Chương 8: Phân tích đường truyền vô tuyến số
Chương 8

PHÂN TÍCH ĐƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN SỐ

8.1. GIỚI THIỆU CHUNG
Các chủ đề được xét trong chương
√ Phân tích đường truyền dẫn vô tuyến số.
√ Các cấu hình hệ thống truyền dẫn số.
Mục đích chương
√ Nắm được các vấn đề chung khi quy hoach tần số cho một hệ thống truyền dẫn số
√ Hiểu được hoạt động của các cấu hình vô tuyến số
√ Thiết kế cấu hình vô tuyến cho hoạt động cụ thể của một hệ thống vô tuyến số
8.2. PHÂN TÍCH ĐƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN SỐ
Việc phân tích đường truyền vô tuyến số cho phép ta thiết kế các đường truyền dẫn
vô tuyến số đảm bảo chất lượng truyền dẫn quy định. Một trong số các đại lượng được
quan tâm nhất trong quá trình phân tích này là suy hao đường truyền. Suy hao đường
truyền làm giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm, vì thế giảm chất lượng đường truyền. Trong
phần này trước hết ta xét phân tích đường truyền vô tuyến số và ảnh hưởng của tạp âm lên
chất lượng đường truyền, sau đó ta xét một số vấn đề liên quan đến thiết kế đường truyền
vô tuyến số mặt đất và vệ tinh.
8.2.1. Tính công suất thu
Ta xét hệ thống truyền dẫn vô tuyến số đơn giản gồm máy phát và máy thu hình 8.1.

Hình 8.1. Mô hình hệ thống vô tuyến số đơn giản để phân tích đường truyền
Từ hình 8.1 công suất thu được biểu diễn như sau:
PRx =

PTx G1G 2
L rf 1L ph1L p L ph 2 L rf 2

(8.1)

trong đó: Ptz, Prx là công suất phát và thu tương ứng; G1, G2 là hệ số khuyếch đại anten phát
và antenthu tương ứng; Lrf1 và Lrf2 là tổn hao do các phần tử vô tuyến của thiết bị phát thu
gây ra như: tổn hao của các conectơ, tổn hao của các bộ lọc siêu cao tần… tại đầu phát và
đầu thu tương ứng; Lph1, Lph2 là tổn hao của phiđơ phát và thu tương ứng; Lp là suy hao
truyền sóng.

-234-


Chương 8: Phân tích đường truyền vô tuyến số
Để không phải xét cụ thể tổn hao của các phần tử vô tuyến, phi đơ phát và hệ số
khuyếch đại anten phát ta sử dụng khái niệm EIRP (Equivalent isotropic radiated power:
công suất phát xạ đẳng hướng tương đương) được xác định như sau:
EIRP=

PTx G1
L rf1L ph1

(8.2)

Biểu thức (8.2) cho thấy EIRP là công suất phát cần thiết để một máy phát tạo ra tại
phía thu công suất giống như hệ thống phát thực tế khi anten giả định phát xạ đẳng hướng
(G1=1). Lưu ý rằng, trong trường hợp ta định nghĩa EIRP khi không có tổn hao phi đơ cũng
như các phần tử vô tuyến (Lrf1 =Lf1=1): EIRP=PTxG1.
Từ các biểu thức (8.2) và (8.1) ta được:
PRx =

EIRP.G 2

L p L ph2 L rf2

(8.3a)

Lưu ý rằng, nếu xét công suất thu là công suất tại anten thì (8.3a) được biểu diễn là:
PRx =

EIRP.G 2
Lp

(8.3b)

Công suất thu (8.3) thường được tính ở theo dBm như sau:
PRx [dBm] = 10 lg

PRx
1mW

= EIRP [ dBm ] + G 2 [ dBi ] − L p [ dB] − lph 2 [ dB] − L rf 2 [ dB]

(8.4)

trong đó dBi là đơn vị so sánh hệ số khuyếch đại của anten thực tế với anten đẳng hướng
(Isotropic anten) có hệ số khuyếch đại bằng 0 dBi.
Tương tự, (8.3) cũng được biểu diễn theo dBW nếu thay tất cả các ký hiệu dBm trong
(8.4) bằng dBW.
Trong môi trường truyền sóng đồng nhất không có vật chắn (còn được gọi là không
gian tự do), tổn hao truyền sóng Lp được tính như sau:

Ls


(
4πd )2
=

(8.5)

λ2

trong đó: Ls là tổn hao trong không gian tự do; d là khoảng cách giữa anten phát và anten
thu; λ là bước sóng.
Tổn hao truyền sóng (8.5) được tính theo dB như sau:
LS [dB]=10.lgLS

= 92,5 + 20 lg f [ GHz ] + 20 lg d [ km ]

= 32,5 + 20 lg f [ MHz ] + 20 lg d [ km ]

(8.6)

Chất lượng đường truyền dẫn vô tuyến số phụ thuộc vào tỷ số của tín hiệu thu trên
tạp âm, vì thế dưới đây ta sẽ xét cách tính tạp âm cho máy thu.

-235-


Chương 8: Phân tích đường truyền vô tuyến số
8.2.2. Tính công suất tạp âm nhiệt
Như đã được xét ở các chương trước, tạp âm nhiệt thường được coi là AWGN có mật
độ phổ công suất tạp âm một biên là N0. Tại đây, ta xét cách tính công suất và mật độ phổ

công suất tạp âm nhiệt.
Tạp âm nhiệt sinh ra do sự chuyển động hỗn loạn của các điện tử trong các phần tử
của máy thu. Công suất tạp âm nhiệt được xác định là:
N = k.T.∆f ,

(8.7)

W

trong đó: k=1,38.10-23June.K-1=1,38.10-23WK-1Hz-1; T là nhiệt độ tạp âm đo bằng Kevin
(K); ∆f là băng thông đo bằng Hz.
Mật đổ phổ công suất tạp âm được tính như sau:
N0 =

N
= kT, WHz -1
∆f

(8.8)

Ảnh hưởng giảm cấp của tạp âm do phần tử thu gây ra được đánh giá bằng hệ số tạp
âm (Noise figure) được định nghĩa là tỷ số tín hiệu trên tạp âm tại đầu vào của phần tử thu
chia cho tỷ số tín hiệu trên tạp âm tại đầu ra của phần tử thu. Do đó, hệ số tạp âm được xác
định như sau:
NF =

SNR in
SNR out

(8.9)


NF cho thấy tỷ số tín hiệu trên tạp âm sẽ bị giảm đi bao nhiêu lần sau khi tín hiệu thu đi
qua phần tử thu.
Các chứng minh cho thấy, hệ số tạp âm của một phần tử thụ động (cáp nối chẳng
hạn) có suy hao bằng L chính bằng L:
NF = L

(8.10)

Khi tính toán tạp âm, công suất tạp âm gây ra do phần tử thu trường được quy đổi vào
đầu vào của phần tử này (xem hình 8.2).

Hình 8.2. Công suất tạp âm quy đổi đầu vào
Hình 8.2 xét tạp âm cho một bộ khuyếch đại thu có hệ số khuyếch đại A, gây ra công
suất tạp âm Na, tạp âm đầu vào Ni. Nếu ký hiệu Nai là tạp âm của bộ khuyếch đại quy đổi
đầu vào Nai=Na/A, thì tổng tạp âm quy đổi đầu vào là Ni+Nai và tổng tạp âm đầu ra bộ
khuyếch đại là Nout=A(Ni+Nai).
Đặt SNRin=Pr/Ni và SNRout=Pr/(Nai+Ni), trong đó Pr là công suất thu vào biểu thức
(8.9), thì công suất tạp âm phần tử thu quy đổi đầu vào được tính như sau:
N ai = ( NF − 1) N i

(8.11)

Chọn nhiệt độ tạp âm đầu vào máy thu Ti=290K làm nhiệt độ tham chuẩn, đặt
Ni=k.290K và Nai=kT với T là nhiệt độ tạp âm của phần tử thu vào phương trình (8.11), ta
được:

-236-



Chương 8: Phân tích đường truyền vô tuyến số
T = ( NF − 1) 290K

(8.12)

Đối với thiết bị thu bao gồm M phần tử khuyếch đại mắc nối tầng, trong đó mỗi phần
tử khuyếch đại có hệ số khuyếch đại Am (m=1,2,…,M), tổng hệ số tạp âm và nhiệt độ tạp
âm quy đổi đầu vào được tính như sau:
NFtol = NF1 +

Ttol = T1 +

NF2 − 1 NF3 − 1
NFM − 1
+
+ ... +
A1
A1A 2
A1A 2 ...A M −1

T
T2
TM
+ 3 + ... +
A1 A1A 2
A1A 2 ...A M −1

(8.13)
(8.14)


Cần lưu ý rằng, nếu phần tử thu là phần tử thụ động có tổn hao L thì ta thay A=1/L
vào các (8.13) và (8.14).
Từ các biểu thức (8.13) và (8.14), ta thấy tạp âm máy thu chủ yếu gây ra do các phần
tử đầu vào máy thu. Ảnh hưởng tạp âm của các phần tử sau bị giảm đáng kể do phải chia
cho tích các hệ số khuyếch đại của các phần tử trước.
8.2.3. Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
Ba tham số thường được sử dụng để đánh giá tỷ số tín hiệu trên tạp âm là: sóng mang
trên tạp âm (C/N hay PRx/N), sóng mang trên mật độ tạp âm (C/N0 hay PRx/N0), và năng
lượng bit trên mật độ phổ tạp âm. Quan hệ giữa các tham số này như sau:
PRx PRx
=
dB + 10 lg ( ∆f )
N0
N

dB

(8.15)

E b PRx
R 
=
dB − 10 lg  b  , dB
N0
N
 ∆f 

(8.16)

trong đó: Pr là công suất thu sóng mang (C); Rb là tốc bit; Eb = PRxTb là năng lượng bit.

C/N0 và Eb/N0 đều không phụ thuộc vào tần số, chúng thường được sử dụng để so
sánh hiệu suất của các hệ thống khác nhau. C/N phụ thuộc vào độ rộng băng tần của một
hệ thống cho trước (chẳng hạn bộ lọc máy thu).
Sử dụng phương trình (8.3) ta viết:
PRx
EIRP.G 2
=
N N.L p L ph 2 L rf 2

(8.17)

PRx
EIRP.G 2
=
N 0 N 0 .L p L ph 2 L rf 2

(8.18)

Đối với các máy thu tương tự, độ rộng băng tần tạp âm (xét từ phía bộ giải điều chế)
thường lớn hơn độ rộng băng tần tín hiệu, và PRx/N là tham số chính để đánh giá khả năng
phát hiện tín hiệu và chất lượng hoạt động. Nhưng đối với các máy thu số, thường dùng
các bộ tương quan hay các bộ lọc thích hợp và độ rộng băng tần tạp âm được coi bằng độ
rộng băng tần tín hiệu. Vì thế thường dùng mật độ phổ công suất tạp âm (N0) thay cho
công suất tạp âm (N).
Thay N0=kT vào phương trình (8.18) ta được:

-237-


Chương 8: Phân tích đường truyền vô tuyến số

PRx EIRP.G 2 TS
=
N 0 k.L p L ph 2 L rf 2

(8.19)

trong đó: Ts là nhiệt độ tạp âm hệ thống phụ thuộc vào tạp âm phát xạ vào anten và tạp âm
tầng đầu máy thu. Ta lưu ý rằng, hệ số khuyếch đại anten và nhiệt độ tạp âm hệ thống được
kết hợp chung thành một tham số và đôi khi tỷ số này được gọi là độ nhậy máy thu.
Một số thí dụ tính toán tạp âm và tỷ số tín hiệu trên tạp âm được cho ở phụ lục 8 A.
8.2.4. Dự trữ đường truyền
Việc phân tích quỹ đường truyền cho phép ta cân đối các tổn hao và độ lợi công suất
trong quá trình truyền dẫn để có thể đưa ra một lượng dự trữ công suất cần thiết đảm bảo
truyền dẫn trong điều kiện không thuận lợi (pha đinh) mà vẫn đảm bảo chất lượng truyền
dẫn yêu cầu. Lượng công suất dự trữ này được gọi là dự trữ đường truyền hay dự trữ
phađing (trong trường hợp không xét nhiễu) và được xác định như sau:
E 
E 
M =  b  −  b  , dB
 N 0  Rx  N 0  req

(8.20)

trong đó: M là độ dự trữ đường truyền hay phađinh; (Eb/N0)Rx, (Eb/N0)req là tỷ số năng
lượng bit trên mật độ phổ công suất tạp âm thu và yêu cầu.
Sử dụng (8.19) ta có thể viết:
M ( dB ) = EIRP [ dBW ] +

E 
G2

[dB / K ] −  b  [dB]
T
 N 0  req

(8.21)

− R b [ dB.bit / s ] − k [ dBW/K.Hz ] − L p [ dB] − L 2 [ dB]

trong đó:
EIRP = PTx [ dBW ] + G1 [ dBi ] − L ph1 [ dB] − L rf [ dB] ,
L2

= L ph 2 [ dB] − L rf 2 [ dB]

(8.22)

Thay k = -228,6 dBW/K-Hz vào (8.21) ta được:
M ( dB ) = EIRP [ dBW ] +

E 
G2
[dB / K ] −  b  [dB] − R b [dB.bit / s]
Ts
 N 0  req

(8.23)

− 228, 6 ( dBW / K.Hz ) − L p [ dB] − L 2 [ dB]

Biểu thức (8.22) thường được dùng để tính toán các đường vệ tinh. Để được biểu

thức sử dụng cho vô tuyến số mặt đất ta bỏ qua nhiệt độ tạp âm anten TA và tính mật độ
phổ công suất tạp âm quy đổi đầu vào hệ thống như sau:
kTs = k [ L 2 − 1] 290K + k.L 2 ( NF − 1)  290K
= k ( L 2 NF − 1) 290K ≈ kL 2 NF290K

(8.24)

trong đó: L2=Lph2Lrf2 là tổn hao ở các phần nối giữa máy thu với anten bao gồm tổn hao
phiđơ, bộ lọc phân nhánh và các conectơ; NF là hệ số tạp âm máy thu.
Sử dụng (8.19), (8.20) và (8.24) ta được:

-238-


Chương 8: Phân tích đường truyền vô tuyến số
M ( dB ) = EIRP [ dBm] + G 2 [ dB] − L p [ dB] − L 2 [ dB]
E 
+ 204 ( dBW / Hz ) − NF ( dB ) − R b [ dB.bit / s ] −  b  [ dB]
 N 0  req

(8.25)

trong đó: EIRP tính theo (8.23); G2, L2 là hệ số khuyếch đại và tổn hao phiđơ, bộ lọc phân
nhánh SCT và các conectơ phía thu; -kTR = 204(dBW/Hz).
Biểu thức (8.25) cũng được biểu diễn ở dBm như sau:
E 
M ( dB ) = EIRP [ dBm ] + G 2 [ dB / K ] − L 2 [ dB] −  b  [ dB]
 N 0  req

(8.26)


+ 174 [ dBm / Hz ] − NF [ dB] − R b [ dB − bit / s ] − Ls [ dB]

trong đó: EIRP[dBm]= P1[dBm] + G1[dB] - L1[dB]; L1[dB]=Lpd1[dB]+Lrf1[db]
Minh họa về tính toán quỹ đường truyền cho vô tuyến số mặt đất và thông tin vệ tinh
được cho ở phụ lục 8B.
8.3. PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN ĐƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN SỐ MẶT ĐẤT
8.3.1. Dự trữ phađinh và nhiễu
Suy hao tín hiệu trên đường truyền dẫn vô tuyến số mặt đất chịu ảnh hưởng của pha
đinh nhiều tia gây ra do sự thay đổi chiết suất hay phản xạ từ mặt đất hoặc mặt biển. Các
tín hiệu phản xạ hoặc khúc xạ khác nhau với một thời gian trễ nhất định sẽ cộng hoặc trừ
tín hiệu đi thẳng. Tín hiệu tổng sẽ bị pha đinh chọn lọc tần số. Sẽ xảy ra sự thay đổi đáng
kể thời gian trễ nhóm cũng như biên độ ở độ rộng băng tần của hệ thống. Ở tuyến vô tuyến
tương tự hiện tượng điều tần tín hiệu trên một phần phổ của đường truyền vô tuyến chỉ làm
hỏng một số kênh thoại, còn ở hệ thống vô tuyến số dẫn đến tăng tỷ số bit lỗi. Nếu tỷ số bit
lỗi này gần ngưỡng, toàn bộ tín hiệu có thể bị mất. Ngoài ra do môi trường truyền dẫn hở
nên tín hiệu truyền dẫn còn bị nhiễu từ các đài phát khác. Có thể phân chia các lỗi bit gây
ra do truyền sóng thành các nhóm riêng biệt:
• Các lỗi bit do tạp âm nhiệt khi tín hiệu bị suy giảm (phađinh phẳng: Flat Fade).
• Các lỗi bit do méo dạng thời gian trễ nhóm biên độ phụ thuộc vào tần số (phađinh
chọn lọc: Selective Fade)
• Các lỗi bit gây ra do nhiễu
Theo tiêu chuẩn ITU-R, khoảng thời gian mà độ sâu phađinh vượt quá giá trị dự trữ
đường truyền chỉ được phép trong phạm vi phần trăm rất nhỏ của thời gian được xét. Khi
thiết kế đường truyền dẫn vô tuyến số ta phải xét dự trữ đường truyền để đảm bảo tỷ số lỗi
trong khoảng thời gian do ITU quy định.
Hình 8.3 minh họa mức nhiễu, tạp âm và dự trữ phađinh, nhiễu cho một hệ thống vô
tuyến số điển hình có tốc độ bit 34 hoặc 45 kbps, điều chế 64QAM không mã hóa kênh.
Ta có thể giải thích các số liệu trên hình 8.3 như sau. Đối với hệ thống 64QAM ta có
thể xác định đựơc hàm xác suất lỗi ký hiệu Ps(Es/N0). Do mỗi ký hiệu chứa 6 bit nên xác

suất lỗi bit sẽ bằng Pb =1/6Ps(Es/N0). Nếu cho trước Pb=10-3 ta có thể xác định được
(Es/N0)req, tuy nhiên ta cần bổ sung thêm một lượng dự phòng được (Es/N0)req thực tế. Sử
dụng độ rộng băng thông Niquist ra có ∆f=Rs (Rs là tốc độ ký hiệu), Es=PRx/Rs=PRx/∆f và
vì thế (Es/N0)rep=(C/N)req=25dB. Độ lợi hệ thống là hiệu số giữa công suất phát và công

-239-


Chương 8: Phân tích đường truyền vô tuyến số
suất thu mà tại đó đảm bảo (C/N)req. Dự trữ phađinh tổng hợp được xác định theo công
thức sau:
1
1
1
1
=
+
+
m total m F m I mS

(8.27)

Công suất [dBm]

trong đó: mF là dự trữ phađinh phẳng; mI là dự trữ nhiễu; và ms là dự trữ phađinh chọn lọc
tần số. Mỗi dự trữ nói trên được đo khi loại bỏ ảnh hưởng của hai thành phần còn lại.

mF = 40dB

mFI = 39dB


ms = 61dB

mtol = 38, 9dB

Hình 8.3. Minh họa các mức nhiễu, tạp âm và dự trữ phađinh điển hình
(thiết bị vô tuyến số 34Mbps, 64QAM )
8.3.2. Tính toán dự trữ đường truyền vô tuyến số
Việc tính toán dự trữ phađịnh của một đoạn vô tuyến số dựa trên kết quả thực
nghiệm. Khoảng thời gian T mà ở đó tỷ số bit lỗi BER yêu cầu bị vượt quá sẽ tương ứng
với khoảng thời gian mà dự trữ phađinh m bị vượt quá. Khoảng phần trăm thời gian này
được xác định theo công thức thực nghiệm sau đây:
T = KQ ⋅ f B ⋅ d C ⋅

1
× 100
m

(8.28)

trong đó: KQ, B, C là các tham số phụ thuộc vào khí hậu và địa hình; f: tần số (MHz); dự
trữ phađinh m = 10 M /10 (M là dự trữ phađinh đo bằng dB); KQ = 7×10-7c, (c bằng 4 đối với
vùng biển hoặc bờ biển, bằng 1 đối với vùng khí hậu trung bình xa biển và bằng 1/4 đối
với vùng núi và các vùng khí hậu khô); 0,85≤B≤1,5 (thường khoảng bằng 1); d(km)
khoảng cách hai trạm; 2,0≤C≤3,5 (thường vào khoảng 3).
Nếu ta tách riêng thời gian giảm quá ngưỡng (Outage Time) Ts do phađinh chọn lọc
gây ra (méo dạng tín hiệu, tương ứng với dự trữ phađinh chọn lọc) và thời gian giảm cấp
do phađinh phẳng (phađinh trung bình trên độ rộng băng tần của hệ thống, liên quan đến
dự trữ phađinh phẳng mF), thì toàn bộ thời gian giảm quá ngưỡng gây ra do phađinh (Te:
thời gian hiệu dụng) sẽ được tính như sau:

Te = Ts + TF

(8.29)

Khi này phađinh hiệu dụng được xác định như sau:

-240-


Chương 8: Phân tích đường truyền vô tuyến số

1 1
1
=
+
me m F ms

(8.30)

Nếu xét cả ảnh hường giảm cấp cho nhiễu ta có:
Ttol = Te + TI = Tf + Ts + TI

(8.31)

trong đó TI là khoảng thời gian giảm quá ngưỡng do nhiễu gây ra. Độ dự trữ đường truyền
tổng hợp sẽ là
1
1
1
1

=
+
+
m total m F m I mS

(8.32)

hay theo dB:

(

m tol = −10 10 − MF /10 + 10− Ms /10 + 10− MI /10

)

(8.33)

Dưới đây ta sẽ xét tính toán đường truyền vô tuyến số không bị cho trường hợp
phađinh phẳng để kiểm tra xem lượng dự trữ được tính ở bảng PL8.1 (phụ lục 8B) có đủ
đảm bảo chất lượng đường truyền không. Ta sử dụng (8.28) với thay m bằng mF và sau khi
biến đổi ta được:

TF

M F = −10 lg 

B C
 KQf d ×100 

trong đó MF là dự trữ phađinh phẳng cần thiết để đạt được số phần trăm thời gian vượt

ngưỡng BER gây ra do phađinh phẳng TF yêu cầu.
Giả sử f=6GHz, KQ=7.10-7, c=1, B=1, C=3, d=64 km, thời gian vượt ngưỡng TF cho
tháng thấp nhất trong năm bằng 0,01 phần trăm (BER của đường truyền tồi hơn 10-3 trong
khoảng thời gian 0,01% của tháng này). Vì phần trăm vượt ngưỡng phải chia đều cho cả
hai hướng truyền dẫn nên TF=0,005 và ta được:

0,005


M F = −10 lg
= -10lg(0,0000454) = 43,4 dB
−5
3
 7 × 10 × 6 × 64 
Vậy dự trữ đường truyền cho phađinh 24,6 dB trong trường hợp này không đủ. Để
tăng thêm dự trữ phađinh ta phải sử dụng các biện pháp chống pha đinh. Chẳng hạn nếu sử
dụng phân tập không gian thì hệ số cải thiện dự trữ phađinh được tính theo công thức
Vigant như sau:

f .m 

I M (dB) =10 lg1,2.10 − 3 S 2 V 2

d 


(8.34)

F


trong đó: S(m) là khoảng cách giữa hai anten (5≤S≤15); V2= 10 (G − G ) / 10 là tỷ số công
suất thu từ hai anten; Gd và Gm là hệ số khuyếch đại anten phân tập và anten chính; f(GHz)
2

d

m

là tần số; d(km) là khoảng cách hai trạm; m= 10 M / 10 là độ sâu phađinh phẳng hay dự trữ
đường truyền cần thiết để đảm bảo thời gian vượt ngưỡng BER.
F

Nếu S=10 m, f=6GHz, Gd=Gm và MF = 43,4 dB thì từ (8.8) ta được:


6.10 43, 4 / 10 
 = 23,91 dB
I M =10 lg1,2.10 − 3.10 2

64


F

-241-


Chương 8: Phân tích đường truyền vô tuyến số
Vậy dự trữ pha đinh phẳng mới nhờ có phân tập không gian là:
M ′F = M F + I = 24, 6dB + 23, 91dB = 48, 51 dB


trong đó MF là đự trữ đường truyền khi không có phân tập không gian. So với dự trữ
phađinh cần thiết để đảm bảo chất lượng là 43,4 dB thì còn dư là 5,11 dB.
8.4. PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ ĐƯỜNG TRUYỀN THÔNG TIN VỆ TINH
8.4.1 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm đường lên
a. Công thức tổng quát
Đường lên trong đường truyền vệ tinh là đường phát từ trạm mặt đất đến vệ tinh. Ta
sử dụng (8.19) tính theo đơn vị dB cho đường lên (với ký hiệu U để biểu thị cho đường
lên). Như vậy biểu thức (8.19) được viết lại cho đường lên như sau:
 Pr 
G 
, dBHz
 N  = EIRPU +  T  − [L P ]U − k
 U
 0 U

(8.35)

Trong biểu thức (8.35), các giá trị được sử dụng là EIRP của trạm mặt đất, tổn hao
của phiđơ máy thu vệ tinh LF và G/T (thường được gọi là hệ số phẩm chất trạm) của máy
thu vệ tinh. Tổn hao trong không gian tự do và các tổn hao khác phụ thuộc vào tần số được
tính theo tần số của đường lên. Kết quả tính toán tỷ số sóng mang trên tạp âm theo (8.35) là
tỷ số tại máy thu vệ tinh.
Khi sử dụng tỷ số sóng mang trên tạp âm thay cho sử dụng tỷ số sóng mang trên mật
độ tạp âm ta sử dụng công thức sau:
 Pr 
G 
, dBHz
  = EIRPU +   − [L P ]U − k − B
N

T


U
 U

(8.36)

trong đó B là độ rộng băng tần tín hiệu (được coi bằng độ rộng băng tần tạp âm BN).
b. Mật độ thông lượng bão hoà
Bộ khuếch đại đèn sóng chạy TWTA trong bộ phát đáp vệ tinh bị bão hoà công suất
đầu ra. Mật độ thông lượng cần thiết tại anten thu để tạo nên bão hoà TWTA được gọi là
mật độ thông lượng bão hoà, là một đại lượng được quy định khi tính toán quỹ đường
truyền và biết được nó ta có thể tính toán EIRP cần thiết tại trạm mặt đất. Để được rõ, ta
xét biểu thức sau cho mật độ thông lượng tại anten thu:
ΨM =

EIRP
4πr 2

(8.37)

đây chính là thông lượng mà một bộ phát xạ đẳng hướng có công suất bằng EIRP tạo ra tại
một đơn vị diện tích cách nó một khoảng cách r.
Ở dạng dB ta được:
ΨM = EIRP +10 lg

1
4πr 2


(8.38)

Tổn hao trong không gian tự do được xác định như sau:
λ2
1
 4πr 
FSL = 10 lg
 = − 10 lg − 10 lg
4π
4πr 2
 λ 
2

-242-


Chương 8: Phân tích đường truyền vô tuyến số
10 lg

1
λ2
= − FSL − 10 lg
4πr 2
4π

(8.39)

Từ (8.38) và (8.37) ta được
ΨM = EIRP − FSL − 10 lg


λ2
4π

(8.40)

Thành phần λ2/4π có kích thước của diện tích, trong thực tế nó là diện tích hiệu dụng
của một anten đẳng hướng. Ta ký hiệu nó là A0 như sau:
A 0 = 10 lg

λ2
4π

(8.41)

Vì ta thường biết tần số chứ không phải bước sóng, nên (8.41) được viết theo theo tần
số ở GHz như sau:
A 0 = − ( 21, 45 + 20 lg f )

(8.42)

Kết hợp (8.41) với (8.40) ta được:
EIRP = Ψ M + A 0 + FSL , dBW

(8.43)

Biểu thức (8.43) được rút ra trên cơ sở là chỉ có tổn hao không gian tự do FSL, nên
nếu xét đến các tổn hao khác như: hấp thu khí quyển AA; lệch phân cực PL; lệch đồng
chỉnh anten AML; và tổn hao đấu nối cùng với phiđơ thu RFL, thì ta có
EIRP = Ψ M + A 0 + L P − RFL , dBW


(8.44)

trong đó: LP = FSL + AA + PL + AML. Đây là biểu thức cho điều kiện bầu trời quang và
nó xác định giá trị EIRP tối tiểu mà trạm mặt đất phải đảm bảo để tạo ra mật độ thông
lượng cần thiết tại vệ tinh. Thông thường, mật độ thông lượng bão hoà được quy định, khi
này (8.44) có dạng:
EIRPS,U = Ψ S + A 0 + L P,U − RFL , dBW

(8.45)

trong đó S ký hiệu cho bão hoà còn U ký hiệu cho đường lên.
c. Độ lùi đầu vào
Khi nhiều sóng mang được đưa vào cùng một bộ khuếch đại đèn sóng chạy, điểm
công tác phải được đặt lùi đến phần tuyến tính của đặc tuyến truyền đạt để giảm ảnh hưởng
méo do điều chế giao thoa. Hoạt động nhiều sóng mang này xẩy ra ở FDMA. Trong trường
hợp này EIRP trạm mặt đất phải giảm đi một lượng gọi là độ lùi (BO: back off) dẫn đến
EIRPU = EIRPS − BOi

(8.46)

trong đó EIRPS là công suất trạm mặt đất tại điểm bão hoà.
Tuy có sự điều khiển công suất vào cho bộ khuếch đại của bộ phát đáp thông qua
trạm TT&C mặt đất, nhưng thông thường vẫn cần có độ lùi đầu vào bằng cách giảm EIRP
của các trạm mặt đất khi truy nhập bộ phát đáp.
Bằng cách thế (8.45) và (8.46) vào (8.35), ta được
 Pr 
G 
, dBHz
 N  = ΨS + A 0 − BO i +  T  − k − RFL
 U

 0 U

-243-

(8.47)


Chương 8: Phân tích đường truyền vô tuyến số
8.4.2 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm đường xuống
a. Công thức tổng quát
Đường xuống là đường phát từ vệ tinh xuống trạm mặt đất. Ta sử dụng (8.35) cho
đường xuống với việc dùng ký hiệu U bằng D cho đường xuống như sau
 Pr 
G 
, dB.Hz
 N  = EIRPD +  T  − [L P ]D − k
 D
 0 D

(8.48)

Trong phương trình (8.48) các giá trị được sử dụng là EIRP vệ tinh, các tổn hao phiđơ
máy thu trạm mặt đất và G/T máy thu trạm mặt đất. Tổn hao không gian tự do và các tổn
hao phụ thuộc tần số khác được tính theo tần số đường xuống. Kết quả tỷ số sóng mang
trên mật độ tạp âm tính theo (8.48) là tỷ số tại bộ tách sóng của máy thu trạm mặt đất.
Khi cần xác định tỷ số sóng mang trên tạp âm chứ không phải tỷ số sóng mang trên
mật độ tạp âm ta sử dụng công thức sau:
 Pr 
G 
 N  = EIRPD +  T  −  L p  D − k − B , dB

D
D

(8.49)

trong đó B là độ rộng băng tần tín hiệu được coi bằng độ rộng băng tần tạp âm BN.
b. Độ lùi đầu ra
Khi sử dụng độ lùi đầu vào như đã nói ở trên, ta phải cho phép một độ lùi đầu ra
tương ứng ở EIRP vệ tinh. Đường cong ở hình 8.4 cho thấy độ lùi đầu ra không quan hệ
tuyến tính với độ lùi đầu vào. Một quy tắc thường được sử dụng là chọn độ lùi đầu ra tại
điểm đường cong có giá trị 5 dB thấp hơn phần tuyến tính ngoại suy. Vì đoạn tuyến tính
thay đổi theo tỷ lệ 1:1 ở dB, nên độ lùi đầu ra BOo = BOi-5dB. Chẳng hạn nếu độ lùi đầu
vào: BOi=11 dB thì độ lùi đầu ra BOo=11-5=6 dB.

§Çu ra dBW

5dB
§iÓm
b+o hoµ
BOo

Mét sãng mang
NhiÒu sãng mang

§iÓm c«ng
t¸c lïi
BO i

Hình 8.4. Quan hệ giữa độ lùi đầu ra và độ lùi đầu vào cho bộ khuyếch đại đèn sóng chạy
ở vệ tinh

Nếu EIRP trong điều kiện bão hòa được ký hiệu là EIRPS,D thì EIRPD=EIRPS,D-BOo
và (8.48) trở thành:
 Pr 
G 
, dB.Hz
 N  = EIRPS ,D − BO o +  T  − [L P ]D − k
 D
 0 D

-244-

(8.50)


Chương 8: Phân tích đường truyền vô tuyến số
8.4.3. Tỷ số tín hiệu trên tạp âm kết hợp đường lên và đường xuống
Một kênh vệ tinh đầy đủ bao gồm cả đường lên và đường xuống như hình 8.5. Tạp âm
sẽ được đưa vào đường lên tại đầu vào của máy thu vệ tinh. Ta ký hiệu công suất tạp âm
trên đơn vị độ rộng băng tần ở đường lên này là NU0 và công suất sóng mang tại cùng
điểm là PrU. Tỷ số sóng mang trên tạp âm đường lên sẽ là PrU/NU0.
NU 0

PrU

ND 0

Pr + G s + NU 0

GS


ND 0

NU 0

Pr = G s PrU

PrU

N 0 = G s NU 0 + ND0

Hình 8.5. a) Kết hợp đường lên và đường xuống; b) lưu đồ dòng công suất cho a)
Công suất sóng mang tại cuối đường truyền vệ tinh được ký hiệu là Pr tất nhiên đây
cũng là công suất sóng mang thu được ở đường xuống. Nó bằng GS lần công suất sóng
mang tại đầu vào vệ tinh, trong đó GS là khuếch đại công suất hệ thống từ đầu vào vệ tinh
đến đầu vào trạm mặt đất như thấy ở hình 8.5.a. Nó bao gồm khuếch đại của bộ phát đáp
và anten phát, tổn hao đường xuống và khuếch đại anten thu cùng với tổn hao phiđơ.
Tạp âm tại đầu vào vệ tinh cũng xuất hiện tại đầu vào trạm mặt đất và được nhân với
GS, ngoài ra trạm mặt đất cũng đưa vào tạp âm của chính nó (ký hiệu là ND0). Như vậy, tạp
âm đầu cuối đường truyền là: GSNU0+ND0.
Tỷ số tín hiệu trên tạp âm riêng đường xuống khi không xét đến đóng góp của GSNU0
là Pr/ND0 và Pr/N0 kết hợp tại máy thu mặt đất là Pr/(GSNU0+ND0). Lưu đồ dòng công suất
được cho ở hình 8.5b. Tỷ số sóng mang trên tạp âm kết hợp được xác định theo các giá trị
riêng của từng đường. Để chứng minh điều này, tiện hơn cả là ta sử dụng tỷ số tạp âm trên
sóng mang thay cho sóng mang trên tạp âm và biểu diễn ở dạng tỷ số công suất thay cho
dB. Ta ký hiệu giá trị tỷ số tạp âm trên sóng mang kết hợp là N0/Pr, giá trị đường lên là
(N0/Pr)U và giá trị đường xuống là (N0/Pr)D, khi này
N 0 G S NU 0 + ND0 G S N 0 ND0
=
=
+

Pr
Pr
Pr
Pr
G N
ND 0  N 0   N 0 
= S 0+
=
 +

G S PrU
Pr
 Pr  U  Pr  D

-245-

(8.51)


Chương 8: Phân tích đường truyền vô tuyến số
Biểu thức (8.51) cho thấy, để nhận được giá trị Pr/N0 kết hợp cần cộng các giá trị đảo
của từng thành phần để nhận được giá trị N0/Pr sau đó đảo lại giá trị này để nhận được
Pr/N0. Lý do phải đảo là, công suất của một tín hiệu được truyền qua hệ thống trong khi các
công suất tạp âm khác nhau trong hệ thống là tạp âm cộng. Lý do tương tự áp dụng cho tỷ
số sóng mang trên tạp âm Pr/N.
Biểu thức (8.51) cho thấy khi một trong số các tỷ số Pr/N0 của phân đoạn truyền mà
nhỏ hơn nhiều so với các tỷ số khác, thì tỷ số Pr/N0 kết hợp sẽ gần bằng tỷ số thấp nhất
này.
Lưu ý rằng, ta mới chỉ xét tạp âm anten và tạp âm nhiệt thiết bị khi tính toán tỷ số
Pr/N0 kết hợp. Một nguồn tạp âm nữa cần xem xét đó là tạp âm điều chế giao thoa, tạp âm

này sẽ được xét ở phần dưới đây.
8.4.4. Tỷ số tín hiệu trên tạp âm kết hợp tạp âm điều chế giao thoa
Điều chế giao thoa xẩy ra khi nhiều sóng mang đi qua một thiết bị có đặc tính phi
tuyến. Trong hệ thống thông tin vệ tinh, điều này thường xẩy ra ở bộ khuếch đại công suất
cao dùng đèn sóng chạy trên vệ tinh.
Thành phần giao thoa bậc ba thường rơi vào tần số mang lân cận, vì thế chúng gây ra
nhiễu. Khi số sóng mang được điều chế lớn, ta không thể phân biệt riêng rẽ các thành phần
giao thoa và chúng thể hiện giống như tạp âm, nên được gọi là tạp âm điều chế giao thoa.
Tỷ số sóng mang trên tạp âm điều chế giao thoa thường tìm được bằng phương pháp
thực nghiệm, hay trong một số trường hợp có thể được xác định bằng các phương pháp dựa
trên máy tính. Khi đã biết được tỷ số này, ta kết hợp nó với tỷ số sóng mang trên tạp âm
nhiệt bằng cách cộng các đại lượng nghịch đảo của chúng như đã xét ở phần trên. Nếu ta
ký hiệu thành phần điều chế giao thoa là (Pr/N0)IM và lưu ý rằng cộng các thành phần
nghịch đảo của Pr /N được biểu diễn ở tỷ số chứ không ở dB. Ta có thể mở rộng biểu thức
(8.51) như sau:

 N0   N0 
 N0 
 N0 

=
 +
 +

 Pr   Pr  U  Pr  D  Pr  IM

(8.52)

Để giảm tạp âm, đèn sóng chạy phải làm việc với độ lùi như đã nói ở phần trên.
8.5. TỔNG KẾT

Chương này ta đã phân tích đường truyền vô tuyến số để tính toán tỷ số tín hiệu trên
tạp âm. Trước hết quỹ đường truyền được xét. Dựa trên quỹ đường truyền ta có thể tính
đựcc công suất thu. Sau đó tạp âm được xét. Trong chương này các khái niệm tham số về
tạp âm như: công suất và mật độ phổ công suất tạp âm, hệ số tạp âm và nhiệt độ tạp âm
được trình bày. Tiếp theo chương này trình bày định nghĩa về tỷ số tín hiệu trên tạp âm và
các công thức để tính toán tỷ số tín hiệu trên tạp âm. Sau đó định nghĩa và công thức để
tính toán dự trữ đường truyền được đưa ra. Cuối cùng vấn đề thiết kế đường truyền vô
tuyến số được khảo sát.

-246-