn thẳng (LOS)

Khái niệm thông ’n vi ba

n  Định nghĩa:

q  Thông tin vi ba số là thông tin trong tầm nhìn thẳng, sử

dụng sóng siêu cao tần, tín hiệu truyền là tín hiệu điều chế số. n  Ứng dụng:

q  Cho các đường truyền tốc độ trung bình q  Thường dùng cho các đường nối từ tổng đài tỉnh tới huyện

hoặc giữa các huyện với nhau, đặc biệt ở vùng núi

q  Ví dụ: đường trung kế số

Khái niệm thông ’n vi ba

n  Phân loại:

q  Theo dung lượng:

n  Vi ba số băng hẹp: tốc độ 2M, 4M, 8M với tần số sóng

mang 0,4-1,5 GHz

n  Vi ba số băng trung bình : tốc độ 8-34M với tần số sóng

mang 2-6 GHz

n  Vi ba số băng rộng : tốc độ 34-140M với tần số sóng

mang 4-12 GHz

q  Theo tính chất n  Điểm – điểm n  Điểm – đa điểm

Khái niệm thông ’n vi ba

n  Ưu điểm

q  Dải tần 300 MHz - 30 GHz => truyền được dòng số tốc độ

cao

q  Công suất yêu cầu nhỏ (0,8-5 W), thiết bị gọn nhẹ. q  Hầu hết các thiết bị vi ba số ở Việt nam có tần số làm việc

1-10 GHZ => tạp âm thấp

q  Có thể áp dụng các phương thức điều chế phức tạp, truyền sóng song công, thích hợp với mạng thông tin công cộng.

n  Nhược điểm

q  Thông tin trong tầm nhìn thẳng => khoảng cách truyền bị

giới hạn bởi độ cong của mặt đât.

q  Chịu ảnh hưởng môi trường: thay đổi của chiết suất khí quyển theo độ cao, mưa, fadinh, hấp thụ bởi khí quyển.

Cấu trúc của hệ thống truyền dẫn viba số

Ảnh hưởng của môi trường truyền sóng

n  Có hai phương thức truyền tín hiệu từ nơi phát đến nơi thu: n  Truyền sóng qua không gian n  Sử dụng các đường truyền định hướng n  Thông tin vi ba sử dụng truyền sóng qua không gian => chịu ảnh

hưởng của môi trường truyền sóng

n  Các ảnh hưởng chính:

n

thay đổi chiết suất khí quyển theo độ cao => tia sóng bị uốn cong

n  ảnh hưởng của độ cong mặt đất làm giới hạn cự ly truyền sóng n  ảnh hưởng hấp thụ sóng của khí quyển n  ảnh hưởng của mưa n  ảnh hưởng của fadinh

Sóng bề mặt

-  Là sóng sử dụng trong AM, FM và truyền hình quảng bá -  Sóng bề mặt thường phân cực đứng với đường trường điện

tiếp xúc với mặt đất

-  Các vật cản như tòa nhà, đồi núi gây ảnh hưởng rất lớn lên

độ mạnh của sóng

dmax = 17ht + 17hr (km)

Ảnh hưởng của môi trường truyền sóng

n  Mật độ không khí giảm theo độ cao => thay đổi chiết suất khí quyển n  f>30 MHz: nước trong không khí đóng vai trò chủ yếu n  Độ cong của tia sóng phụ thuộc sự thay đổi về nhiệt độ, áp suất và độ

ẩm.

n  Chỉ số chiết suất: N = (n -1).106 với: n-chiết suất khí quyển, n  Với f<30 GHz:

N = Nkho + Nuot

N = 77.6(p/T) + 3.73x105(e/T2) - 4.03x107(ne/f2)!

−=

dn dh

1 r

Có: với: r: bán kính cong của tia sóng, n: chiết suất khí quyển n

Ảnh hưởng của môi trường truyền sóng

Trong tầng điện ly, áp suất khí quyển là có thể bỏ qua, độ khúc xạ phụ thuộc vào mật độ electron

N =4.03x107(ne/f2)!

Trong tầng bình lưu, mật độ electron và áp suất hơi nước, độ khúc xạ phụ thuộc nhiệt độ.

N = 77.6(p/T)!

Ảnh hưởng của môi trường truyền sóng

n  dn/dh: độ biến thiên của chiết suất khí quyển theo độ cao. n  Khi dn/dh > 0 (chiết suất khí quyển tăng theo độ cao)=>khúc xạ âm=> tia sóng bị uốn cong lên bầu trời- quay bề lõm lên trên n  Khi dn/dh < 0 =>khúc xạ dương=>quay bề lõm xuống dưới n  Điều kiện khí quyển thường: dn/dh = - 4.10–8 1/m (khúc xạ dương) => độ dài đường truyền tăng 15% so với đường truyền thẳng khi tia sóng không bị uốn cong. Tương ứng với trường hợp này bán kính cong của tia sóng là R= 25000 km

Khóc x¹ ©m

Khóc x¹ d¬ng

Ảnh hưởng của độ cong mặt đất

n  Cự ly thông tin cực đai trong tầm nhìn thẳng AB:

)

h 1

h 2

a (2

[m]

max

mh [ ] 1

n  Mặt đất: bán kính a = 6378 km n  Chiều cao anten phát, thu: h1, h2 75,3 n  Công thức gần đúng:

mh [ ] [km] 2

§  Xét đến ảnh hưởng của sự

B h2

thay đổi chiết suất khí quyển theo độ cao:

.(15,4

km ]

mh ) ( 1

mh ( 2

max

[,))

Với tác động của khí quyển

•  Superrefraction: càng lên cao nhiệt độ càng tăng, độ ẩm giảm •  Subrefraction: càng lên cao nhiệt độ giảm, độ ẩm tăng •  Sóng trời: sóng bị khúc xạ hay phản xạ ở tầng điện ly à tạo thành ống dẫn

sóng

Ảnh hưởng hấp thụ sóng của khí quyển

n  Hấp thụ sóng của khí quyển: sóng truyền trong khí quyển bị suy hao. Trong các điều kiện không gian tự do, mức độ suy hao của sóng (dB):

5,32

(

)

lg20

)

A 0

lg20

MHz

kmd (

(dB)

d 4 π λ

⎛ lg20 ⎜ ⎝

⎞ =⎟ ⎠

n

tần số càng cao suy hao càng lớn

n  Mưa: sóng điện từ, đặc biệt là đối với bước sóng nhỏ (λ <10 cm), lan truyền trong mưa sẽ bi tán xạ, khúc xạ và bi hấp thụ. Mực độ suy hao của sóng phụ thuộc vào cường độ mưa và tần số sóng. Ví dụ: ở tần số 2 GHz ta có: q  Đối với mưa to, suy hao (0.22- 0,4) dB/km q  Đối với mưa rất to, suy hao 1,2 dB/km

Ảnh hưởng hấp thụ sóng của khí quyển, của mưa

Suy hao dB/km

6GHz

10GHz

20GHz

40GHz

Mưa vừa 0,25mm/h Mưa lớn 5mm/h Bão 50mm/h Bão lớn 150mm/h

~0 0,012 0,22 1,2

0,013 0,45 5,5 18

0,07 1,5 13 27

~0 0,08 1,2 5,5

Kết quả thực nghiệm về suy hao do hơi nước – khí hậu theo tần số sóng vô tuyến của Alcatel

Ảnh hưởng của fading

n  Hiện tượng Fading: n  Giá trị trường nhận được ở địa điểm thu thay đổi theo thời gian. n  Do biến động đường truyền, giao thoa của các tia sóng (fadinh nhiều

tia), ảnh hưởng của các đài lân cận (fadinh lưa chọn)

Fading và nhiễu giao thoa

! p = p2 " p1 ! p # 2hrhd / d

( !p = 2" / #

)! p = 4"hthr / #d

Góc pha

Er " E0 4"hthr / #d2

Góc pha nhỏ

Fading

Các biện pháp nâng cao chất lượng đường truyền

n  Khắc phục hiện tượng fadinh trong thông tin vi ba n  Phân tập theo không gian: sử dụng 2 hay nhiều anten phát hoặc 2

hay nhiều anten thu để thu phát cùng một tín hiệu trên cùng một tần số

n  Dùng bộ cân bằng tự thích nghi n  Phân tập theo tần số: truyền và thu đồng thời cùng một tín hiệu trên

2 hoặc hơn 2 kênh tần số vô tuyến trong cùng một dải tần.

n  Khắc phục dựa vào tính toán miền phản xạ.

Đường truyền trong tầm nhìn thẳng LoS

Các biện pháp nâng cao chất lượng đường truyền

n  Sử dụng năng lượng sóng ở các miền Fresnel bậc cao để

nâng cao chất lượng truyền sóng

ΔΗ

MiÒn Fresnen thø nhÊt

Δ H

h1’

Δh 1

h2’ Δh 2

Fresnel Zone

n  Sóng phản xạ từ vật chắn có thể đến lệch pha với jn hiệu đi thẳng à giảm năng lượng của jn hiệu thu n  Vật cản trong vùng fresnel thứ nhất gây lệch pha từ

0-‐90 độ

n  Vật cản trong fresnel thứ 2 gây lệch pha 90-‐270 độ n  Trong vùng fresnel thứ 3 gây lệch pha 270 -‐450 độ…

Fresnel Zone

•  Luật: nên để vùng fresnel zone thứ nhất không có vật chắn •  Tuy nhiên: cho phép cản 40% ở mức tối đa, khuyến nghị nên

20%

•  Bán kính vùng Fresnel tại bất cứ điểm P nào

•  Fn: bán kính của vùng fresnel thứ n (m) •  d1: khoảng cách từ điểm P đến một đầu (m) •  D2: khoảng cách từ điểm P đến đầu còn lại (m)

•  à Tính bán kính lớn nhất của vùng Fresnel thứ nhất ?

Điều chế số

n  Điều chế khóa dịch biên độ ASK (Amplitude Shift Keying): Sóng điều biên được tạo ra bằng cách thay đổi biên độ của sóng mang theo biên độ tín hiệu băng gốc.

n  Điều chế khóa dịch tần số FSK (Frequency Shift Keying): Sóng điều tần được tạo ra bằng cách thay đổi tần số sóng mang theo biên độ tín hiệu băng gốc.

n  Điều chế khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying): : Sóng

điều pha được tạo ra bằng cách thay đổi pha sóng mang theo biên độ tín hiệu băng gốc.

n  Điều chế biên độ và pha kết hợp hay điều chế cầu phương

QAM (Quadrature Amplitude Modulation).

C¸c chØ tiªu kü thuËt

n  Công suất phát n  Độ nhạy thu n  Tỷ số lỗi bit n  Phương thức điều chế và giải điều chế n  Trở kháng vào máy thu và ra máy phát n  Tốc độ ở băng tần gốc n  Chỉ ’êu kênh nghiệp vụ

Anten

n  Thêng sö dông anten parabol n  C«ng thøc: n  Trong ®ã:

q  D: ®uêng kÝnh anten [m] q  d: BÒ s©u lßng ch¶o, tÝnh tõ t©m ®Õn

mÆt miÖng ch¶o [m]

q  F: Tiªu cù cña ch¶o, tÝnh tõ t©m ch¶o

®Õn tiªu ®iÓm F

n  §é lîi cña anten parabol ®uîc tÝnh theo biÓu thøc:

n  Trong ®ã:

q  S: DiÖn tÝch (tiÕt diÖn) bÒ mÆt an ten [m2] q  η: HiÖu suÊt cña an ten tõ (0,5 - 0,7)

Anten

n  Độ lợi anten theo tần số và kích thước

Anten

Biểu đồ bức xạ

Anten

n  Góc mở 3db θ:

n  Trong đó: D: đường kính anten, λ: bước sóng n  Góc phát xạ theo tần số và đường kính anten:

Thiết kế tuyến vi ba

n  Việc thiết kế tuyến dựa vào cơ sở: n  Dự án báo cáo khả thi đã đưîc các cấp có thẩm quyền phê duyệt. n  Hồ sơ khảo sát, thuyết minh chính xác về nội dung xây lắp, các số liệu tiêu

chuẩn cần đạt đưîc.

n  Các văn bản thủ tục hành chính của cơ quan trong vµ ngoµi ngµnh liên quan

đến địa điểm, mặt bằng xây dựng trạm.

n  Các tiêu chuẩn, qui trình, qui phạm xây dựng của nhµ nớc vµ của ngµnh n  Các định mức và dự toán có liên quan để áp dụng trong thiết kế. n  Hồ sơ tài liệu thu thập được trong quá trình khảo sát và đo đạc n  Việc thiết kế cần phải đảm bảo đúng tiêu chuẩn, qui trình, qui phạm của nhà

nước ban hành, như:

n  Đăng ký tần số làm việc thiết bị với Cục tần số vô tuyến điện Quốc gia. n  An toàn về phòng chống thiên tai, bão lụt. n  An toàn khi có giông sét, đảm bảo chất lợng của các hệ thống chống sét, tiếp

địa cho thiết bị và tháp anten theo qui phạm của ngành...

Tính toán đường truyền

Néi dung viÖc tÝnh to¸n ®êng truyÒn n  TÝnh to¸n ®êng truyÒn dÉn. n  TÝnh to¸n chØ tiªu chÊt luîng. n  TÝnh to¸n thêi gian mÊt th«ng tin. n  L¾p ®Æt thiÕt bÞ, anten, ®a hÖ thèng vào ho¹t ®éng thö

nghiÖm ®Ó kiÓm tra.

n  TiÕn hành ®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 BER10-3 và BER10-6 trong 24 giê...

Chän tÇn sè: kh«ng g©y nhiÔu cho c¸c ®µi l©n cËn

TÝnh to¸n ®uêng truyÒn

n  TÝnh kho¶ng c¸ch tia truyÒn phÝa trªn vËt ch¾n:

q  MiÒn Fresnel thø nhÊt:

n  Vïng cã d¹ng hinh elip quanh tia truyÒn th¼ng, tõ anten ph¸t ®Õn

anten thu.

n  Đưêng biªn t¹o nªn quü tÝch sao cho bÊt kú tÝn hiÖu nào ®i ®Õn

anten thu qua ®êng này sÏ dài h¬n so víi ®ưêng trùc tiÕp mét nöa bíc sãng (l/2) cña tÇn sè sãng mang

q  B¸n kÝnh miÒn Fresnel thø nhÊt: q  Trong ®ã:

n  d1, d2 [km]: lÇn lît là kho¶ng c¸ch tõ tr¹m A và tr¹m B ®Õn ®iÓm ë

®ã b¸n kÝnh miÒn Fresnel ®îc tÝnh to¸n.

n  d [km] là kho¶ng c¸ch giữa hai tr¹m, d = d1 + d2

n

f là tÇn sè sãng mang [GHz]

Tính toán đường truyền

n  Thông thường thì độ cao của ’a B được jnh toán tại

điểm có một vật chắn cao nhất nằm giữa tuyến

Tính toán đường truyền

n  BiÓu thøc x¸c ®Þnh ®é cao cña tia v« tuyÕn như sau: B = E(k) + (O + T) + C.F1 n  trong ®ã

q  Đé cao cña vËt ch¾n (O) q  Đé cao cña c©y cèi (T) giua tuyÕn q  B¸n kÝnh cña miÒn Fresnel thø nhÊt (F1). q  k: là hÖ sè b¸n kÝnh cña qu¶ ®Êt, k = 4/3. q  C: là hÖ sè hë, C = 1

Tính toán đường truyền

n  Ph¬ng tr×nh c©n b»ng c«ng suÊt trong tÝnh to¸n ®êng truyÒn:

Pr = Pt + G - At [dB]

Trong ®ã: n  Pt: c«ng suÊt ph¸t n  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

n  G: Tæng c¸c ®é lîi = §é lîi cña an ten A + ®é lîi cña an ten B n  Pr: C«ng suÊt t¹i ®Çu vào m¸y thu.

Tính toán đường truyền

n  Tổn hao không gian tự do:

q  Trong đó: f là tần số sóng mang [GHz]; d: đồ dài tuyến [km]

n  Tổn hao phi đơ: tổn hao ống dẫn sóng

q  Căn cứ vào mức suy hao chuẩn được nhà cung cấp thiết bị cho trước q  Ví dụ: phi đơ loại WC 109, tiêu hao chuẩn là 4,5dB/100m; 0,3dB

suy hao của vòng tròn để chuyển tiếp ống dẫn sóng q  Tổn hao phi đơ máy phát (LTxat) và mày thu (LRxat) q  LTxat = 1,5har1. 0,045 + 0,3 [dB] (3.11) q  LRxat = 1,5har2 .0,045 + 0,3 [dB] (3.12) q  Trong ®ã har1 vμ har2 lμ ®é cao cña c¸c an ten

TÝnh to¸n ®êng truyÒn

n  Tæn hao rÏ nh¸nh:

q  Tæn hao rÏ nh¸nh x¶y ra t¹i bé ph©n nh¸nh thu ph¸t, do nhà

cung cÊp thiÕt bÞ cho

q  Møc tæn hao này kho¶ng (2 - 8)dB.

n  Tæn hao hÊp thô khÝ quyÓn:

q  Do c¸c thành phÇn trong khÝ quyÓn g©y ra q  Phô thuéc: ®iÒu kiÖn thêi tiÕt, mïa, theo tÇn sè sö dông... q  TÝnh to¸n dùa theo c¸c chØ tiªu ®· ®îc khuyÕn nghÞ q  VÝ dô: khuyÕn nghÞ: hÖ thèng thiÕt bÞ v« tuyÕn 18, 23 vμ

38GHz th× møc suy hao chuÈn Lsp0: 0,04; 0,19 vµ 0,9 dB/m

q  Tæn hao cho c¶ tuyÕn truyÒn dÉn: Lsp = Lsp0d [dB] q  Víi d là kho¶ng c¸ch cña tuyÕn tÝnh b»ng km.

HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH

q  Truy cập vệ tinh q  Các hệ thống vệ tinh q  Tính toán tuyến

q  Cấu trúc hệ thống q  Quỹ đạo vệ ’nh q  Dịch vụ

5.39

Tham khảo

q  Satellite communica’ons q  Websites:

q  ITSO: www.itso.int q  Inmarsat: www.inmarsat.com q  Eutelsat: www.eutelsat.com q  Intelsat: www.intelsat.com

5.40

Ưu điểm

q  Có khả năng bao phủ vùng rộng lớn q  Có khả năng hoạt động không phụ thuộc vào các hệ thống

mặt đất

q  Có khả năng cung cấp thông ’n điểm – điểm, điểm – đa điểm

hoặc quảng bá

5.41

Vệ tinh đầu tiên

1957 – Liên xô cũ phóng vệ tinh đầu tiên tên là Sputnik

5.42

Vệ tinh đầu tiên

Năm 1960, vệ tinh thông tin đơn giản nhất được phóng. Vệ tinh tên là Echo, là 1 quả bóng nhựa bọc nhôm đường kính 30m. Tín hiệu radio, TV truyền lên, phản xạ xuống mặt đất. Tuy nhiên, chu kỳ của nó là 90 phút nên mỗi vùng chỉ nhìn thấy nó có 10 phút mỗi chu kỳ

1958: vệ tinh Score được đưa lên quỹ đạo. Nó mang theo 1 băng từ và ghi lại các tin khi qua trạm gốc, phát quảng bá chúng sau đó. Tuy nhiên, vệ tinh này cũng có chu kỳ 90 phút nên không tiện thông tin

5.43

Vệ tinh đầu tiên

1963: tên lửa có khả năng phóng vệ tinh lên quỹ đạo địa tĩnh ra đời. NASA phóng vệ tinh địa tĩnh đầu tiên, Syncom 2

5.44

Hệ thống vệ ’nh

satellite

Space part

downlink

uplink Control station

5.45

receiver transmitter Earth Station

Ảnh vệ ’nh

Trạm mặt đất

Vệ tinh

5.46

Các ứng dụng

q  Truyền thống

q  Các vệ ’nh thời ’ết q  Các vệ ’nh radio và quảng bá TV q  Các vệ ’nh quân sự q  Các vệ ’nh cho hàng hải và định vị (ví dụ., GPS)

Các ứng dụng

q  Viễn thông (Telecommunica’on)

q  Kết nối telephone toàn cầu q  Đường trục (backbone) cho các mạng toàn cầu q  Kết nối thông ’n các vùng ở xa q  Thông ’n di động toàn cầu

è Các hệ thống vệ ’nh mở rộng các hệ thống cellular phone (ví dụ,GSM)

Các dịch vụ thương mại

Voice/Video/Data Communications •  Rural Telephony •  News Gathering/Distribution •  Internet Trunking •  Corporate VSAT Networks •  Tele-Medicine •  Distance-Learning •  Mobile Telephony •  Videoconferencing •  Business Television •  Broadcast and Cable Relay •  VOIP & Multi-media over IP

GPS/Navigation •  Position Location •  Timing •  Search and Rescue •  Mapping •  Fleet Management •  Security & Database Access •  Emergency Services Remote Sensing •  Pipeline Monitoring •  Infrastructure Planning •  Forest Fire Prevention •  Urban Planning •  Flood and Storm watches •  Air Pollution Management •  Geo-spatial Services Direct-To-Consumer •  Broadband IP •  DTH/DBS Television •  Digital Audio Radio •  Interactive Entertainment & Games •  Video & Data to handhelds

Tần số sử dụng

L-band

Dịch vụ di động vệ tinh Mobile Satellite Services (MSS)

MSS, DARS – XM, Sirius

Dịch vụ vệ tinh cố định, VSAT Fixed Satellite Services (FSS), VSAT

Ảnh vệ tinh, ảnh quân sự Military/Satellite Imagery

FSS, DBS, VSAT

Dịch vụ băng rộng, liên lạc giữa các vệ tinh FSS “broadband” and inter-satellite links

1.0 – 2.0 GHz S-band 2.0 – 4.0 GHz C-band 4.0 – 8.0 GHz X-Band 8.0 – 12.0 GHz Ku-band 12.0–15.0 GHz Ka-band 15.0 – 30.0 GHz

1

Các hệ thống vệ ’nh điển hình

Inter Satellite Link (ISL)

MUL

Mobile User Link (MUL)

Gateway Link (GWL)

GWL

small cells (spotbeams)

The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or

The image cannot be displayed . Your compute r may

base station or gateway

The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been

The image cannot be displayed. Your computer may not have enough

footprint

GSM

ISDN

PSTN

User data

PSTN: Public Switched Telephone Network

Các thành phần hệ thống vệ tinh

q Hệ thống điện q Hệ thống theo dõi xa và điều khiển xa q Hệ thống điều khiển độ cao q Hệ thống đẩy q Hệ thống thông tin q  Bộ thu phát

(Transponders)

5.52

1

Ví dụ vệ tinh

5.53

Bộ thu phát

•  Bộ thu phát là trái tim của vệ tinh, cung cấp kết nối giữa các

anten thu và phát.

•  Các vệ tinh thường có từ 12 - 96 bộ thu phát hoạt động và 1 số bộ dự phòng, phụ thuộc vào kích thước vệ tinh và công suất phát yêu cầu

•  Độ rộng băng tần 1 bộ thu phát thường là 36 MHz, 54 MHz,

72 MHz hoặc thậm chí lớn hơn.

•  Bộ thu phát chịu trách nhiệm:

•  Nhận tính hiệu (tín hiệu thường rất bé, nhỏ hơn tín hiệu khi phát hàng

nghìn tỷ lần) Lọc nhiễu

•  •  Dịch tần xuống để trách nhiễu với đường lên •  Khuếch đại để truyền lại xuống đất

1

Trạm mặt đất

1

Thiết bị mặt đất

Giá các hệ thống hiện giảm nhiều do sự xuất hiện và phát triển của hệ thống cầm tay.

Minimal Set-Up Time, Robust, Portable, Easy To Use

5.56

1

Trạm mặt đất

5.58

Cấu hình trạm mặt đất

Down Converter Demodulat or Antenn a Low Noise Amplifier

Divider

Feed

Combiner Cross Connec t

Up Converter Modulato r High Power Amplifier

Tracking System

Power

Monitor & Control

5.59

Thiết bị thông tin mặt đất (GCE)

Hệ thống con GCE: các bộ chuyển đổi tần số, chia và ghép công suất, hệ thống bám.

Các thành phần tuyến thông ’n vệ ’nh

5.61

Tia

5.62

Bộ phát đáp

IDemux Power gain blocks OMux

3720 1 1

2 2 3760

3 3 3800

4 4 3840

5 5 3880

6 6 3920 BPF Wideband receiver

7 7 3960

8 8 4000

To antenna 3,7-4,2 GHz From antenna 5925-64 25 MHz 9 9 3,7-4 ,2 GHz 4040 5925-6 425 MHz

10 10 4080

11 11 4120

5.63

12 12 4160

Bố trí tần số

5.64

CHANNEL SPACING = 40MHz USEABLE BANDWIDTH = 36MHz

Bố trí tần số

5.65

CHANNEL SPACING = 40MHz USEABLE BANDWIDTH = 36MHz

Đa truy nhập

q  FDMA q  TDMA q  CDMA

Các dịch vụ di động

•  Có khả năng truy nhập mọi lúc, mọi nơi •  Sử dụng nhiều loại quỹ đạo •  Kích thước hệ thống thay đổi từ 1 (GEO)

tới 66 (LEO)

•  Sử dụng nhiều tần số

•  Chủ yếu là băng L, dùng lẫn băng S, UHF/VHF •  Các đường nối và một số dịch vụ sử dụng

băng C, Ka, Ku

•  Các ứng dụng

•  Hàng không •  Biển •  Đất liền

1

Mạng di động vệ ’nh điển hình

The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupted. Restart your computer, and then open the ﬁle again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again.

5.68

Các thiết bị di động vệ ’nh

Các tổ chức vệ ’nh

q  Intelsat: Interna5onal Telecommunica5ons Satellite

Consor5um (INTELSAT)

q  Inmarsat q  ITSO: Interna’onal Telecommunica’ons Satellite

Organiza’on

q  Eutelsat

5.70

INMARSAT

5.71

5.72

Hệ thống INMARSAT

Inmarsat-3

OR mgmt + control Facility: Txponder frequency management, Call monitor/control

Signalling

NCS

C-Band

NCC

Link/Network Logic, Channel-Units

C-Band

Signalling + Traffic

L-Band

Global Freq Planing, Satellite monitoring/ control

Signalling + Traffic

MES

LES (SBS)

Numbering, accounting, billing, Global mob-man, circuit switching packet (MPDS)

Link/Network Logic, Channel-Units

Inmarsat Terrestrial infrastructure

5.73

Cấu trúc INMARSAT

Satellite

2. Spot-beam L 1. Global-beam C

L band: 1.6 Ghz

C band: 6 GHz

C band: 4 GHz

L band: 1.5 Ghz

5.74

Ship Earth Station (SES) Land Earth Station (LES)

Dịch vụ INMARSAT

Facilities

Inmarsat A

Inmarsat C

Inmarsat B

Inmarsat M

Mini-M

1982

1991

1993

1997

Start of service

Terminals

>25.000

>50.000

>10.000

Services

Tho¹i/Telex Voice/telex

Nh¾n tin/d÷ liÖu Message/Data

Tho¹i/d÷ liÖu Voice/data

Tho¹i/telex /d÷ liÖu Voice/telex/Data

9600 bit/s

2400 bit/s

Data rates

600 bit/s Lu vµ chuyÓn tiÕp Store and forward

50 bit/s (9600 bit/s fax/mod.)

Additional

56/64 kbit/s HSD

Distress call EGC

56/64 kbps HSD

M-4 64 kbit/s

5.75

Các nước có khả năng phóng vệ ’nh

Country

First satellite

Year of first launch

Payloads in orbit in 2006

Soviet Union

1957

Sputnik 1

1390

United States

1958

Explorer 1

999

Astérix

1965

France

Osumi

102

1970

Japan

Dong Fang Hong I 53

1970

China

Prospero X-3

1971

United Kingdom

Rohini-1

1979

India

Ofeq 1

1988

Israel

5.76

Xu hướng kỹ thuật vệ ’nh

•  Vệ tinh sẽ có nhiều tính năng hơn, với công suất cao hơn, anten lớn

hơn để sử dụng lại tần số tốt hơn.

•  Với các tia tạo bằng điện tử, các hình dạng tia có thể được thay đổi

theo yêu cầu

5.77

Các ứng dụng và dịch vụ mới

Kết nối băng rộng tới nhà hoặc văn phòng Di động băng rộng Thông tin trong khi di chuyển Thông tin trong khi bay hoặc đi tàu thủy Radio vệ tinh Truyền hình độ phân giải cao Video số Các giải pháp phối hợp với WIFI, di động

5.78

Một số thuật ngữ

q  Độ nghiêng(inclina’on): góc giữa mặt phẳng quỹ đạo

và mặt phẳng xích đạo

q  Góc ngẩng (eleva’on): góc giữa vệ ’nh và đường nằm

ngang

q  Uplink: tuyến từ trạm mặt đất lên vệ ’nh q  Downlink: tuyến từ vệ ’nh xuống trạm mặt đất q  Góc phương vị (azimuth): góc giữa hình chiếu của vệ

’nh trên mặt đất với cực bắc trái đất.

q  Transponder: Khối thu phát kết hợp trong vệ ’nh

thông ’n, thông ’n nối ’ếp giữa anten phát và anten thu.

5.79

Độ nghiêng (Inclina5on)

plane of satellite orbit

satellite orbit

perigee

inclination δ

5.80

equatorial plane

Góc ngẩng (eleva’on)

Góc ngẩng(Elevation): góc ε: góc giữa tâm của chùm sóng và bề mặt

5.81

Góc ngẩng nhỏ nhất: Góc ngẩng tối thiểu để thông tin với vệ tinh

Các dạng quỹ đạo vệ ’nh

n  Quỹ đạo vệ ’nh tuân theo các định luật keple

5.82

Các dạng quỹ đạo vệ ’nh

Quỹ đạo nghiêng Quỹ đạo cực

Trái đất

Các dạng quỹ đạo có ích: 3 dạng

5.83

Quỹ đạo xích đạo

Một số công thức về quỹ đạo

5.84

Một số công thức về quỹ đạo

a nửa trục lớn của hình elip e độ lệch tâm của hình elip

a*e độ dịch của tâm elip và tâm trái đất θ góc giữa vector bán kính hiện tại của vệ tinh và cận điểm (điểm gần trái đất nhất)

Khoảng cách r của vệ tinh từ tâm trái đất:

5.85

Một số công thức về quỹ đạo

Phương trình Newton, thời gian T để vệ tinh bay vòng quanh quỹ đạo:

T = 2π (a3 /GM)1/2

ở đó G là hệ số hấp dẫn, M là khối lượng trái đất, và G * M = 3.98603 * 1014 m3 s-2 . Trong đó, a: mét; T: giây

5.86

Một số công thức về quỹ đạo

Khi e nhỏ, a = a * (1-e) và quỹ đạo là tròn Trong trường hợp đó, tốc độ theo phương ngang của vệ tinh là V0 = ( G * M / a) 1/2. Với: R = 6378 km – bán kính trung bình của trái đất; g = G * M / R2 – gia tốc do hấp dẫn, từ đó, V0 = R * [ g / (R+ h)]1/2.

5.87

Một số công thức về quỹ đạo

Tốc độ hiện thời của vệ tinh V0 thời gian quay xung quanh quỹ đạo T phụ thuộc trực tiếp vào bán kính a = (h+R). Quỹ đạo cao hơn sẽ có thời gian quay lớn hơn

5.88

Một số công thức về quỹ đạo

Trong khi phóng, tên lửa phải bắn để đạt được đường đạn sao cho tại độ cao cần thiết h của vệ tinh, tốc độ của nó là V0 , với giả sử là đang cần quỹ đạo tròn

•  Nếu khi vệ tinh đạt độ cao h, nó đang có vận tốc ngang V, nếu VV0, vệ tinh sẽ dịch ra quỹ đạo elip cao hơn với a>(h +R) . • Nếu V>2 * V0 thì quỹ đạo elip trở thành quỹ đạo parabol và vệ tinh sẽ đạt tốc độ thoát và không quay trở lại.

5.89

Một số công thức về quỹ đạo

Ta đã chỉ ra 6 phần tử liên quan tới quỹ đạo của vệ tinh đặc trưng cho vị trí vệ tinh: θ – góc ngẩng vệ tinh a – nửa trục lớn hình elip e – độ dịch tâm hình elip

i – góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo so với mặt phẳng xích đạo trái đất Ω – góc ngẩng w - góc ở đáy Thực tế: d Ω /dt ∝ -(G*M) 1/2 R2 * a -7/2 (1-e2) -2*cos(i). Tức là: mặt phẳng quỹ đạo quay và tốc độ quay phụ thuộc vào góc nghiêng

Liên hệ giữa chu kỳ và quỹ đạo vệ ’nh

velocity [ x1000 km/h] satellite period [h]

synchronous distance 35,786 km

10 20 30 40 x106 m

radius

Các quỹ đạo

q  LEO (Low Earth Orbit): cao: 500 -‐ 1500 km q  MEO (Medium Earth Orbit) hay ICO (Intermediate Circular

Orbit): cao: 6000 -‐ 20000 km

q  GEO: quỹ đạo địa (cid:156)nh, cao: 35786 km q  HEO (Highly Ellip’cal Orbit): các quỹ đạo elip

Các quỹ đạo

GEO (Inmarsat)

HEO

MEO (ICO)

inner and outer Van Allen belts

LEO (Globalstar, Irdium)

earth

1000

10000

35768 km

Van-Allen-Belts: các phần tử được ion hóa 2000 - 6000 km và 15000 - 30000 km trên bề mặt trái đất

Các vệ ’nh địa (cid:156)nh

n  Cao: 35,786 km so với bề mặt trái đất, nằm trên mặt

phẳng xích đạo (độ nghiêng: 0°)

n  è Vệ ’nh quay đồng bộ với trái đất q  Vị trí anten cố định, không cần điều chỉnh q  Vệ ’nh có chùm sóng (footprint) rộng (phủ tới 34% bề mặt trái đất!), do đó khó tái sử dụng tần số.

q  Cần công suất phát lớn q  Trễ lớn (khoảng 275 ms)

Quỹ đạo địa tĩnh

5.95

1

Các hệ thống LEO

n  Quỹ đạo cao: 500 -‐ 1500 km so với bề mặt trái đất

q  Có khả năng bao phủ radio toàn cầu q  Trễ: 5 -‐ 10 ms q  Footprints nhỏ, tái sử dụng tần số tốt n  Hệ thống phức tạp

Các hệ thống MEO

n  Độ cao: 5000 -‐ 12000 km n  So với các hệ thống LEO: q  Các vệ ’nh di chuyển chậm hơn q  Cần ít vệ ’nh hơn q  Thiết kế hệ thống đơn giản hơn q  Trễ cao: 70 -‐ 80 ms q  Yêu cầu công suất cao

Tần số trong thông ’n vệ ’nh

n  Một số băng tần thông dụng trong thông ’n vệ ’nh: q  Băng C: q  Băng Ku: q  Băng Ka:

3,400 -‐ 7,075 GHz 10,90 -‐ 18,10 GHz 17,70 -‐ 36,00 GHz

5.98

Suy hao trong thông ’n vệ ’nh

q  Suy hao trong không gian tự do q  Suy hao do tầng đối lưu q  Suy hao do tầng điện ly q  Suy hao do thời ’ết q  Suy hao do đặt anten chưa đúng q  Suy hao trong thiết bị phát thu q  Suy hao do phân cực không đối xứng

5.99

Suy hao trong thông ’n vệ ’nh

n  Suy hao

d[km] : là chiều dài của một tuyến lên hay xuống.

n

n  Trong đó:

λ [m] : bước sóng công tác.

n  Bước sóng λ được đổi ra tần số công tác với quan hệ f = c/ λ .

c : vận tốc ánh sáng c = 3.108 m/s. f : tần số công tác [GHz].

n  trong không gian tự do

Suy hao trong thông ’n vệ ’nh

n  Suy hao trong không gian tự do q  Suy hao không gian tự do của tuyến lên hay xuống khi công tác ở băng

C (4/6GHz) hay băng Ku (12/14 GHz) vào khoảng 200dB.

q  Yêu cầu máy thu nhận được một jn hiệu lớn cỡ -‐90dBm đến -‐60dBm q  Ví dụ: một máy phát có công suất bức xạ là 100W cho mỗi sóng mang, băng C (6/4GHz). Nếu chỉ jnh đến suy hao không gian tự do là 200dB thì công suất thu được ở sóng mang đó sẽ là: Pr = Pt – L = 20 -‐200 = -‐180 dbW = -‐150 dbmW

=> sử dụng anten phát và thu có hệ số tăng ích lớn => anten parabol

q  Ví dụ, anten thu trạm mặt đất có G = 50 db, anten phát trạm vệ ’nh có

G = 30db

Suy hao trong thông ’n vệ ’nh

q  Suy hao do tầng đối lưu

q  Lớp khí quyển từ mặt đất lên 10-‐15 km q  Oxy, ozon, cacbonic, hơi nước q  Phụ thuộc tần số và góc ngẩng anten

q  Suy hao do tầng điện ly

q  Lớp khí quyển nằm ở độ cao 60-‐400 km q  Ảnh hưởng không đáng kể

q  Suy hao do thời ’ết

q  Suy hao do mưa, mây, sương mù q  Phụ thuộc nhiều vào tần số, góc ngẩng q  Với băng C, có thể lấy dự trữ 2 db; băng Ku – 5 db

5.102

Suy hao trong thông ’n vệ ’nh

q  Suy hao do đặt anten chưa đúng

q  Thường khoảng 1db

q  Suy hao trong thiết bị phát thu

q  Do hệ thống ﬁ đơ q  Thường lấy L=2db mỗi chiều

q  Suy hao do phân cực không đối xứng

q  Thường nhỏ, chỉ khoảng 0,1-‐0,2 db

Suy hao do khí quyển

Example: satellite systems at 4-6 GHz

Attenuation of the signal in %

rain absorption

fog absorption

atmospheric absorption

5° 10°

20°

30°

40°

50°

elevation of the satellite

Suy hao ở băng tần vô tuyến

1000

100

Goùc taø 50

Haáp thuï ñieän töø

10 Toån hao haáp thuï

(dB)

Cöûa soå taàn soá

goùc taø 150

0.5

0.2

.0.1 .0.2 .0.5 .1 .5 1 5 10 20 100 200 GHz

Tính toán công suất q  Tính toán tuyến lên

q  Tổng suy hao tuyến lên: LU = LSPU + LFU + LOU (dB) Trong đó :

n  LSPU -‐ suy hao tuyến phát trong không gian tự do. n  LFU -‐ suy hao do hệ thống ﬁđơ và đầu vào máy thu. n  LOU -‐ hệ số dự trữ suy hao do: thời ’ết, lệch búp sóng phát so với vệ

’nh, lệch phân cực anten ...

q  Suy hao tuyến lên trong không gian tự do:

n  LSPU = 20 lg(4π fUd) -‐ lg(c) (dB)

q  Độ khuếch đại anten:

Trong đó:

n  D -‐ đường kính của anten phát. fU -‐ tần số jn hiệu phát lên. n  n  η -‐ hiệu suất của anten, thường khoảng từ 0,5 – 0,7 n  c -‐ vận tốc ánh sáng, c = 3.108 m/s.

Tính toán công suất

q  Tính toán tuyến lên

(G/T)S -‐ hệ số phẩm chất của máy thu vệ ’nh

q  Độ lợi của anten thu vệ ’nh: n  GRS = (G/T)S + 10lgTU n  n  TU -‐ nhiệt tạp âm tuyến lên, chủ yếu là nhiệt tạp âm của máy thu vệ ’nh

TRS và nhiệt tạp âm anten thu vệ ’nh TAS:

n  TU = TRS + TAS

q  Công suất tạp âm tuyến lên

n  NU = kTUB hay n  NU = 10 lg(k) + 10 lg(TU) + 10 lg(B) (dB) Trong đó: n  k -‐ hằng số Boltzman, k =1,38.10-‐23 (W/Hz 0K) n  B -‐ băng thông của máy thu. n  TU -‐ nhiệt tạp âm tuyến lên n  Nhiệt tạp âm của máy thu vệ ’nh:

n  F [dB] -‐ hệ số tạp âm của máy thu vệ ’nh và T0 là nhiệt độ chuẩn, n  T0 = 290 0K

Tính toán công suất q  Tính toán tuyến lên

q  Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên: đánh giá chất

lượng của tuyến bằng tỷ số công suất sóng mang trên công suất tạp âm (C/N), hay công suất sóng mang trên nhiệt tạp âm tương đương (C/T).

q  Tạp âm chủ yếu phụ thuộc vào bản thân máy thu, vào môi trường bên ngoài như môi trường truyền sóng và can nhiễu phụ thuộc các hệ thống viba lân cận.

n  (C/N)U là tỷ số sóng mang trên tạp âm tại đầu vào bộ giải

điều chế máy thu vệ ’nh.

n  EIRP (equivalent isotropically radiated power): công suất

bức xạ đẳng hướng tương đương

Tính toán công suất

EIRP = PT ! Lc + Ga

: tăng ích anten [dBi]

PT: Công suất đầu ra của anten [dBm] Lc Tổn hao cáp: [dB] Ga

Tính toán tuyến xuống

n  Tổng suy hao tuyến xuống

LD = LSPD + LFD + LOD (dB)

LSPD = 20 log 4!fDd