KHÁI NIỆM CHUNG về THÔNG TIN vệ TINH 4 1 NGUYÊN lý của THÔNG TIN vệ TINH

CH NG KHÁI NI M CHUNG V THÔNG TIN V TINH 4.1 NGUYÊN LÝ C A THÔNG TIN V TINH Sau đ ợc phóng vào vũ trụ, vệ tinh tr thành trạm thơng tin ngồi trái đất Nó có nhiệm vụ thu tín hiệu d ới dạng sóng vô tuyến từ trạm trái đất, khuếch đại r i phát tr trái đất cho trạm khác Có hai quy luật chi phối quỹ đạo c a vệ tinh bay xung quanh đất là: • Mặt phẳng quỹ đạo bay c a vệ tinh phải cắt ngang tâm Trái đất • Q a đất phải trung tâm c a quỹ đạo c a vệ tinh Hình 4.1a 4.1b biểu diễn dạng quỹ đạo c c a vệ tinh MEO HEO 40.000 km HEO 40.000km 10.000 km 10.000km 1.000 km 400km GSO GEO 36.000km 36.000km LEO Hình 4.1a Ba dạng quỹ đạo c c a vệ tinh 4.1.1 Quỹ đ o c c tròn u điểm c a dạng quỹ đạo điểm mặt đất nhìn thấy vệ tinh khoảng th i gian định Việc ph sóng tồn cầu c a dạng quỹ đạo đạt đ ợc quỹ đạo bay c a vệ tinh lần l ợc quét tất vị trí mặt đất Dạng quỹ đạo đ ợc sử dụng cho vệ tinh dự báo th i tiết, hàng hải, thăm dò 57 tài ngun vệ tinh thám Nó đ ợc sử dụng cho thơng tin truyền hình th i gian xuất ngắn Quỹ đạo elip nghiêng Quỹ đạo xích đạo Quỹ đạo cực trịn Hình 4.1b Ba dạng quỹ đạo c c a vệ tinh 4.1.2 Quỹ đ o elip nghiêng u điểm c a loại quỹ đạo vệ tinh đạt đến vùng cực cao mà vệ tinh địa tĩnh đạt tới Tuy nhiên quỹ đạo elip nghiêng có nh ợc điểm hiệu ng Doppler lớn vấn đề điều khiển bám đu i vệ tinh phải m c cao 4.1.3 Quỹ đ o xích đ o tròn Đối với dạng quỹ đạo này, vệ tinh bay mặt phẳng đ dạng quỹ đạo đ ợc dùng cho vệ tinh địa tĩnh, vệ tinh bay dạng quỹ đạo lý t ng xích đạo độ cao ng vệ tinh thông tin + Quỹ đ o địa tĩnh GEO (Geosychronous Earth Orbit) Vệ tinh địa tĩnh vệ tinh đ ợc phóng lên quỹ đạo trịn 36.000km so với đ độ cao khoảng ng xích đạo, vệ tinh loại bay xung quanh đất vòng 24h Do chu kỳ bay c a vệ tinh chu kỳ quay c a trái đất xung quanh trục c a theo h ớng Đơng với h ớng quay c a trái đất, b i vệ tinh d ng nh đ ng yên quan sát từ mặt đất, đ ợc gọi vệ tinh địa tĩnh B i vệ tinh địa tĩnh đảm bảo thơng tin n định liên tục nên có nhiều u điểm h n vệ tinh quỹ đạo thấp dùng làm vệ tinh thông tin 58 Hình 4.2 Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh Nếu ba vệ tinh địa tĩnh đ ợc đặt cách bên xích đạo thiết lập thông tin liên kết vùng trái đất cách chuyển tiếp qua hai vệ tinh Điều cho phép xây dựng mạng thông tin toàn giới Ngoài ng i ta cịn có loại quỹ đạo khác: 4.1.4 Quỹ đ o trung bình MEO (Medium Earth Orbit) Vệ tinh MEO độ cao từ 10.000km đến 20.000 km, chu kỳ c a quỹ đạo đến 12 gi , th i gian quan sát vệ tinh từ đến gi ng dụng cho thông tin di động hay thông tin radio Hệ thống MEO cần khoảng 12 vệ tinh để ph sóng tồn cầu 4.1.5 Quỹ đ o th p LEO (Low Earth Orbit) Độ cao điển hình c a dạng quỹ đạo 160 đến 480 km, có chu kỳ 90 phút Th i gian quan sát thấy vệ tinh khoảng d ới 30 phút Việc bố trí vệ tinh LEO gần có thuận lợi th i gian để liệu phát đến vệ tinh ngắn Do khả thực nhanh c a nó, tác dụng tiếp s c t ng hỗ toàn cầu mạng loại hình hội thoại vơ tuyến truyền hình có hiệu hấp dẫn h n Nh ng hệ thống LEO địi hỏi phải có khoảng 60 vệ tinh loại bao trùm hết bề mặt địa cầu 59 4.2 CÁC Đ C ĐI M C A THÔNG TIN V TINH: Trong th i đại nay, thông tin vệ tinh đ ợc phát triển ph biến nhanh chóng nhiều lý khác Các u điểm c a thơng tin vệ tinh so với ph ng tiện thông tin d ới biển mặt đất nh hệ thống cáp quang hệ thống chuyển tiếp viba số là: - Có khả đa truy nhập - Vùng ph sóng rộng, cần vệ tinh địa tỉnh ph sóng tồn cầu - n định cao, chất l ợng khả cao thông tin băng rộng - Có thể ng dụng cho thơng tin di động - Thích hợp với dịch vụ truyền hình - Hiệu kinh tế cao thông tin cự ly lớn, đặc biệt thơng tin xun lục địa Sóng vô tuyến điện phát từ vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh bao ph h n 1/3 toàn bề mặt trái đất, nên trạm mặt đất đặt vùng thơng tin trực tiếp với trạm mặt đất khác vùng qua vệ tinh thông tin Kỹ thuật sử dụng vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất việc tăng hiệu sử dụng c a tới cực đại đ ợc gọi đa truy nhập Nói cách khác đa truy nhập ph ng pháp dùng phát đáp vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất 4.3 H TH NG THÔNG TIN V TINH C B N Một hệ thống thông tin vệ tinh bao g m hai phần c bản: - Phần không vệ tinh thiết bị liên quan - Phần mặt đất bao g m trạm mặt đất Trong vệ tinh đóng vai trị lặp lại tín hiệu truyền trạm mặt đất, thực chất kỹ thuật thông tin vệ tinh kỹ thuật truyền dẫn mà mơi tr truyền dẫn không gian vũ trụ với khoảng cách đ ng ng truyền dài Tại ta gặp lại số vấn đề tốn truyền dẫn, vấn đề điều chế tạp âm nhiễu đ ng truyền, đ ng hai đầu thu phát 60 Đ ng xuống 4GHz(11GHz) Đ ng lên 6GHz(14GHz) Điều chế Nâng tần Khuếch đại tạp âm tháp Khuếch đại công suất Giải điều chế Hạ tần Hình 4.3 Liên lạc hai trạm mặt đất qua vệ tinh Hình vẽ ví dụ đ n giản liên lạc hai trạm mặt đất thông qua vệ tinh thông tin Đ ng h ớng từ trạm mặt đất phát đến vệ tinh đ ợc gọi đ link) đ ng từ vệ tinh đến trạm mặt đất thu gọi đ ng xuống (Down link) Hầu hết, tần số khoảng 6GHz 14GHz đ ợc dùng cho đ tần số khoảng 4GHz 11GHz cho đ ng lên (Up ng lên ng xuống Tại đầu phát, thông tin nhận từ mạng ngu n (có thể kênh thoại, truyền hình quảng bá, truyền số liệu ) đ ợc dùng để điều chế sóng mang trung tần IF Sau tín hiệu đ ợc đ a qua chuyển đ i nâng tần (Up Converter) cho tần số cao h n RF (Radio Frequency) Tín hiệu RF đ ợc khuếch đại khuếch đại công suất cao HPA (High Power Amplifier) r i đ ợc b c xạ không gian lên vệ tinh qua anten phát Tại vệ tinh, tín hiệu nhận đ ợc qua anten đ ợc khuếch đại chuyển đ i tần số xuống (Down Converter), sau đ ợc khuếch đại công suất r i đ ợc phát tr lại trạm mặt đất trạm mặt đất thu, tín hiệu thu đ ợc qua anten đ ợc khuếch đại b i khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier) Sau đ ợc chuyển đ i tần số xuống trung tần qua chuyển đ i hạ tần (Down Converter) cuối đ ợc giải điều chế khơi phục lại tín hiệu băng gốc 4.4 T n s s d ng thông tin v tinh Các tần số sử dụng thông tin vệ tinh nằm băng tần siêu cao SHF (Super High Frequency) từ đến 30 GHz, ph tần số sử dụng cho vệ tinh ng i ta chia băng tần nhỏ với phạm vi c a dãy ph nh bảng 4.1 61 Bảng 4.1 Tần số sử dụng thông tin vệ tinh Băng C X Ku Ka T n s (GHz) Bước sóng (cm) 7,025 ÷ 8,425 4,41 ÷ 3,56 3,400 ÷ 7,075 8,82 ÷ 4,41 10,90 ÷ 18,10 2,75 ÷ 1,66 17,70 ÷ 36,00 1,95 ÷ 0,83 Hiện nay, băng C băng Ku đ ợc sử dụng ph biến nhất, băng C (4/6 GHz) nằm khoảng cửa s tần số, suy hao m a, tr ớc đ ợc dùng cho hệ thống viba mặt đất Sử dụng chung cho hệ thống Intelsat hệ thống khác bao g m hệ thống vệ tinh khu vực nhiều hệ thống vệ tinh nội địa Băng Ku (12/14 11/14 GHz), đ ợc sử dụng rộng rãi tiếp sau băng C cho viễn thông công cộng, dùng nhiều cho thông tin nội địa thông tin công ty Do tần số cao nên cho phép sử dụng anten có kích th ớc nhỏ, nh ng tần số cao nên tín hiệu băng Ku bị hấp thụ lớn m a Băng Ka (20/30 GHz) lần sử dụng cho thông tin th ng mại qua vệ tinh Sakura c a Nhật, cho phép sử dụng trạm mặt đất nhỏ hoàn toàn không gây nhiễu cho hệ thống viba Tuy nhiên băng Ka suy hao đáng kể m a nên không phù hợp cho thông tin chất l ợng cao 4.5 Các phư ng pháp đa truy nhập đ n v tinh 4.5.1 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA FDMA (Frequency Division Multiplex Access) loại đa truy nhập đ ợc dùng ph biến thông tin vệ tinh, hệ thống trạm mặt đất phát sóng mang có tần số khác với tần số sóng mang c a trạm mặt đất khác Mỗi sóng mang đ ợc phân cách với sóng mang khác băng tần bảo vệ thích hợp cho chúng khơng ch ng lên FDMA đ ợc sử dụng cho tất hệ thống điều chế: hệ thống điều chế t ng tự hay điều chế số nh sóng mang FM (Frequency Modulation) điều chế tín hiệu điện thoại ghép kênh tín hiệu truyền hình sóng mang PSK (Phase Shift Keying) 62 điều chế số Một trạm mặt đất thu tín hiệu có ch a thơng tin nh lọc thông dải Th i gian fA fB fC fD Tần số Bộ phát đáp Hình 4.4 FDMA Ph ng pháp cho phép tất trạm truyền dẫn liên tục, có u điểm khơng cần thiết điều khiển định th i đ ng thiết bị sử dụng đ n giản Hiệu sử dụng cơng suất vệ tinh c a tốt, nhiên kênh truyền dẫn đ ợc phân chia theo th ớc đo vật lý tần số Nên ph ng pháp thiếu linh hoạt việc thay đ i cách phân phối kênh hiệu thấp số sóng mang tăng Nh ng bù lại ph cấu hình ph ng pháp có th tục truy nhập đ n giản, ng tiện trạm mặt đất đ n giản h n 4.5.2 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA A D Thời gian C 1khung TDMA B A f0 Tần số Hình 4.5 Đa truy nhập phân chia theo th i gian TDMA ph ng pháp đa truy nhập trạm mặt đất dùng chung phát đáp c s phân chia theo th i gian nh hình 4.5 Trong trục 63 hoành tần số, trục tung th i gian Trục th i gian đ ợc phân chia thành khoảng th i gian gọi khung TDMA, khung TDMA đ ợc phân chia thành khe th i gian, khe th i gian đ ợc ấn định cho trạm mặt đất Tất trạm mặt đất dùng chung sóng mang có tần số trung tâm f phát thu tín hiệu khe th i gian đ ợc ấn định Vì thế, khoảng th i gian định, có tín hiệu từ trạm mặt đất chiếm toàn băng tần c a phát đáp vệ tinh không bao gi xảy tr ng hợp tín hiệu từ hai trạm mặt đất tr lên chiếm phát đáp c a vệ tinh th i gian Độ dài c a khe th i gian ấn định cho trạm mặt đất tuỳ thuộc vào l u l ợng c a trạm TDMA sử dụng sóng mang điều chế số sóng mang đ ợc phát từ trạm mặt đất cần phải đ ợc điều khiển xác cho chúng nằm khe th i gian đ ợc phân phối Để làm đ ợc điều này, cần phải có tín hiệu chuẩn phát từ trạm chuẩn trạm khác lần l ợt truyền tín hiệu sau tín hiệu chuẩn Trong ph ng pháp đa truy nhập này, trạm mặt đất phải truyền tín hiệu cách gián đoạn cần phải dự phòng khoảng th i gian bảo vệ sóng mang để tín hiệu từ trạm mặt đất không ch ng lấn lên đến phát đáp u điểm c a ph ng pháp sử dụng tốt cơng suất tối đa c a vệ tinh thay đ i dễ dàng dung l ợng truyền tải cách thay đ i khoảng th i gian phát thu, linh hoạt việc thay đ i, thiết lập tuyến, đặc biệt hiệu suất sử dụng tuyến cao số kênh liên lạc tăng Mặt khác, TDMA kết hợp với kỹ thuật nội suy tiếng nói tăng dung l ợng truyền dẫn lên ba đến bốn lần Tuy nhiên, TDMA có số nh ợc điểm nh sau: • Yêu cầu phải có đ ng cụm Mạng TDMA ch a trạm l u l ợng trạm chuẩn Các cụm đ ợc phát từ trạm l u l ợng đ ợc gọi cụm l u l ợng Số liệu l u l ợng đ ợc phát cụm l u l ợng Trạm chuẩn phát cụm đặc biệt theo chu kỳ gọi cụm chuẩn Cụm chuẩn cung cấp chuẩn định th i chu kỳ c a khung TDMA Mỗi trạm l u l ợng phát cụm l u l ợng khe th i gian đ ợc ấn định vệ tinh cách điều khiển định th i phát cụm theo cụm chuẩn, cụm chuẩn đ ợc sử dụng làm chuẩn định th i, cụm chuẩn 64 cụm l u l ợng đ ợc đặt theo th tự để tránh ch ng lấn khung TDMA Nếu khơng có đ ng cụm cụm đ ợc phát tr ợt khỏi khe th i gian đ ợc ấn định vệ tinh Nếu xảy ch ng lấn cụm vệ tinh thơng tin bị • Tín hiệu t ng tự phải đ ợc chuyển sang dạng số sử dụng kỹ thuật TDMA • Giao diện với hệ thống mặt đất t ng tự ph c tạp dẫn đến giá thành c a hệ thống cao 4.5.3 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA CDMA (Code Division Multiplex Access) ph ng pháp truy nhập ng dụng kỹ thuật trải ph , đối t ợng : • Đ ợc phép hoạt động đ ng th i • Hoạt động tần số nh • Sử dụng tồn băng tần c a hệ thống lúc mà không gây nhiễu sang thông tin c a đối t ợng khác Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA ph ng pháp đa truy nhập mà trạm mặt đất phát tín hiệu cách liên tục đ ng th i, sử dụng băng tần c a kênh Trong CDMA, sóng mang phát đ ợc điều chế mã đặc biệt qui định cho trạm mặt đất trạm mặt đất thu tách đ ợc tín hiệu cần thu khỏi tín hiệu khác nh mã đặc biệt Tập hợp mã cần dùng phải có thuộc tính t ng quan sau đây: • Mỗi mã phải đ ợc phân biệt cách dễ dàng với c a bị dịch chuyển theo th i gian • Mỗi mã phải đ ợc phân biệt cách dễ dàng bất chấp mã khác đ ợc sử dụng mạng Việc truyền dẫn tín hiệu hữu ích kết hợp với mã địi hỏi mơt băng thơng lớn h n nhiều so với băng thông yêu cầu để truyền dẫn riêng thơng tin hữu ích Đó lý ng i ta gọi truyền dẫn trải ph 65 Đặc điểm CDMA • Hoạt động đ n giản, khơng địi hỏi đ ng truyền dẫn trạm Đ ng đ ng c a máy thu với chuỗi sóng mang thu đ ợc • Nh việc trải ph phía phát thu hẹp ph phía thu nên có khả chống lại can nhiễu hệ thống nhiễu t ợng đa đ ng truyền tốt, đ ng th i có tính bảo mật c a tín hiệu cao Bên cạnh u điểm nh trên, CDMA t n nh ợc điểm nh hiệu sử dụng băng tần kém, độ rộng băng tần truyền dẫn yêu cầu lớn Tuy CDMA phù hợp mạng có trạm nhỏ với độ rộng chùm tia anten lớn truyền thông vệ tinh với máy di động 4.5.4 Phương pháp đa truy nhập phân phối trước đa truy nhập phân phối theo yêu cầu 4.5.4.1 Đa truy nhập phân phối trước Đa truy nhập phân phối tr ớc ph ng pháp đa truy nhập mà kênh vệ tinh đ ợc phân bố cố định cho tất trạm mặt đất khác nhau, bất chấp có hay khơng có gọi phát 4.5.4.2 Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu ph ng pháp đa truy nhập mà kênh vệ tinh đ ợc xếp lại có yêu cầu thiết lập kênh từ trạm mặt đất có liên quan Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu cho phép sử dụng có hiệu dung l ợng kênh c a vệ tinh đặc biệt số trạm mặt đất có dung l ợng nhỏ sử dụng chung phát đáp nh tr ng hợp hệ thống điện thoại vệ tinh biển 4.6 S PHÂN C C SÓNG Tr ng điện từ c a sóng vơ tuyến điện truyền qua mơi tr ng dao động theo h ớng định, tuỳ theo kiểu dao động mà ta có hai loại phân cực Hai loại phân cực sóng vơ tuyến điện đ ợc sử dụng thông tin vệ tinh sóng phân cực thẳng sóng phân cực trịn Trong phân cực tròn đ ợc chia làm hai loại phân cực trịn phân cực elip nh hình vẽ 66 Phân cực thẳng có dạng phân cực đ ng phân cực ngang nh hình vẽ: 4.6.2 Sóng phân c c trịn Sóng phân cực trịn sóng truyền lan phân cực c a quay trịn, tạo loại sóng cách kết hợp hai sóng phân cực thẳng có phân cực vng góc góc lệch pha 900 68 Sóng phân cực trịn phân cực phải hay trái phụ thuộc vào khác sóng phân cực thẳng sớm pha hay chậm pha Đối với sóng phân cực trịn khơng cần điều chỉnh h ớng c a loa thu, nh ng mạch fiđ c a anten lại tr nên ph c tạp h n đôi chút Trong thông tin vệ tinh, sóng phân cực trịn đ ợc chọn để sử dụng nh có tính u việt sau: - Sự chênh lệch phân cực tròn phải phân cực tròn trái lớn Vì mà việc phát thu tín hiệu khơng ảnh h ng lên với kỹ thuật sử dụng lại tần số -Trong khoảng tần số từ 4GHz đến 6GHz m c độ phân cách hai phân cực phải phân cực trái rõ rệt, chúng khơng gây giao thoa hay can nhiễu lên 4.7 C A SỔ T N S Các sóng vơ tuyến điện truyền đến hay từ vệ tinh thông tin chịu ảnh h ng c a tầng điện ly khí Tầng điện ly lớp khí lỗng bị ion hố b i tia vũ trụ, có độ cao từ 60km đến 400km so với mặt đất, lớp mang điện có tính chất hấp thụ phản xạ sóng Do biến đ i trạng thái c a tầng điện ly, làm giá trị hấp thụ phản xạ thay đ i gây biến thiên c ng độ sóng vào, 69 gọi thăng giáng Tuy nhiên tính chất ảnh h thấp, tần số cao ảnh h ng ch yếu băng tần ng c a tầng điện ly ít, tần số viba (1GHz) hầu nh không bị ảnh h băng sóng ng c a tầng điện ly Khi tần số >10GHz cần tính tốn suy hao m a nh hình 4.6 Suy hao (dB) 100 50 Suy hao tầng điện ly Suy hao m a 25mm/h 10 Cửa s tần số 0,1 0,5 10 50 100 Tần số (GHz) Hình 4.6 Đ thị biểu diễn suy hao m a tầng điện ly theo tần số Từ hình vẽ ta thấy tần số nằm khoảng 1GHz 10GHz suy hao kết hợp tầng điện ly m a nhỏ không đáng kể, băng tần đ ợc gọi "cửa s tần số" Lúc sóng nằm cửa s vơ tuyến suy hao truyền dẫn đ ợc xem gần suy hao không gian tự 70 Vì vậy, cho phép thiết lập đ ý đến can nhiễu với đ ng thông tin vệ tinh n định, nh ng phải l u ng thơng tin viba mặt đất sóng thông tin viba sử dụng tần số nằm cửa s Ngồi ra, m a lớn suy hao m a cửa s tần số cần phải đ ợc tính tốn, xem xét thêm để kết tính tốn có độ xác cao h n 4.8 SUY HAO TRONG THÔNG TIN V TINH Một tuyến thông tin vệ tinh bao g m đ ng truyền sóng từ anten c a trạm phát đến vệ tinh (tuyến lên - uplink) từ vệ tinh đến anten c a trạm mặt đất thu (tuyến xuống - downlink) Do suy hao thơng tin vệ tinh g m loại suy hao sau: 4.8.1 Suy hao không gian t Đối với vệ tinh điạ tĩnh độ cao 35.768km, cự ly thông tin cho tuyến lên hay tuyến xuống gần 35.768km Do cự ly truyền sóng thơng tin vệ tinh lớn nh nên suy hao không gian tự suy hao lớn Gọi suy hao Ltd , ta có : ⎛ 4πd ⎞ Ltd = ⎜ ⎟ ⎝ λ ⎠ (4.1) Trong d[km] : chiều dài c a tuyến lên hay xuống λ [m] : b ớc sóng cơng tác Ltd [dB] B ớc sóng λ đ ợc đ i tần số công tác với quan hệ f = c/ λ c : vận tốc ánh sáng c = 3.108 m/s f : tần số công tác [GHz] Trong đ n vị dB ⎛ 4π d ⎞ L td dB = 10 lg ⎜ ⎟ ⎝ λ ⎠ ⎛ π df ⎞ = 10 lg ⎜ ⎟ ⎝ c ⎠ ⎛ π df ⎞ = 20 lg ⎜ ⎟ ⎝ c ⎠ Suy hao không gian tự c a tuyến lên hay xuống công tác (4.2) băng C (4/6GHz) vào khoảng 200dB Để bù vào suy hao này, đảm bảo cho máy thu nhận đ ợc tín hiệu đ lớn cỡ -90dBm đến -60dBm, ng i ta sử dụng anten có đ ng 71 kính đ lớn hàng chục mét để có hệ số tăng ích lớn khoảng 60dB máy phát có cơng suất lớn hàng trăm dến hàng ngàn W Xét tr ng hợp máy phát có cơng suất b c xạ 100W cho sóng mang, cơng tác băng C (6/4GHz) Nếu tính đến suy hao khơng gian tự 200dB cơng suất thu đ ợc sóng mang là: PRx = 10 lg 100(dBW ) − 200(dB) PRx = 100 / 10 20 = 10 −18 ( W ) = 10 −15 ( mW ) Tính theo dBw : = 20 (dBW) - 200 (dB) = -180 (dBW) = -150 (dBmW) Với cơng suất nhỏ nh máy thu khơng thể thu đ ợc tín hiệu, để có đ ợc cơng suất đầu vào máy thu khoảng -70dBm ta phải sử dụng anten phát thu có hệ số tăng ích lớn Nếu hệ số tăng ích c a anten trạm mặt đất GR=50dB anten thu vệ tinh có hệ số tăng ích GT=30dB Ngồi suy hao khơng gian tự cịn có suy hao khác khơng lớn nh ng tính tốn tuyến thơng tin vệ tinh mà ta khơng xét hết khả xấu ảnh h ng c a mơi tr ng truyền sóng xảy t ợng chất l ợng thơng tin xấu làm gián đoạn thơng tin Các suy hao đ ợc trình bày sau 4.8.2 Suy hao t ng đ i lưu Tầng đối l u lớp khí nằm sát mặt đất lên đến độ cao (10km-15km) (theo quy định c a tầng đối l u tiêu chuẩn), bao g m chất khí hấp thụ sóng gây suy hao nh h i n ớc, Oxy, Ozon, Cacbonic Suy hao phụ thuộc nhiều vào tần số góc ngẩng c a anten đáng kể tần số công tác từ 10GHz tr lên, nghĩa công tác băng Ku (14/12GHz) hay băng Ka (30/20GHz) Anten có góc ngẩng lớn suy hao tầng đối l u nhỏ, đ ng truyền c a sóng tầng đối l u ngắn Tại tần số 21GHz 60GHz có suy hao cực đại, cộng h ng hấp thụ phân tử h i n ớc Oxy 4.8.3 Suy hao t ng n ly 72 Tầng điện ly lớp khí nằm độ cao bao g m ch yếu điện tử tự do, ion hoá mạnh nên lớp khí ion âm d độ cao khoảng 60km đến 400km, bị ng nên đ ợc gọi tầng điện ly Sự hấp thụ sóng tầng điện ly giảm tần số tăng, tần số 600MHz hấp thụ khơng đáng kể 4.8.4 Suy hao thời ti t Suy hao điều kiện th i tiết nh mây, m a, s thuộc vào nhiều yếu tố nh c quãng đ ng độ m a hay s ng mù, suy hao phụ ng mù, vào tần số, vào chiều dài ng c a sóng m a, chiều dài phụ thuộc vào góc ngẩng anten Khi góc ngẩng tăng, suy hao giảm, với góc ngẩng anten khoảng 400 tr lên suy hao khơng đáng kể, lúc suy hao m a khoảng 0,6 dB, suy hao s ng mù khoảng 0,2dB, suy hao chất khí nhỏ bỏ qua Nói chung tần số c ng độ m a tăng suy hao tăng nhanh, đặc biệt khoảng tần số từ 10GHz đến 100GHz Suy hao thực tế tuỳ thuộc vào góc ngẩng anten, độ cao đặt anten so với m c n ớc biển, chiều cao c n m a s ng mù mà đoạn đ vùng khác Suy hao toàn đoạn đ là: Ltt = γ Le (dB) Trong γ : hệ số suy hao đoạn đ môi tr ng gây suy hao nh c ng thực tế c a sóng qua ng có chiều dài Le sóng qua ng 1km (dB/km), phụ thuộc tần số, ng độ m a hay độ dày c a s ng mù Le : chiều dài thực tế sóng qua vùng gây suy hao (km), phụ thuộc góc ngẩng anten, độ cao đặt anten, đ ợc xác định theo công th c: Le = hm − hs ( km ) sin E (4.3) Với hm độ cao c a c n m a (km), theo khuyến nghị 564 c a CCIR vĩ độ từ 00 đến 560 lấy hm = + 0,028 (km) hs độ cao anten trạm mặt đất so với m c n ớc biển (km) E góc ngẩng anten (độ) 4.8.5 Suy hao đ t anten chưa Khi anten phát thu lệch tạo suy hao búp c a anten thu h ớng khơng chùm tia phát xạ c a anten phát 73 Th ng suy hao đặt anten ch a từ 0,8 đến dB Anten thu Anten phát Góc sai lệch αT αR Hình 4.7 Sai lệch đặt anten ch a 4.8.6 Suy hao thi t bị phát thu T n hao Fiđ TX T n hao Fiđ L LFTX PTX LFRX PT PRX PR RX GT GR Hình 4.8 Suy hao thiết bị phát thu Suy hao thiết bị phát thu gọi suy hao hệ thống fiđ , có hai loại nh sau: Suy hao LFTX máy phát anten, để anten phát đ ợc công suất PT cần phải cung cấp công suất PTX đầu c a khuếch đại phát, vậy: PT = PTX - LFTX Suy hao LFRX anten máy thu, công suất PRX PR = PRX - LFRX Trong hệ thống vệ tinh nay, để đ n giản th [dB] đầu vào máy thu bằng: [dB] ng lấy hệ số t n hao fiđ LFRX = LFTX = 2dB Suy LFTX = LFRX = 10-0,2 (lần) 4.8.7 Suy hao phân c c không đ i x ng Suy hao phân cực không đối x ng xảy anten thu không h ớng với phân cực c a sóng nhận Vớí đ ng truyền phân cực trịn, sóng phát đ ợc phân cực tròn trục anten phát tr thành elip khỏi trục anten Khi truyền qua bầu khí làm thay đ i phân cực tròn thành phân cực elip Còn đ ng truyền phân cực thẳng sóng bị quay mặt 74 phẳng phân cực c a đ ng truyền qua khí quyển, anten thu khơng cịn mặt phẳng phân cực c a sóng đ ng sóng tới Suy hao lệch phân cực th ng 0,1dB 4.9 T P ÂM TRONG THÔNG TIN V TINH Trong tuyến thông tin vệ tinh,tạp âm gây cho trạm mặt đất nhiều nguyên nhân nh sau: 4.9.1 Nhi t t p âm h th ng Trong tuyến thông tin vệ tinh, tạp âm gây cho trạm mặt đất nhiều nguyên nhân đ ợc tính nhiệt tạp âm t ng đ ng TSYS đ ợc gọi nhiệt tạp âm hệ thống Nhiệt tạp âm hệ thống đ ợc xem t ng c a bốn thành phần đ ợc biểu diễn theo biểu th c: TSYS = TS + T A + TF + TR LF [0K] (4.4) Dải ngân hà Tầng điện ly Mặt trăng Mặt tr i Tr i m a búp búp ng ợc búp phụ Hình 4.9 Các ngu n tạp âm ảnh h ng đến thơng tin vệ tinh Trong đó: TSYS : nhiệt tạp âm hệ thống TS : nhiệt tạp âm bên TA : nhiệt tạp âm anten TF : nhiệt tạp âm c a hệ thống fiđ TR : nhiệt tạp âm hiệu dụng đầu vào máy thu 75 LF: Suy hao c a hệ thống fiđ , đ ợc đ a vào tính tốn với nhiệt tạp âm bên ngồi, nhiệt tạp âm an ten nhiệt tạp âm fiđ loại tạp âm có liên quan đến suy hao c a fiđ Ta lần l ợt xét đến loại tạp âm 4.9.1.1 Nhiệt tạp âm bên TS nhiệt tạp âm anten TA Nhiệt tạp âm bên anten bao g m: + Nhi t t p âm không gian: g m thành phần sau: - Nhiệt tạp âm vũ trụ: tác động tần số vô tuyến b c xạ từ vũ trụ d lại (khoảng 2,760K) - Nhiệt tạp âm c a dải ngân hà: h ớng anten vào vùng có số cực đại c a dải ngân hà nhiệt tạp âm lên đến gần 1000K vùng tần số từ 0,3GHz đến1,2GHz - Nhiệt tạp âm c a mặt tr i: mặt tr i b c xạ sóng điện từ đặc biệt tất tần số, dải viba (microwave) Nhiệt tạp âm mặt tr i gây cho trạm mặt đất phụ thuộc vào h ớng anten, mặt tr i nằm ngồi vùng ph sóng c a búp anten nhiệt tạp âm d ới 500K Còn mặt tr i chiếu thẳng vào anten nhiệt tạp âm lên đến 10.0000K h n tuỳ thuộc tần số cơng tác, kích th ớc mặt phản xạ số vết đen c a mặt tr i (số vết đen thể hoạt động mạnh hay yếu c a mặt tr i) Tr ng hợp trạm mặt đất - vệ tinh - mặt tr i nằm đ ng thẳng xảy vài ngày năm vào mùa xuân làm cho thông tin bị gián đoạn vài ba phút + Nhi t t p âm khí quy n (nhiệt tạp âm tầng đối l u): phụ thuộc vào chiều dài quãng đ ng c a sóng tầng đối l u (độ cao 15 km từ mặt đất) Nói cách khác phụ thuộc vào góc ngẩng c a anten, tần số cơng tác + Nhiệt tạp âm m a, đ ợc xác định công th c : TM = Tm ( − Trong ) LM (4.5) TM : nhiệt tạp âm m a (0K) LM : suy hao m a, LM = 16,57 Tm : nhiệt độ trung bình c a c n m a 76 Tm = 1,12 Txq - 50 (0K) (4.6) Txq : nhiệt độ xung quanh trạm mặt đất ( K) + Nhi t t p âm t tr m m t đ t xung quanh tr m: Vì anten c a trạm mặt đất h ớng lên bầu tr i nên nhiệt tạp âm c a mặt đất gây ch yếu búp phụ búp ng ợc, phần cho búp anten có tính định h ớng góc ngẩng nhỏ - Nhiệt tạp âm cho búp phụ gây đ ợc tính theo cơng th c: Ti = Gi × TD (4.7) Trong Gi : hệ số tăng ích c a búp phụ TD : nhiệt độ chiếu sáng mặt đất mặt tr i tạo TD = 1500K góc ngẩng từ 00 đến 100 TD = 100K góc ngẩng từ 100 đến 900 Ngồi cịn nhiệt tạp âm ch ớng ngại gần nh nhà, mái che (ví dụ nh vịm cây), phận cản tr anten nh đỡ, tiếp sóng (ngu n b c xạ s cấp) suy hao búp phụ gây 4.9.1.2 Nhiệt tạp âm hệ thống fiđơ TF Nhiệt tạp âm hệ thống fiđ đ ợc tính b i biểu th c sau: TF = T0 ( LF -1) (0K) Trong T0 : nhiệt độ môi tr (4.8) ng (0K) LF : suy hao c a hệ thống fiđ TF tăng LF tăng dẫn đến công suất tạp âm bên gây b i hệ thống fiđ tăng lên Do cần thiết kế ph ng tiện cho có hệ thống fiđ nhỏ Một cách gần coi nhiệt tạp âm fiđ 2900K 4.9.1.3 Nhiệt tạp âm máy thu TR Nhiệt tạp âm máy thu t ng nhiệt tạp âm gây phần c a máy thu Nó đ ợc tính b i cơng th c sau: TR = T1 + Trong TR T TK T2 + + + (0K) G1G2 G K −1 G1 G1G2 (4.9) : nhiệt tạp âm máy thu (0K) 77 G1 ,G2 , ,G K : hệ số khuếch đại phần : nhiệt tạp âm đầu vào (0K) T1 ,T2 , ,TK Nếu hệ số khuếch đại tầng đầu đ lớn tạp âm tầng bỏ qua Do yêu cầu tầng phải có hệ số khuếch đại lớn tạp âm thấp, thơng tin vệ tinh dùng khuếch đại tạp âm thấp (LNA-Low Noise Amplifier) Một cách gần ta coi nhiệt tạp âm tầng đầu nhiệt tạp âm c a máy thu 4.9.2 Công suất tạp âm hệ thống Công suất tạp âm hệ thống N đ ợc biểu thị b i biểu th c: N = k TSYS B Trong [W] (4.10) N : cơng suất tạp âm ngu n tạp âm gây độ rộng băng tần B (Hz) TSYS : nhiệt tạp âm hệ thống k : số Boltzman, k = 1,38.10-23W/Hz.0K = -228,6 (dBW/Hz.K) B băng thông cấp cho sóng mang Tr ng hợp tạp âm tính độ rộng băng tần 1Hz cơng suất tạp âm sinh gọi mật độ ph tạp âm N0 : N0 = N/B (W/Hz), nhiệt tạp âm t đ ng ng : TSYS = N0/k (4.11) 4.9.3 Công suất tạp âm nhiễu 4.9.3.1 Can nhiễu khác tuyến Các tuyến thơng tin vệ tinh bị nhiễu tr ng hợp nh sau: + Tuyến viba mặt đất đến vệ tinh thông tin + Tuyến viba mặt đất đến trạm mặt đất + Vệ tinh thông tin khác đến trạm mặt đất + Can nhiễu viba trạm mặt đất: Có hai tr ng hợp 78 Tr đ ng hợp th nhất, đ ng lên c a hệ thống thông tin vệ tinh, b i tín hiệu viba mặt đất đ ợc trộn với tín hiệu Tr đ ng thơng tin viba mặt đất có tần số làm việc với đầu vào máy thu vệ tinh ng hợp th hai, đ ng thơng tin vi ba mặt đất có tần số tần số ng xuống c a hệ thống thông tin vệ tinh, b i đất bị trộn với tín hiệu c a đ đầu vào máy thu trạm mặt ng thông tin viba mặt đất Quỹ đạo địa tĩnh Trạmviba Trạm mặt đất Hình 4.10 Can nhiễu viba trạm mặt đất vệ tinh Trong thiết kế tuyến thực tế, phải đặt trạm mặt đất cho nhiễu xảy nhất, nhiễu nhỏ cách sử dụng anten có đặc tính búp phụ tốt Mặc dù mục tiêu c thiết kế tuyến vệ tinh thông tin để loại bỏ nhiễu, điều thực đ ợc thiết kế tuyến phải bao hàm l ợng nhiễu cho phép Nhiễu th ng đánh giá đ ợc tính tốn, ví dụ nh thành phố có nhiều vật cản phản xạ quanh n i đặt trạm mặt đất Vì phải dùng ph ng pháp đo thực tế để đo nhiễu + Sự can nhiễu từ vệ tinh thông tin khác đến trạm mặt đất: Hình 4.11 cho ta thấy can nhiễu xảy vệ tinh đặt gần Ta xem xét tín hiệu can nhiễu từ vệ tinh tác động lên trạm mặt đất tín hiệu can nhiễu từ vệ tinh tác động lên trạm mặt đất Khi góc θ nhỏ ( t tinh đặt gần nhau) ảnh h ng ng với vệ ng c a chúng lên trạm mặt đất lớn Trong thực tế, tỷ số công suất c a sóng mang sóng can nhiễu C/N vệ tinh lớn h n 30dB (1000 lần) hai vệ tinh đặt cách 79 khoảng 30 quỹ đạo, anten c a chúng chiếu vào vị trí Vệ tinh θ Vệ tinh θ Trạm mặt đất Quỹ đạo vệ tinh Đ ng liền nét biểu thị đ ng c a tín hiệu mong muốn Đ ng đ t nét biểu thị đ ng c a tín hiệu can nhiễu Trạm mặt đất Hình 4.11 Can nhiễu hệ thống thông tin vệ tinh 4.9.3.2 Nhiễu tuyến Nhiễu tạo tuyến, gọi nhiễu tuyến, bao g m : + Tạp âm nhiễu khử phân cực Loại nhiễu th ng xảy hệ thống thơng tin phân cực kép, bị chi phối b i đặc tính c a anten Để triệt tạp âm nhiễu khử phân cực, chọn loại anten có XPD (khả phân biệt phân cực chéo) lớn, th 30dB, nh ng ng XPD c a anten khoảng tần số 10GHz XPD c a anten lại giảm m a + Tạp âm nhiễu kênh lân cận Nhiễu gây b i kênh lân cận có phân cực với tuyến vệ tinh xét Có thể triệt nhiễu kênh lân cận lọc có đặc tính cắt nhọn 4.9.3.3 Tạp âm méo xuyên điều chế Tạp âm méo xuyên điều chế nhiều loại tạp âm đ ng truyền thông tin vệ tinh Tạp âm xuyên điều chế vệ tinh sinh phát đáp c a khuếch đại đ ng th i nhiều sóng mang Các đặc tuyến phi tuyến vào c a phát đáp nguyên nhân sinh tạp âm xuyên điều chế Bộ khuếch đại đèn sóng chạy TWT đ ợc sử dụng thành phần c a phát đáp 80 m c m c vào Hình 4.12 Đặc tính vào c a TWT Hình 4.12 mô tả mối quan hệ đầu vào đầu c a TWT, quan hệ vào tuyến tính nh đ ng đ t nét không gây méo xuyên điều chế Tuy nhiên thực tế đặc tuyến c a TWT khơng tuyến tính nên gây xuyên điều chế Khi m c vào v ợt q giá trị đó, m c c a TWT không tăng đ ợc m c vào tăng đáng kể, t ợng gọi bão hoà Để méo xuyên điều chế nhỏ h n giá trị cho phép, TWT phải làm việc m c thấp h n điểm bão hồ M c cơng suất chênh lệch điểm làm việc điểm bão hoà đầu vào đầu t ng ng gọi độ lùi đầu vào (IBO) độ lùi đầu (OBO) M c điểm bão hoà m c M c điểm làm việc Độ lùi đầu vào độ lùi đầu M c vào điểm làm việc M c vào điểm bão hoà Hinh 4.12 M c lùi đầu vào lùi đầu Tạp âm xuyên điều chế sinh sản phẩm xuyên điều chế méo lọt vào băng tần truyền dẫn nhiều sóng mang đ ợc khuếch đại đ ng th i khuếch đại TWT phi tuyến M c độ xuyên điều chế phụ thuộc vào số sóng mang chênh lệch tần số chúng 81 4.10 HI U NG DOPPLER Hiệu ng Doppler hiệu ng tần số bị lệch độ dài đ ng liên lạc vô tuyến thay đ i theo th i gian, dẫn đến thay đ i pha liên tục Nếu tốc độ thay đ iđ ng truyền trực tiếp từ trạm mặt đất đến vệ tinh V, tốc độ ánh sáng C, tần số tín hiệu thu đ ợc f thay đ i tần số thu Δf đ ợc tính nh sau: Δf = f 0V với f tần số tín hiệu C Hình 4.13 Hiện t ợng Doppler Nói chung hiệu ng Doppler gây méo thơng tin vô tuyến băng rộng băng tần gốc đ ợc giải điều chế có t ợng dãn co lại Nh ng khơng ảnh h ng nhiều vệ tinh quỹ đạo elip hay hệ thống vệ tinh địa tĩnh 4.11 TR TRUY N DẪN: Trong thông tin vệ tinh, t ợng trễ tín hiệu xảy cự ly thơng tin q dài, tồn đ ng truyền sóng c a tuyến lên xuống h n 72.000km, gây trễ tín hiệu lên đến 250ms Nh ng th i gian trễ 500ms ảnh h ng đến thoại Do nên tránh làm việc với hai b ớc nhảy (có trạm mặt đất chuyển tiếp cho thông tin hai trạm cần liên lạc với nhau) gây độ trễ 1s 82 ... bảng 4. 1 61 Bảng 4. 1 Tần số sử dụng thông tin vệ tinh Băng C X Ku Ka T n s (GHz) Bước sóng (cm) 7,025 ÷ 8 ,42 5 4, 41 ÷ 3,56 3 ,40 0 ÷ 7,075 8,82 ÷ 4, 41 10,90 ÷ 18 ,10 2,75 ÷ 1, 66 17 ,70 ÷ 36,00 1, 95... ph ng pháp dùng phát đáp vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất 4. 3 H TH NG THÔNG TIN V TINH C B N Một hệ thống thông tin vệ tinh bao g m hai phần c bản: - Phần không vệ tinh thiết bị liên quan... i vệ tinh d ng nh đ ng yên quan sát từ mặt đất, đ ợc gọi vệ tinh địa tĩnh B i vệ tinh địa tĩnh đảm bảo thơng tin n định liên tục nên có nhiều u điểm h n vệ tinh quỹ đạo thấp dùng làm vệ tinh thông