Đang tải... (xem toàn văn)
Muốn thiết lập một đường thông tin vệ tinh,trước hết phải phóng một vệ tinh lên quỹ đạo có khả năng thu song vô tuyến điện.Vệ tinh có thể là vệ tinh thụ động,chỉ phản xạ vô tuyến một cách thụ động và không khuếch đại và biến đổi tần số.Hầu hết các vệ tinh hiện nay là vệ tinh tích cực.Vệ tinh sẽ thu tín hiệu từ chạm mặt đất,(SES:Satellite Earth Station) biến đổi,khuếch đại và phát lại đến một hoặc nhiều trạm mặt đất khác. Tín hiệu từ trạm mặt đất vệ tinh,gọi là đường lên(uplink) và tín hiệu từ trạm mặt đất khác đường xuống(downlink).Thiết bị thông qua vệ tinh bao gồm một bộ phát đáp sẽ khuếch đại tín hiệu ở các băng tần nào đó lên một công suất lớn và phát về mặt đất. Anten trong thông tin vệ tinh. Hầu hết các anten trên vệ tinh là loại anten gương parabol,với khẩu độ khác nhau và phương pháp tiếp diện khác nhau tùy theo yêu cầu cần phủ sóng. Anten gương parabol đối xứng(trục quang của nó là trục đối xứng của gương) (a)Anten gương parabol đối xứng (b)Anten gương parabol lệch Hình 1.2.Anten gương parabol Để tăng hiệu suất,giảm bước phụ dùng anten gương parabol lệch như ở hình 1.2(b).Bộ chiếu xạ của anten đặt lệch ra khỏi hướng trục quang,các tia sóng phản xạ từ gương sẽ không bị bộ chiếu xạ che chắn,không gây ra hiệu ứng che tối làm méo tính hướng của anten,như chỉ ra ở hình 1.2(b).Anten gương parabol lệch dùng để phủ sóng”dấu”,với bộ chiếu xạ là anten loa.Phương trình mặt cong parabol có dạng: Trong tọa độ cực: p=2f(1cos ) (1.1) Trong đó:p là bán kính cực có tâm tọa độ trùng với tiêu điểm của gương là góc hợp bởi trục quang với phương của điểm bất kỳ nằm trên gương(góc cực) Trong hệ tọa độ vuông góc thì:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN -*** - HỆ THỐNG VIỄN THÔNG ĐỀ TÀI: SỬ DỤNG PHẦN MỀM MATLAB TÍNH TOÁN THAM SỐ TRONG THÔNG TIN VỆ TINH Giảng viên hướng dẫn Đặng Xuân Điệp Sinh viên thực hiện Lớp Mạng Máy Tính K58 Nhóm 07 Lê Tuấn Anh (1321050409) Nguyễn Văn Huy (1321050091) Phạm Duy Tuấn (1321050777) Hoàng Công Huỳnh (1321050096) Hà Nội – 2016 MỤC LỤC A.LỜI NÓI ĐẦU 1 B.NỘI DUNG 1 I.TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH .1 1.1.Tuyến thông tin vệ tinh .1 1.2.Vệ tinh địa tĩnh 4 II.CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN TRÊN TUYẾN THÔNG TIN VỆ TINH 6 2.1.Các mức công suất 6 2.1.1.Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương 6 2.1.2.Công suất thu .8 2.2.Các loại suy hao 8 2.2.1.Suy hao do phi đơ thu phát 8 2.2.2.Suy hao do anten thu phát lệch nhau 9 2.2.3.Suy hao do không thu đúng phân cực 10 2.2.4.Suy hao do khí quyển .10 2.2.5.Suy hao do mưu và mây 11 2.3.Nhiễu trên tuyến thông tin 15 2.3.1.Các nguồn nhiễu 15 2.3.2.Mật độ phổ công suất tạp nhiễu No 15 2.3.3.Nhiễu nhiệt của một nguồn nhiễu 16 2.3.4.Hệ số nhiễu 16 2.3.5.Nhiễu nhiệt của toàn bộ suy hao Te 17 2.3.6.Nhiệt độ nhiễu của phần tử tích cực 17 2.3.7.Nhiệt độ nhiễu của hệ thống các thiết bị mắc nối tiếp .18 2.38.Nhiễu nhiệt của anten 19 2.3.9.Nhiễu nhiệt ở hệ thống thu .20 2.3.10.Tỉ lệ tín hiệu nhiễu tại đầu vào decoder 21 2.3.11.Tỉ số năng lượng của Bit/mật độ tạp âm Eb/N0(Energy of Noise Density Ratio) 22 3.1.1.Ngôn ngữ lập trình 27 3.1.2 Các kiểu dữ liệu 27 D.KẾT LUẬN .42 A.LỜI NÓI ĐẦU Trong những thập kỷ gần đây,các hệ thông thông tin vệ tinh ngày càng có sự phát triển nhanh chóng.Bằng các hệ thống thông tin vệ tinh,con người có thể thu nhận hoặc trao đổi thông tin với bất kỳ nơi nào trên trái đất.Hiện nay với hàng loạt các loại hình dịch vụ do hệ thống vệ tinh cung cấp như cho thuê dung lượng vệ tinh,hoặc dung lượng lẻ;cung cấp các dịch vụ gói như:VSAT,thoại,truyền hình,phát thanh ở vùng sâu vùng xa,truyền số liệu,Internet,hội nghị truyền hình,đào tạo từ xa,y tế từ xa…Thông tin vệ tinh có thể cung cấp không những các dịch vụ dân sự mà cả các dịch vụ quốc phòng,an ninh,hàng không,hàng hải,thăm dò địa chất…Với việc phóng Vinasat 1 vào năm 2008 và Vinasat 2 vào năm 2012,các dịch vụ viễn thông,phát thanh,truyền hình và các dịch vụ truyền dẫn khác đã được phát triển nhiều hơn,thuận lợi hơn,đồng thời khẳng định được vị thế của Việt Nam trên trường quốc tế B.NỘI DUNG I.TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1.Tuyến thông tin vệ tinh Hình1.1:Sơ đồ đường thông tin vệ tinh Muốn thiết lập một đường thông tin vệ tinh,trước hết phải phóng một vệ tinh lên quỹ đạo có khả năng thu song vô tuyến điện.Vệ tinh có thể là vệ tinh thụ động,chỉ phản xạ vô tuyến một cách thụ động và không khuếch đại và biến đổi tần số.Hầu hết các vệ tinh hiện nay là vệ 1 tinh tích cực.Vệ tinh sẽ thu tín hiệu từ chạm mặt đất,(SES:Satellite Earth Station) biến đổi,khuếch đại và phát lại đến một hoặc nhiều trạm mặt đất khác Tín hiệu từ trạm mặt đất vệ tinh,gọi là đường lên(uplink) và tín hiệu từ trạm mặt đất khác đường xuống(downlink).Thiết bị thông qua vệ tinh bao gồm một bộ phát đáp sẽ khuếch đại tín hiệu ở các băng tần nào đó lên một công suất lớn và phát về mặt đất Anten trong thông tin vệ tinh Hầu hết các anten trên vệ tinh là loại anten gương parabol,với khẩu độ khác nhau và phương pháp tiếp diện khác nhau tùy theo yêu cầu cần phủ sóng Anten gương parabol đối xứng(trục quang của nó là trục đối xứng của gương) (a)Anten gương parabol đối xứng (b)Anten gương parabol lệch Hình 1.2.Anten gương parabol Để tăng hiệu suất,giảm bước phụ dùng anten gương parabol lệch như ở hình 1.2(b).Bộ chiếu xạ của anten đặt lệch ra khỏi hướng trục quang,các tia sóng phản xạ từ gương sẽ không bị bộ chiếu xạ che chắn,không gây ra hiệu ứng che tối làm méo tính hướng của anten,như chỉ ra ở hình 1.2(b).Anten gương parabol lệch dùng để phủ sóng”dấu”,với bộ chiếu xạ là anten loa.Phương trình mặt cong parabol có dạng: Trong tọa độ cực: p=2f/(1-cos ) (1.1) Trong đó:p là bán kính cực có tâm tọa độ trùng với tiêu điểm của gương là góc hợp bởi trục quang với phương của điểm bất kỳ nằm trên gương(góc cực) Trong hệ tọa độ vuông góc thì: =4fz (1.2) 2 Hệ số tăng ích ở hướng cực đại( ) G=4 A / (1.3) Trong đó A là diên tích mặt bức xạ của anten,với anten gương là diện tích miệng gương( ); là hiệu suất của anten( ),thường chỉ đạt 0,55 hay 0,6 Với mặt parabol tròn xoay thì A= /4(d là đường kính miệng gương hay còn gọi là khẩu độ anten),thay vào công thức 1.3 ta được: G= ( (1.4) G thường được tính theo dB;bước sóng công tác thay bằng tần số công tác f=c/ ,đồng thời các thông số ở công thức (1.1) ra đơn vị thường sử dụng ta nhận được công thức tính hệ số tăng ích anten gương parabol tròn xoay bằng: G=20 Ở đây hằng số 20dB/ +20 GH =20lg( +10lg +20,4 ( ) ;c=0,299792458m/ns là vận tốc ánh sáng, (1.5) là so sánh với một anten vô hướng(isotropic) bức xạ ở hướng cực đại anten parabol lớn hơn G dB Trong thực tế hướng cực đại của anten trên vệ tinh chỉ chiếu đúng vào một trạm mặt đất,còn các trạm khác nằm ở một góc lệch nào đó thường quy định vùng phủ sóng của nửa công suất(hay trong độ rộng búp sóng 3 dB).Như vậy các trạm mặt đất nằm trên đường giới hạn của vùng phủ sóng sẽ nhận được công suất tín hiệu nhỏ hơn 3 dB so với trạm nằm ở trung tâm vùng phủ sóng,nghĩa là công suất nhận được giảm đi một nửa,nếu hai trạm có anten thu giống nhau Các trạm nằm trong vùng phủ sóng với góc nửa công suất,nếu hướng thu lệch một góc ( /2),như chỉ ra trên hình 1.3 thì hệ số anten vệ tinh ở hướng đó sẽ được tính theo công thức: G( = -12 ) (1.6) 3 Hình.1.3.Hệ số tăng ích ở các hướng khác nhau Góc nửa công suất( ) hay còn gọi là độ rộng búp sóng ở mức 3 dB ( =70 (độ) bằng: (1.7a) Đổi bước sóng ra tần số công tác f,với đơn vị GHz được: =21,1/( )(độ) (1.7b) Từ công thức 1.4 và 1.7a,ta rút ra quan hệ giữa hệ số tăng ích anten ở hướng cực đại với độ rộng búp sóng ở mức 3 dB bằng: G= G ở hướng cực đại tính ở tỷ số, =49360 / (1.8) là góc nửa công suất tính theo đơn vị độ 1.2.Vệ tinh địa tĩnh 4 Hình.1.4.Quĩ đạo vệ tinh địa tĩnh Quĩ đạo địa tĩnh(GEO – Geostationnary orbit)là một dạng đặc biệt của quĩ đạo đĩa đồng bộ,có chu kỳ quỹ đạo là 23 giờ 56 phút 4,1 giây.Chu kỳ thời gian đó còn gọi là ngày thiên văn và chính bằng thời gian mà quả đất quay một vòng quay quanh trục của nó.Như vậy,vệ tinh địa tĩnh xem như đứng yên tương đối(địa tĩnh) so với mọi điểm trên Trái đất.Dạng của quĩ đạo địa tĩnh là tròn,nằm trên đường mặt phẳng xích đạo và có độ cao so với mặt đất khoảng 35786 km Ta có thể tính được độ cao của vệ tinh bằng các định luật Kepler và Newton Để vệ tinh chuyển động tròn đều,lực li tâm và hướng tâm tác dụng lên vệ tinh phải cân bằng với nhau: Lực tác dụng lên vệ tinh bằng tích khối lượng và gia tốc: Độ lớn của gia tốc li tâm: Với là tốc độ góc của vệ tinh [rad/s],r là khoảng cách từ vệ tinh tới tâm trái đất [m] Độ lớn của tương tác hấp dẫn: Với là khối lượng Trái Đất(5,9737 kg),G là hằng số hấp dẫn(6,67 N Vì đó ta thu được: Tính toán ta thu được r=42164 km,trừ đi bán kính trái đất tại xích đạo R=6378 km,ta nhận được độ cao của vệ tinh địa tĩnh so với mặt nước biển là 35786 km 5 II.CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN TRÊN TUYẾN THÔNG TIN VỆ TINH 2.1.Các mức công suất 2.1.1.Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương Cho một anten có hệ số khuếch đại ,góc đặc là góc được tạo bởi một cung có độ dài bằng bán kính.Đặt một công suất RF có giá trị tại tâm hình cầu khi đó ta có công suất bức xạ trên một đơn vị góc đặt anten đẳng hướng là: [w/steradian] Hướng mà giá trị độ lợi truyền cực đại là (2.1) ,bất kỳ anten nào bức xạ trên dơn vị góc đặc bằng: [w/steradian] (2.2) Hình.2.1.Mô tả anten đẳng hướng (2.3) EIRF(Equivalent Isotropic Radiated Power) gọi là công suất bức xạ đẳng hướng tương đương Nếu anten có búp sóng đồ thị phương hướng càng hẹp thì giá trị EIRP của nó càng lớn Phát sóng với búp sóng hẹp ngoài mục đích tập trung năng lượng bức xạ theo hướng mong muốn còn có tác dụng hạn chế nhiễu và giảm tồn năng lượng trong môi trường truyền sóng 6 Hình.2.2.Anten thực bức xạ vùng A (2.4) Mật độ thông lượng công suất ở cự ly R: Trong đó: EIRP:là công suất bức xạ đẳng hướn công suất đưa ra anten phát độ lợi anten phát;trường hợp anten vô hướng mật độ thông lượng công suất Hình.2.3.Tính mức công suất thu 7 -Tính toán các tham số khác: Db III GIỚI THIỆU VÀ CÀI ĐẶT MATLAB 3.1 GIỚI THIỆU MATLAB là phần mềm cung cấp môi trường tính toán số và lập trình, do công ty MathWorks thiết kế MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện người dùng và liên kết với những chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác Với thư viện Toolbox, MATLAB cho phép mô phỏng tính toán, thực nghiệm nhiều mô hình trong thực tế và kỹ thuật 3.1.1.Ngôn ngữ lập trình Ngôn ngữ lập trình dùng trong hệ tính toán số cũng có tên gọi là MatLab Nó thuộc kiểu lập trình thủ tục (với một số đặc điểm của lập trình hướng đối tượng mới được bổ sung trong các phiên bản gần đây 3.1.2 Các kiểu dữ liệu MatLab có đầy đủ các kiểu dữ liệu đơn giản như: số nguyên, số thực, kí tự, logic (boolean) Chuỗi kí tự được đặt trong dấu nháy đơn hoặc nháy kép, chẳng hạn "Viet Nam" Kiểu dãy (sequence) có dạng dau:buoc:cuoi bao gồm một véc-tơ gồm các phần tử bắt đầu từ số dau tăng dần theo từng buoc cho đến bằng (không vượt quá) số cuoi Kết quả cho ra một véc-tơ hàng: 1.2:0.2:1.7 %chú thích: tương đương với [1.2 1.4 1.6] 1.2:0.2:1.8 %chú thích: tương đương với [1.2 1.4 1.6 1.8] 27 Kiểu ma trận đóng vai trò trung tâm trong MatLab Ví dụ một ma trận hai hàng ba cột như sau (hết một hàng cần dấu chấm phẩy để phân tách, nhưng không nhất thiết xuống dòng): [ -3 4 5.2; 2.1 -8 7.6 ] MatLab còn có một số kiểu dữ liệu khác cao cấp hơn: kiểu cell, kiểu struct (bản ghi) 3.1.3.Các phép tính với ma trận Các phép cộng trừ hai ma trận cùng kích thước được thực hiện bình thường Đặc biệt với phép nhân, MatLab phân biệt hai toán tử: * dành cho phép nhân ma trận và *dành cho nhân từng cặp phần tử tương ứng của hai ma trận 28 >> a = [2 3; 2 4] 2 3 2 4 >> a * a % chính là bình phương ma trận A 10 18 12 22 >> a.* a % chỉ là bình phương TỪNG PHẦN TỬ của A 4 9 4 16 Với phép tính lũy thừa cũng tương tự Chẳng hạn, với ví dụ trên ta có thể viết lần lượt là a^2 và a.^2 3.1.4.Cú pháp Trước đây MatLab không phân biệt chữ in, chữ thường (giống như Fortran) Các phiên hơn gần đây lại có sự phân biệt này (theo ngôn ngữ C) Các từ khóa đều viết chữ thường Lệnh gán có dạng giống như nhiều ngôn ngữ lập trình khác: tên_biến = giá_trị_biểu thức Thông thường máy sẽ in ra kết quả của biến sau khi gán, nếu ta không kết thúc lệnh gán bởi dấu ; • Ví dụ t = 2 * 3 % hiện thị t = 6 t = t + 1; % t có giá trị bằng 7 nhưng không hiển thị lên màn hình • Khai báo hàm số (ví dụ như hàm bình phương tên tham số vào là x, tên tham số ra là y: function y = binhPhuong(x) 29 binhPhuong = x * x; end • Cấu trúc rẽ nhánh, lặp: for i = 1:3 % chú ý rằng vòng lặp theo dạng dãy disp(1/i) end i=0 while i < 4 i = i + 1; % không cho hiển thị ra màn hình disp(i) % hiển thị giá trị i end 3.1.5.Cú pháp đặc biệt (syntactic sugar) Để tăng tốc độ lập trình, nhất là thao tác từ dấu nhắc lệnh, MatLab cho phép nhiều kiểu cú pháp viết tắt Chẳng hạn để xem hướng dẫn về lệnh plot thì hai câu lệnh sau là tương đương: doc('plot') doc plot % chú thích: cách viết gọn, đồng thời bỏ dấu ngoặc tròn và dấu nháy Một ví dụ nữa là các số trong một véc-tơ hàng không cần có dấu phẩy ngăn cách v1 = [2, 3, 4] v2 = [5 6 7] % cũng hợp lệ! Và ngay cả cách gọi file lệnh từ dấu nhắc cũng là một dạng rút gọn đặc biệt Chẳng hạn ta cần chạy file tinhtong.m trong thư mục hiện hành: >> tinhtong 3.1.6.Tính năng vẽ đồ thị Vẽ đồ thị là một tính năng được trau chuốt trong MatLab; với rất nhiều kiểu đồ thị khác nhau như biểu đồ dạng đường, biểu đồ chấm điểm, các lớp màu (patch) hai chiều, đường 30 đồng mức và các đường cong, mặt cong ba chiều Ngoài ra MatLab còn cung cấp giao diện để người dùng trực tiếp biên tập hình vẽ, điền vào các ghi chú theo ý muốn Vẽ đồ thị dạng đường Giả sử có dãy số liệu V đo theo thời gian t Trong MatLab, V và t đều có dạng vec tơ có cùng độ dài Khi đó lệnh vẽ đồ thị với trục hoành là t và trục tung là V có dạng: plot(t, V) xlabel('t (s)') % viết tiêu đề các trục ylabel('V (m/s)') Vẽ đồ thị dạng lớp màu Một cách hiệu quả để biểu thị các trường vật lí trong không gian hai chiều là dùng lớp màu Chẳng hạn T là một ma trận 2 chiều lưu giữ giá trị nhiệt độ của một tấm kim loại hình chữ nhật, thì việc hiển thị phân phối nhiệt độ bằng một lớp màu được thực hiện dễ dàng: pcolor(T) 3.1.7 Vẽ trường vec tơ Cũng như đồ thị lớp màu, việc hiển thị trường vec tơ rất cần thiết trong các ngành khoa học - vật lí Để vẽ trường véc-tơ hai chiều của các ma trận u và v, dùng lệnh: quiver(u,v) 3.2.CÀI ĐẶT Bước 1: Tải file matlab ở trang www.mathworks.com/products/matlab/ ở đây là bản r2016a Bước 2: Chạy file setup.exe chọn log in with a MathworksAccount để dùng tài khoản ( tạo tài khoản ở trang chủ) hoặc chọn use a file installation key ( nếu các bạn có key ) 31 Bước 3: Chọn yes để đồng ý với các điều khoản của nhà cung cấp 32 Bước 4: Nhập tài khoản email đã đăng ký Bước 5:Nhấn next ( ) 33 Bước 6:Chọn vị trí lưu của file cài đặt Bước 7:Chọn các tính năng để cài đặt ( các bạn nên để full) 34 Bước 8:Nhấn next Bước 9: Nhấn Install 35 Bước 10 :Chờ chạy xong ( khoảng 1h ) Giao diện khi đã cài đặt ( ở đây là bản r2010) 36 C.KẾT QUẢ Giao diện chương trình: 37 38 Tính toán tuyến lên: 39 Tính toán tuyến xuống: 40 D.KẾT LUẬN Vệ tinh thông tin địa tĩnh có nhiều ưu điểm mà các mạng truyền dẫn thông thường không thể đáp ứng được,nên được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới.Vệ tinh địa tĩnh được sử dụng để làm vệ tinh khí tượng hay để xây dựng hệ thống vệ tinh viễn thông thương mại và vệ tinh truyền hình.Việt Nam cũng đã sử dụng Vinasat 1 và Vinasat 2 vào mục đích này Truyền dẫn trong thông tin vệ tinh là truyền dẫn thông tin qua môi trường truyền là không khí với cự ly rất dài,nên có nhiều loại suy hao trên đường truyền.Do đó,truyền tín hiệu qua vệ tinh được tốt phải tính toán từng loại suy hao.Để chọn thiết bị truyền dẫn và kỹ thuật truyền dẫn và kỹ thuật truyền tín hiệu nhận được ở phía thu là tốt nhất trong điều kiện xấu nhất có thể TÀI LIỆU THAM KHẢO Google.com.vn “Bài giảng thông tin vệ tinh”,trung tâm kỹ thuật viễn thông,Nxb Học viện kỹ thuật quân sự cimss.ssec.wisc.edu/sage/remote_sensing/lesson/concepts.html wikipedia.org 41