Luận văn thạc sĩ thiết kế trạm anten vệ tinh tự động quay bám trong thông tin vệ tinh

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG - LÊ THỊ HUYỀN TRANG THIẾT KẾ TRẠM ANTEN VỆ TINH TỰ ĐỘNG QUAY BÁM TRONG THÔNG TIN VỆ TINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) HÀ NỘI - 2020 e HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG - LÊ THỊ HUYỀN TRANG THIẾT KẾ TRẠM ANTEN VỆ TINH TỰ ĐỘNG QUAY BÁM TRONG THƠNG TIN VỆ TINH Chun ngành: Kỹ thuật Viễn thơng Mã số: 8.52.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN NGỌC MINH HÀ NỘI - 2020 e i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác, tài liệu tham khảo đƣợc trích dẫn đầy đủ Tác giả luận văn Lê Thị Huyền Trang e ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập, nghiên cứu hoàn thiện luận văn đề tài “Thiết kế trạm anten vệ tinh tự động quay bám thông tin vệ tinh” tác giả nhận đƣợc quan tâm, giúp đỡ tận tình q thầy cơ, anh chị bạn Em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Ngọc Minh trực tiếp hƣớng dẫn, giúp đỡ, dạy bảo, động viên tạo điều kiện thuận lợi cho em trình học tập hồn thành luận văn Và để có đƣợc kiến thức nhƣ ngày hôm nay, cho phép em gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quý thầy cô Học viện Cơng nghệ Bƣu Viễn thơng thời gian qua truyền đạt cho em kiến thức quý báu Xin trân trọng cảm ơn! e iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC BẢNG VII DANH MỤC HÌNH VẼ VIII LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 Cấu trúc tổng quát 1.2 Đặc điểm thông tin vệ tinh 1.3 Băng tần thông tin vệ tinh 1.4 Phƣơng pháp đa truy nhập thông tin vệ tinh 1.4.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) 1.4.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) 1.4.3 Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA) 1.4.4 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA ) 1.5 Phân hệ thông tin vệ tinh CHƢƠNG TRẠM MẶT ĐẤT TRONG THÔNG TIN VỆ TINH 10 2.1 Tổng quan trạm mặt đất 10 2.2 Anten trạm mặt đất 11 2.2.1 Các loại anten trạm mặt đất 11 2.2.2 Hệ thống bám vệ tinh 13 2.2.3 Hệ số tăng ích anten 14 e iv 2.2.4 Góc độ rộng búp sóng 15 2.3 Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) 15 2.3.1 Giới thiệu 15 2.3.2 Các loại khuếch đại tạp âm thấp LNA 16 2.4 Bộ đổi tần (FC) 16 2.3.1 Giới thiệu 16 2.4.2 Các đổi tần kép 17 2.4 Bộ dao động nội 18 2.5 Bộ khuếch đại công suất cao (HPA) 18 2.5.1 Giới thiệu 18 2.5.2 Phân loại khuếch đại công suất cao 18 2.5.3 Cấu hình khuếch đại công suất cao 19 2.6 Kỹ thuật điều chế giải điều chế tín hiệu 19 2.6.1 Giới thiệu 19 2.6.2 Kỹ thuật điều chế tần số (FM) 20 2.6.3 Kỹ thuật giải điều chế sóng mang điều tần (FM) 21 2.6.4 Điều chế số 21 2.6.5 Kỹ thuật giải điều chế sóng mang PSK 22 2.7 Kỹ thuật đa truy nhập 22 2.7.1 Các vấn đề lưu lượng 22 2.7.2 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) 24 2.7.3 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) 28 2.7.4 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) 32 2.8 Các thiết bị truyền dẫn số trạm mặt đất 36 2.8.1 Số hoá tín hiệu tương tự 37 2.8.2 Thiết bị ghép kênh phân chia theo thời gian TDM 38 e v 2.8.3 Thiết bị bảo mật (Encryption) 39 2.8.4 Bộ mã hoá kênh (Channel Encoder) 40 2.8.5 Bộ tiêu tán lượng 40 CHƢƠNG XÂY DỰNG VÀ TÍNH TỐN CẤU HÌNH TRẠM ANTEN VỆ TINH TỰ ĐỘNG QUAY BÁM TRONG THÔNG TIN VỆ TINH 42 3.1 Giới thiệu chung 42 3.2 Lựa chọn Antena 42 3.3 Bộ chuyển đổi đƣờng lên khuyếch đại công suất (HPA) 45 3.4 Bộ chuyển đổi đƣờng xuống khuyếch tạp âm thấp (LNB) 55 3.4.1 Xác định hệ số phản xạ đầu vào đầu 56 3.4.2 Mạch tương đương Thevenin 57 3.4.3 Độ khuếch đại công suất 61 3.4.4 Độ lợi công suất chuyển đổi 63 3.4.5 Độ khếch đại công suất khả dụng 65 3.4.6 Độ khuếch đại công suất 65 3.4.7 Độ lợi phía 67 3.5 Modem vệ tinh 68 3.5.1 Newtec Elevation Series EL478 68 3.5.2 COMTECH CDM625A Advanced 69 3.5.3 Comtech EFData CDM570 69 3.5.4 Datum PSM-500L 69 3.5.5 Modem Hughes HX 280 70 3.6 Đo đạc tính tốn 70 KẾT LUẬN 75 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 e iv DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ viết Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt tắt A AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ B BPSK Khóa chuyển pha nhị phân Binary PSK C C/N Tỷ số sóng mang nhiễu Carrier/noise CDMA Code Division Multiple Access CCIR CONSULTATIVE COMMITTEE ON INTERNATIONAL RADIO Đa truy nhập phân chia theo mã Ủy ban tƣ vấn quôc tế radio D D/C Down/Convertor Bộ đổi tần tuyến xuống DS Direct Sequence Trải phổ trực tiếp DSSS Direct Sequence Spead Spectrum Trải phổ trực tiếp DE-PSK Different Encode PSK Điều chế chuyển pha vi sai E EIRP Equivalent Isotropic Radiated Power Công suất phát xạ đẳng hƣớng tƣơng đƣơng F FDMA FH Frequency division multiple access Frequency Hoppping e Đa truy nhập phân chia theo tần số Nhảy tần v FHSS FC Freqency Hopping Spead Spectrum Trải phổ nhảy tần Bộ đổi tần Frequency Converter G GaAs– Gali - Arsenic (GaAs-FET Khuếch đại dùng Transistor trƣờng loại bán dẫn hỗn tạp FET H HP Horizontal Polariation Phân cực ngang HPA High Power Amplifie Bộ khuếch đại công suất lớn I IF Inermediate Freqency IBS Inbuilding System Trung tần Hệ thống viễn thơng tịa nhà INMARS Internation Maritime Satellite Tổ chức vệ tinh hàng hải quốc Organisation tế INTELSA Internation Telecommunications Tổ chức vệ tinh quốc tế thông T Satellite Organisation tin AT L LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp LHCP Left Hand circular Polariation Phân cực tròn bên trái LO Local Oscillator Tần số dao động nội P PN Pseudorandom number Mã tạp âm ngẫu nhiên PCM Pulse Code Modulation Điều chế xung mã PSK Phase Shift Keying Khóa chuyển pha e vi Q QAM QPSK Điều chế cầu phƣơng Qudrature Qudrature Phase Shift Keying Khóa chuyển pha cầu phƣơng R RF Radio Freqency Tần số vô uyến RHCP Right Hand circular Polariation Phân cực tròn bên phải S SCPC Single Channel Per Carrier SDMA Space-division multiple access SES Satellite Earth Station Một kênh sóng mang Đa truy nhập phân chia theo không gian Trạm vệ tinh mặt đất T Anten phát TA Transmit Antenna TDMA Time division multiple access TWTA Travelling Wave Tabe Amplifier Đa truy nhập phân chia theo thời gian Bộ khuếch đại đèn sóng chạy U U/C Bộ đổi tần tuyến lên Up/Convertor V VSAT Very small aperture terminals VP Vertical Polariation e Thiết bị đầu cuối kích thƣớc nhỏ Phân cực thẳng đứng 62 Sử dụng sơ đồ đơn giản hóa đƣợc hiển thị Hình 3.18.mức tăng cơng suất khả dụng đƣợc tìm thấy với tỷ lệ Việc điều chỉnh trở kháng tải để cung cấp lƣợng tối đa tƣơng đƣơng với điều chỉnh suất khả dụng Do đó, mức tăng cơng Hình 3.18: Độ khuếch đại, nguồn điều chỉnh PL tối đa Độ khuếch đại cơng suất khả dụng mức tăng tối đa có đƣợc từ đầu cho trở kháng nguồn định, chức trở kháng nguồn Do đó, mức tăng cơng suất khả dụng thể xuống cấp mức tăng trở kháng nguồn cố định Dựa khái niệm đối xứng cho tải cố định, trở kháng nguồn đƣợc điều chỉnh để cung cấp công suất tối đa cho tải nhƣ Hìn 3.19, tỷ lệ cơng suất đầu vào so với công suất tải đƣợc gọi mức tăng cơng suất Sử dụng sơ đồ đơn giản hóa, mức tăng cơng suất đƣợc định nghĩa Độ lợi công suất, nhƣ tiêu xuống cấp mức tăng tải cố định đƣợc chọn, thƣờng đƣợc sử dụng thiết kế Ba mức tăng cơng suất trƣớc đƣợc biểu thị theo tham số S hai cổng hệ số phản xạ nguồn tải trở kháng mặt phẳng thiết bị Điều đƣợc thảo luận thêm phần e 63 3.4.4 Độ lợi cơng suất chuyển đổi Hình 3.19: Biểu diễn mạch nguyên lý đơn giản khuếch đại Hình 3.19 cho thấy lần biểu diễn sơ đồ đơn giản hóa khuếch đại Trong Hình 3.19, mạch cổng nhìn từ tải đƣợc biểu diễn mạch tƣơng đƣơng Thevenin bao gồm thiết bị hoạt động mạch đầu vào, áp dụng mối quan hệ cơng suất đƣợc phát triển trƣớc công thức (3.23) (3.25) Ở mặt phẳng đầu thiết bị, hệ số phản xạ Thevenin (3.28) Điện áp phản xạ Thevenin chiếu Zo tải điện áp phản xạ xuất trở kháng tham đƣợc thay Zo Từ Hình 3.21, phƣơng trình (3.29) đƣợc đƣa (3.29) Hình 3.20: Mạch khai thác tương đương Thevenin mặt phẳng tải e 64 Lƣu ý a2 = Áp dụng phƣơng trình (3.20), a1 đƣợc cho (3.30) Do đó, từ phƣơng trình (3.30), điện áp phản xạ Thevenin đƣợc hiển thị phƣơng trình (3.31) (3.31) Do đó, mạch tƣơng đƣơng nhìn thấy từ tải đƣợc biểu diễn nhƣ Hình 3.17 Áp dụng phƣơng trình (3.22), cơng suất đƣợc cung cấp cho tải đƣợc tính theo phƣơng trình (3.32) (3.32) Do cơng suất khả dụng từ nguồn giống nhƣ công thức (3.23), nên mức tăng công suất chuyển đổi đƣợc biểu thị (3.33) Độ lợi chuyển đổi phƣơng trình (3.33) đƣợc lấy từ mặt phẳng đầu thiết bị, nhƣng đƣợc lấy mặt phẳng đầu vào thiết bị Độ lợi chuyển đổi dẫn xuất đƣợc biểu thị (3.34) Mặc dù phƣơng trình (3.34) khác với phƣơng trình (3.33), phƣơng trình (3.34) giống nhƣ phƣơng trình (3.33) e 65 3.4.5 Độ khếch đại công suất khả dụng Mức tăng công suất khả dụng đƣợc định nghĩa tỷ lệ công suất khả dụng đầu vào thiết bị so với cơng suất khả dụng đầu Hình 3.21 lần cho thấy làm để đạt đƣợc mức tăng công suất khả dụng, đƣợc thực cách sử dụng mức tăng công suất chuyển đổi có nguồn gốc trƣớc Hình 3.21: Mạch tính độ khuếch đại cơng suất khả dụng Cơng suất khả dụng đầu công suất trở kháng tải đƣợc liên hợp khớp với Γout, nhƣ Hình 3.21 Điều kiện suất khả dụng đạt đƣợc cách thay Sau đó, mức tăng cơng vào mức tăng chuyển đổi phƣơng trình (3.33) Do đó, mức tăng cơng suất khả dụng đƣợc đƣa theo phƣơng trình (3.35) (3.35) 3.4.6 Độ khuếch đại công suất Pin nguồn đƣợc phân phối đến đầu vào thiết bị đƣợc hiển thị Hình 3.22 đƣợc đƣa theo phƣơng trình (3.36) Hình 3.22: Mạch tính tốn độ khuếch đại e 66 (3.36) Sử dụng phƣơng trình (3.20), kết phƣơng trình (3.37)) (3.37)) Ngồi ra, a1 a2 Hình 3.23 đƣợc cho (3.38) (3.39) Thay a1 a2 phƣơng trình (3.38) (3.39) vào b2 đƣợc cho (3.40) Sau đó, b2 đƣợc tính (3.41) Do đó, cơng suất đƣợc cung cấp cho tải đƣợc đƣa theo (3.42) Do đó, dựa định nghĩa mức tăng công suất, tỷ lệ đầu vào so với công suất đƣợc cung cấp cho tải e đƣợc đƣa theo công suất 67 (3.43) 3.4.7 Độ lợi phía Nói chung, thiết bị hoạt động có số phản hồi Tuy nhiên, thƣờng đƣợc đƣa cách thêm mạch phản hồi thích hợp Trong trƣờng hợp này, khơng có phản hồi từ đầu đến đầu vào Điều kiện sau đƣợc cho đơn phƣơng Dẫn tới độ lợi đƣợc gọi mức tăng Mason, U đƣợc biểu thị phƣơng trình (3.34) Vì mức tăng Mason mức tăng đƣợc đo sau thiết bị hoạt động hoàn toàn ổn định cách loại bỏ phản hồi, nên đƣợc coi mức tăng thực thiết bị hoạt động Do đó, đƣợc sử dụng làm tiêu chí để xác định xem thiết bị đo tần số tùy ý hoạt động hay thụ động (3.44) (3.45) Do , đại diện cho phản hồi từ đầu đến đầu vào, thƣờng nhỏ 1, nên biểu thức gần đơn phƣơng cho mức tăng chuyển đổi thƣờng đƣợc sử dụng thiết kế khuếch đại đánh giá thiết bị hoạt động Để có đƣợc mức tăng cơng suất chuyển đổi phía, trình (3.35) Trong trƣờng hợp này, chuyển đổi đƣợc biểu thị e đƣợc thay vào phƣơng , mức tăng công suất 68 (3.46) Khi hệ số phản xạ đầu vào đầu Hình 3.24, hệ số đƣợc liên hợp khớp với (ΓS = (Γin) *, ΓL = (Γout) *), mức tăng tối đa đạt đƣợc mức tăng đơn phƣơng tối đa, tối đa đƣợc hiển thị (3.47) Việc tính tốn mức tăng đơn phƣơng phƣơng trình (3.45) đơn giản so với tính tốn cho mức tăng khác thƣờng đƣợc sử dụng để đánh giá mức tăng tối đa thiết bị hoạt động khơng có sẵn máy tính Hình 3.23: Đội lợi phía 3.5 Modem vệ tinh Có nhiều loại modem vệ tinh có hỗ trợ giao tiếp Ethernet, đồng thời hỗ trợ dải tần phù hợp cho trạm BTS chuyên dụng Tiêu biểu thiết bị nhƣ sau: 3.5.1 Newtec Elevation Series EL478 Newtec EL478 modem vệ tinh tiên tiến đƣợc tối ƣu hóa cho ứng dụng IP tốc độ cao qua vệ tinh tuân thủ tiêu chuẩn DVB-S2 Là sản phẩm IP thực, modem thực chức xử lý IP nhƣ lọc gói, định tuyến đóng gói Để đạt đƣợc tốc độ lên tới 160 Mbps, hỗ trợ tham số điều chế đóng gói nhanh hiệu băng thông e 69 3.5.2 COMTECH CDM625A Advanced Modem vệ tinh tiên tiến CDM-625A xây dựng dựa cung cấp modem vệ tinh hiệu đáng tin cậy Với hỗ trợ cho sửa lỗi chuyển tiếp VersaFEC (FEC), DoubleTalk, nén băng thơng Carrier-in-Carrier mang tính cách mạng, triển khai bổ sung xử lý gói nâng cao, CDM-625A cung cấp tiết kiệm đáng kể điều kiện Sự kết hợp công nghệ tiên tiến cho phép tối ƣu hóa đa chiều, cho phép ngƣời dùng liên lạc vệ tinh: 3.5.3 Comtech EFData CDM570 Comtech EFData CDM570 modem vệ tinh cung cấp hiệu suất tính linh hoạt ngành gói 1RU với mức giá cạnh tranh Tốc độ liệu từ 2,4kbps đến 10Mbps; Các loại điều chế: BPSK, QPSK, OQPSK, 8PSK, 8QAM (đƣợc cấp sáng chế) 16QAM, TPC… 3.5.4 Datum PSM-500L Datum Systems cung cấp modem vệ tinh linh hoạt hiệu Modem vệ tinh L-Band hiệu suất cao, PSM-500L độ trễ thấp tối ƣu hóa tồn e 70 lƣợng / băng thông Giao diện chuẩn: RS232, RS422, V35, V36, EIA-530, Kích thƣớc đa khối FlexLDPC & Tốc độ mã , Phạm vi tốc độ liệu: 1,2 Kbps đến 29,5Mbps, băng tần L (950 đến 1.900 MHz bƣớc 1Hz), BPSK / QPSK / OQPSK / 8PSK / 8QAM / 16QAM 3.5.5 Modem Hughes HX 280 ModemHX280 Hughes đƣợc tích hợp điều chế (hƣớng phát), giải điều chế (hƣớng thu),với kiểu điều chế QPSK tƣơng đƣơng, có khả thay đổi tốc độ hƣớng phát 256 Kbps đến Mbps, có tính điều khiển giám sát từ xa… 3.6 Đo đạc tính tốn Chƣơng trình đƣợc thiết kế Labview có lƣu đồ thuật tốn nhƣ sau: e 71 Hình 3.24: Lưu đồ thuật tốn Labview [7] Khối Input chứa liệu nhận đƣợc đƣợc biểu diễn dƣới dạng số phức Luồng liệu đƣợc đƣa qua lọc Bandpass lọc thông dải nhằm thu hẹp tín hiệu tần số sóng mang Dữ liệu đƣợc đƣa vào Labview thông qua cable với tốc độ lấy mẫu 2MS/s đƣợc tính tốn điều khiển thơng qua chƣơng trình đƣợc thiết kế Labview Sau xây dựng chƣơng trình điều khiển thiết bị đƣợc đƣa vào để mơ thử nghiệm Hình 3.25: Phổ công suất truyền đạt antena Công suất cài đặt mức tối đa, kết mô cho công suất đầu 120mW [7] e 72 Hình 3.26: Phổ cơng suất tín hiệu nhận thiết bị đầu cuối USRP với công suất truyền 20,8dBm, cơng suất nhận -16dBm Q trình mơ cho antenna thu xoay từ 900 đến 1200 từ 900 đến 600 Ngồi cơng suất truyền đƣợc thay đổi từ thiết bị chủ động điều chỉnh hƣớng xoay phù hợp Bảng 3.3: Đo kiểm DOA (direction of arrival) tín hiệu sử dụng USRP [7] e 73 Sai số đo đạc DOA Tính tốn DOA với cơng suất nhận đƣợc khác e 74 Hình 3.27: Phổ cơng suất tín hiệu nhận thiết bị đầu cuối USRP [7] e 75 KẾT LUẬN Nội dung luận văn trình bày cách tổng quan hệ thống thông tin, kỹ thuật trạm mặt đất Các phƣơng pháp truy nhập thông tin vệ tinh, phân tích ƣu nhƣợc điểm phƣơng pháp đa truy nhập thông tin vệ tinh Kỹ thuật trạm mặt đất, loại anten thông tin vệ tinh, modem vệ tinh Ngồi ra, luận văn phân tích đánh giá thiết kế chuyển đổi đƣờng lên khuyếch đại cơng suất tính tốn thơng số thuật chuyển đổi đƣờng xuống khuyếch tạp âm thấp anten tạm anten thu phát quan trọng Từ tính tốn thiết kế cấu hình trạm anten vệ tinh tự động quay bám hiệu phù hợp với nhu cầu sử dụng chi phí đầu tƣ Hƣớng nghiên cứu luận văn tập trung vào nghiên cứu kỹ thuật, thuật toán quay bám anten mơ tính tốn trạm anten cụ thể để đánh giá hiệu tính trạm anten vệ tinh tự động quay bám thông tin vệ tinh e 76 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng việt [1] PGS.TS Thái Hồng Nhị “Hệ thống thông tin vê tinh”, tập 1, tập Nhà xuất Bƣu Điện, 2008 [2] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng “Bài giảng thông tin vệ tinh”, HVBCVT, năm 2007 [3] Phạm Công Hùng (2009), Bài giảng thông tin vệ tinh, Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội [4] Nguyễn Trung Tấn, Bài giảng thông tin vệ tinh, trung tâm kỹ thuật viễn thông, Nxb Học viện quân Tài liệu tiếng anh [5] Anil K Maini and Varsha Agrawal, Satellite Technoloogy Principles and Applications, John Wiley and Sons, LTđ, 2011 Tài liệu Internet [6] https://datasheetspdf.com>TGF2023-01 [7] https://www.ntnu.edu/documents/0e25e078a2a89233032a45841afef9b702c0.pdf [8] https:// www.vinsat.com.vn/Home [9] https://wwww digsiat.in/antenna-control [10] http://www.viasat.com/isr-data-links [11] https://www.satnms.com e ... động quay bám vệ tinh Đây hệ thống anten có định hƣớng tự động bám vệ tinh di chuyển đảm bảo liên lạc Chính em chọn đề tài tài ? ?Thiết kế trạm anten vệ tinh tự động quay bám thông tin vệ tinh? ?? Nội... ta phải thiết lập trạm mặt đất Do có tên gọi trạm mặt đất thông tin vệ tinh (SE) làm chức phát tín hiệu lên vệ tinh thu tín hiệu từ vệ tinh - thực kết nối vệ tinh thông tin với mạng vệ tinh mặt... điểm thông tin vệ tinh Thông tin vệ tinh hệ thống truyền dẫn vô tuyến, sử dụng vệ tinh để chuyển tiếp tín hiệu đến trạm mặt đất Vì trạm chuyển tiếp vệ tinh có độ cao lớn nên thơng tin vệ tinh