Luận văn Cân bằng công suất – băng thông trong thông tin vệ tinh

đổi như BPSK, QPSK và OQPSK thường được dùng trong thông tin vệ tinh, nhất là QPSK - Mã Turbo đã nâng cao chất lượng tín hiệu đáng kể và hiện đang được đưa vào ứng dụng trong công nghệ chế tạo modem vệ tinh. Các loại mã sửa lỗi truyền thống dùng trong thông tin vệ tinh như đã xét ở trên đạt được tăng ích mã hóa nhưng tất cả phải trả giá bằng băng thông. Xu hướng mới trong thiết kế modem vệ tinh là kết hợp điều chế với mã hóa kênh để đạt hiệu quả công suất mà không phải trả giá về băng thông. 2.7 TỔNG HỢP CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN BĂNG THÔNG Qua phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống truyền dẫn số, ta nhận thấy các yếu tố ảnh hưởng đến băng thông của hệ thống như sau: 1. Nguyên lý hoạt động modem: Điều chế - Ghép k bit thành 1 symbol: M = 2k symbol có thể có  W0-0 =1/Ts = 1/kTb Như vậy: - Đối với QPSK, băng thông tín hiệu sẽ giảm 2 lần. - Đối với 8PSK, băng thông tín hiệu giảm 3 lần - Đối với 16 QAM, băng thông tín hiệu giảm 4 lần 2. Định lý Nyquist “Băng thông tối thiểu cần thiết W để truyền không méo một tín hiệu có tốc độ symbol là Rs (symbol/s) là W = Rs [Hz]” 3. Bộ lọc cosine nâng “Một bộ lọc H(f) có module hàm truyền là tổng của module hàm truyền bộ lọc lý tưởng và 1 mạch uốn Ro(f) (Roll-off) đối xứng tâm tại +/- fNyquist thì sẽ có đáp ứng xung thoả mãn điều kiện triệt ISI” Khi đó băng thông sẽ là: W = W0 (1+α) với α = Δf/fN là phần phổ mở rộng khi chế tạo bộ lọc cosine nâng khử ISI. αЄ[0, 1] nhưng thực tế 0.2 ≤ α ≤ 0.75. Với công nghệ ngày nay, α thông thường khoảng 0.35 – 0.4 4. Chống tác động của tạp âm phi tuyến Theo phân tích trong phần méo phi tuyến, thành phần hài bậc lẻ đối với các tín hiệu điều biên m-QAM sẽ bị mở rộng phổ tín hiệu và gây tạp âm phi tuyến cao. 58 Vì vậy, băng thông của nó cần có thêm bộ mask để chống lại mở rộng quá nhiều. Tham số β này thông thường được thiết kế = 0.2 5. Các kỹ thuật mã hóa chống nhiễu Kỹ thuật mã hóa chống nhiễu là thêm số bit để sửa lỗi. Vì vậy, nó cũng làm tăng băng thông đáng kể. Các kỹ thuật này được đánh giá thông qua hệ số sửa lỗi trước FEC. Các modem ngày nay có thể chế tạo một số giá trị của FEC như : ½, 2/3, 7/8. Như vậy, tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến băng thông, ta có công thức sau: W = W0 (1+α) (1+β) = FEC x RS x m )1)(1( R  Trong đó: R là tốc độ bit m là hệ số của phương thức điều chế. RS: Nếu hệ thống sử dụng mã Reed Solomon FEC: Hệ số sửa lỗi trước Trong một hệ thống thông tin vệ tinh, hiệu suất sử dụng băng thông được đánh giá theo tỷ số băng thông chiếm dụng trên tổng băng thông có thể cung cấp của một bộ phát đáp. Vì vậy, công thức trên sử dụng để xác định băng thông chiếm dụng của một tuyến. Băng thông của một bộ phát đáp băng C là 36 MHz. Trong chương tiếp theo, ta sẽ sử dụng công thức này để tính tỷ lệ băng thông trong ví dụ cụ thể để so sánh, đánh giá với tỷ lệ công suất tương ứng của vệ tinh. 59 CHƯƠNG 3 CÁC HỆ THỨC TUYẾN VÀ CÂN BẰNG CÔNG SUẤT – BĂNG THÔNG Một tuyến vệ tinh được định nghĩa là một kết nối: Trạm mặt đất- Vệ tinh – Trạm mặt đất. Trong đó tuyến trạm mặt đất – vệ tinh được gọi là tuyến lên (uplink) và tuyến vệ tinh – mặt đất gọi là tuyến xuống (downlink). Thiết kế trạm mặt đất gồm có thiết kế tuyến truyền dẫn (hay link budget) và thiết kế hệ thống truyền dẫn. Link Budget dùng để xác lập các tài nguyên cần thiết nhằm đạt được mục tiêu hiệu năng. Thiết kết hệ thống truyền dẫn nhằm xác định các thiết bị cần thiết để đáp ứng mục tiêu hiệu năng cho dịch vụ được cấp, như công suất của HPA và nhiễu nhiệt LNA. Trong quá trình phân tích, cần tính toán hợp lí để đạt được cân bằng giữa giá cả và hiệu năng. Mục tiêu cần đạt được cho các tuyến số gồm có: - BER cho các điều kiện hoạt động thông thường - Độ khả dụng của tuyến, hay phần trăm thời gian mà tuyến có BER tốt hơn một ngưỡng đã chỉ ra. Tuyến vệ tinh bao gồm các phần chính: - Trạm phát mặt đất và các phương tiện cho tuyến lên - Vệ tinh - Trạm thu mặt đất và các phương tiện cho tuyến xuống Mục đích của chương này là phân tích quá trình tính toán thiết kế tuyến với các mục tiêu hiệu năng để thấy được mối quan hệ của khách hàng - trạm mặt đất và nhà cung cấp đường truyền – vệ tinh. Các khái niệm suy hao, nhiễu đã được trình bày trong chương 1, ở đây ta chỉ công thức hóa các khái niệm đó. 3.1 CÁC MỐI QUAN HỆ TRONG HỆ THỨC TUYẾN 3.1.1 Đơn vị đo lường Chúng ta biết dB là đại lượng đại diện cho tỉ số giữa hai đại lượng công suất dB = 10 log10(Po/Pi) Trong thông tin vô tuyến ta có thêm các khái niệm sau: - dBm được sử dụng biểu thị cho công suất, so sánh với 1mW 60 - dBi được sử dụng để biểu thị độ lợi của một antenna, có quan hệ với antenna vô hướng - dBm,dBW: Năng lượng có thể được biểu diễn bằng dB, nhưng phải chỉ rõ đơn vị kèm theo. “dBm” dùng cho đại lượng có đơn vị mW còn “dBW” dùng cho đại lượng có đơn vị là W. Hai đại lượng này có quan hệ như sau: dBm = dBW+30 - “dBr” là tỉ số công suất biểu thị bằng dB, giữa một điểm cho trước và một điểm khác có liên quan. Bất kỳ đại lượng công suất nào biểu thị bằng dBr không phải là mức độ tuyệt đối, nó chỉ là quan hệ đo lường tương đối. Ví dụ công suất danh định của một sóng mang là 10dBm. Nhưng trong quá trình hoạt động chỉ nhận được 8.7dBm. Trong trường hợp này, chúng ta nói rằng mức công suất của công suất danh định là -1.3dBr - “dBm0” là công suất với đơn vị dBm nhưng cho điểm truyền dẫn Zero (0 dBr0) Ví dụ , tone tín hiệu là -10 dBm0 trong 1 kênh. Nếu kênh truyền dẫn zero là -16dBm, thì mức tuyệt đối của tone tín hiệu là -26dBm - “dBm0p” là công suất nhiễu trong dBmo, được đo bởi một psophometer. Ví dụ: Nếu một psophometer kết nối tới một điểm 8dBm chỉ một mức xuyên kênh -44dBm, biểu diễn bằng dBm0p sẽ là: -44 dBm – (+8 dBm) = -52 dBm0p Khái niêm decibel được mở rộng cho phép tỷ số của bất kỳ hai đại lượng nào có cùng đơn vị đều được biểu thị bằng dB. Ví dụ, hai nhiệt độ T1 và T2 được biểu diễn là 10 log (T1/T2). Nếu nhiệt độ dùng đơn vị Kelvin (oK) thì đơn vị của tỉ số này là dBK. Ví dụ: nhiệt độ môi trường là 290oK đổi qua dB sẽ là: 10 log(290/1) = 24.64 dBK Một ví dụ khác là băng thông 36MHz: 10 log(36000000/1) = 75.56 dBHz Các đơn vị có thể được thêm vào trực tiếp, thậm chí khác nhau về đơn vị. Nếu một công suất 34dBW được truyền qua một mạch có tổn hao 20db, thế thì công suất thu được sẽ là: Pr = 34dBW – 20 dB = 14 dBW Thỉnh thoảng, các loại khác nhau tỉ số khác nhau cũng được biểu diễn, ví dụ như đại lượng hệ số phẩm chất: G/T trong một hệ thống thu. Biểu diễn qua đơn vị dB sẽ là: G/TdB/K = GdBi – TdBK Đơn vị của G/T là dB/oK 61 Một ví dụ khác là tỉ số Eb/No, (tỉ số năng lượng bit trên nhiễu) Eb/NodB= C/NdB-Hz- 10log (data rate)dB-Hz Việc tính toán với đơn vị dB rất hay xảy ra những lỗi đơn giản nếu không chú ý. Ví dụ, hai sóng mang được phát qua bộ HPA, công suất ra của mỗi sóng mang là +11.5dBW, thế thì công suất tổng của chúng là +14.5dBW (chứ không phải +23dBW). Điều này là do các công suất được cộng theo giá trị tuyệt đối, do vậy phải đổi ra giá trị tuyệt đối trước khi cộng, sau đó mới chuyển lại về dB. Quan hệ giữa giá trị tuyệt đối với giá trị quy đổi dB theo công thức: A = 10R/10 Trong đó: A là giá trị tuyệt đối, R là tỉ số với đơn vị dB. Do vậy, công suất tổng được tính như sau: Pt = 10*log(10(P1/10) + 10(P2/10)) 3.1.2 Quan hệ Sóng mang – Nhiễu Mối quan hệ cơ bản sóng mang / nhiễu trong một hệ thống xác lập hiệu năng truyền dẫn của dải RF trong hệ thống, và được định nghĩa bởi công suất sóng mang nhận so với nhiễu tại đầu vào bộ thu. Ví dụ, Tỉ số sóng mang trên nhiễu nhiệt là: C/N = C- 10log(kTB) Trong đó: C = Công suất thu tính bằng dBm k = Hằng số Boltzman, B = Băng thông nhiễu (băng thông chiếm giữ) đo bằng Hz T = Nhiệt độ tuyệt đối của hệ thống thu, tính bằng độ K 3.1.3 Hệ thức tuyến C/N = EIRP – L + G – 10 logkTB Trong đó: EIRP = Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (dBW) L = Suy hao truyền dẫn (dB) G = Độ lợi Antenna thu (dB) Ba khái niệm đầu cho công suất sóng mang, khái niệm sau cùng là công suất nhiễu của hệ thống thu. Hệ thức tuyến được dùng cho cả tuyến lên và tuyến xuống. Suy hao truyền dẫn được định nghĩa bao gồm suy hao không gian tự do cùng với các suy hao đường truyền khác. 62 3.2. Hệ số tăng ích anten (G - Gain) Hệ số tăng ích (độ lợi) của anten là một thông số quan trọng, quyết định không những chất lượng của anten mà cả chất lượng và quy mô của trạm mặt đất. Ta có hệ số tăng ích của anten được cho bởi công thức sau: G dBi = 10log η + 20log d + 20log f + 20.4 dB Hệ số tăng ích của anten có diện tích bề mặt 1m 2 với hiệu suất 100% là: G 1m 2 dBi = 20log f + 20.4 dB Trong đó: η là hiệu suất của anten (giá trị điển hình là 0.55 đến 0.75) d (m) là đường kính của anten. f (GHz) là tần số làm việc. 20.4 dB là hằng số được tính từ 10log(1*10 9 *π/c). Phương trình trên chỉ ra rằng kích thước anten càng lớn thì hệ số tăng ích của anten càng lớn và nếu tần số làm việc thay đổi thì hệ số tăng ích của anten cũng thay đổi. Các anten giống nhau thì hệ số tăng ích của đường truyền tuyến lên sẽ lớn hơn hệ số tăng ích của đường truyền tuyến xuống cho băng C và K U . 3.3. Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP – Equivalent Isotropic Radiated Power) được định nghĩa là tích số của công suất đầu vào anten và hệ số tăng ích của anten đó và có giá trị tính bởi công thức: EIRP = P T G T (W) [6] Hoặc tính theo dBW: EIRP dBW = 10log P T + G T dBi Trong đó: P T (W) là công suất đầu vào anten. G T dBi (dBi) là hệ số tăng ích của anten phát. Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) phải được điều chỉnh chính xác, bởi vì EIRP lớn sẽ là nguyên nhân gây nhiễu cùng kênh và nhiễu kênh lân cận của các sóng mang; ngược lại EIRP nhỏ sẽ làm giảm chất lượng của các dịch vụ. 63 3.4. Suy hao đường truyền 3.4.1. Suy hao trong không gian tự do Nếu một anten đẳng hướng bức xạ một công suất P T thì chùm công suất này sẽ trải ra có hình dạng như là một mặt cầu với anten là tâm. Công suất tạo bởi vùng bề mặt đó tại một khoảng cách D sẽ được tính theo công thức sau: W = P T /4πD 2 (W/m 2 ) Với một anten phát tập trung năng lượng (khi có hệ số tăng ích của anten) thay đổi theo phương trình: W = G T .P T /4πD 2 (W/m 2 ) Hoặc tính theo dBW/m 2 : W dBW/m 2 = EIRP dBW – 20log D – 71 dB Trong đó: EIRP = G T .P T là công suất bức xạ đẳng hướng tương đương. W là độ chiếu xạ. D là khoảng cách (km). 71 dB là hằng số tính từ 10log (4π*10 6 ). Với một anten thu “thu thập” tín hiệu, số lượng của tín hiệu được “thu thập” sẽ phụ thuộc vào kích thước của anten thu. Công suất của anten thu sẽ được tính theo công thức : P R = W*A e (W) trong đó A e là góc mở hiệu dụng của anten thu (A e = (λ 2 /4π)/G R ). Do đó, công suất của anten thu là: P R = [G T .P T /4πD 2 ]*[(λ 2 /4π)/G R ] P R = [G T .P T ]* [4πD/λ] 2 *[1/G R ] Biểu thức L 0 = [4πD/λ] 2 là suy hao trong không gian tự do. Hoặc tính theo dB : L 0 = 20log D + 20log f + 92.5 dB Trong đó : D (km) là khoảng cách giữa đầu thu và đầu phát của vệ tinh và trạm mặt đất. F (GHz) là tần số làm việc. 64 92.5 dB là hằng số được tính từ 20log {(4π*10 9 *10 3 )/c}. Phương trình mô tả công suất của anten thu theo dB là : P R dBW = EIRP – L 0 + G R Trong phương trình này, nếu G R là hệ số tăng ích của anten 1m 2 với hiệu suất 100%, P R sẽ trở thành độ chiếu xạ trên một đơn vị (dBW/m 2 ), do đó độ chiếu xạ có thể được tính theo công thức : W dBW/m 2 = EIRP – L 0 + G 1m 2 [2] 3.4.2. Khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh Khoảng cách S từ vệ tinh địa tĩnh tới trạm mặt đất được tính theo công thức sau : D = {r 2 + S 2 – 2rS(cosC)} 1/2 Trong đó: r là bán kính trái đất (6378 km). S là bán kính quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh (42164 km). C = cos -1 {cosθ 1 .cos(θ s – θ e )} là góc ở tâm. θ 1 là vĩ độ của trạm mặt đất . θ s là kinh độ của vệ tinh . θ e là kinh độ của trạm mặt đất. 3.5. Nhiệt tạp âm Nhiệt tạp âm là điện áp tạp âm xuất hiện từ sự chuyển động ngẫu nhiên của sóng mang, thường là các điện tử. Sự chuyển động ngẫu nhiên ở các mức năng lượng nguyên tử của các điện tử là một đặc điểm chung của các nguyên tố tại nhiệt độ trên 0 0 tuyệt đối. Công suất tạp âm có thể được tính theo công thức: P n = KTB (W) Trong đó: K = 1.374*10 -23 (J/K) là hằng số Boltzmann. T(K) là nhiệt độ tạp âm tương đương. B(Hz) là độ rộng băng tần. Từ công thức trên nó có thể các chú ý sau: - Một tải cho một công suất tạp âm lớn nhất là KTB tới một thiết bị thu. - Công suất tạp âm sẵn có ảnh hưởng trực tiếp tới nhiệt độ tuyệt đối của nguồn tạp âm. 65 - Nếu nhiệt độ tương đương được biết thì ta cũng có thể biết được công suất tạp âm. Cho nên, một anten có trở kháng Z a sẽ cung cấp tới thiết bị thu một công suất tạp âm là KTB. Nhưng chính các thiết bị thu cũng sẽ sinh ra một tạp âm ΔN trong đầu vào của nó, như vậy tổng tạp âm sẵn có tại đầu ra thiết bị thu sẽ là: N T = (KTB)G + ΔN Trong đó: (KTB)G là tạp âm đầu vào máy thu có hệ số tăng ích G. ΔN = KT e B là tạp âm trong thiết bị thu. T e là nhiệt độ tạp âm tương đương của thiết bị thu. Nếu biết nhiệt độ tạp âm tương đương (T e ) của một thiết bị ta có thể biết được hệ số tạp âm của thiết bị đó. Hệ số tạp âm của thiết bị (F) được tính theo công thức sau: F = 1 + (T e /T 0 ) Và nhiệt độ tạp âm tương đương cũng có thể biết được từ hệ số tạp âm của thiết bị bởi công thức: T e = (F – 1)T 0 Trong đó: F là hệ số tạp âm của thiết bị. T e (K) là nhiệt độ tạp âm tương đương của thiết bị thu. T 0 = 290 K là nhiệt độ môi trường. 3.6. Nhiệt tạp âm anten Có hai trường hợp được xem xét : - Anten vệ tinh (tuyến lên). - Anten trạm mặt đất (tuyến xuống). 3.6.1. Anten vệ tinh (tuyến lên) Tạp âm nhận được bởi anten vệ tinh là tạp âm từ trạm mặt đất và tạp âm từ không gian bên ngoài. Độ rộng búp sóng của anten vệ tinh bằng hoặc nhỏ hơn góc quan sát từ vệ tinh xuống Trái Đất, với vệ tinh địa tĩnh là 17.5 0 . Với các điều kiện như vậy ảnh hưởng chủ yếu là từ trạm mặt đất. Với anten có độ rộng búp sóng θ 3dB =17.5 0 thì nhiệt độ tạp âm của anten phụ thuộc vào tần số và vị trí quỹ đạo của vệ tinh. Khi độ rộng nhỏ hơn (một búp sóng hẹp) nhiệt độ tạp âm phụ thuộc vào tần số và vùng phủ sóng; trên đất liền thì bức xạ tạp âm lớn hơn ngoài đại dương. Thường lấy giá trị tạp âm anten là 290 K. 66 3.6.2. Anten trạm mặt đất (tuyến xuống) Tạp âm gây ra cho anten của trạm mặt đất bao gồm tạp âm từ bầu trời và tạp âm do bức xạ từ mặt đất. Nó khác nhau khi trời trong và trời có mưa. 1) Trường hợp trời trong. Ở những tần số lớn hơn 2 GHz ảnh hưởng không phải ở vùng ion của khí quyển mà là môi trường hấp thụ, là một nguồn tạp âm. Khi không xảy ra các hiện tượng khí tượng (được gọi là bầu trời trong) nhiệt tạp âm anten bao gồm nhiệt tạp âm của bầu trời và mặt đất xung quanh. Trong thực tế, chỉ có một phần của bầu trời trong hướng mà anten có hệ số tăng ích lớn. Như vậy, ảnh hưởng của tạp âm bầu trời trong T SKY chỉ có thể có tác dụng nhiệt độ vùng phủ sóng đối với góc ngẩng của anten. Nhiệt tạp âm bầu trời trong như là một hàm số của tần số và góc ngẩng. Bức xạ từ mặt đất ở vùng lân cận trạm mặt đất gây ra bởi các búp sóng phụ của anten và một phần bởi búp chính khi góc ngẩng nhỏ. Ảnh hưởng của mỗi búp sóng phụ được tính bởi T i = G i /(Ω i /4π)T g , trong đó G i là giá trị hệ số tăng ích của búp phụ có góc đặc Ω i và T g là nhiệt độ vùng chiếu sáng của mặt đất. Tổng của các ảnh hưởng này là giá trị T ground . Ta có thể lấy các giá trị gần đúng: - T g = 290 K đối với các búp phụ có góc ngẩng E nhỏ hơn -10 0 . - T g = 150 K đối với -10 0 < E < 0 0 . - T g = 50 K đối với 0 0 < E < 10 0 . - T g = 10 K đối với 10 0 < E < 90 0 . Nhiệt tạp âm anten sẽ là : T a = T sky + T ground (K) Tạp âm này có thể tăng thêm bởi các nguồn riêng lẻ nằm trong khu vực lân cận của tính hướng anten. Đối với một nguồn vô tuyến đường kính góc α và nhiệt tạp âm T n ở tần số khảo sát và đo ở mức mặt đất sau suy hao bởi khí quyển thì nhiệt tạp âm phụ ΔT a đối với một anten có độ rộng búp sóng θ 3dB được cho bởi : ΔT a = T n (α/θ 3dB ) 2 nếu θ 3dB > α 67 ΔT a = T n nếu θ 3dB < α Chỉ có mặt trời và mặt trăng được kể đến đối với các trạm mặt đất hướng vệ tinh địa tĩnh. Mặt trời và mặt trăng có một đường kính góc tương đương 0.5 0 . Nhiệt tạp âm sẽ tăng lên khi có các vật thể trên bầu trời nằm thẳng hàng với mặt đất và vệ tinh. Điều kiện đặc biệt này có thể biết trước. Để rõ hơn, tại tần số 12 GHz một anten 13 m nhiệt tạp âm tăng lên do mặt trời tại thời điểm đó có giá trị ΔT a = 12000 K. Các điều khiển xảy ra và giá trị của ΔT a là hàm của đường kính anten và tần số. Đối với mặt trăng, sự gia tăng khoảng 250 K tại 4 GHz. 2) Trường hợp có mưa. Nhiệt tạp âm anten do điều kiện khí tượng như mây và mưa, do hấp thụ nước và do phát xạ vào môi trường. Khi đó ta có thể tính nhiệt tạp âm của anten theo công thức sau: T a = T sky /A rain + T m (1 – 1/A rain ) + T ground (K) [6] Trong đó A rain là suy hao và T m là giá trị của nhiệt độ trung bình hiệu dụng. T m có giá trị từ 260÷280 K. Tóm lại, nhiệt tạp âm anten T a là một hàm của: - Tần số. - Góc ngẩng. - Điều kiện khí quyển (trời trong hay mưa). Do vậy, hệ số phẩm chất của một trạm mặt đất cần phải được xác định rõ điều kiện thực tế về tần số, góc ngẩng và tình trạng của khí quyển. 3.7. Nhiệt tạp âm của hệ thống Nhiệt tạp âm hệ thống của một trạm mặt đất gồm có: nhiệt tạp âm của máy thu, nhiệt tạp âm của anten. Do đó, nhiệt tạp âm của hệ thống được tính theo công thức sau: T system = T a /L + (1 – 1/L)T 0 + T e Trong đó: L là suy hao ống dẫn sóng. T e là nhiệt tạp âm máy thu. T 0 = 290K là nhiệt độ môi trường. T a là nhiệt độ tạp âm của anten. Phương trình trên cho ta biết suy hao của ống dẫn sóng có tác động quan trọng trong nhiệt tạp âm của hệ thống. Ví dụ, dọc theo thiết bị ống dẫn sóng suy giảm 68 0.3dB giữa anten và bộ khuếch đại sẽ đóng góp 19 K tới nhiệt tạp âm của hệ thống. Suy hao fiđơ phải được giữ ở mức nhỏ, nếu không thì tác dụng của anten tạp âm thấp và bộ LNA sẽ không còn nữa. Vì lý do đó mà tại sao bộ LNA được đặt ở vị trí gần với đầu thu phát sóng của anten. 3.8. Hệ số phẩm chất (G/T) Trong mỗi hệ thống truyền dẫn, tạp âm là hệ số có ảnh hưởng lớn lên chất lượng của tuyến truyền dẫn. Hệ số (G/T dBK ) được biết như là phép đo “phẩm chất” của một hệ thống thu. INTELSAT quy định một hệ số (G/T) đặc trưng cho tất cả các trạm mặt đất tiêu chuẩn. Điều đó có nghĩa là trạm mặt đất sẽ đáp ứng các đặc điểm kỹ thuật quy định của G/T, INTELSAT sẽ cung cấp đủ công suất từ vệ tinh tới đáp ứng được cho các dịch vụ khác nhau. Từ các công thức được tính ở trên, hệ số phẩm chất G/T dễ dàng được tính theo công thức sau: G/T dB/K = G dBi – 10logT system Trong đó G dBi là hệ số tăng ích của trạm mặt đất ở tuyến xuống. T system là nhiệt độ tạp âm của hệ thống. 3.9. Tỷ số sóng mang trên tạp âm (C/N) Chất lượng của một tuyến thông tin vô tuyến được đánh giá bằng tỷ số sóng mang trên tạp âm (C/N) và lượng méo tín hiệu thu ở tuyến thông tin, ảnh hưởng tín hiệu gây ra méo tín hiệu thu là nhỏ, vì thế chất lượng đường truyền chỉ cần xác định bằng tỷ số C/N của đường truyền.Tỷ số C/N được tính theo công thức sau: C/N = P R /P n Trong đó: P R là công suất thu của anten và P n là công suất nhiệt tạp âm. Do đó, ta có thể tính C/N theo công thức sau: C/N = {EIRP.G R }/{KT system B}.L 0 Tính theo dB: C/N dB = EIRP dB – L 0dB + G/T dB/K – 10log K * - 10log B Trong đó: L 0 là suy hao trong không gian tự do. G/T là hệ số phẩm chất của máy thu. K * là hằng số Boltzmann (hoặc bằng – 228.6dBW/K). B là độ rộng băng tần (với sóng mang số B = 06*tốc độ truyền dẫn). 69 Ta có mối liên hệ giữa công suất tạp âm (N) và mật độ phổ công suất tạp âm (N 0 ) trong độ rộng băng tần (B) được thể hiện trong công thức: N = N 0 B. Do đó, tỷ số sóng mang trên mật độ phổ công suất tạp âm (C/N 0 ) được định nghĩa: C/N 0 dBHz = EIRP dB – L 0 dB + G/T dB/K – 10log K Một biểu thức đơn giản hơn có thể được suy ra là tỷ số sóng mang trên nhiệt độ tạp âm của hệ thống (C/T): C/T dB/K = EIRP dB – L 0 dB + G/T dB/K Từ tỷ số sóng mang trên mật độ phổ công suất (C/N 0 ) ta cũng tính được tỷ số năng lượng bít trên mật độ phổ công suất của tuyến thông tin số: Eb/N 0 = C/N 0 dB/K – 10log R [6] Trong đó R là tốc độ truyền dẫn số. 3.10. Tổng tỷ số sóng mang trên tạp âm (C/T T ) Giá trị của tổng tỷ số sóng mang trên tạp âm (C/T T ) của tuyến thông tin vệ tinh được tính bởi phương trình sau: (C/T T ) -1 = (C/T U ) -1 + (C/T D ) -1 Trong đó: (C/T T ) là C/T tổng. (C/T U ) là C/T đường lên. (C/T D ) là C/T đường xuống. Cần chú ý rằng tỷ số C/T trong công thức trên là các giá trị bằng số và tổng C/T phải được biến đổi từ mối tương quan logarit, hơn nữa tổng tỷ số C/T sẽ thấp hơn tỷ số C/T bậc thấp. Do vậy, trong một tuyến thông tin vệ tinh đường lên phải được giữ chính xác trong mức bình thường, mức EIRP thấp nghĩa là C/N 0 thấp, nhưng mức EIRP cao không cần thiết C/N 0 tốt hơn. 3.11. Bộ phát đáp vệ tinh Các bộ phát đáp trên vệ tinh thực hiện chức năng giống với chức năng của một rơle chuyển tiếp vô tuyến; chúng nhận sự chuyển giao từ trạm mặt đất phát và phát lại chúng xuống trạm mặt đất thu sau khi khuếch đại và đổi tần. Các tài nguyên của vệ tinh được chia sẻ tới nhiều trạm mặt đất; với hạng mục khác nhau của các tiêu chuẩn A, B, C, D, E và F cho nên với nhu cầu khác nhau của vệ tinh từ 51.2KHz của dải tần (cho một sóng mang 64Kbps với FEC=3/4) tới một bộ phát đáp hoàn toàn. 70 3.11.1. Điểm hoạt động bộ phát đáp Bộ khuếch đại công suất đầu ra bộ phát đáp không là một thiết bị tuyến tính, nó phải được hoạt động thấp hơn điểm bão hoà. Do đó, độ lùi đầu vào (IBO – Input Back Off) và độ lùi đầu ra (OBO – Output Back Off) sẽ được quy định để đạt được điểm đó. Đó là một sự hao phí công suất trong một TWTA điển hình. Độ lùi đầu vào (IBO) được định nghĩa là tỷ số của mật độ thông lượng bão hoà và mật độ thông lượng hoạt động do một sóng mang đem lại. Độ lùi đầu ra (OBO) được định nghĩa là tỷ số của công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) bão hoà và công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) hoạt động do một sóng mang đem lại. Độ lùi đầu vào và độ lùi đầu ra liên hệ với nhau theo biểu thức sau: OBO = IBO – X Trong đó X là tỷ số nén hệ số tăng ích giữa độ lùi đầu vào và đầu ra, giá trị này khác nhau với sự hoạt động đơn sóng mang và đa sóng mang. X = 5.5dB cho TWTA trong INTELSAT VI HEMI/HEM. X = 1.8dB cho SSPA trong INTELSAT VII HEM/ZONE. X = 1.7dB cho LTWTA trong INTELSAT VII-A Ku. 3.11.2. EIRP hoạt động của bộ phát đáp Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của vệ tinh được tính từ phương trình OBO = IBO – X là: EIRP op = EIRP saturation – OBO [2] Trong đó: EIRP saturation là công suất bức xạ đẳng hướng tương đương bão hoà. OBO là độ lùi đầu vào. EIRP op là công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của vệ tinh. 71 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT TUYẾN 4.1 Mục đích của cân bằng công suất – băng thông Mục đích của các nhà cung cấp vệ tinh là sao cho tỷ lệ này được cân bằng. Trong khi, các khách hàng đi thuê kênh truyền thì không quan tâm đến công suất, mà chỉ quan tâm đến việc tối giản băng thông để được hạ giá thành. Ta có thể coi trên mỗi bộ phát đáp có một quỹ công suất tương ứng với một quỹ băng thông nhất định (36 MHz). Vì vậy, vệ tinh cần được đảm bảo khách hàng dùng bao nhiêu băng thông sẽ tương ứng với bấy nhiêu công suất để tạo sự cân bằng và tránh lẵng phí. Chẳng hạn, khi có tỷ lệ mất cân bằng xảy ra, khi transponder tiêu tốn hết công suất cho một tỷ lệ băng thông nhất định thì phần còn lại sẽ không thể sử dụng được nữa. Cụ thể ta xét ví dụ dưới đây. 4.2 Tính toán thực tế Thiết lập một đường truyền từ trạm mặt đất Hà Nội tới trạm đầu cuối tại TP Hồ chí Minh qua vệ tinh Vinasat tại vị trí 69.00E trên băng tần tiêu chuẩn C (đường lên 6.28Ghz/ đường xuống 4.055Ghz) Các thông số của phần không gian EIRP saturation của bộ phát đáp: 32.7 dBW Độ rộng dải tần (bandwidth): 36Mhz Trạng thái bão hòa (SFD): -87dBW/m2 G/T của anten vệ tinh: -4.8dB/K Tỷ số tăng ích giữa độ lùi đầu vào và đầu ra (X): 1.8dB Các thông số của trạm mặt đất Trạm Hà Nội Trạm HCM Vị trí Vĩ độ 44.5oN 28.15oN Kinh độ 20.63oE 77.35oE Đường kính Anten 15.2m 18m Hiệu suất Anten 66% 65% Dự trữ đường xuống 3.5 dB Dự trữ đường lên 2.5 dB Tổng suy hao ống dẫn sóng 1dB 72 Các thông số sóng mang: Tốc độ sóng mang số IDR: 1.024 Mbps Tốc độ FEC: 3/4 BER (tỉ lệ lỗi bít): 10 -10 C/T tại điểm hoạt động: - 157.2 dBW/K C/N tại điểm hoạt động: 9 dB Tính toán công suất phát tối thiểu của trạm mặt đất Hà Nội: Công suất phát tối thiểu của trạm mặt đất Hà Nội là công suất trạm mặt đất Hà Nội phát lên vệ tinh Vinasat để vệ tinh này nhận được với tỷ số C/N nào đó. Sau đó tín hiệu này được khuếch đại, đổi tần rồi phát xuống trạm đầu cuối HCM, tín hiệu từ vệ tinh Vinasat tới trạm đầu cuối HCM phải có một tỷ lệ E b /N 0 tối thiểu nào đó để trạm đầu cuối HCM còn có thể thu được dữ liệu và xử lý với một tỷ lệ lỗi bit nhất định (tuỳ theo yêu cầu của người dùng). Như vậy tỷ lệ E b /N 0 của máy thu trên trạm đầu cuối HCM liên quan trực tiếp tới công suất phát của trạm mặt đất Hà Nội phát. Các anten của trạm mặt đất có thể thu nhận được những tín hiệu số được mã hoá theo phương pháp BPSK có mã sửa lỗi trước là FEC ¾ có tỷ số E b /N 0 danh định là 6 dB nếu chấp nhận tỷ lệ lỗi bit là 10 -10 . Để tính được công suất phát tối thiểu của các trạm mặt đất thì trước hết phải tính được các tham số liên quan sau: * Hệ số tăng ích của anten: G dB = 10log η + 20log d + 20log f + 20.4 dB Trong đó η là hiệu suất của anten. d(m)là đường kính của anten. f(GHz) là tần số. - Hệ số tăng ích của anten trạm mặt đất Hà Nội khi phát: Ta có η = 0.66 d hn = 15.2 m f u = 6.28 GHz G hnu dB = 10log 0.66 + 20log 15.2 + 20log 6.28+ 20.4 dB G hnu dB = 58.16(dB) - Hệ số tăng ích của anten trạm đầu cuối HCM khi thu: Ta có η = 0.65 73 D hcm = 18 m f d = 4.055 GHz G hcmd dB = 10log 0.65 + 20log 18+ 20log 4.055 + 20.4 dB G hcmd dB = 55.77(dB) * Nhiệt tạp âm hệ thống T system = T a /L + (1 – 1/L)T 0 + T e Trong đó: L = 1dB là suy hao ống dẫn sóng. T e = 65K là nhiệt độ tạp âm máy thu. T 0 = 290 K là nhiệt độ môi trường. T a = 35 K là nhiệt độ tạp âm của anten. T system = 35 K /5 dB + (1 – 1/1 dB )290 K + 65 K T system = 100 (K) * Hệ số phẩm chất của anten: G/T dB/K = G dBi – 10logT system Hệ số phẩm chất anten của trạm đầu cuối HCM: Ta có G hcmd = 55.77 dB T system = 100 K G/T hcm = 55.77 dB – 10log 100 K G/T hcm = 35.77(dB/K) * Khoảng cách từ các trạm mặt đất đến vệ tinh Vinasat: D = (r 2 + S 2 – 2rScosC) 1/2 Trong đó r = 6378 km là bán kính Trái Đất. S = 42164 km là bán kính quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh. cosC = cosθ 1 .cos(θ S – θ E ) là góc ở tâm. θ 1 là vĩ độ trạm mặt đất. θ E là kinh độ trạm mặt đất. θ S là kinh độ vệ tinh Vinasat. - Khoảng cách từ trạm mặt đất Hà Nội đến vệ tinh Vinasat: Ta có θ 1 = 44.5 0 N là vĩ độ trạm mặt đất Hà Nội. θ E = 20.63 0 E là kinh độ trạm mặt đất Hà Nội. 74 θ S = 69 0 E là kinh độ vệ tinh Vinasat. cosC = cos 44.5 0 cos(69 0 – 20.63 0 ) cosC = 0.4742 D hn = (6378 2 + 42164 2 – 2*6378*42164*0.4742) 1/2 D hn = 39540 (km) - Khoảng cách từ trạm đầu cuối HCM đến vệ tinh Vinasat: Ta có θ 1 = 28.15 0 N là vĩ độ trạm đầu cuối HCM. θ E = 77.35 0 E là kinh độ trạm đầu cuối HCM. θ S = 69 0 E là kinh độ vệ tinh Vinasat. cosC = cos 28.15 0 cos(69 0 –77.35 0 ) cosC = 0.871 D hcm = (6378 2 + 42164 2 – 2*6378*42164*0.871) 1/2 D hcm = 36742 (km) * Suy hao trong không gian tự do: L 0 = 20log D + 20log f + 92.5 dB Trong đó D (km) là khoảng cách từ trạm mặt đất lên vệ tinh. f (Ghz) là tần số. - Suy hao do không gian tự do của tín hiệu phát đi từ trạm mặt đất Hà Nội lên vệ tinh Vinasat: Ta có D hn = 39540 km f u = 6.28 Ghz là tần số tuyến lên. L 0 hnu = 20log 39540 + 20log 6.28 + 92.5 dB L 0 hnu = 200.4(dB) - Suy hao do không gian tự do của tín hiệu phát đi từ vệ tinh Vinasat xuống trạm đầu cuối HCM: Ta có D hcm = 36742 km f u = 4.055 Ghz là tần số tuyến xuống. L 0 hcmd = 20log 36742 + 20log 4.055 + 92.5 dB L 0 hcmd = 196(dB) 75 EIRP của vệ tinh Vinasat. Gọi EIRP sat là công suất phát của bộ phát đáp trên vệ tinh Vinasat, C/T hcm là tỷ số sóng mang trên tạp âm mà tại trạm đầu cuối HCM nhận được. Từ phương trình: C/T = EIRP – L 0 + G/T, EIRP của vệ tinh có thể được tính: EIRP sat = C/T hcm + L 0 hcmd + L add – G/T hcm Trong đó C/T hcm = -157.2 dBW/K. L 0 hcmd = 196 dB. G/T hcm = 35.77 dB/K. L add =3.5dB (suy hao do mưa ở đường xuống và các suy hao khác). EIRP sat = -157.2 dBW/K + 196 dB + 3.5 dB – 35.77 dB/K EIRP sat = 6.53(dBW) Độ lùi đầu vào và đầu ra được tính như sau: Độ lùi đầu ra (OBO): OBO = EIRP saturation – EIRP operation OBO = 32.7 dBW – 6.53 dBW OBO = 26.17 (dB) Độ lùi đầu vào (IBO): IBO = OBO + X IBO = 26.17 dB + 1.8 dB IBO = 27.97(dB) Công suất tín hiệu đầu vào tối thiểu để HPA rơi vào trạng thái bão hoà (Saturation Flux Density) là: SFD = -87 dBW/m 2 . Mức công suất tối thiểu từ trạm mặt đất Hà Nội phát lên vệ tinh Vinasat là: W = SFD – IBO W = -87 dBW/m 2 – 27.97 dB W = -114.97 (dBW/m 2 ) EIRP của trạm mặt đất Hà Nội phát. Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của trạm mặt đất Hà Nội phát là: EIRP dBW = W + L 0 hnu + L add – G 1m 2 Trong đó W = -114.97 (dBW/m 2 ) L 0 hnu = 200.4 dB. 76 G 1m 2 = 37 dBm 2 cho tần số 6.28GHz. L add = 2.5 dB (suy hao do mưa ở đường lên và các suy hao khác). EIRP dBW = -114.97 dBW/m2 + 200.4 dB + 2.5 dB – 37 dBm 2 EIRP dBW = 50.93(dBW) Công suất tối thiểu của bộ HPA trong trạm mặt đất Hà Nội sẽ là: P HPA = EIRP – G hnu + L feed Trong đó G hnu = 58.16 dB. EIRP = 50.93 dBW. L feed = 1dB là suy hao trong ống dẫn sóng. P HPA = 50.93 dBW – 58.16 dB + 1 dB P HPA = -6.23 (dBW) tức 0.238 (W) Chất lượng đường truyền. Ta có thể kiểm tra chất lượng đường truyền bằng cách tính tỷ số C/T t mà trạm đầu cuối HCM nhận được khi trạm mặt đất Hà Nội phát dữ liệu. Tỷ số sóng mang trên tạp âm mà vệ tinh Vinasat nhận được của trạm mặt đất Hà Nội được tính như sau: C/T u = EIRP dBW – L 0 hnu - L add + G/T sat dB/K Trong đó EIRP = 50.93 dBW là công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của trạm mặt đất Hà Nội. L 0 hnu = 200.4 dB. L add = 2.5dB (suy hao do mưa ở đường lên và các suy hao khác) G/T sat = - 4.8 db/K là hệ số phẩm chất của anten trên vệ tinh Vinasat. C/T u = 50.93 dBW – 200.4 dB – 2.5 dB + (- 4.8 dB ) C/T u = -156.7(dB/K) hay C/T u = 10 -15.67 (W/K) Tỷ số sóng mang trên tạp âm mà trạm đầu cuối HCM nhận được từ vệ tinh Vinasat: C/T d = EIRP sat – L 0 hcmd - L add + G/T hcm Trong đó EIRP sat = 6.53 dBW. L 0 hcmd = 196dB. 77 L add = 3.5 dB (suy hao do mưa ở đường xuống và các suy hao khác). G/T hcm = 35.77 dBW/K C/T d = 6.53 dB – 196 dB – 3.5 dB + 35.77 dB C/T d = -157.2 (dB/K) hay C/T d = 10 -15.72 (W/K) Chất lượng đường truyền phụ thuộc vào tuyến lên cao tần và tuyến xuống cao tần. Gọi tỷ số C/T t là tỷ số sóng mang trên tạp âm mà trạm đầu cuối HCM nhận được của trạm mặt đất Hà Nội, tỷ số này được xác định bởi phương trình sau: (C/T t ) -1 = (C/T u ) -1 + (C/T d ) -1 Trong đó C/T u = 10 -15.67 W/K. C/T d = 10 -15.72 W/K. (C/T t ) -1 = (10 -15.67 W/K ) -1 + (10 -15.72 W/K ) -1 C/T t = 10 -16 (W/K) hay C/T t = -160 (dBW/K) Ta có tỷ số sóng mang trên cường độ tạp âm của cả tuyến là: C/N 0 = C/T t + 228.6 dB C/N 0 = -160 dBW/K + 228.6 dB C/N 0 = 68.6 (dBHz) Ta có tỷ số sóng mang trên tạp âm của cả tuyến là: C/N = C/N 0 – 10log B OCC (B OCC (bps) là băng tần chiếm dụng) C/N = 68.6 – 10log 873800 C/N = 9.2 (dB) (lớn hơn C/N danh định là 9 dB) Ta có tỷ số năng lượng bít trên cường độ tạp âm của cả tuyến: Eb/N0 = C/N0 – 10logR R là tốc độ truyền dẫn số = Bocc/0.6= 873.8.103/0.6 = 1.456*10 6 (bps) Eb/N0 = 68.6 – 10log1.456.106 Eb/N0 = 6.97 (dB) (lớn hơn Eb/N0 là 6dB) Ta nhận thấy công suất phát tối thiểu của bộ HPA trong trạm mặt đất Hà Nội lên vệ tinh Vinasat là 0.238(W) thì vệ tinh nhân được với tỷ số C/N = 9.2 dB (lớn hơn C/N danh định là 9bB), sau đó tín hiệu này được khuếch đại, đổi tần rồi phát xuống trạm đầu cuối HCM, tín hiệu từ vệ tinh Vinasat phát xuống có tỷ số 78 E b /N 0 = 6.97 dB (lớn hơn E b /N 0 danh định là 6 dB). Do đó, trạm đầu cuối HCM sẽ thu được tín hiệu và xử lý nó với một tỷ lệ lỗi bít đặt ra cho kênh thuê riêng là 10 -10 . Vậy công suất phát tối thiểu của trạm mặt đất Hà Nội là 0.238 (W). Kết quả của bài toán tính toán đường truyền cho kênh thuê bao riêng với các tham số đầu vào đã cho được thể hiện ở hình dưới đây: Vệ tinh Vinasat Thiết bị tổ hợp đầu vào Hình 4.1: Sơ đồ tính toán đường truyền cho kênh thông tin Máy thu G/Ts=-4.8dB/K EIRP= 32.7dBW C/Tu = -156.7dB/K Suy hao L 0 hnu = 200.4dB Suy hao L 0 hcmd = 196(dB) 66% 65% G/T=35.77dB/K F =4.055Ghz D=18m G=55.77dB EIRP= 50.93dBW F = 6.28Ghz D = 15.2m G = 58.16 dB C/T d = -157.2 dB/K C/T t = -160 dBW/K C/N = 9.2 dB PHPA=0.238W 1.024Mbps B-PSK FEC 3.4 BER 10-10 Trạm mặt đất Hà Nội Trạm đầu cuối HCM 79 CHƯƠNG 5 THỰC NGHIỆM Trên cơ sở nghiên cứu kênh truyền trên băng tần C, khi xây dựng hệ thống thu phát thông tin vệ tinh nhằm thu phát tín hiệu giữa vệ tinh và trạm mặt đất, thì cần thiết phải xây dựng các bộ khuếch đại siêu cao tần hoạt động ở băng tần C với hệ số khuếch đại lớn, tạp âm thấp, băng thông phù hợp với yêu cầu đặt ra. Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm 1 bộ khuếch đại siêu cao tần cho phép hoạt động trên băng tần C có ý nghĩa quan trọng trong việc làm chủ kênh truyền với công suất phát cho trước. Bộ khuếch đại băng C được nghiên cứu thiết kế thử nghiệm sử dụng JFET siêu cao tần trên công nghệ mạch dải, có hệ số tạp thấp và hệ số khuếch đại lớn, có thể làm việc tới tần số 10GHz. Kết quả tính toán và đo đạc đánh giá bộ khuếch đại thông qua ma trận tán xạ. 5.1. Giới thiệu công nghệ mạch dải Chúng ta đã biết, ở dải sóng vô tuyến điện thông thường: dài, trung, ngắn; các mạch dao động cộng hưởng thường được xây dựng từ các phần tử tập trung như tụ điện C và cuộn cảm L. Mạch dao động này cho tần số cộng hưởng riêng là: LC f 2 1 0  Nhưng ở dải siêu cao tần thì mạch dao động (LC) từ các tham số tập trung không còn làm việc được. - Thứ nhất: Để nhận được dải tần số cộng hưởng f0 lớn hay bước sóng cộng hưởng nhỏ, ta phải giảm các giá trị L, C đến mức tối thiểu. Nhưng việc giảm này cũng có những giới hạn nhất định do kết cấu của tụ điện và cuộn cảm. Nên về nguyên tắc không đạt được tần số cộng hưởng ở các dải song cao như cm và mm. - Thứ hai: ở dải song siêu cao tần, kích thước hình học của các tụ điện và cuộn cảm so sánh với bước sóng điện từ, nên tại các tần số này bản thân mạch dao động cũng đóng vai trò như phần tử bức xạ năng lượng điện từ làm tiêu hao năng lượng đáng kể trong mạch và mạch không duy trì được dao động trong dải này. 80 - Thứ ba: Trong dải siêu cao tần, khi tần số tăng thì tiêu hao do hiệu ứng bề mặt và tiêu ghao trong điện môi của cuộn cảm và tụ điện tăng đáng kể, làm giảm phẩm chất rõ rệt của mạch dao động LC, làm cho nó mất tính chọn lọc của mạch cộng hưởng. Vì vậy, ở dải sóng siêu cao tần, người ta sử dụng các mạch dao động có tham số phân bố, thường được gọi là hộp cộng hưởng. Đường truyền dẫn sóng cao tần và siêu cao tần cũng là vấn đề được quan tâm. Trong kỹ thuật đo lường và các thiết bị thu ở dải sóng từ dm đến mm thường sử dụng đường truyền là các mạch dải siêu cao tần có các ưu điểm như dễ sản xuất (dùng công nghệ PCB là cơ bản), khối lượng nhẹ, khả năng tương thích với các quy trình của mạch tích hợp, phạm vi trở kháng đặc trưng hợp lý, tổn hao thấp, dải tần tương đối rộng. Vì các mạch dải được chế tạo dưới dạng mạch in nên chúng được sử dụng rất phổ biến trong vi mạch siêu cao tần. Mạch dải siêu cao thường có cấu tạo theo các dạng: dạng đối xứng ( Hình 5.1: b,c), dạng không đối xứng (Hình 5.1:a), dạng đường khe (Hình 5.1.d) và dạng cáp phẳng (Hình 5.1:e) Hình 5.1: Các loại mạch vi dải 81 Ở đây, ta sử dụng loại mạch dải không đối xứng để thiết kế bộ khuếch đại dùng JFET hoạt động ở băng tần C. [7] 5.2. Ma trận tán xạ Xét mạng N cổng. Định nghĩa ma trận tán xạ thõa mãn quan hệ sau:                                       NNNNN N V V SSS SSS V V V 1 21 11211 3 2 1 .... .... Hay gọn hơn       VSV => jkV j i kV V S    ,0 - Tức là S i j có thể được tìm khi đặt vào cổng j một sóng tới có điện áp V + j và đo biên độ điện áp sóng phản xạ V i - từ cổng i, khi tất cả sóng tới ở các cổng khác cho bằng zero (hay kết cuối với tải phối hợp để tránh phản xạ). - S i i chính là hệ số phản xạ nhìn vào cổng i khi tất cả các cổng khác kết cuối với tải phối hợp. - S i j còn gọi là hệ số truyền từ cổng j tới cổng i khi tất cả các cổng khác kết cuối với tải phối hợp. [7] 5.3. Thiết kế và mô phỏng bộ khuếch đại dùng JFET Sơ đồ thiết kế nguyên lý cho tầng khuếch đại băng tần C tại tần số 5,5 GHz sử dụng Transistor trường JFET loại SPF3043 được trình bày như hình vẽ sau: 82 Hình 5.2. Sơ đồ nguyên lý Khi mô phỏng các tham số của sơ đồ, có 2 phương pháp. Phương pháp 1 là biến đổi các tham số S của FET thành tham số S2P và gán tham số S2P cho FET và chạy mô phỏng toàn bộ đầu ra đầu vào với điện trở vào ra có giá trị 50Ω . Phương pháp 2 đó là mô phỏng 2 nhánh vào ra của FET, nhánh 1 mô phỏng phối hợp trở kháng giữa điện trở lối vào 50Ω và điện trở vào phức của FET là Z1= 21+j*7.5 Ω(lấy từ Datasheets của SPF3043). Dưới đây là kết quả mô phỏng theo các nhánh. Nhánh 1 là nhánh giừa điện trở 50Ω với trở vào của FET, còn nhánh 2 là phối hợp giữa trở kháng ra của FET với điện trở 50Ω Các đoạn mạch dải được tính toán chặt chẽ tùy thuộc vào phương pháp phối hợp trở kháng và có thể được Tuning để phối hợp trở kháng tốt nhất. Trong đó đoạn mạch dải TL5 , TL1 và tụ điện C2 dùng để phối hợp với trở kháng ra 50Ω của tầng trước. Tụ C1 còn có nhiệm vụ ngăn cách dòng một chiều với tầng tr- ước. • Đoạn mạch dải TL2 và TL3 dùng để phối hợp trở kháng giữa đoạn TL4 với trở kháng phức lối vào của JFET với Zin = Z1= 21+j*7.5 Ω tại tần số 5500MHZ(lấy từ Datasheets của SPF3043). 83 • Đoạn mạch dải TL4 có độ dài điện bằng λ/4 ghép với với nguồn điện áp một chiều phân cực cho JFET. • Kết quả mô phỏng dùng phần mềm ADS ta đợc hệ số sóng đứng tại lối vào và lối ra (tương ứng với tham số S11 và S22) • Hệ số truyền từ cổng 1 tới cổng 2 (truyền từ lối vào tới lối ra S21) được trình bày trên hình vẽ: Hình 5.3. Cấu trúc nhánh 1 Kết quả mô phỏng tham số S11 dựng phần mềm ADS : S11 chính là hệ số phản xạ nhìn vào cổng 1 khi cổng 2 kết nối với tải phối hợp. 84 Hình 5.4. Kết quả mô phỏng tham số S11 Giá trị S11 cho mức suy giảm rất tốt, mức suy giảm này nếu lớn hơn 10dB thì có thể dùng được. Ở đây giá trị S11đạt - 26,368dB. Kết quả này sẽ cho tương ứng giá trị hệ số sóng đứng thấp (xấp xỉ bằng 1). Kết quả mô phỏng tham số S21 (S21 được xem là hệ số truyền từ cổng 1 tới cổng 2, tương ứng với hệ số khuếch đại) , ta thu được kết quả như sau: 85 Hình 5.5. Kết quả mô phỏng tham số S21 Kết quả mô phỏng tham số S22. S22 chính là hệ số phản xạ nhìn vào cổng 2 khi cổng 1 kết nối với tải phối hợp. Giá trị S22 cho mức suy giảm rất tốt, mức suy giảm này nếu lớn hơn 10dB thì có thể dùng được. Ở đây giá trị S22 đạt - 22,236dB. Kết quả này sẽ cho tương ứng giá trị hệ số sóng đứng thấp (xấp xỉ bằng 1). 86 Hình 5.6. Kết quả mô phỏng tham số S22 Kết quả mô phỏng hệ số sóng đứng VSWR tương ứng với S11 và S22 như sau: Hình 5.7. Kết quả mô phỏng hệ số sóng đứng tương ứng S11 87 Hình 5.8. Kết quả mô phỏng hệ số sóng đứng tương ứng S22 Kết quả mô phỏng cho thấy hệ số sóng đứng xấp xỉ bằng 1 sẽ chỉ cho sóng chạy trên đường truyền tử đầu vào tới đầu ra mà không bị phản xạ. Nhánh 2 có cấu trúc như hình vẽ và có kết quả mô phỏng tương tự như đã trình bày ở trên. Hình 5.9. Cấu trúc nhánh 2 88 Trong đó điện trở phức Z2 của FET có giá trị bằng Z2=37.5-j*16 được thiết kế phối hợp với trở kháng ra 50Ω. Đoạn mạch dải TL4, TL5 và tụ C3 dùng để phối hợp với trở kháng ra 50Ω. Tụ C3 còn có nhiệm vụ ngăn dòng 1 chiều từ cực D của FET tới lối ra trên tải 50Ω. Các đoạn mạch dải TL1 và TL3 dùng để phối hợp TL2 với trở kháng phức lối ra của JFET Z2=37.5-j*16 tại tần số 5500MHZ. • Đoạn mạch dải TL2 có độ dài điện bằng λ/4 ghép với với nguồn điện áp một chiều phân cực cho JFET. Trên cơ sở thiết kế mô phỏng bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA trên JFET, sử dung công nghệ mạch dải, tiến hành chế tạo và đo kiểm tra các tham số Sij, đánh giá khả năng ứng dụng trong thông tin vệ tinh băng C. Bộ khuếch đại siêu cao tần có nhiều địa chỉ ứng dụng trong các trạm thu và trạm phát. Bảng mạch PCB cho bộ LNA trên SPF3043 được trình bày trên hình 5.10. Hình 5.10. Bộ khuếch đại cao tần dùng JFET • Kết quả đo đạc thực tế trên máy phân tích mạng được trình bày như sau: 89 Hình 5.11. Đo đạc các tham số bằng máy phân tích mạng Hình 5.12. Kết quả đo đạc tham số S11 90 Hình 5.13. Kết quả đo đạc tham số S21 • Bộ khuếch đại cho hệ số khuếch đại (tham số S21) tại tần số 5.5GHz là 25dB khá lớn và hệ số phản xạ, S11 khá nhỏ(cỡ -15 dB). • Kết quả cho thấy giữa thiết kế mô phỏng và đo đạc thực tế là chính xác với sai số chấp nhận được. 91 KẾT LUẬN Kết quả cho thấy, việc cân bằng công suất - băng thông, dù không phải là các con số tuyệt đối, nhưng hết sức quan trọng. Các nghiên cứu đều cố gắng hạn chế tối đa việc suy giảm tín hiệu song song với việc tiết kiệm phổ, đặc biệt là trong sự hạn chế băng tần ở thông tin vệ tinh. Đi cùng với công nghệ là tính khả thi trong sản xuất thiết bị. Hiện nay, modem sử dụng trong các hệ thống trạm mặt đất đã có khả năng thích ứng với điều chế 16 QAM cùng với mã hóa Turbo, TCM để làm hài lòng các khách hàng có nhu cầu thuê kênh – đối tượng luôn mong muốn tiết kiệm băng thông để giảm giá thuê kênh. Ngược lại, điều này khiến các nhà cung cấp đường truyền vệ tinh lo ngại về việc mất cân bằng do phải tiêu tốn quá nhiều công suất mà không thu được nhiều lợi nhuận. Để duy trì một mức chất lượng dịch vụ nhất định, khi càng sử dụng điều chế cao, mã hóa cao (để giảm băng thông) thì càng phải tăng Eb/N0, có nghĩa là C/N0 trong thiết kế càng tăng lên làm cho độ dự trữ tuyến (margin) giảm, độ khả dụng của tuyến (availability) cũng giảm. Như vậy, đối với nhà cung cấp đường truyền, khi khách hàng yêu cầu sử dụng phương thức điều chế cao để giảm băng thông thì họ sẽ bị vấp phải việc thiết kế tuyến kém an toàn hơn do bị giảm độ dự trữ và độ khả dụng. Để tránh việc này, vệ tinh buộc phải tăng công suất, cũng có nghĩa là phải tăng độ lùi đầu ra (OBO) để chống méo phi tuyến. Tức là, vệ tinh đã ngày càng tiêu tốn công suất trong khi tỷ lệ băng thông lại giảm đi. Do vậy, để tìm được tiếng nói chung giữa khách hàng và nhà cung cấp đường truyền, công nghệ chế tạo vệ tinh ngày cần phải phát triển. Các thiết bị trạm mặt đất sẽ ngày càng được cải thiện và băng thông ngày càng giảm. Để duy trì sự cân bằng này, HPA của vệ tinh cần nâng cao độ tuyến tính nhằm giảm OBO, giảm tỷ lệ tiêu tốn công suất. Bên cạnh đó, nhà cung cấp đường truyền cũng sẽ yêu cầu khách hàng tăng đường kính anten và bộ khuếch đại công suất để nâng cao độ lợi trạm mặt đất. Thực tế với sự phát triển công nghệ ngày nay thì các thiết bị trạm mặt đất được đổi mới và phát triển liên tục, còn vệ tinh phải chấp nhận “nằm im” trong suốt thời gian sống của nó trên không gian (15 năm). Vì vậy, cán cân công suất – băng thông đang ngày càng nghiêng về sự tiêu tốn của công suất, còn băng thông ngày càng tối ưu. 92 Đối với các vệ tinh thế hệ cũ, vấn đề đảm bảo công suất là rất khó khăn và tốn kém. Nhà cung cấp đường truyền thường xuyên phải đối mặt với việc giới hạn công suất, đặc biệt cho các vùng có suy hao lớn do mưa và các suy hao bức xạ khác. Vì vậy, bài toán cân bằng công suất – băng thông là hết sức thiết thực đối với cả nhà cung cấp đường truyền và khách hàng. Các vệ tinh thế hệ mới - do công nghệ chế tạo ngày càng phát triển – đã có thể giảm khối lượng các bộ khuếch đại và điều khiển công suất đủ lớn theo yêu cầu, sẵn sàng phục vụ ở các miền tần số cao như dải tần Ka. Tuy nhiên, số lượng vệ tinh ngày càng gia tăng, mật độ vệ tinh trên quỹ đạo ngày càng dày đặc nên để tránh can nhiễu giữa các hệ thống, ITU cũng ra các quy định về giới hạn công suất phát cho mỗi transponder. Chính vì vậy, việc tăng công suất phát vẫn là vấn đề cần hết sức cân nhắc và bài toán cân bằng công suất – băng thông vẫn rất có ý nghĩa về thực tế, kinh tế. Khi Việt Nam đưa vào sử dụng vệ tinh VINASAT phục vụ các nhu cầu trong nước cũng như kết nối quốc tế, chúng ta đóng vai trò vừa là nhà cung cấp, vừa là khách hàng. Do vậy, thiết kế ban đầu cho vệ tinh và các trạm mặt đất cần phải được cân đối sao cho có thể tận dụng tối đa khả năng đáp ứng của vệ tinh đồng thời tiết kiệm chi phí cho trạm mặt đất, đặc biệt là trong điều kiện Việt Nam và các vùng phụ cận thuộc khu vực nhiệt đới, chịu nhiều suy hao do mưa và tạp âm bức xạ mặt trời. Qua các phân tích trên đây, có thể rút ra một số kết luận như sau: * Đối với vệ tinh: - Cần thiết kế bộ HPA có đặc tuyến tuyến tính cao, hiệu suất cao, kết hợp các phương pháp méo trước và bù công suất để đạt được điểm làm việc lý tưởng. Tốt nhất, các bộ khuếch đại công suất của Vinasat nên chọn công nghệ đèn sóng chạy (TWTA) - Tập trung các vùng phủ (beam, footprint) vào các điểm quan trọng để tối đa công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP). - Việc điều khiển công suất từ xa (từ trạm điều khiển – TT&C) được thực hiện nhanh chóng, tiện lợi và tin cậy. * Đối với các trạm mặt đất: - Chọn sản phẩm điều chế (modem) sử dụng các công nghệ tiên tiến nhưng tập trung vào tối ưu các hệ số dạng phổ (roll-off) và các phương pháp mã hóa tiên tiến (Turbo, TCM). Lựa chọn phương thức điều chế phù hợp vì điều chế cao sẽ tiết kiệm nhiều băng thông nhưng lại trả giá về công suất vệ tinh và chất lượng dịch vụ. 93 - Các bộ HPA trạm mặt đất cũng cần lựa chọn công suất phù hợp và có điểm làm việc thích hợp, giảm thiểu méo phi tuyến và có dự phòng công suất đầy đủ. - Đường kính anten các trạm Hub và VSAT cũng cần được thiết kế phù hợp theo từng băng tần và vị trí địa lý đảm bảo độ lợi cao, mức thu tốt để tiết kiệm công suất của vệ tinh. Việc nghiên cứu thiết kế thành công bộ khuếch đại 5.5 Ghz dùng JFET siêu cao tần trên công nghệ mạch dải với hệ số khuếch đại rất lớn cũng có ý nghĩa thực tế cao, có thể áp dụng trong hệ thống truyền thông vệ tinh. Kết quả thực nghiệm cho thấy từng bước ta có thể can thiệp vào các tuyến thu phát, giải quyết bài toán kênh truyền thông tin giữa trạm thu và trạm phát. Việc chế tạo các bộ khuếch đại sẽ cho phép thiết kế một kênh truyền chủ động với cự ly liên lạc và công suất phát, do ta có thể tăng độ nhạy máy thu, cho phép thu tín hiệu thu cực tiểu ở máy thu nhờ tăng cường các bộ LNA. Ngoài ra ở phía máy phát, có thể tạo công suất phát mong muốn nhờ các bộ khuếch đại công suất dựa trên nguyên lý thiết kế chế tạo các bộ khuếch đại siêu cao tần công nghệ mạch dải, sử dụng các Transístor bán dẫn, các MOSFET hoặc các JFET cao tần công nghệ mới. . 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Quốc Bình (2001), Kỹ thuật Truyền dẫn số, Học Viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội. [2] Nguyễn Phạm Anh Dũng (2007), Thông tin vệ tinh, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, Hà Nội. [3] Nguyễn Đình Lương & Nguyễn Thanh Việt (2001), Các hệ thống thông tin vệ tinh – Hệ thống kỹ thuật và công nghệ, Tập 1, Nhà xuất bản Bưu điện, Hà Nội. [4] Tổng Công ty Bưu chính Viễn thông Việt Nam – Trung tâm thông tin Bưu điện (2002), Các hệ thống thông tin vệ tinh, Nhà xuất bản Bưu điện, Hà Nội. Tiếng Anh [5] Intelsat (2001), Satellite based rural telephony handbook. [6] G.Maral (1999), VSAT Network, John Wiley and Sons Ltd. [7] David M. Pozar (2004) Microwave Engineering, Wiley and Sons Ltd.