Hệ thống thông tin vệ tinh và phân tích tuyến liên lạc trong thông tin vệ tinh

Chương một Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh 1.1- lịch sử phát triển thông tin vệ tinh Chúng ta đang sống trong thời kỳ quá độ tới một xã hội định hướng thông tin tiên tiến nhờ các công nghệ mới trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Các loại thông tin truyền trên sang vô tuyến đó là thông tin vô tuyến, đã đi vào đời sống hàng ngày của chúng ta và chúng ta có thể cảm nhận cuộc sống hiện tại của cuộc sống xung quanh chúng ta nhờ các hệ thống truyền hình và điện thoại quốc tế. Nói chung, thôn

doc35 trang | Chia sẻ: huyen82 | Lượt xem: 1568 | Lượt tải: 1download
Tóm tắt tài liệu Hệ thống thông tin vệ tinh và phân tích tuyến liên lạc trong thông tin vệ tinh, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
g tin có thể được phân ra các loại như thông tin dùng cáp đồng trục huặc thông tin dùng cáp sợi quang và thông tin vô tuyến sử dụng sóng vô tuyến điện nối liền nhiều nơi trên thế giới vượt qua “thời gian” và “không gian”. Hiện nay, các hệ thống cáp biển sử dụng cáp sợi quang đã được đưa vào sử dụng cho thông tin quốc tế. Đối với thông tin vô tuyến quốc tế, thông tin vệ tinh đã cung cấp các đường thông tin dung lượng lớn thay thế cho thông tin sóng ngắn trước đây và được sử dụng thường xuyên hơn. Thông tin vệ tinh có nhiều lợi thế so với các phương thức truyền thông khác đó là: Vùng phủ sóng rộng (chỉ cần 3 vệ tinh có thể phủ sóng toàn cầu). Thiết bị phát sóng chỉ cần công suất nhỏ. Lắp đặt hệ thống mặt đất nhanh, di chuyển dễ dàng. Có thể phục vụ nhiều dịch vụ khác. Hệ thống truyền dẫn ổn định (kể cả bão to, động đất). Thiết bị đặt trên vệ tinh có thể tận dụng năng lượng mặt trời để cấp điện . Có thể tận dụng tất cả công nghệ của kỹ thuật số. Tuy vậy, thông tin vệ tinh cũng có những nhược điểm: Kinh phí đầu tư ban đầu lớn. Công nghệ không phải lúc nào cũng sản xuất được (từ khâu thiết bị đến khâu phóng, điều khiển và điều hành). Bức xạ của sóng bị tổn hao lớn ở những vùng có mưa và mây mù. Cường độ sóng thu ở mặt đất phụ thuộc nhiều vào vị trí tọa độ của vệ tinh . Có hai loại vệ tinh đang được phổ dụng : Vệ địa tĩnh (Geostation Satellite) và vệ tinh không địa tĩnh (Non- Geostation Satellite). 1.2- các loại quỹ đạo của vệ tinh Trái đất Khối lượng M Lực hấp dẫn = GMm/r2 Lực ly tâm = mv2/r Vệ tinh khối lượng M Khoảng cách = r Quỹ đạo chuyển động của vệ tinh Hình 1.1. Các lực quyết định quỹ đạo của vệ tinh Quỹ đạo là hành trình của vệ tinh để giữ được cân bằng giữa hai lực đối nhau. Hai lực đó là lực hấp dẫn của trái đất và lực ly tâm được hình thành do độ cong của hành trình của vệ tinh. Quỹ đạo thuộc một mặt phẳng có hình Elip, hai đầu của Elip thì một đầu nằm xa trái đất còn đầu kia nằm gần trái đất. Vệ tinh sẽ di chuyển chem. Hơn khi khoảng cách giữa nó và trái đất tăng lên. Quỹ đạo thông dụng nhất hiện nay là những quỹ đạo sau: + Các quỹ đạo hình Elip nghiêng một góc 640 so với mặt phẳng xích đạo. Loại quỹ đạo có tính ổn định cao nhờ có độ nghiêng mà nó cho phép vệ tinh có thể phủ sóng được ở những nơi có vĩ tuyến cao thuộc phần lớn quỹ đạo khi vệ tinh đi qua điểm cực viễn so với trái đất. Trong thực tế, quỹ đạo nghiêng hình Elip có khả năng cung cấp các liên lạc ở các vĩ tuyến trung bình khi mà vệ tinh gần tới điểm cực viễn so với trái đất và các góc ngẫng gần bằng 900, những điều kiện tốt này không thể tồn tại trong cùng một vĩ tuyến ở các vệ tinh địa tĩnh. Một hệ thống vận hành được gọi là ELLIPSAT bao gồm 24 vệ tinh ở hai quỹ đạo khác nhau nghiêng một góc 640 (2930 km / 426 km) được đề xuất tại Mỹ (ELL-91) để đạt được sự phủ sóng vĩnh cửu. Hình 1.2. Mô tả quỹ đạo của vệ tinh MOLNYA của LIÊN XÔ + Các quỹ đạo nghiêng tròn, độ cao của vệ tinh so với mực nước biển là không đổi và xấp xỉ và trăm nghìn km. Với góc nghiêng gần 900, loại quỹ đạo này đảm bảo rằng vệ tinh có thể đi qua các vùng của trái đất. Đó là lý do người ta sử dụng loại quỹ đạo này để quan sát các vệ tinh (Ví dụ vệ tinh SPOT; độ cao 830 km ; quỹ đạo nghiêng 98,70; chu kỳ 101 phút). Người ta có thể thiết lập các quá trình lưu trữ và chuyển tiếp thông tin nếu vệ tinh được trang bị các phương tiện lưu trữ thông tin. Một số vệ tinh với vùng phủ sóng toàn cầu sử dụng các chòm sao của sóng mang vệ tinh ở các quỹ đạo tròn, độ cao thấp (cỡ 1000 km) được đề cập gần đây (như IRIDIUM, GLOBAL STAR, ODYSSEY, ARIES , LEOSAT , …). + Quỹ đạo tròn với góc nghiêng bằng 0, được sử dụng rộng rãi nhất cho quỹ đạo vệ tinh thuộc các trạm. Quỹ đạo vệ tinh xung quanh trái đất với độ cao 35768 km và cùng phương hướng. Do đó vệ tinh xuất hiệ như một điểm cố định trên bầu trời và đảm bảo sự hoạt động liên tục như Rơle vô tuến trong thời gian thực đối với những vùng nhìn thấy của vệ tinh (43% bề mặt của trái đất). Sự lựa trọn các quỹ đạo phụ thuộc vào tính chất của công việc, độ can nhiễu có thể chấp nhận được và tầm xa của khả năng bệ phóng. Quỹ đạo được đặc trưng bởi các yếu tố sau: + Quy mô và phạm vi của các vùng được phủ sóng. Trái ngược với đông đảo các ý kiến, độ cao của vệ tinh không phải là nhân tố quyết định trong việc liên lạc đối với diện tích phủ sóng cụ thể. Hiện nay vệ tinh đi theo quỹ đạo thấp chỉ cung cấp một khoảng không gian giới hạn, bao phủ tại một thời gian xác định và có giới hạn tại một điểm xác định . Nếu độ tăng ích các anten thấp (cỡ vài dB) với độ địng hướng kém thì trong trường hợp này phải được trang bị các thiết bị bán vệ tinh và điều này làm tăng chi phí. Do đó các vệ tinh địa tĩnh rõ ràng là đặc biệt có ích cho việc phủ sóng liên tục các vùng co diện tích rộng. Tuy nhiên nó không thể phủ sóng được các vùng cực mà các vùng này chỉ được phủ sóng bởi các vệ tinh có quỹ đạo Elip nghiêng hay quỹ đạo cực. + Góc ngẫng của các trạm mặt đất : Một vệ tinh có quỹ đạo Elip nghiêng hay quỹ đạo cực xuất hiện trên mặt đất trong một khoảng thời gian xác định cho phép thông tin được thiết lập tại các vùng thành thị mà không va chạm các chướng ngại vật như các toà nhà lớn tạo nên góc ngẫng nằm trong khoảng từ 00 cho đến xấp xỉ 700. Với một vệ tinh địa tĩnh, góc ngẫng sẽ giảm khi sự chênh loch về kinh tuyến, vĩ tuyến giữa trạm mặt đất và vệ tinh tăng. + Thời gian truyền dẫn và thời gian trễ : vệ tinh địa tĩnh cung cấp một sự chuyển tiếp liên tục cho các trạm trong khoảng tầm nhìn nhưng thời gian truyền sóng từ trạm này đến trạm khác bị trễ 0,5s. Điều này yêu cầu phải sử dụng thiết bị điều khiển tiếng vọng trên các kênh điện thoại hay các giao thức đặc biệt để truyền số liệu. Thời gian truyền dẫn giữa các trạm sẽ giảm nếu vệ tinh di chuyển trong một quỹ đạo thấp, thời gian truyền giữa các trạm sẽ giảm xuống gần bằng thời gian truyền trong tầm nhìn tới vệ tinh. Nhưng nó có thể trở nên lâu (một vài giờ) đối với các trạm xa nếu như kiểu truyền lưu trữ - chuyển tiếp được sử dụng. + Nhiễu : vệ tinh địa tĩnh chiếm một vị trí xác định trên bầu trời và việc trao đổi thông tin với các trạm trên mặt đất. Để chống nhiễu giữa các hệ thống thì người ta phải quy định băng tần và các vị trí quỹ đạo. Không gian quỹ đạo nhỏ giữa các vệ tinh gần kề nhau tại cùng một tần số sẽ làm tăng độ nhiễu và điều này sẽ cản trở việc thiết lập các vệ tinh mới. Các hệ thống khác nhau có thể sử dụng các tần số khác nhau nhưng điều này bị hạn chế bởi số lượng băng tần được chỉ định cho không gian thông tin vô tuyến bởi các luật của thông tin vô tuyến. Trong trường hợp này, một băng tần có thể bị giới hạn bởi phổ tần của quỹ đạo. Với các vệ tinh đưa vào quỹ đạo thì các thông số hình học của một hệ thống này đối với hệ thống khác bị biến đổi theo thời gian do đó rất khó đồng bộ điều này có nghĩa là nhiễu của hệ thống sẽ cao. + Hiệu suất của bệ phóng : khối lượng của các vệ tinh được phóng giảm đi khi độ cao tăng. 1.3- phân bổ tần số trong thông tin vệ tinh Các băng tần số vô tuyến dùng cho các hệ thống thông tin vệ tinh nông thôn, hiển nhiên là phải tuân theo quy chế vô tuyến. Đặc biệt, các bằng tần được phân định cho các dịch vụ vệ tinh cố định được trình bày trong bảng. Dịch vụ a) Các tần số tuyến lên (MHz) Các tần số tuyến xuống (MHz) Chú thích b) FS FS BS FS FS FS FS FS FS FS FS FL BS BS FS BS FS BS FS FS FS FS,FL FL FS FS FS 2655 – 2690 5725 – 5850 5850 – 7075 7900 – 8400 10700 – 11700 12500 – 12750 12700 – 12750 14000 – 14500 14000 – 14800 17300 – 18100 27000 – 27500 27500 – 31000 2500 – 2690 2500 – 2535 2500 – 2690 3400 – 4200 4500 – 4800 7250 – 7750 10700 – 11700 11700 – 12500 11700 – 12200 11700 – 12300 12100 – 12700 12500 – 12750 12500 – 12750 11700 – 21200 Chỉ R2 Chỉ R3 Chỉ R2,R3 Chỉ R1 Chỉ R1 Chỉ R1 Chỉ R3 Chỉ R2 Chỉ R2 Chỉ R1, R3 Chỉ R3 Chỉ R1 Chỉ R2 Chỉ R2,R3 Bảng : các băng tần dùng cho dịch vụ vệ tinh cố định và dịch vụ quảng bá qua vệ tinh tới 31GHz a) FS – Dịch vụ vệ tinh cố định BS – Dịch vụ vệ tinh quảng bá FL – Tuyến phi dơ cho dịch vụ vệ tinh quảng bá b) Vùng 1 (R1), vùng 2 (R2), vùng 3 (R3) được xác định theo hình (1.3) ITU đã xác lập riêng các phần nào đó của phổ tần để sử dụng các hệ thống thông tin vệ tinh, đáng chú ý là các băng tần như 2,5 – 2,7; 3,4 – 7,1 và 10,7 – 14,5 GHz. Một số nào đó trong các băng tần này được phân định để sử dụng cho các dịch vụ đặc biệt trong các vùng địa lý xác định. Trong bảng trên, R2 ám chỉ vùng 2 bao gồm Bắc Mỹ và Nam Mỹ; R3 là vùng 3 gồm Châu úc và Châu á và R1 là vùng 1 gồm Châu âu, Liên Xô và Châu Phi. Hình 1.3 mô tả các vùng này trên bản đồ. Trong bảng các vùng được phép sử dụng băng tần được chỉ thị bởi R1, R2 và R3. Nếu không có bất kỳ chỉ định vùng nào thì có nghĩa là tất cả các vùng đều có thể sử dụng băng tần đó. Hình 1.3. Các vùng như được quy định trong các Quy chế vô tuyến (Radio Regulations) Băng tần 2500 – 2690 MHz : Tất cả các tần số trong băng tần này là để dành cho các nước vùng 2 và vùng 3 (không có sự phân định nào đối với băng tần số 2,5 – 2,7 GHz cho các dịch vụ vệ tinh cố định trong vùng 1). Tại băng tần 2,5 – 2,7 GHz, suy hao khí quyển nhỏ hơn bất kỳ băng tần nào khác, song vì bước sóng tương đối dài cho nên kích thước của trạm anten mặt đất sẽ phải lớn hơn so với việc sử dụng các băng tần khác. Ngoài ra, vì băng tần này còn chưa được sử dụng rộng rãi cho nên rất ít nhà sản xuất chế tạo các thiết bị tiêu chuẩn thuộc lĩnh vực này. Băng tần này tỏ rõ lợi thế cho những yêu cầu khiêm tốn ở những điểm không có tắc nghẽn và các khe quỹ đạo là luôn luôn có sẵn để sử dụng. Tuy nhiên, băng tần này chung phần với các hệ thống tán xạ đối lưu và cần phải phối hợp với chúng. Băng tần 3400 – 7075 MHz : Băng tần này được sử dụng nhiều nhất so với tất cả các băng tần khác. Do điều đó, việc sắp xếp các khe quỹ đạo là tương đối khó. Mặt khác vì có sẵn thị trường rộng lớn cho nên nhiều nhà sản xuất chế tạo thiết bị tiêu chuẩn, giảm được đáng kể giá thành do cạnh tranh và đảm bảo tính hiệu quả kinh tế do quy mô lớn. Mặc dù suy hao khí quyển hơi lớn hơn so với băng 2,5 – 2,7 GHz, kinh nghiệm lịch sử cho thấy rằng có thể đạt được dịch vụ thông tin chất lượng cao thực tế tại tất cả các vùng trên thế giới. Vì có can nhiễu với các hệ thống vi ba mặt đất sử dụng băng tần này, các trạm mặt đất không được lắp đặt tại nhiều vùng thành phố. Do vậy việc sử dụng băng tần này đòi hỏi phối hợp chặt chẽ với các hệ thống trên mặt đất đang hoạt động huặc đang trong dự án. Băng tần 10,700 – 14,500 GHz : Băng tần này vừa có lợi thế vừa có bất lợi so với băng tần 3,4 – 7,1 GHz vốn được sử dụng rất rộng rãi. Nơi nào có băng tần này nói chung không được sử dụng cho các tuyến vi ba mặt đất thì có thể cho các trạm mặt đất hoạt động tại các trung tâm thành thị. Các anten tại băng tần này rất nhỏ so với các băng tần khác, do vậy chúng có thể được lắp đặt tại các mái nhà của các toà cao ốc. Nơi nào thực tế không có các sóng mang chung trong băng này thì các vệ tinh có thể sử dụng các công suất cao hơn vì không có các vấn đề can nhiễu với các hệ thống trên mặt đất. Điều bất lợi chính của băng tần này là các đặc tính suy hao của nó gia tăng mạnh trong miền khí hậu có nhiều sương mù, có mưa huặc có mây. 1.4- cấu trúc tổng quát một hệ thống thông tin vệ tinh Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm hai phần : Phần mặt đất và Phần không gian. đOạN KHÔNG GIAN Vệ TINH TRạM ĐIềU KHIểN THIếT Bị PHáT THIếT Bị THU TUYếN XUốNG TUYếN LÊN ĐOạN MặT ĐấT Hình 1.4. Các thành phần của một hệ thống thông tin vệ tinh 1.4.1. Phần không gian. Phần không gian bao gồm vệ tinh và các trang thiết bị mặt đất để điều khiển và kiểm tra theo dõi vệ tinh như sau: Hệ thống bám sát, đo đạc và điều khiển thực hiện (TT & C) và trung tâm điều khiển vệ tinh, nơi mà mọi hoạt động của vệ tinh được kiểm tra và theo dõi chặt chẽ. Các sóng vô tuyến truyền từ các trạm mặt đất lên vệ tinh được gọi là đường lên (uplink). Vệ tinh, đến lượt truyền các sóng vô tuyến tới các trạm thu tại mặt đất - đường xuống (downlink). Chất lượng của một liên lạc vô tuyến được xác định bởi tỷ số sóng mang trên tạp âm (C/N). Vệ tinh hình thành một điểm trung chuyển trạng thái do các nhóm liên lạc song song. Khi đó nó được xem như là điểm nút của mạng, truy nhập với vệ tinh và tới bộ phát đáp vệ tinh bởi một vài sóng mạng có nghĩa là sử dụng các kỹ thuật đặc biệt, được gọi là các kỹ thuật đa truy nhập. Vệ tinh bao gồm phần trọng tải (payload) và phần nền (platfom). Phần payload bao gồm các anten thu và tất cả các thiết bị điện tử phục vụ cho việc truyền dẫn các sóng mang. Phần flatfom bao gồm các hệ thống phụ phục vụ cho phần payload hoạt động. Chúng bao gồm: + Cấu trúc. + Nguồn cung cấp điện. + Điều khiển nhiệt độ. + Điều khiển hướng và qũy đạo. + Thiết bị đẩy. + Thiết bị bám, đo đạc và điều khiển thực hiện. Vệ tinh có hai vai trò sau: + Khuếch đại các sóng mang thu được từ tuyến lên sử dụng cho việc truyền dẫn lại trên tầng xuống. Năng lượng sóng mang tại đầu vào của máy thu vệ tinh yêu cầu từ 100pW đến 1nW, còn năng lượng tại đầu ra của bộ khuyếch đại công suất phát cho tuyến xuống yêu cầu từ 10 – 100W. Do đó độ lợi công suất có yêu cầu từ 100 – 130dB. + Thay đổi tần số sóng mạng nhằm tránh hiện tượng một phần công suất phát đi quay trở về đầu thu, khả năng loại bỏ của đầu vào các bộ lọc tần số tuyến xuống kết hợp với độ tăng ích anten thấp giữa đầu ra phần phát và đầu vào phần thu để đảm bảo công suất cỡ 150dB. Để hoàn thành chức năng của mình thì vệ tinh có thể hoạt động như một Rơle đơn giản. Sự thay đổi tần số thông qua một bộ biến đổi tần số. Điều này thấy rõ trong các vệ tinh thương mại được vận hành hiện nay. Người ta gọi chúng là các vệ tinh “quy ước” hay “trong suốt”. Tuy nhiên, một thế hệ vệ tinh mới (bắt đầu từ ACTS và ITALSAT) đang nổi lên, chúng được gọi là các vệ tinh tái sinh và được trạng bị các bộ giải điều chế, các tín hiệu băng cơ bản được đặt sẵn trên vệ tinh. Sự thay đổi tần số đạt được bởi việc điều chế một sóng mạng mới cho tầng xuống. Việc vận hành cặp điều chế và dải điều chế có thể được đi kèm theo với việc xử lý băng cơ bản ở các mức độ phức tạp khác nhau. Để đảm bảo tính sẵn sàng cung cấp các dịch vụ, một hệ thống vệ tinh phải bao gồm một số vệ tinh để dự trữ, để thay thế cho một vệ tinh nào đó bị hỏng hay đã hết hạn sử dụng trong trường hợp này chúng ta cần phân biệt tuổi thọ và độ tin cậy của một vệ tinh. Độ tin cậy của một vệ tinh được đánh giá dựa trên các yếu tố: khả năng dẫn đến hang hóc, độ tin cậy thiết bị của vệ tinh và các phương án dự phòng. Tuổi thọ của vệ tinh phụ thuộc vào khả năng duy trì vệ tinh trên các trạm trong trạng thái tối thiểu. 1.4.2. Phần mặt đất. Phần mặt đất bao gồm tất cả các trạm ở mặt đất, chúng thường được nối tới thiết bị của người sử dụng thông qua mạng mặt đất. Trong trường hợp các trạm nhỏ như VSAT, chúng được nối trực tiếp tới các thiết bị của người sử dụng. Các trạm lớn hay nhỏ tuỳ thuộc vào khối lượng thông tin và loại hình thông tin được truyền (thoại, hình ảnh hay dữ liệu), trạm lớn nhất được trang bị anten có đường kính 30m (chuẩn A của mạng ITALSAT) trạm nhỏ nhất được trang bị anten có đường kính 0,6m (các trạm thu trực tiếp tín hiệu hình ảnh). Các trạm cố định, vận chuyển được và di động cũng có thể có các loại khác nhau. Một số trạm chỉ thu tín hiệu nhưng cũng có trạm vừa thu vừa phát tín hiệu. Bộ phân tuyến Dẫn đường Giám sát và điều khiển Khuếch đại công suất RF Điều chế IF Khuếch đại tạp âm thấp Giải điều chế IF Trục anten Góc ngẫng B Đường chân trời Các tín hiệu băng cơ sở (Từ người sử dụng ) Các tín hiệu băng cơ sở (Đến người sử dụng ) Hình 1.5. Mô tả cấu trúc tổng quát của một trạm mặt đất. Chương 2 Phân tích tuyến liên lạc trong thông tin vệ tinh 2.1- các thông số đặc trưng của một anten 2.1.1. Độ tăng ích của anten Độ tăng ích của anten là tỉ số giữa năng lượng bức xạ (hấp thụ) trên một đơn vị góc đầy của một anten tại hướng xác định và năng lượng bức xạ (hấp thụ) trên một đơn vị góc đầy của một anten đẳng hướng. Hai anten này được cung cấp cùng một mức công suât. Độ tăng ích đạt giá trị lớn nhất tại hướng bức xạ cực đại và được xác định bởi công thức : Gmax = (4p / l2)Aeff Trong đó : l = c/f C là tốc độ ánh sáng: C = 3.108 m/s f là tần số sóng điện trường. Aeff là diện tích hiệu dụng của anten, đối với anten có khe hở tròn hay đường kính phản xạ là D thì diện tích hình học của A có giá trị là : A = p.D2/ 4 và giá trị hiệu dụng của anten là : Aeff = h.A với h là hiệu suet của anten. Do đó : Gmax = h.(p.D/l)2 = h.(p.D.f/c)2 (2.1) Nếu biểu diễn dưới dạng dB thì độ tăng ích của anten trong thực tế là : Gmax.dB = 10.logh.(p.D/l)2 = 10 logh.(p.D.f/c)2 Hiệu suất h là tích các hiệu suất thành phần, bao gồm hiệu suất chiếu sáng, suy hao do tràn, sự suy bề mặt, những suy hao do điện trở hay ghép không đối xứng ..v..v.. h = hi .hs .hf .hz …. (2.2) Hiệu suất chiếu sáng hi được xác định theo luật chiếu sáng của vật phản xạ trong môi trường chiếu sáng đồng nhất. Sự chiếu sáng đồng nhất (hi = 1) tạo ra mức cao của các cực đại thứ cấp. Cần phải có điều kiện với sự suy giảm chiếu sáng tại các đường biện của vật phản xạ. Hiệu suất tràn hs được định nghĩa là tỷ số giữa công suất của nguồn chính bị chắn bởi vật phản xạ so với toàn bộ công suất của nguồn chính. Góc nhìn vật phản xạ từ nguồn chính càng lớn thì hiệu suất tràn càng lớn. Tuy nhiên, đối với nguồn bức xạ cụ thể, mức chiếu sáng tại các đường biên sẽ nhỏ đi khi các giá trị của góc nhìn lớn và hiệu suất chiếu sáng sẽ giảm xuống. Hiệu suất kết thúc bề mặt hf có tính đến tác động của sự suy yếu bề mặt lên độ tăng ích của anten. Mặt nghiêng của đường Parabol trong thực tế khác với lý thuyết. Gia số về độ tăng ích của anten được tính theo công thức sau : DG = exp [-B(4pe/l)2] Trong đó: + e là sai số do sản xuất. + B là hệ số, hệ số này tăng khi bán kính cong của mặt lõm giảm (B Ê 1). Trong thực tế, B cỡ 0,7 và e cỡ l/16. Điều này làm cho hiệu suất kết thúc bề mặt đạt khoảng 90%. Những suy hao khác, bao gồm suy hao nhiệt và suy hao do trở kháng của ghép không đối xứng hz thì ít quan trọng hơn. Tổng quát, hiệu suất tổng thể h của anten là tích của các hiệu suất biến đổi, thông thường nằm trong khoảng (55 á 75)%. 2.1.2. Đồ thị phương hướng bức xạ Đồ thị phương hướng bức xạ của anten cho biết sự biến đổi độ tăng ích của anten theo hướng. Đối với một anten có góc mở tròn hay vật phản xạ thì đồ thị này có dạng đối xứng tròn xoay và có thể biểu thị chúng trong mặt phẳng ở dạng toạ độ cực hay toạ độ Decac. Các cực đại phụ và cực đại chính bao gồm hướng bức xạ cực đại có thể được xác định . (a): Trong toạ độ cực ; (b): Trong toạ độ vuông góc Decac. Hình 2.1. Đồ thị phương hướng bức xạ của anten 2.1.3. Độ rông của búp sóng. Đây là góc được xác định bởi các hướng trong đồ thị phương hướng cụ thể biểu diễn giá trị lớn nhất độ tăng ích của anten. Độ rộng 3dB được xác định trên hình bằng góc q3dB và rất hay được sử dụng. Độ rộng 3dB tương ứng với góc giữa hai hướng mà tại đó giá trị lớn nhất của độ tăng ích giảm xuống một nửa. Độ rộng 3dB phụ thuộc vào tỷ số l/D bởi hệ số mà giá trị của nó phụ thuộc vào luật chiếu sáng được chọn. Đối với luật chiếu sáng đồng nhất, hệ số này đạt giá trị 58,50. Đối với luật chiếu sáng không đồng nhất, gây sự suy giảm lại các đường biên của vật phản xạ, độ rộng 3dB tăng và giá trị của hệ số phụ thuộc vào các tính chất đặc biệt của luật. Giá trị mà hiện nay sử dụng là 700 , do đó ta có công thức sau : q3dB = 70(l/D) = 70(c/f.D) (độ) (2.3) Tại hướng a, đối với tầm nhìn thẳng, giá trị độ tăng ích được xác định bởi biểu thức : G(a)dB = GmaxdB – 12.( a/q3dB)2 (dB) (2.4) Công thức này chỉ đúng khi các góc đủ nhỏ (nằm trong khoảng từ 0 tới q3dB/2) Kết hợp công thức (2.2) và công thức (2.3) sẽ cho ta giá trị lớn nhất của độ tăng ích là hàm của độ rộng 3dB và quan hệ này không phụ thuộc vào tần số. p . D . f 2 70 . p 2 Gmax = h. = h. (2.5) c q3dB Nếu giá trị h = 0.6 thì Gmax = 29000 / (q3dB)2 (2.6) Trong đó : q3dB được tính bằng độ. Gmax = 44,6 – 20Logq3dB 170 q3dB = (Gmax.dB / 20) 10 2.1.4. Sự phân cực của sóng. Sóng điện từ được bức xạ bởi anten bao gồm một thành phần điện trường và một thành phần từ trường. Hai thành phần này trực giao và vuông góc với hướng truyền sóng, chúng biến đổi theo tần số của sóng. Theo quy ước sự phân cực của sóng được xác định bởi hướng của điện trường. Nói chung hướng của điện trường không cố định và biên độ của nó không phải là hằng số. Hình 2.2. Mô tả sự phân cực của sóng điện từ trong không gian Trong một chu kỳ hình chiếu của một mũi véc tơ đại diện cho điện trường trên mặt phẳng vuông góc với hướng truyền sóng và trong trường hợp tổng quát có dạng hình elip. Các tính chất của sự phân cực thể hiện qua các thông số sau : + Hướng quay (đối với hướng truyền dẫn) tay phải (theo hướng kim đồng hồ) huặc tay trái (ngược chiều kim đồng hồ), (còn gọi là chiều quay của véc tơ E) + Tỷ lệ trục (AR – Axial Ratio) AR = Emax / Emin ; đó là tỷ lệ của trục lớn trên trục nhỏ của hình elip. Khi Elip có tỷ lệ trục là 1 (= 0dB), đó là phân cực tròn. Khi Elip giảm xuống chỉ còn một trục (Tỷ số trục không xác định, điện trường là một hướng không xác định) đó là phân cực thẳng. + Độ nghiêng t của Elip Hai sóng được gọi là phân cực trực giao nhau nếu như các Elip biểu thị điện trường đó giống hệt nhau nhưng ở các phương đối nhau. Có thể có các trường hợp riêng sau : Hai phân cực tròn trực giao được gọi là phân cực tròn theo hướng quay tay phải và tay trái (hướng quay đối với người quan sát đang nhìn theo hướng truyền). Hai phân cực thẳng trực giao được gọi là phân cực theo phương dọc và phương ngang. Một anten được thiết kế để phát hay thu một sóng phân cực cụ thể và cũng có thể không phát mà cũng không thu các điểm phân cực trực giao với chúng. Tính chất này cho phép hai liên lạc song song được thiết lập tại cùng một tần số giữa hai địa điểm giống hệt nhau. Tuy nhiên cần tính đến sự không hoàn hảo của các anten và sự thay đổi cực của sóng khi qua môi trường truyền dẫn. Cũng có thể gây ra nhiễu lẫn nhau giữa hai đường kiên lạc. Mặt phẳng đứng a ac bx Tại anten Tại anten phát thu ax b bc Mặt phẳng ngang Hình 2.2. Mô tả biên độ của cường độ điện trường phát và thu trong trường hợp phân cực tuyến tính trực giao Theo hình vẽ, giả thiết rằng a và b là các biên độ (được xem là bằng nhau), điện trường của hai sóng được truyền song song với phân cực thẳng ac và bc là các biên độ được thu cùng với một phân cực ax được thu với phân cực trực giao. Có thể xác định được : Sự cách ly phân cực chéo : XPI = ac / bx huặc bc / ax ; do đó : XPI(dB) = 20log(ac / bx) hay 20log(bc / ax) Sự phân biệt phân cực chéo (khi một phân cực đơn được truyền) : XPD(dB) = 20log(ac / ax) Trong thực tế XPI và XPD có thể so sánh được và thường hay bị nhầm lẫn về mặt cách ly. Đối với phân cực gần tròn, các tính chất được xác định thông qua giá trị tỷ lệ trục, sự phân biệt phân cực chéo được định nghĩa là : XPD(dB) = 20log[(AR+1)/(AR-1)] Trái lại, tỷ lệ trục AR được biểu diễn theo hàm XPD qua công thức : AR = (10XPD/20 + 1)/( 10XPD/20 - 1) Bởi vậy, anten được đặc trưng bởi một phân cực đã cho bởi một đồ thị phương hướng bức xạ của phân cực danh nghĩa và một đồ thị bức xạ của phân cực trực giao. Sự phân cực chéo thông thường có giá trị lớn nhất trên trục anten và suy biến đối với các hướng khác. 2.2- công suất bức xạ (phát). 2.2.1. Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP). Công suất được bức xạ trên một đơn vị góc đặc bởi một anten đẳng hướng được cung cấp từ một nguồn công suất tần số vô tuyến PT được xác định bởi biểu thức : PT / 4p (W / Steradian) Tại một hướng, với giá trị độ tăng ích của truyền dẫn là GT bức xạ công suất của bất kỳ anten nào trên một đơn vị góc đầy tương đương với : GT.PT / 4p (W / Steradian) Tích (GT.PT) được gọi là công suất bức xạ đẳng hướng tương đương với kí hiệu là EIRP, đơn vị là W. 2.2.2. Mật độ thông lượng công suất. Bề mặt của điện tích hiệu dụng A nằm cách anten phát một khoảng R trương cung một góc đầy A/R2 đối với anten phát, nó nhận công suất PR bằng với giá trị : PR = (GT.PT/4pR2)/(A/R2) = f.A (W) Đại lượng f = GT.PT/4pR2 được gọi là mật độ thông lượng, đơn vị của nó là W/m2. 2.3- công suất tín hiệu thu. 2.3.1.Công suất nhận được bởi anten thu. Hình 2.3. Công suất thu được từ anten thu. Một anten thu có diện tích hiệu dụng AReff cách anten phát một khoảng cách R, thu được công suất là : PR = f. AReff = GT.PT/4pR2. AReff (W) Diện tích tương đương của một anten được biểu diễn với độ tăng ích GR của anten thu thông qua biểu thức : AReff = GT.PT / (4p/l2) Do đó công suất thu được là : PR = (GT.PT/4pR2)( l2/4p).GR = (GT.PT)( l/4pR)2.GR = (GT.PT)(1/LES).GR (2.7) Trong đó LES = (4pR/l)2 được gọi là suy hao không gian tự do và biểu thị cho tỷ số công suất thu và phát trong một liên lạc giữa hai anten đẳng hướng. 2.3.2.Trường hợp thực tế. Trong trường hợp thực tế, cần phải tính đến những suy hao khác như : Suy hao do sự suy giảm của các sóng khi truyền trong không gian. Suy hao tại bản thân thiết bị thu và phát. Suy hao do sự không thẳng hàng của anten. Suy hao do sự phân cực ghép không đối xứng. a. Sự suy giảm trong không khí. Sự suy giảm của các sóng trong khí quyển được xác định bởi LA (A:Atmotphere), là sự xuất hiện các thành phần thể khí trong tầng đối lưu (nước, mây, mưa, tuyết, . . .) và tầng iôn. Bởi vậy tác động tổng thể lên công suất tín hiệu thu trong thực tế làm thay đổi LES trong công thức (2.7) thành L được gọi là suy hao tuyến. Trong đó : L = LES.LA b. Sự suy hao tại thiết bị thu và phát. Hình 2.4. Suy hao trên thiết bị đầu cuối. Suy hao LFTX giữa máy phát và anten : để cấp cho anten một công suất PT cần cấp một công suất PTX tại đầu ra máy khuếch đại phát là : PTX = PT.LFTX (W) Công suất của bộ khuếch đại phát có thể biểu thị dưới dạng hàm của thông số EIRP, do đó công suất bức xạ đẳng hướng hiệu dụng EIRP có thể viết : EIRP = PT.GT = (PT.GT)/LFTX (W) Suy hao giữa anten và máy thu : Công suất tín hiệu PRX tại đầu vào của máy thu được xác định bởi biểu thức : PRX = PR/LFRX c. Suy hao do sự không thẳng hàng của anten. Hình 2.5. Mô tả hình học biểu thị sự không thẳng hàng giữa hai anten thu và phát. LT là suy hao do sự không thẳng hàng trên tuyến phát còn LR là suy hao do sự không thẳng trên tuyến thu. Những suy hao này là hàm của các góc không thẳng hàng trên tuyến phát (aT) và trên tuyến thu (aR) được xác định theo công thức : G(a)dB = GMax.dB – 12.( a/q3dB)2 Giá trị của chúng tính theo dB được xác định bởi : LT = 12. ( aT/q3dB)2 (dB) LR = 12. ( aR/q3dB)2 (dB) d. Suy hao do ghép không đối xứng phân cực. Cần phải tính đến suy hao do sự ghép không đối xứng LPOL của phân cực khi anten thu không được định hướng tương đương với sự phân cực của sóng được thu. Trong một liên lạc với phân cực tròn, sóng được phát bị phân cực tròn trên trục của anten và trở thành Elip khi rời trục anten. Việc truyền qua tầng khí quyển có thể làm thay đổi phân cực tròn thành phân cực Elip. Trong liên lạc phân cực đường thẳng, sóng có thể bị quay trong mặt phẳng phân cực của nó khi nó truyền qua tầng khí quyển. Cuối cùng, anten thu có thể không có mặt phẳng phân cực tương ứng với mặt phẳng phân cực của sóng tới. Nếu g là góc giữa hai mặt phẳng, suy hao do sự ghép không đối xứng của phân cực đó có giá trị LPOL(dB) = 20log(cosg) Trong trường hợp anten thu phân cực tròn nhưng thu sóng phân cực trong mặt phẳng thì giá trị LPOL = 3dB. Giả sử rằng nếu tính tất cả các nguồn của suy hao, công thức (2.7) của công suất tín hiệu thu tại đầu vào máy thu trở thành : (2.8) PR.GMax 1 GR Max PRX = (2.8) LT.LFTX LES . LA LR.LFRN.LPOL e. Kết luận Biểu thức (2.7) và (2.8) biểu diễn công suất của tín hiệu tại đầu vào của máy thu là cùng một dạng; chúng là tích của 3 thành phần : (1) : (EIRP) nêu đặc tính của tín hiệu phát. (2) : (1/L) nêu dặc tính của môi trường truyền dẫn. (3) : (Độ tăng ích của máy thu) nêu đặc tính của thiết bị thu. ở dạng tổng quát nhất như trong biểu thức (2.8) thì giá trị của 3 thành phần này là : EIRP = PTX.GTmax/LT.LFTX (W) Biểu thức này tính đến sự suy hao LFTX giữa máy khuếch đại phát với anten và sự suy giảm độ tăng ích của anten LT do sự không thẳng hàng của anten phát. 1/L = 1/LES.LA Suy hao tuyến L tính đến sự suy giảm bề mặt tự do LES và sự suy giảm trong tầng khí quyển LA. Độ tăng ích của thiết bị thu : GR max G = LR . LFRX . LPOL Công thức này có tính đến suy hao LFRX giữa máy thu và anten thu, suy hao của độ tăng ích anten LR do sự không thẳng hàng của anten thu và các suy hao do sự phân cực của ghép không đối xứng LPOL. 2.4- công suất tạp âm tại đầu vào máy thu. 2.4.1.Nguồn gốc gây tạp âm. Tạp âm là một dạng tín hiệu khoong chứa thông tin được truyền lẫn với tín hiệu mang thông tin. Nó làm giảm độ chính xác khi hồi phục nội dung thông tin được truyền tại máy thu. Nguồn gây ra tạp âm bao gồm các nguồn sau: Tạp âm được phát ra từ những nguồn bức xạ tự nhiên trong vùng thu sóng của anten. Tạp âm được tạo bởi các thành phần điện tử trong bản thân thiết bị. Các tín hiệu từ máy phát khác mà không phải là thông tin cần truyền cũng được coi là tạp âm, tạp âm này được gọi là nhiễu. 2.4.2.Định nghĩa và đặc trưng của tạp âm. Công suất tạp âm gây hại là những nguồn công suất tạp âm xuất hiện trong băng tần của tín hiệu mang thông tin. Thông thường nó là nguồn công suất tại máy thu. Dạng tạp âm thường hay xuất hiện là tạp âm trắng có mật độ phổ công suất N0(W/Hz) và là hằng của băng tần có liên quan. N0(T) (W/Hz) N0 B Tần số (Hz) Hình 2.6. Mật độ phổ của tạp âm trắng. Công suất tạp âm tương đương N(W) được đo bằng độ rộng băng BN(Hz) và có giá trị N = N0.BN (W) (2.9) Các nguồn tạp âm thực thường không phải là dạng mật độ công suất không đổi nhưng dạng tạp âm thực rất dễ quan sát với độ rộng băng tần giới hạn. a. Nhiệt độ tạp âm của nguồn tạp âm 2 cực. Nhiệt đ._.

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • doc29528.doc