Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh

LỜI NĨI ĐẦU Truyền hình hình thức thơng tin sinh động, nhiều người, nhiều ngành, quan tâm Truyền hình đen trắng bắt đầu tư trước chiến tranh giới lần thứ hai Từ năm 1953 bắt đầu truyền hình mầu hệ truyền hình NTSC, SECAM, PAL Hiện trở thành truyền hình cổ điển để nhường cho hệ truyền hình có độ phân giải cao So với truyền hình cổ điển, truyền hình vệ tinh cáp băng rộng trở thành vấn đề thời giới Truyền hình vệ tinh có phần ưu điểm HDTV truyền hình cổ điển Phạm vi phủ sóng vệ tinh rộng, vượt ngồi phạm vi lãnh thổ Ở Châu Á, truyền hình vệ tinh phát triển, Việt Nam thu 25 chương trình truyền hình qua vệ tinh nước giới Muốn thu truyền hình trực tiếp từ vệ tinh, phần máy thu hình vệ tinh (DBS) phải có cấu tạo đặc biệt so với máy thu hình thơng dụng Việc thu hình trực tiếp từ vệ sinh thực gia đình thu tập thể phân phối ddi hộ gia đình, cho nhà cao tầng, khách sạn, quan cho tuyến phố, quận, xã Trong phạm vi đồ án tốt nghiệp này, em tìm hiểu hệ thống thu truyền hình trực tiếp từ vệ tinh Do lĩnh vực mẻ, thời gian có hạn, nên đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong thầy bạn đồng nghiệp bảo Qua đồ án nhỏ em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Kiều Khắc Lâu hết lòng bảo, hướng dẫn để đồ án hoàn thành tốt đẹp CHƯƠNG I CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 Giới thiệu Từ ý tưởng hệ thống liên lạc viễn thơng khơng dây tồn cầu truyện khoa học viễn tưởng nhà văn Arthurc Clarke năm 1945 Ngày thông tin vệ tinh trở thành dịch vụ phổ thơng tồn giới Hàng ngày vệ tinh địa tĩnh hai hệ thống thơng tin tồn cầu lớn Itelsat Intersputryk bay vòng quanh trái đất cung cấp hàng ngàn kênh thoại cố định nối hàng trăm quốc gia với Ngồi cịn có vệ tinh khu vực Aussat, Eusat, Aeabsat, phát truyền hình, truyền số liệu, đảm bảo thông tin dẫn đường cho hàng không, cứu hộ cho hàng hải, thăm dò tài nguyên vệ tinh quỹ đạo thấp, người ta đưa chương trình đào tạo giáo dục từ xa vào sống Tổ chức thông tin vệ tinh quốc tế Intelsat tổ chức viễn thông quốc tế hoạt động phi lợi nhuận - nước thành viên góp vốn, có trăm thành viên Mạng thông tin vệ tinh quốc tế Intelsat trở thành mạng vệ tinh lớn giới cung cấp 1/3 tổng số kênh liên lạc quốc tế toàn cầu Tổ chức thơng tin vệ tinh Inters punyk có mạng vệ tinh cho chục nước tham gia vào mạng thông tin liên lạc cố định phủ sóng phát truyền hình Việt Nam thành viên tổ chức từ năm 1980 với trạm mặt đất Hoa sen q tặng Chính phủ Liên Xơ trước đây, cho phép Việt Nam liên lạc nhanh chóng với giới bên Với việc tiến nhanh ngành khoa học kỹ thuật đặc biệt điện tử - viễn thông - tin học - viễn thông tạo khả tăng dung lượng hộ phát đáp vệ tinh kỹ thuật điều khiênr phát xạ cho phép điều chỉnh hướng liên lạc từ vùng sang vùng hành tinh cách tuỳ ý theo mức độ công suất tuỳ ý 1.2 Đặc điểm thông tin vệ tinh Thông tin liên lạc nhờ chuyển tiếp qua vệ tinh có đặc điểm sau: Vùng phủ sóng lớn: Vì từ quỹ đạo địa tĩnh có bán kính cách trái đất trung bình khoảng 37.000km nên vệ tinh nhìn thấy 1/3 trái đất, với vệ tinh vùng phù sóng bao trùm tồn cầu trừ vùng cực Dung lượng thông tin lớn: Với băng tần công tác rộng, nhờ áp dụng kỹ thuật sử dụng lại băng tần nên hệ thông tin vệ tinh cho phép đạt tới dung lượng lớn thời gian ngắn mà khơng loại hình thơng tin đạt Độ tin cậy thơng tin cao: Tuyến thơng tin vệ tinh có trạm vệ tinh đóng vai trị trạm lặp cịn hai trạm đầu cuối mặt đất xác xuất hư hỏng tuyến thấp độ tin cậy trung bình đạt 99,9% thời gian thơng tin năm Chất lượng cao: Đường thơng tin có chất lượng cao ảnh hưởng nhiều khí quyển, pha dinh khơng đáng kể Tốc độ bít lồi kênh đạt 10-9 Tính linh hoạt cao: Hệ thống tin thiết lập nhanh điều kiện trạm mặt đất xa mặt địa lý, dung lượng thay đổi linh hoạt tuỳ theo yêu cầu sử dụng Đa dạng loại hình dịch vụ: Thơng tin vệ tinh cung cấp loại hình dịch vụ sau: Dịch vụ thoại, fax, telex cố đính Dịch vụ phát truyền hình quảng bá Dịch vụ thông tin di động qua vệ tinh Dịch vụ PAMA, VSAT, đạo hàng, cửa hộ hàng hải 1.3 Tần số công tác thông tin vệ tinh Hiện thông tin vệ tinh sử dụng băng tần sau đây: Băng C: Tuyến lên nằm dài tần sau: 3,85  5,9  7,025 GHz Tuyến xuống nằm dải 3,7 4,2; 4,5  4,8 GHz Trong gải 4,5  4,8 GHz cho tuyến xuống chưa có hàng chế tạo thiết bị Băng Ku Tuyến lên: 12,75  13,25 GHz; 14  14,5 GHz Tuyến xuống: 10,7  10,95  11,2  11,45  11,7 GHz 1.3.1 Độ rộng tần thông tin vệ tinh Hiện vệ tinh thơng tin sử dụng có dải thơng 500MHz chia băng tần nhỏ 36 72MHz Tuy có độ rộng 500MHz song hạn chế việc tăng dung lượng việc tăng độ rộng băng tânhiều cần thiết Các kỹ thuật sử dụng lại băng tần cho phép nâng giá trị dùng lên 2,59GHz thực hai cách sau đây: 1.3.2 Tái sử dụng tần số cách phân hiệp chìm tia phát xạ từ Anten, băng tần giống phát Anten vệ tinh dùng phát đáp khác có chùm tia thu chùm tia phát không trùng lên 1.3.3 Tái sử dụng tần số cách chọn phân cực: Các băng tần giống nhau, phát xạ Anten thông qua phát đáp khác sử dụng phân cực trực giao sóng điện từ Trong thơng tin vệ tinh sóng điện từ phân cực theo hai loại trịn tuyến tính để truyền khơng gian, để thu sóng có phân cực anten phải có phân cực trịn tuyến tính tương ứng Anten có fead hom thu phân cực tuyến tính thu với mức lớn sóng điện từ phân cực góc nghiêng sóng điện từ anten không gian 1.4 Cấu hình hệ thống thơng tin vệ tinh Hệ thống thơng tin vệ tinh hình thành hai phần khơng gian phần mặt đất 1.4.1 Phần không gian gồm vệ tinh, thiết bị thông tin vệ tinh, thiết bị điều khiển độ xa, thiết bị cung cấp nguồn lấy từ lượng mặt trời Trong hệ thống thông tin vệ tinh vệ tinh thơng tin thực chất trạm lặp tín hiệu tuyến thơng tin siêu cao tần 1.4.2 Phần mặt đất hay gọi trạm thu phát, mặt đất gọi tắt trạm mặt đất: - Anten thu phát thiết bị điều khiển bám vệ tinh - Ống dẫn sóng, chia cao tần ghép công suất - Máy thu tạp âm thấp, điều chế phản điều chế - Các đổi tần tuyến lên tuyến xuống - Bộ khuếch đại công suất lớn Đường lên lạc hệ thống thông tin vệ tinh mơ tả sau Hình 1.4 BB MOD U/C HPA LNA D/C DEM BB BR: Băng tần MOD: Bộ điều chế U/C: Bộ đổi tần tuyến lên HPA: Bộ khuếch đại công suất LNA: Bộ khuếch đại tạp âm thấp D/C: Bộ đổi phần xuống DEM: Bộ phản điều chế Ta coi vệ tinh thông tin trạm lặp không gian thông tin vô tuyến siêu cao tần có đường truyền sóng dài xun qua khí vào vũ trụ Chiều dài đường truyền từ Anten phát trạm mặt đất đến anten thu vệ tinh khoảng 37.000km Hoạt động hệ thống thông tin vệ tinh sau: Tại đầu phát băng tầng (BR), tín hiệu thoại, video, telex điều chế lên thành trung tần IF (Intermediate Frequency) sau đổi lên thành cao tần (Radiorequency) nhờ đổi tần tuyến lên u/c (up - converter) khuếch đại lên mức công suất cao nhờ HPA (High power amplifier) phát lên vệ tinh qua anten phát trạm mặt đất Tại đầu thu vệ tinh, tín hiệu thu qua khuếch đại, qua đổi tần, khuếch đại công suất phát xuống mặt đất nhờ anten phát Anten thu trạm mặt đất thu tín hiệu từ vệ tinh phát về, tín hiệu qua LNA (Low noise amplifier) , tần số siêu cao biến đổi thành trung tần IF nhờ D/C (Dowr converter) biến đổi xuống, sau sang DEM (Denodulatar) phản điều chế, để phục hồi lại băng tần trạm mặt đất Pháp 1.5 Kỹ thuật trạm mặt đất 1.5.1 Tổng quát trạm mặt đất thông tin vệ tinh Khi muốn thiết lập đường liên lạc gữa hai điểm trực tiếp với nhau, trái đất thông qua trạm chuyển tiếp vệ tinh người ta phải thiết lập hai trạm mặt đất Trạm có tên trạm mặt đất thơng tin vệ tinh thu tín hiệu từ vệ tinh Có nhiều loại trạm mặt đất khác sử dụng tuỳ thuộc vào kiểu dịch vụ liên lạc qua vệ tinh, ví dụ dịch vụ vệ tinh cố định có trạm mặt đất cố đinh, dịch vụ di động cần trạm mắt đất di động Các trạm mặt đất tuỳ theo loại mà quy định tiêu kỹ thuật hệ thống G/T, đường kính anten Trạm mặt đất thơng tin vệ tinh nằm mạng thông tin vệ tinh intelsar phân loại A, B, C theo đường kính anten, hệ số phẩm chất trạm Để đảm bảo tiêu chuẩn liên lạc toàn hệ thống Ngoài thiết lập đường liên lạc Intelsat quy định tiêu kênh đo thứ bắt buộc phải làm sau xong phải báo cáo liên lạc chép mở quan quản lý khai thác chấp thuận kết đo báo cáo Trạm mặt đất loại công suất nhỏ cố định di động thường đặt lại vùng nông thôn rừng núi hẻo lánh, ô tô, tàu thuỷ, xách tay để phục vụ cho mực đích liên lạc khác Việc trì hoạt động trạm mặt đất mặt kỹ thuật có ảnh hưởng định đến chất lượng đường liên lạc qua vệ tinh 1.5.2 Cấu trúc trạm mặt đất Hệ thống trạm mặt đất bao gồm: Anten na, thiết bị phát thiết bị thu siêu cao, biến đổi tuyến lên, tuyến xuống, hệ thống xử lý tín hiệu, hệ thống thiết bị băng tần bản, hệ thống giám sát Tín hiệu có băng tần trạm mặt đất chia làm hai loại Tín hiệu thoại, telex, liệu dạng tương tự hay số đưa đến lấy từ trung tâm bảo trì trung kế quốc tế để đấu nối đến trạm mặt đất hệ thống thông tin cáp đồng trục hệ thống thông tin cáp sợi quang 1.5.3 Hệ thống anten Đường kính anten thu phát trạm mặt đất thơng thường có đường kính từ 0,6 đến 30m tuỳ theo tiêu chuẩn loại tạm ứng với tiêu chuẩn intelsat quy định Để bám vệ tinh kể trường hợp vệ tinh bị lệch quỹ đạo với mức độ cho phép, người ta phải trang bị thiết bị bám antenna kèm theo đảm bảo cho antenna lúc hướng vệ tinh Hệ số phẩm chất trạm mặt đất diễn tả tỷ số độ tăng ích antenna trạm (G) nhiệt độ âm hệ thống (T) ta được: G/T theo tiêu chuẩn trạm mặt đất loại A tỷ số G/T trang 35,5dB Hệ thống anten đấu nối trực tiếp với khuếch đại tập âm thấp LNA (Low noise amplifier) khuếch đại công suất lớn HPA (High powen amplifien) hệ thống ống dẫn sóng, để ngăn cách cơng suất phát tín hiệu thu khơng lần sang Vì dùng chung antenna người ta dùng lọc thu phát hiên cao Khi thiết kế trạm người ta phải bố trí cho ống dần sáng nối thiết bị thu phát đến anten ngắn để giảm mức suy hao tín hiệu suy hao ống dẫn sóng gây Việc lấy tạo độ để điều chỉnh anten hướng vệ tinh việc khó khăn đồi hỏi phải tính tốn trước góc ngẩng góc phương vị anten biết vị trí quỹ đạo vệ tinh vị trí đặt trạm sau phải chỉnh thật xác 1.5.3.1 Hệ thống thu tín hiệu 1.5.3.2 Thu tín hiệu thoại liệu Tín hiệu thoại liệu thu nhờ antenna sau qua khuếch đại tạp âm thấp LNA khuếch đại lên tạp âm thấp khuếch đại lên, sau sang chia cao tần vào biến đổi xuống D/C để đổi từ tần số RF xuống trung tần IF, cuối đến điều chế sau ta thu băng tần tín hiệu thoại đưa ITMC 1.5.3.3 Thu tín hiệu hình Tín hiệu hình thu sau đổi tần lấy trung tần hình tiếng kèm, khuếch đại cần có rửa đưa sang studio hình trường hợp thu hình Vì tín hiệu thu yếu khoảng -150 dB nên thông thường khuếch đại tạp âm thấp LNA đặt đầu thu Anten để tránh suy hao phi Để giảm nhiệt độ tạp âm hệ thống người ta chọn hộ LNA có nhiệt độ tạp âm thấp tốt 1.5.4 Hệ thống phát tín hiệu 1.5.4.1 Phát tín hiệu thoại Tín hiệu thoại liệu đưa đến từ ITMC sang trạm mặt đất dạng băng tần sau tách ghép xử lý thêm tín hiệu nghiệp vụ hệ thống sau xử lý biến đổi lên trung tần nâng lên cao tần cho phù hợp với hệ thống thơng tin vệ tinh, sau nhờ khuếch đại công suất cao nhờ HPA, qua cộng đưa anten phát lên vệ tinh 1.5.4.2 Phát tín hiệu hình Tín hiệu hình có băng tần tạo từ studio truyền hình theo đường hình đường tiếng riêng biệt sau xử lý thành tín hiệu phù hợp Sau khuếch đại lên mức công suất cao nhờ HPA, cộng với tín hiệu tiếng đưa anten phát lên vệ tinh Các trạm mặt đất thường phát công suất từ vài W đến vài KW tuỳ theo dung lượng thơng tin trạm, ngồi phải dự trữ vài dBW công suất cho trường hợp mưa lớn 1.5.5 Hệ thống điều khiển giám sát Để giám sát chất lượng sóng mang tồn hoạt động trạm mặt đất người ta thường trang bị hệ thống gọi tắt CMA (control mono toring and alarm system), điều khiển máy tính lượng cao Công việc theo dõi hệ thống CAN bao gồm - Theo dõi điều khiển mức công suất phát theo tiêu chuẩn - Theo dõi mức cơng suất tín hiệu thu tức tỷ số C/N - Theo dõi thiết bị xử lý tín hiệu modem số, thiết bị đổi tần tuyến lên U/C tuyến xuống D/C - Theo dõi chất lượng tín hiệu hình 1.6 Anten trạm mặt đất thơng tin vệ tinh anten thiết bị quan trọng chiếm tới 50% giá thành trạm, thân định cấu hình hoạt động khai thác trạm Các anten thường đồng thời thu - phát tín hiệu với vệ tinh có lọc tín hiệu thu phát siêu cao gọi Dupg lexer Yêu cầu chất lượng anten cao kể từ độ phẳng gương phản xạ kết cấu khí, chất lượng điện khí, thiết bị điều khiển kèm theo 1.6.1 Hệ số khuếch đại anten quy đầu vào máy thu kể suy hao phi tính theo cơng thức: G = (2 D2/2) L phi = ()2 L phi D: đường kính anten (m) : Hiệu suất anten đạt giá trị từ 50  70% : Bước sóng tín hiệu mà anten thu phát l - Lphi đơ: Suy hao ống dẫn sáng Công thức tính hệ số khuếch đại anten sau - G = ()2  - G = 20log () D: Đường kính anten tính theo (m) : Bước sóng tần số công tác (m) : Hiệu suất anten lấy từ 50  70% Với mục đích đạt hệ số phẩm chất lớn G/T  35,5 db/0k đầu thu GHz cho trạm mặt đất tiêu chuẩn A an ten phải có độ tăng ích lớn yếu tố định với yêu cầu hiệu suất anten cao 1.6.2 Nhiệt độ tạp âm anten Nhiệt độ tạp âm anten tính cơng thức sau: π 2π ∫0 ∫0 T (θ ,φ)G(θ ,φ)rin π Ta = - T (,): Nhiệt độ bầu trời trời theo hướng ( ) - G (,): Hệ số khuếch đại anten hướng ( ) Nhiệt độ tạp âm thay đổi theo góc ngẩng anten trạm mặt đất, người ta đo tính quan hệ góc ngẩng nhiệt độ tạp âm theo hình Góc ngẩng tốt 900 nhiệt tạp âm 200K - Góc nửa cơng suất anten tính cách thực nghiệm gần 1/2 = 70 /D (đơ) : Bước sống cơng tác tính (m) D: Đường kính anten tính (m) T(0k) 60 40 20 30 6090 Góc ngẩng (độ) 1.6.3 Antenna caxegran Hiện hầu hết trạm mặt đất tiêu chuẩn A dùng loại Antenna caxegran kiểu tiêu chuẩn mô tả hình sau: r2 02 r1 01 D Ds F Tham số chủ yếu Anten xác định sau: F/D = 1/4 cotg (/2) Giá trị góc mở anten  thường chọn từ 1400  1800 Giá trị Ds/D thường chọn khoảng 1/10