Bài giảng Truyền hình số - Chương III: Thu thập dữ liệu qua vệ tinh (Digital Satellite News Gathering)

tính theo công thức : Suy hao lệch hướng Anten thu trên vệ tinh về phía Anten trạm mặt đất LR [dB] = 12 (r/3dB)2 Trong trường hợp trạm mặt đất ở trên mép 3dB của vùng vệ tinh bao phủ ta có các tham số sau : LR = 3 dB LFRX = 3 dB LPOL = 0 dB TA = 290 K ( nhiệt độ tạp âm tại anten) TF = 290 K (nhiệt độ tạp âm tại feeder ) TR = (F – 1) TF = (10 0,3 – 1 ).290 = 288 K Thay các giá trị vào ta được hệ số phẩm chất của trạm thu trên vệ tinh: (G/T)sat = 46,7 – 3 – 3 -10 [lg(290/100,3+ 290 (1- 1/10 0,3) + 288)] = 46,7 – 3 – 3 – 27,6 = 13,1 dB/K * Công suất tín hiệu thu tại đầu vào vệ tinh : Pr = EIRP – LU + Gmax Thay vào ta được : Pr = 78,7 – 206,7 + 46,7 = - 81,3 [dBw]  Tỉ số công suất sóng mang trên mật độ công suất phổ tạp âm : (C/N)u = EIRP  (1/Lu)  (G/T)sat  (1/k)  (C/N)u = 78,7 – 206,7 +13,1 + 228,6 = 113,7 dB ( K = 1,38.10-23) : hằng số Bolzman Eb /N0 U = (C /N) U - 10lg( 12.1024.1024) =113,7 – 73 = 40,7 dB (Với bit rate = 12Mbps) III.3. Trường hợp đường lên bị mưa : Khi đường truyền tuyến lên bị mưa thì sóng điện từ bị hấp thụ năng lượng, bị biến đổi phân cực do sự biến dạng của hạt mưa, bản thân mưa cũng sinh ra bức xạ siêu cao tần làm nhiễu tín hiệu hữu ích và nhiệt độ nước mưa làm cộng thêm nhiệt độ tạp âm cho đường truyền . (G/T)sat = G Rmax LR LFRX LPOL Ta LFRX + TF 1 _ 1 LFRX + TR (II.3.2.3): (II.3.2.4) Suy hao do mưa tại Việt Nam ở băng Ku trong điều kiện góc ngẩng dưới 50 theo kết quả tính trên cơ sở số liệu mưa của Việt Nam là 9 dB cộng với 0,3 dB do sai hướng Anten phát, như vậy suy hao đường truyền sẽ là : Lu = 206,4 + 0,3 + 9 = 215,7 dB * Công suất tín hiệu thu tại đầu vào vệ tinh : Pr = EIRP – LU + Gmax Thay vào ta được : Pr = 78,7 – 215,7 + 53,1 = - 83,2 [dBw] (C/N)u = 78,7 – 215,7 + 13,1 + 228,6 = 104,7dB Eb /N0 U = 104,7 – 73 = 31,7 dB IV. Tính toán đường truyền tuyến xuống: IV.1. Tính toán tuyến xuống Downlink : Cho một đường xuống với số liệu ban đầu như sau: - Đường kính Anten trạm mặt đất : D ES = 2 m , DS = 2m - Công suất phát của vệ tinh : Pt = 100 W = 10lg100 = 20 dBw - Tần số tuyến xuống : FD = 12 GHz - Độ rộng búp sóng Anten vệ tinh : 3dB = 2 - Khoảng cách giữa Anten mặt đất và vệ tinh : R = 36000 Km - Hiệu suất Anten mặt đất :  = 0,6 - Hiệu suất Anten vệ tinh :  = 0,55 - Giả sử mặt đất ở vùng trung tâm của chùm tia vệ tinh bao phủ . Các thông số cần tính toán trên đường truyền Downlink : Hình 2.6 Các thông số tính toán suy hao  Mật độ thông lượng công suất tại đầu vào trạm mặt đất :  = PtGt [W/m2] 4R2  Hệ số khuếch đại của Anten tại vệ tinh : Gmax =  D 2 =  DfD 2 D c 3,14 . 2. 12 .10 9 2 10lg 0,55 = 10 lg 34705 = 45,4 dB 3 .10 8  Gmax = 45,4 dB EIRPsat = 45,4 +20 = 65,4 dBw   = 65,4 - 10lg(43,14(3610 6)2 = 65,4 –10 (lg 16277+12 lg10) = 65,4 – 10(4,21 +12) = 65,4 – 162,1 = - 96,7 dBW/m2  Suy hao tự do không gian tuyến xuống : LFS = 10lg 4R 2 = 10lg 43,14 361061210 9 2 d 3108 = 10(lg 3.271178 + 14lg 10) = 10 (6,51 + 14) = 205,1 dB  Hệ số khuếch đại Anten thu tại mặt đất : Gmax = 10lg  D 2 = 10lg 0,6 3,14 21210 9 2 d 3108 = 10 lg 37860 = 45,78 dB  Công suất tín hiệu thu tại đầu vào anten trạm mặt đất : Pr = EIRPSAT – LFS + Gmax  Thay vào ta được : Pr = 65,4 – 205,1 + 45,78 = - 93,92 [dBw] IV.2. Tính toán đường truyền xuống trong điều kiện trời trong: Số liệu lên quan đến vệ tinh : - Công suất phát : Pt = 100 W = 10lg100 = 20 dBw , DS =2m - Suy hao giữa Anten và máy phát : LFTX = 1 dB - Suy hao do lệch hướng phát : LT = 3 dB - Tần số công tác tuyến xuống : fD = 12 GHz - Hiệu suất Anten :  = 0,55 - Độ rộng búp sóng Anten vệ tinh : 3dB = 2 - Khoảng cách giữa trạm mặt đất và vệ tinh : R = 36000 km - Suy hao khí quyển : La = 0,3 dB Số liệu trạm mặt đất : - Đường kính Anten trạm mặt đất : D = 2 m - Hiệu suất Anten mặt đất :  = 0,6 - Suy hao đấu nối giữa anten và máy thu : LFRX = 0,5 dB - Hệ số tạp âm máy thu : F = 2,2 dB - Nhiệt độ tạp âm feeder : TFEED = 290 K - Nhiệt độ tạp âm mặt đất : TGROUND = 45 K - Lệch hướng Anten :T = 0,1 - Suy hao khí quyển : La = 0,3 dB , Khi mưa LR = 0,6 dB Các thông số cần tính toán :  EIRP của trạm vệ tinh : Gmax =  D 2 = 10lg 0,55 3,14 21210 9 2 d 3108 = 10 lg 34.705 = 45,4 dB Suy hao do lệch hướng anten phát : LT = 3dB Suy hao anten và máy phát : LFTX = 1dB Tính EIRP của trạm vệ tinh : (II.4.1.1) EIRPsat = PtGmax (W)  EIRPsat = 45,4dB + 20dB – 3 – 1 = 61,4dBw LT LFTX :Suy hao truyền sóng tuyến xuống trong không gian là : LD = LFS + La trong đó : LFS = 10lg 4R 2 d 10lg 43,14 36.10 61210 9 2 3108 =10 (lg3.271178 + 14 lg 10) = 10 (6,51 + 14) = 205,1  LD = 205,1 + 0,3 = 205,4 dB La = 0,3 dB  Hệ số phẩm chất trạm thu mặt đất : Hệ số khuếch đại Anten thu trạm mặt đất : Gmax = 10lg  D 2 =  Dfd 2 d c 10lg 0,6 3,14 21210 9 2 3108 = 10 lg 37860 = 45,7 dB  Suy hao lệch hướng Anten thu trạm mặt đất về phía Anten vệ tinh : LR [dB] = 12 (R /3dB)2 LR(dB) = 12 RD fD 70 . C = 12 0,1. 2. 12 .10 9 2 70 .3.10 8 (G/T)sat = G Rmax LR LFRX LPOL Ta LFRX + TF 1 _ 1 LFRX + TR LR(dB) = 0,15 dB Trong trường hợp trạm mặt đất ở trên mép 3 dB của vùng vệ tinh bao phủ ta có các tham số : LFRX = 0,5 dB LPOL = 0 dB Nhiệt độ tạp âm anten : TA = TSKY + TGOUND với TSKY = 20K -> TA = 20 + 450 K = 65 0 K TF = 290 K TR = (F – 1) TF = (10 0,22 – 1 ).290 = 191,3 K Thay các giá trị vào ta được hệ số phẩm chất : (G/T) = 45,7 – 0,15- 0,5 – 10 lg[ 65/100,05 +290(1-1/10 0,05) + 191,3 ] = 45,7 – 0,15 – 0,5 – 24,2 = 20,8 dB/K  Công suất tín hiệu thu tại đầu vào anten trạm mặt đất : Pr = EIRPSAT – LD + Gmax  Thay vào ta được : Pr = 61,4 – 205,4 + 45,7 = - 98,3 [dBw]  Tỉ số công suất sóng mang trên mật độ công suất phổ tạp âm : (C/N )D = EIRPsat  (1/LD)  (G/T)ES  (1/k) -> (C/N )D = 61,4 –205,4 +20,8 + 228,6 = 105,4 dB -> Eb /N0 D = (C/N )D – 10lg (12.1024.1024) = 105,4 – 73 = 32,4 dB IV.3. Trường hợp đường truyền xuống bị mưa : Khi đường truyền tuyến lên bị mưa thì sóng điện từ bị hấp thụ năng lượng, bị biến đổi phân cực do sự biến dạng của hạt mưa, bản thân mưa cũng sinh ra bức xạ siêu cao tần làm nhiễu tín hiệu hữu ích và nhiệt độ nước mưa làm cộng thêm nhiệt độ tạp âm cho đường truyền . Suy hao do mưa ở băng Ku trong điều kiện chuẩn là 7 dB cộng với 0,3dB do sai hướng anten phát như vậy suy hao đường truyền xuống sẽ là : LD = 205,4 + 7,3 = 212,7 dB Nhiệt độ tạp âm anten là: Lấy Tm = 2750K thay vào ta được : Tỷ số công suất sóng mang tên mật độ công suất phổ tạp âm tuyến xuống là : (C/N )D=EIRP.(1/LD).(G/T).(1/K) ground rain m rain sky A T A T A T T + ÷ ÷ ư ç ç ỉ - + = 1 1 ][183.191 10 11290 10 265log105,06,07,45)/( 26545 10 11275 10 20 05.005.0 7.07.0 dBKdBTG KT SES A                     (II.4.3.1)  Công suất tín hiệu thu tại đầu vào anten trạm mặt đất : Pr = EIRPSAT – LD + Gmax  Thay vào ta được : Pr = 61,4 – 212,7 + 45,4 = - 105,9 [dBw] suy ra : (C/N )D = 61,4 – 212 ,7 +18 + 228,6 = 95,3 dB (Eb /N0 ) D = 95,3 - 73 = 22,3 dB Giá trị C/N toàn hệ thống : (C/N UP). (C/N DOWN) C/N = (C/N UP)+(C/N DOWN) 113,7  105,4 C/N = = 54 ,6 dB 113,7 + 105,4 Đối với đường truyền bị mưa : 104,7  95,3 C/N = = 49 ,8 dB 104,7 + 95,3 Giá trị Eb / N0 toàn hệ thống là : ( Eb /N0 U ) (Eb /N0 D) Eb / N0 = ( Eb /N0 U ) (Eb /N0 D) 40,7 . 32,4 Eb / N0 = = 18 ,04 dB 40,7 + 32,4 Khi đường truyền bị mưa 31,7 . 22,3 Eb / N0 = = 13,1 dB 31,7 + 22,3 V. Các suy hao trong thực tế : Khi thiết kế đường truyền vệ tinh người ta phải chú ý đến ảnh hưởng của các loại suy hao sau : 1/ Suy hao do truyền sóng trong môi trường khí quyển có tính đến ảnh hưởng của hơi nước. Các loại khí, sương mù, mây mưa ... gọi tắt là suy hao đường truyền . L = LF S + LA LF S : suy hao Free space ; LA : suy hao khí quyển 2/ Suy hao trong bản thân các thiết bị thu phát tín hiệu như đầu nối dây, dây dẫn sóng .... + Suy hao giữa máy phát và Anten (LFTX) được tính bởi quan hệ: PTX = PT . LFTX PTX : công suất đầu ra bộ khuếch đại của máy phát PT : công suất phát của Anten + Từ đây có thể suy ra công suất bức xạ đẳng hướng hiệu dụng: EIRP = PT GT = (PTX . GT )/ LFTX [W] + Suy hao LFRX giữa máy thu và Anten là suy hao tạo nên bởi các feeder dẫn sóng và các đầu nối, để công suất thu là PR thì tại đầu vào máy thu có công suất : PRX =PR / LFRX 3/ Suy hao do Anten thu và phát lệch nhau . Khi Anten thu và phát lệch nhau sẽ tạo ra suy hao vì búp sóng chính của Anten thu không hướng đúng chùm tia Phát xạ của Anten phát. LT[dB] = 12 (T/3dB)2 LR[dB] = 12 (R/3dB)2 4/ Suy hao do không đúng phân cực . Loại suy hao này cũng không thể bỏ qua khi Anten thu không hướng đúng hướng phát cùng với phân cực của sóng mang thu, ví dụ đối với sóng điện từ phát đi được phân cực tròn thì chỉ trên trục bức xạ phân cực bị bức xạ của Anten sóng mới có phân cực tròn, ngoài trục bức xạ phân cực bị biến dạng thành Elip, ngoài ra khi truyền trong môi trường phân cực bị biến đổi do môi trường ... + Nếu gọi  là góc giữa hai mặt sóng thì suy hao do lệch phân cực được biểu diễn : L POL = 20lg(cos) và thường lấy bằng 3 dB trong trường hợp phân cực tròn . Tính đến 4 loại suy hao kể trên ta có thể biểu diễn công suất tín hiệu thu như sau: PRX = PTx Gmax 1 1 [W] LT LFTX LA LFS LR LFRX LPOL Kết luận : Chất lượng tín hiệu trên đường truyền giữa máy phát và máy thu được đánh giá bằng tỉ số giữa công suất tín hiệu so với công suất phổ tạp âm C/N. Đây hàm số của đặc tính thiết bị sử dụng trên đường truyền, EIRP của máy phát, hệ số phẩm chất trạm thu và đặc tính môi trường truyền sóng. Chất lượng đường lên được đánh giá bằng (C/N)u, còn chất lượng đường xuống được đánh giá bằng tỉ số (C/N)D , ảnh hưởng của môi trường truyền sóng đến đường lên và đường xuống rất khác nhau, ví dụ mưa lảm giảm tỉ số (C/N)u bằng cách làm giảm công suất tín hiệu thu tuyến lên tại đầu vào Anten vệ tinh, với tuyến xuống nó lại giảm tỉ số (C/N)D theo cách giảm công suất tín hiệu thu tuyến xuống và tăng nhiệt độ tạp âm tuyến xuống . Qua chương tính toán đường truyền và được kiểm nghiệm qua thực tế trong kỳ Seagames , và cuộc đua xe đạp xuyên việt vừa qua tại Đài Truyền Hình Thành Phố Hồ Chí Minh với công suất phát và thu vẫn hợp lý và ở ngưỡng cho phép để ta có thể điều chỉnh mức năng lượng hợp lý trên vệ tinh để thu tín hiệu trong ngưỡng cho phép -65dBw → - 25dBw, đối với thời tiết tốt hay trới có mưa, để đảm bảo tín hiệu không bị dừng hình để điều chỉnh BER (Bit Error Rate) cho hợp lý ,ứng với đường kính anten và công suất phát để điều chỉnh bộ phận HPA cho tối ưu.