›
›

Bài giảng Thông tin viba

pdf 112 trang phuongnguyen 5490
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Thông tin viba", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_thong_tin_viba.pdf

Nội dung text: Bài giảng Thông tin viba

  1. Thông n vi ba Giảng viên: Trương Thu Hương Email: huong.truong@mail.hut.edu.vn
  2. 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
  3. 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) 3
  4. 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
  5. 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
  6. 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.
  7. Cấu trúc của hệ thống truyền dẫn viba số
  8. 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
  9. 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)
  10. 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 = N + N kho uot 5 2 7 2 N = 77.6(p/T) + 3.73x10 (e/T ) - 4.03x10 (ne/f )! 1 dn Có: = − r dh với: r: bán kính cong của tia sóng, n: chiết suất khí quyển n
  11. 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 7 2 N =4.03x10 (ne/f )! Trong tầng bình lưu, mật độ electron và áp suất hơi nước, độ khúc xạ phụ thuộc nhiệt độ. N = 77.6(p/T)!
  12. 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 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
  13. Ảnh hưởng của độ cong mặt đất n Cự ly thông tin cực đai trong tầm nhìn thẳng AB: AB = 2a ( h1 + h2 ) [m] n Mặt đất: bán kính a = 6378 km n Chiều cao anten phát, thu: h1, h2 n Công thức gần đúng: ABmax = 3,75 h 1 [ m ] + h 2 [ m ] [km] § Xét đến ảnh hưởng của sự A B h2 h1 thay đổi chiết suất khí quyển a theo độ cao: AB =4,15 .( h (m) + h (m) ),[km] max 1 2
  14. 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
  15. 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): ⎛ 4πd ⎞ A0 = 20lg⎜ ⎟ = 32,5 + 20lg f (MHz) + 20lgd(km) ⎝ λ ⎠ (dB) 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
  16. Ảnh hưởng hấp thụ sóng của khí quyển, của mưa 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 Kết quả thực nghiệm về suy hao do hơi nước – khí hậu theo tần số sóng vô tuyến của Alcatel
  17. 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)
  18. Fading và nhiễu giao thoa ! p = p2 " p1 ! p # 2hrhd / d Góc pha ! p = (2" / #)! p = 4"hthr / #d Góc pha nhỏ Er " E0 4"hthr / #d2
  19. Fading
  20. 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.
  21. Đường truyền trong tầm nhìn thẳng LoS
  22. 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 l MiÒn ΔΗ F Fresnen thø 1 nhÊt h Δ ’ 1 H h 1 h h i ’ 2 h2 Δh E Δh T 1 i 2 O d1 d2 R a
  23. Fresnel Zone n Sóng phản xạ từ vật chắn có thể đến lệch pha với n hiệu đi thẳng à giảm năng lượng của n 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
  24. 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 ?
  25. 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).
  26. 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
  27. 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: 2 q S: DiÖn tÝch (tiÕt diÖn) bÒ mÆt an ten [m ] q η: HiÖu suÊt cña an ten tõ (0,5 - 0,7)
  28. Anten n Độ lợi anten theo tần số và kích thước
  29. Anten Biểu đồ bức xạ
  30. 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:
  31. 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
  32. 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
  33. 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]
  34. Tính toán đường truyền n Thông thường thì độ cao của a B được nh toán tại điểm có một vật chắn cao nhất nằm giữa tuyến
  35. 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
  36. 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.
  37. 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
  38. 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.
  39. HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH q Cấu trúc hệ q Truy cập vệ tinh thống q Các hệ thống vệ tinh q Tính toán tuyến q Quỹ đạo vệ nh q Dịch vụ 5.39
  40. Tham khảo q Satellite communicaons q Websites: q ITSO: www.itso.int q Inmarsat: www.inmarsat.com q Eutelsat: www.eutelsat.com q Intelsat: www.intelsat.com 5.40
  41. 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
  42. Vệ tinh đầu tiên 1957 – Liên xô cũ phóng vệ tinh đầu tiên tên là Sputnik 5.42
  43. 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
  44. 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
  45. Hệ thống vệ nh satellite Space part downlink uplink Control station transmitter Earth Station receiver 5.45
  46. Ảnh vệ nh Trạm mặt đất Vệ tinh 5.46
  47. 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)
  48. Các ứng dụng q Viễn thông (Telecommunicaon) 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)
  49. Các dịch vụ thương mại Voice/Video/Data Communications • Rural Telephony • News Gathering/Distribution GPS/Navigation • Internet Trunking • Position Location • Corporate VSAT Networks • Timing • Tele-Medicine • Search and Rescue • Distance-Learning • Mapping • Mobile Telephony • Fleet Management • Videoconferencing • Security & Database Access • Business Television • Emergency Services • Broadcast and Cable Relay Remote Sensing • VOIP & Multi-media over IP • Pipeline Monitoring Direct-To-Consumer • Infrastructure Planning • Broadband IP • Forest Fire Prevention • DTH/DBS Television • Urban Planning • Digital Audio Radio • Flood and Storm watches • Interactive Entertainment & Games • Air Pollution Management • Video & Data to handhelds • Geo-spatial Services
  50. Tần số sử dụng L-band Dịch vụ di động vệ tinh 1.0 – 2.0 GHz Mobile Satellite Services (MSS) S-band MSS, DARS – XM, Sirius 2.0 – 4.0 GHz C-band Dịch vụ vệ tinh cố định, VSAT 4.0 – 8.0 GHz Fixed Satellite Services (FSS), VSAT X-Band Ảnh vệ tinh, ảnh quân sự 8.0 – 12.0 GHz Military/Satellite Imagery Ku-band FSS, DBS, VSAT 12.0–15.0 GHz Ka-band Dịch vụ băng rộng, liên lạc giữa các vệ tinh 15.0 – 30.0 GHz FSS “broadband” and inter-satellite links 1
  51. Các hệ thống vệ nh điển hình Inter Satellite Link (ISL) Mobile User MUL Link (MUL) Gateway Link (GWL) GWL The image small cells cannot be displayed. Your computer (spotbeams) may not have The enough image memory cannot to open be the displayed image, or . Your compute r may The image cannot be The image cannot be base station displayed. displayed. Your Your computer may not have computer enough memory to may not open the image, or the or gateway have footprint image may have been enough ISDN PSTN GSM PSTN: Public Switched User data Telephone Network
  52. Các thành phần hệ thống vệ tinh qH ệ thống điện qH ệ thống theo dõi xa và điều khiển xa qH ệ thống điều khiển độ cao qH ệ thống đẩy qH ệ thống thông tin q Bộ thu phát (Transponders) 5.52 1
  53. Ví dụ vệ tinh 5.53
  54. 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
  55. Trạm mặt đất 1
  56. 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
  57. Trạm mặt đất
  58. Trạm mặt đất 5.58
  59. Cấu hình trạm mặt đất Low Down Antenn Demodulat Noise Converter a or Amplifier Divider Cross Feed RF IF Connec Combiner t High Up Modulato Power Converter r Tracking Amplifier System Monitor & Power Control 5.59
  60. 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.
  61. Các thành phần tuyến thông n vệ nh 5.61
  62. Tia 5.62
  63. Bộ phát đáp IDemux Power gain blocks OMux 1 3720 1 2 3760 2 3 3800 3 4 3840 4 5 3880 5 Wideband BPF 6 3920 6 From receiver To 7 3960 7 antenna 5925-6 3,7-4 antenna 8 8 5925-64 425 ,2 4000 3,7-4,2 25 MHz MHz GHz 9 4040 9 GHz 10 4080 10 11 4120 11 12 4160 12 5.63
  64. Bố trí tần số CHANNEL 5.64 SPACING = 40MHz USEABLE BANDWIDTH = 36MHz
  65. Bố trí tần số CHANNEL 5.65 SPACING = 40MHz USEABLE BANDWIDTH = 36MHz
  66. Đa truy nhập q FDMA q TDMA q CDMA
  67. 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
  68. 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
  69. Các thiết bị di động vệ nh
  70. Các tổ chức vệ nh q Intelsat: Internaonal Telecommunicaons Satellite Consorum (INTELSAT) q Inmarsat q ITSO: Internaonal Telecommunicaons Satellite Organizaon q Eutelsat 5.70
  71. INMARSAT 5.71
  72. Hệ thống INMARSAT OR mgmt + control Facility: Txponder frequency management, Inmarsat-3 Call monitor/control Signalling NCS C-Band Link/Network Logic, Signalling + NCC C-Band Channel-Units 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
  73. Cấu trúc INMARSAT Satellite 1. Global-beam C 2. Spot-beam L L band: 1.6 Ghz C band: 6 GHz C band: 4 GHz L band: 1.5 Ghz Land Earth Station Ship Earth Station (LES) (SES) 5.74
  74. Dịch vụ INMARSAT Facilities Inmarsat A Inmarsat C Inmarsat B Inmarsat M Mini-M Start of service 1982 1991 1993 1993 1997 Terminals >25.000 >50.000 >10.000 Services Tho¹i/Telex Nh¾n tin/d÷ liÖu Tho¹i/telex Tho¹i/d÷ liÖu Tho¹i/d÷ liÖu Voice/telex Message/Data /d÷ liÖu Voice/data Voice/data Voice/telex/Data Data rates 50 bit/s 600 bit/s 9600 bit/s 2400 bit/s 2400 bit/s (9600 bit/s L­u vµ chuyÓn fax/mod.) tiÕp Store and forward Additional 56/64 kbit/s Distress call 56/64 kbps M-4 HSD EGC HSD 64 kbit/s 5.75
  75. Các nước có khả năng phóng vệ nh Country Year of first First satellite Payloads in launch orbit in 2006 Soviet Union 1957 Sputnik 1 1390 United States 1958 Explorer 1 999 France 1965 Astérix 43 Japan 1970 Osumi 102 China 1970 Dong Fang Hong I 53 United 1971 Prospero X-3 23 Kingdom India 1979 Rohini-1 31 Israel 1988 Ofeq 1 6 5.76
  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
  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
  78. Một số thuật ngữ q Độ nghiêng(inclinaon): góc giữa mặt phẳng quỹ đạo và mặt phẳng xích đạo q Góc ngẩng (elevaon): 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
  79. Độ nghiêng (Inclinaon) plane of satellite orbit satellite orbit perigee δ inclination δ equatorial plane 5.80
  80. Góc ngẩng (elevaon) Góc ngẩng(Elevation): góc ε: góc giữa tâm của chùm sóng và bề mặt Góc ngẩng nhỏ nhất: Góc ngẩng tối thiểu để thông tin ε với vệ tinh 5.81
  81. Các dạng quỹ đạo vệ nh n Quỹ đạo vệ nh tuân theo các định luật keple 5.82
  82. Các dạng quỹ đạo vệ nh Quỹ đạo nghiêng Quỹ đạo cực Quỹ đạo xích Trái đất đạo Các dạng quỹ đạo có ích: 3 dạng 5.83
  83. Một số công thức về quỹ đạo 5.84
  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
  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
  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 1/2 V0 = ( G * M / a) . Với: R = 6378 km – bán kính trung bình của trái đất; g = G * M / R2 – gia tốc do hấp dẫn, 1/2 từ đó, V0 = R * [ g / (R+ h)] . 5.87
  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
  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 V V0, 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
  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
  90. Liên hệ giữa chu kỳ và quỹ đạo vệ nh 24 satellite velocity [ x1000 km/h] period [h] 20 16 12 8 4 synchronous distance 35,786 km 10 20 30 40 x106 m radius
  91. 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 nh, cao: 35786 km q HEO (Highly Ellipcal Orbit): các quỹ đạo elip
  92. Các quỹ đạo GEO (Inmarsat) HEO MEO (ICO) LEO inner and outer Van (Globalstar, Allen belts Irdium) earth 1000 10000 Van-Allen-Belts: 35768 các phần tử được ion hóa km 2000 - 6000 km và 15000 - 30000 km trên bề mặt trái đất
  93. Các vệ nh địa 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)
  94. Quỹ đạo địa tĩnh 5.95 1
  95. 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
  96. 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
  97. Tần số trong thông n vệ nh n Một số băng tần thông dụng trong thông n vệ nh: q Băng C: 3,400 - 7,075 GHz q Băng Ku: 10,90 - 18,10 GHz q Băng Ka: 17,70 - 36,00 GHz 5.98
  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
  99. Suy hao trong thông n vệ nh n Suy hao n Trong đó: d[km] : là chiều dài của một tuyến lên hay xuống. n 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
  100. 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 n 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 nh 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
  101. 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
  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
  103. Suy hao do khí quyển Attenuation of the signal in % Example: satellite systems at 4-6 GHz 50 40 rain absorption 30 fog absorption ε 20 10 atmospheric absorption 5° 10° 20° 30° 40° 50° elevation of the satellite
  104. Suy hao ở băng tần vô tuyến 1000 Toån 100 Goùc taø hao 50 Haáp thuï ñieän haáp töø thuï 10 Cöûa soå taàn (dB) soá 1 goùc taø 150 0.5 0.2.0.1 .0.2 .0.5 .1 .5 1 5 10 20 100 200 GHz
  105. 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 L - hệ số dự trữ suy hao do: thời ết, lệch búp sóng phát so với vệ nhOU , 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. n fU - tần số n hiệu phát lên. n η - hiệu suất của anten, thường khoảng từ 0,5 – 0,7 n c - vận tốc ánh sáng, c = 3.108 m/s.
  106. Tính toán công suất q Tính toán tuyến lên q Độ lợi của anten thu vệ nh: n GRS = (G/T)S + 10lgTU n (G/T)S - hệ số phẩm chất của máy thu vệ nh 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, 0 n T0 = 290 K
  107. 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
  108. Tính toán công suất EIRP = PT ! Lc +Ga PT: Công suất đầu ra của anten [dBm] Lc Tổn hao cáp: [dB] : Ga tăng ích anten [dBi]
  109. Tính toán tuyến xuống n Tổng suy hao tuyến xuống LD = LSPD + LFD + LOD (dB) LSPD: suy hao tuyến xuống trong không gian tự do LFD: suy hao do hệ thống fido tại đầu vào máy thu trạm mặt đất LOD: suy hao dự trữ do thời ết LSPD = 20log(4! fDd) ! 20lg(c) (dB) q Công suất sóng mang thu được tại trạm mặt đất CRe = EIRPS ! LD +GRe (dB)
  110. Tính toán tuyến xuống n Tổng suy hao tuyến xuống LD = LSPD + LFD + LOD (dB) LSPD: suy hao tuyến xuống trong không gian tự do LFD: suy hao do hệ thống fido tại đầu vào máy thu trạm mặt đất LOD: suy hao dự trữ do thời ết LSPD = 20log(4! fDd) ! 20lg(c) (dB) q Công suất sóng mang thu được tại trạm mặt đất CRe = EIRPS ! LD +GRe (dB)
  111. Tính toán tuyến xuống n Tỷ số công suất trên sóng mang tuyến xuống C / N C N EIRP L G N ( )D = Re ! sys = s ! D + Re ! sys n Công suất tạp âm hệ thống Nsys =10log(kTsysB) =10log(k) +10log(Tsys ) +10log(B) n Tsys: nhiệt tạp âm hệ thống Ts +TA +TF o Tsys = +T ( K) LF R