Thông tin vệ tinh

Thông tin vệ tinh

I Lịch sử

II Đặc điểm của TTVT

III Phân loại các quỹ đạo vệ tinh

IV Cấu trúc của hệ thống TTVT

V Tài nguyên vô tuyến

1 lịch sử

Công nghệ truyền tin vệ tinh là kết quả của một cuộc chạy đua không ồn ào nhưng rất quyết liệt giữa một số “cường quốc công nghiệp” trong thế chiến thứ II nhằm cạnh tranh môi trường không gian vũ trụ

- Ngày 4/10/1957 Liên Xô

cũ phóng vệ tinh đầu tiên

của loài người Vệ tinh

nhân tạo SPUTNIK Được

xem như là ngày bắt đầu

2 Đặc điểm của TTVT (ưu, nhược điểm)

+ Ưu điểm :

- Đa truy nhập

- Truyền tín hiệu trên toàn Trái Đất

- Định vị toàn cầu như : GPS, GLONAT, Galile …

+ Nhược điểm :

- Giới hạn băng tần

- Giới hạn quỹ đạo ( vd: quỹ đạo địa tĩnh )

- Giá thành thiết bị cao

3 Phân loại các quỹ đạo vệ tinh

- Quỹ đạo địa tĩnh GEO (GSO):

quỹ đạo hình tròn, nằm trong mặt

-Quỹ đạo tầm trung MEO : quỹ

đạo hình elip, bán kính khoảng

10.000km.

- Quỹ đạo tầm cao HEO : quỹ đạo

hình elip, bán kính khoảng

40.000km.

Phát: 6GHz đối với băng C

14GHz đối với băng Ku

Downlink Thu: 4GHz đối với băng C

12GHz đối với băng Ku

Hình 1.4 sơ đồ khối bộ thu phát trên vệ tinh

Khuếch

Giải điều chế

5 Tài nguyên vô tuyến

3 băng tần được sử dụng chủ yếu :

Dải tần (GHz) Kí hiệu băng tần

Kết luận

Hệ thống TTVT là hệ thống truyền tin mà mỗi quốc gia hiện nay điều đang cố gắng phát triển Qua hệ thống TTVT con người có thể thu nhận hoặc trao đổi thông tin với bất kì nơi nào trên quả đất Thông tin vệ tinh có khả năng đa dạng về dịch vụ, không những khai thác dịch vụ dân sự mà cả các dịch vụ phục

vụ quốc phòng, an ninh, hàng không, hàng hải, khai thác thăm

dò địa chất,…

Sự kết hợp của mạng TTVT với mạng cố định và mạng di động làm cho khả năng truyền thông ngày càng phong phú

Câu hỏi

• 1 Tại sao trong THVT tần số uplink > tần số downlink?

• 2 Ưu điểm và nhược điểm của TTVT?

• 3 Cơ sở nào để 3 vệ tinh địa tĩnh có thể phủ sóng được toàn cầu?

Câu 4 Các khối chính trong TTVT?

Phát: 6GHz đối với băng C

14GHz đối với băng Ku

Downlink Thu: 4GHz đối với băng C 12GHz đối với băng Ku

Câu 5 Tại sao quỹ đạo của vệ tinh địa tĩnh có độ cao là 35.786km so với bề mặt trái đất ?

I. Cơ sở lý thuyết

II. Các dạng quỹ đạo

III. Các bài toán xác định vị trí, khoảng cách

1. Xác định bán kính quỹ đạo địa tĩnh GEO

2. Xác định khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh

3. Xác định góc ngẩng

4. Xác định thời gian lan truyền sóng

I Cơ sở lý thuyết

Để xác định quỹ đạo của vệ tinh ta phải dựa trên 3 định luật của

Newton và Kepler

1 Ba định luật Newton.

ĐL 1: Mọi vật vẫn giữ nguyên trạng thái nghỉ và chuyển động thẳng

đều nếu không có lực nào tác động hoặc F = 0

ĐL 2

ĐL 3

2 Ba định luật của Kepler

ĐL 1 Quỹ đạo vệ tinh là hình elip và Trái đất là một trong hai tiêu điểm

II Các dạng quỹ đạo của vệ tinh

Câu hỏi ôn tập

Đáp án

I Đặc điểm kênh truyền

II Ảnh hưởng của tầng đối lưuIII Ảnh hưởng của tầng điện li

IV Phân tích tuyến

• Khoảng cách truyền lớn

• Đi qua lớp khí quyển của Trái Đất

• Tổn hao đường truyền

+Khoảng cách truyền

+Hấp thụ

• Trễ truyền dẫn

II Ảnh hưởng của tầng đối lưu

• Hấp thụ của hơi nước

Yếu tố Lượng hơi nước tối

đa (g/m3)

Suy hao bởi O2 và H2O theo tần số

• Hấp thụ của các thành phần khí quyển

III Ảnh hưởng của tầng điện li

• Thay đổi (quay) phân cực

• Trễ lan truyền

IV Phân tích tuyến

Tính EIRP, θ, αc ,PThu , Dthu ?

Bài toán tuyến lên

I. Phân cực của sóng điện từ.

II. Anten trong không gian vệ tinh

III. Bài toán thiết kế các thông số tuyến

I Phân cực của sóng điện từ

II Anten trong thông tin vệ tinh

 Nguyên lí hoạt động.

- Tính chất quang học của gương Parabol

FO+OO’= FA +AB = f+h = Const

- Các tia sau khi phản xạ đi đến miệng gương với quãng đường như nhau, do đó tại miệng gương mặt sóng là mặt phẳng

 Nguyên lí.

- Năng lượng cao tần đến cổ loa ở dạng sóng phẳng

- Sóng phân kì theo thân loa tới miệng loa

Tại miệng loa, năng lượng sóng bức xạ ra không gian với dạng cầu

- Chọn góc mở thích hợp

- Đồ thị định hướng

 Một số loại Anten khác

 Anten lệch trục Gregorian

 Anten phản xạ được tiếp sóng nhiều phiđơ

III Bài toán thiết kế các thông số tuyến

I Đa truy nhập phân chia theo tần số

II Đa truy nhập phân chia theo thời gianIII Đa truy nhập phân chia theo mã

IV Các phương thức điều chế

I Tổng quan về phân bố dãi tần của bộ phát đáp vệ tinh

II Các mô hình truyền tín hiệu của đa truy nhập FDMA

III.Một sóng mang cho một kênh (SCPC).Ghép kênh phân chia theo tần số (FDMA)

IV Ảnh hưởng của điều biến qua lại trong hệ thống đa truy nhập FDMA

V Nhận xét chung về đa truy nhập FDMA trong thông tin vệ tinh

I Tổng quan về phân bố dãi tần của bộ phát đáp vệ tinh

• Trong phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số, độ rộng băng tần của kênh của bộ phát đáp được phân chia thành các băng tần con và được ấn định cho từng sóng mang phát đi từ trạm mặt đất

• Với cách truy nhập này thì các trạm mặt đất phát một cách liên tục một số sóng mang ở các tần số khác nhau và các sóng mang này tạo nên các kênh riêng

• Giữa các băng tần con phải có một khoảng tần số phân cách rõ ràng để chúng không ảnh hưởng lẫn nhau do sự không hoàn

thiện của các bộ dao động và các bộ lọc

H1: Ví dụ phân bố dải tần của một bộ phát vệ tinh 6/4 GHz cho các kênh của tuyến xuống trong trường hợp sử dụng phân cực trực giao.

II Các mô hình truyền tín hiệu của đa truy nhập FDMA

Ta có 3 mô hình truyền tín hiệu đối với đa truy nhập FDMA

1.Ghép kênh phân chia theo tần số (FDM), điều tần (FM) và đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA).

Các tín hiệu băng cơ sở từ mạng hoặc từ những người sử dụng là thuộc dạng tương tự Chúng được tổ hợp dưới dạng tín hiệu ghép kênh phân chia theo tần số

(FDM).

Tần số tín hiệu tương tự được ghép kênh sẽ điều chế với một sóng mang, sóng mang này sẽ truy nhập vệ tinh trên một tần số cụ thể ở cùng thời gian như các sóng mang khác với các tần số khác của trạm mặt đất

Để giảm thiểu tác động xuyên điều chế và sử dụng các sóng mang một cách hợp lý thì thích hợp nhất là định tuyến theo kiểu “một sóng mang cho một trạm phát”.

2.Ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM), điều chế khóa dịch pha (PSK) và đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)

Các tín hiệu băng cơ sở từ mạng hoặc từ những người sử dụng là tín hiệu số (digital).Chúng được tổ hợp lại dưới dạng tín hiệu ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM).Để giảm thiểu tác động xuyên điều chế thì các sóng mang được lựa chọn hợp lí.Việc định tuyến lưu lượng trong trường hợp này phù hợp với nguyên lí “một sóng mang cho một trạm phát”.

3.Một sóng mang cho một kênh (SCPC).Ghép kênh phân chia theo tần số (FDMA)

Các tín hiệu băng cơ sở từ mạng hoặc từ người sử dụng điều chế trực tiếp với một sóng mang dưới dạng tương tự hoặc

số (SCPC).Việc định tuyến lưu lượng trong trường hợp này phù hợp với nguyên lí “một sóng cho một tuyến”

H2.Mô tả các dạng truyền theo đa truy nập phân chia theo tần số từ các trạm mặt đất đến vệ tinh.

III Nhiễu kênh lân cận

Nhiễu kênh lân cận là nhiễu tạo ra do công suất của sóng mang kênh lân cận ảnh hưởng sang phần sóng mang tín hiệu của kênh đang xét

H3 Nhiễu kênh lân cận

IV Ảnh hưởng của điều biến qua lại trong hệ thống

đa truy nhập FDMA

• Định nghĩa các tích điều biến qua lại

Điều biến qua lại còn gọi là xuyên điều chế (intermodulation) là một dạng điều chế không mong muốn Khi N tín hiệu hình Sin tại các tần số f1,f2….fN truyền qua bộ khuếch đại có đặc tuyến phi tuyến thì ở đầu ra của bộ khuếch đại không chỉ có N tín hiệu có tần số gốc mà còn cả các tín hiệu không

mong muốn được gọi là các tích điều biến qua lại

(intermodulation products) Chúng xuất hiện tại các tần số f1M như là một hỗn hợp tuyến tính của các tần số đầu vào:

f1M =m1f1 + m2f2 + … +mNfN (Hz)Trong đó: m1, m2, …mN là các số nguyên có thể âm hoặc dương

Đại lượng X được gọi là bậc của tích điều biến qua lại và được định nghĩa là:

X = |m1| + |m2| + …+ |mN|

H4 Mô tả tích điều biến qua lại của hai tín hiệu sóng mang hình sin (không điều chế):

a) Có biên độ bằng nhau b) và c) có biên độ khác nhau.

• Ảnh hưởng của tạp âm điều biến qua lại

Khi các sóng mang được điều chế thì các vạch phổ của tích điều chế qua lại có độ lớn bé hơn bởi vì công suất của chúng được

phân bố trong dải phổ tần

• Tỷ số công suất sóng mang trên công suất mật độ phổ tạp âm điều biến qua lại

Mật độ phổ công suất tạp âm điều biến qua lại được xác định bởi giá trị (No)IM Giá trị đó phị thuộc vào đặc tính truyền đạt của bộ khuếch đại và số lượng, kiểu loại các sóng mang được khuếch đại.

V Nhận xét chung về đa truy nhập FDMA trong thông tin vệ tinh

• Ưu điểm

- Kỹ thuật này khá đơn giản

- Dựa trên những thiết bị có sẵn

- Không cần đồng bộ

• Nhược điểm

- Khó thay đổi cấu hình hệ thống

- Bị tổn hao về dung lượng khi số truy cập tăng lên

- Phải điều khiển công suất phát của các trạm mặt đất

I Tổng quan về đa truy nhập TDMA.

II Truyền Burst.

III Đồng bộ trong hệ thống thông tin vệ tinh TDMA.

IV Nhận xét chung về đa truy nhập TDMA.

C B

Thời gian bảo vệ Đồng bộ sóng mang và đồng bộ bit Định danh và địa chỉ

Khe thời gian

Cùng tần số f

I Tổng quan về đa truy nhập TDMA.

To

II Truyền Burst.

1. Tạo lập Burst

2 Cấu trúc khung

3 Thu Burst

- Ở tuyến xuống, mỗi trạm mặt đất sẽ thu tất cả các burst trong

khung

- Máy thu của trạm mặt đất nhận dạng điểm bắt đầu ( start ) của

khung bằng cách dò tìm UW sau đó lấy ra lưu lượng dành riêng cho mình và lưu lượng đó được chứa trong burst phụ của vùng lưu lượng của mỗi burst

Mô tả hoạt động của đồng bộ theo phương pháp vòng kín

III Đồng bộ trong hệ thống thông tin vệ tinh TDMA.

1 Đồng bộ theo phương pháp vòng kín

IV Nhận xét về đa truy nhậpTDMA trong thông tin vệ tinh.

Đa truy nhập đặc trưng bởi việc truy nhập các kênh trong các khe thời gian

Ưu điểm:

Tại mỗi khe thời gian ngắn, kênh chỉ khuếch đại một sóng mang đơn, nên sẽ không xảy ra hiện tượng tích điều chế qua lại vì vậy có thể tận dụng được công suất

Thông lượng truyền cũng như số lượng truy nhập lớn

Không cần thiết phải điều khiển công suất phát tại các trạm mặt đất

Tất cả các trạm phát và thu đều trên cùng một tần số vì vậy sẽ đơn giản trong việc điều chỉnh

Nhược điểm:

Cần phải có cơ chế đồng bộ

Cần có các trạm có tầm cỡ để có thể truyền với thông lượng lớn

I Tổng quan CDMA

II Trải phổ

III Chuổi mã ngẫu nhiên (PN)

IV Điều khiển công suất trong CDMA

V Ưu nhược điểm của CDMA

II Trải phổ

• Mở rộng bề rộng phổ của tín hiệu lên rất nhiều lần so với tín hiệu gốc

• Dùng chuỗi mã ngẫu nhiên độc lập với tín hiệu

• Gồm 2 kỹ thuật trải phổ cơ bản :

+ Trải phổ trực tiếp

+Trải phổ nhảy tần

+Trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS: đoạn tin được nhân với chuỗi nhị phân có tốc độ bit lớn hơn nhiều lần tốc độ bit của nó

Mô hình thu phát dùng kỹ thuật trải phổ trực tiếp

+Trải phổ nhảy tần

Đoạn tin được điều chế với sóng mang tạo ra bởi một bộ tổng hợp tần số điều khiển bởi một bộ tạo mã.

III Chuỗi mã giả ngẫu nhiên (PN)

• Chuỗi mã ngẫu nhiên được tạo ra bởi tập hợp các bộ flip-flopYêu cầu:

• Dễ dàng phân biệt với chính bản sao của nó dịch chuyển theo thời gian

• Dễ dàng phân biệt với bất kỳ mã nào trong mạng

IV Điều khiển công suất trong CDMA

• Mục tiêu

 Tối ưu dung lượng hệ thống

 Tiết kiệm năng lượng, thiết bị nhỏ gọn.

• Điều khiển công suất được thực hiện ở đường lên và đường xuống.

 Điều khiển công suất vòng hở

 Điều khiển công suất vòng kín

V Ưu nhược điểm của CDMA

*Ưu điểm:

•Gia tăng dung lượng sử dụng do chia sẻ cùng dãy tần với nhiều người dùng và sử dụng tài nguyên hiệu quả

•Hạn chế và làm giảm hiệu ứng đa đường

•Bảo mật thông tin tốt hơn

*Nhược điểm:

•Cần hệ thống với mạch xử lý phức tạp hơn

•Mạng chỉ cho hiệu suất sử dụng cao khi nhiều người cùng sử dụng chung tần số

I. Tổng quan về điều chế tín hiệu.

II. Điều chế tín hiệu tương tự

III. Điều chế tín hiệu số

IV. Khóa chuyển dịch QPSK

V. Điều chế PSK M mức

VI. So sánh giữa truyền tin tương tự và truyền tin số trên các

kênh TTVT

I Tổng quan về điều chế tín

hiệu.

Khái quát về điều chế tín hiệu

Dạng tín hiệu: x=A sin ( ωt + φ )

Thay đổi(điều chế)

Mục đích :

+Để có thể bức xạ tín hiệu vào không

gian dưới dạng sóng điện từ

+ Cho phép sử dụng hiệu quả kênh truyền + Tăng khả năng chống nhiễu cho hệ thống

II Điều chế tín hiệu tương tự

1 AM (amplitude Modulation)

Định nghĩa

• Điều chế biên độ là kiểu điều chế mà biên độ của tín

hiệu mang biến đổi theo biên độ của tín hiệu điều

chế

•Các giá trị đồng thời của biên độ sóng mang thay

đổi theo biên độ của tín hiệu điều chế

2 FM (Frequency Modulation)

Định nghĩa:

•Là phương pháp điều chế mà biên độ của sóng mang được điều chế có giá trị không Đổi, thay vào đó là sự thay đổi về tần số

•Sự chênh lệch tần số xảy ra tại biên độ cực đại của tín hiệu điều chế

III Phương pháp điều chế số

+ Điều chế khóa dịch biên độ ASK

(amplitude shift keying)

+ Điều chế khóa dịch tần số FSK (frequence shift keying)

+Điều chế khóa dịch pha PSK (phase shift keying)

IV Điều chế khóa dịch pha QPSK

Khóa dịch vuông pha là trường hợp riêng của hợp kênh sóng

mang vuông góc, ở đó mỗi dạng sóng mang thông tin 2 bit nên cần tất cả 4 dạng sóng ứng với 4 pha có hiệu suất băng tần cao

Giản đồ chùm sao QPSK: Dạng sóng tín hiệu mà ta điều chế

là:

• Điều chế PSK M mức

VI So sánh giữa truyền tin tương tự và truyền tin

số trên các kênh TTVT

• Trong TTVT, truyền tin số có nhiều đặc tính ưu việt hơn so với truyền tin tương tự

• Tương tự: sóng mang được điều chế tần số FM với các kênh

thoại và ghép kênh phân chia theo tần số(FDM/FM)

• Tín hiệu số:sóng mang được điều chế QPSK và ghép kênh thoại phân chia theo thời gian(TDM/QPSK)