TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MỘT TRẠM MẶT ĐẤT TẠI THÀNH PHỐ VINH LIÊN LẠC VỚI VỆ TINH ĐỊA TĨNH VINASAT 1

Đề tài : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MỘT TRẠM MẶT ĐẤT TẠI THÀNH PHỐ VINH LIÊN LẠC VỚI VỆ TINH ĐỊA TĨNH VINASAT 1 Đề tài tập chung nghiên cứu và thiết kế một trạm vệ tinh mặt đất tại thành phố để liên lạc với vệ tinh địa tĩnh Vinasat 1

1 Lời nói đầu Công nghệ thông tin vệ tinh đóng một vai trò rất quan trọng trong viễn thông. Thông tin vệ tinh đảm bảo các kết nối giữa các lục địa, các quốc gia trong khu vực và trên toàn thế giới cũng nh các vùng trong một quốc gia. Thông tin vệ tinh rất đa dạng về loại hình dịch vụ cung cấp (thoại, dữ liệu, hình ảnh, phát thanh - truyền hình, thông tin di động, định vị dẫn đờng, khí tợng, dịch vụ trực tuyến,). Một tuyến liên lạc vệ tinh có thể cung cấp dung lợng lớn và có thể thay đổi theo nhu cầu với độ tin cậy cao, việc thiết lập tuyến cũng nhanh chóng. Với sự kiện Việt Nam vừa phóng thành công vệ tinh địa tĩnh Vinasat -1 vừa qua đã nâng tầm quan trọng và tính tất yếu của thông tin vệ tinh ở Việt Nam và các nớc trong khu vực lên một tầm cao mới. Kèm theo đó cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi điện tử số, giá thành các thiết bị đầu cuối thông tin vệ tinh giảm trong khi các tính năng thì ngày càng đợc bổ sung và hoàn thiện hơn. Tất cả các yếu tố trên sẽ góp phần định hớng phát triển mạnh mẽ các dịch vụ thông tin vệ tinh trong tơng lai. Với sự hớng dẫn của PGS.TS Thái Hồng Nhị, tác giả đã thực hiện luận văn với đề tài Tính toán thiết kế một trạm mặt đất tại thành phố Vinh liên lạc với vệ tinh địa tĩnh VinaSat -1 . Dự kiến trạm mặt đất làm việc nh một trạm HUB mặt đất kết nối với vệ tinh địa tĩnh Vinasat -1 ở băng tần C và băng tần Ku. Bản luận văn này đề cập các kiến thực cơ bản của trạm mặt đất và tính toán thiết kế các đờng truyền phục vụ kết nối giữa trạm mặt đất và vệ tinh. Nội dung luận văn gồm: Chơng 1. Tổng quan về trạm mặt đất Chơng 2. Các thông số và các biểu thức tính toán trong các trạm mặt đất và đờng truyền trạm mặt đất - vệ tinh Chơng 3. Dự kiến tính toán thiết kế một trạm mặt đất tại thành phố Vinh - Nghệ An để liên lạc với vệ tinh Vinasat-1 của Việt Nam. Tác giả xin đợc trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sự hớng dẫn tận tình của PGS.TS Thái Hồng Nhị đã giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. Tác giả cũng xin cảm ơn sự giúp đỡ, góp ý quý báu của các đồng nghiệp, bạn bè để bản luận văn này đợc hoàn thành. Vì thời gian có hạn nên bản luận văn chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Tác giả rất mong đợc sự chỉ bảo của các Thầy, Cô, bạn bè, đồng nghiệp để hoàn thiện các vấn đề đã nêu trong bản luận văn này. Hà Nội, ngày 20 tháng 08 năm 2008 Học viên: Tôn Anh Nhật TP ON BU CHNH VIN THễNG VIT NAM HC VIN CễNG NGH BU CHNH VIN THễNG TễN ANH NHT TNH TON THIT K MT TRM MT T TI THNH PH VINH LIấN LC VI V TINH A TNH VINASAT -1 LUN VN THC S K THUT 1 2 MụC LụC Lời nói đầu Mục lục. i Danh mục các hình vẽ đồ iv Danh mục các ký hiệu viết tắt vi ch ơng 1. tổng quan về trạm mặt Đất 1 1.1. Chức năng và cấu hình của trạm mặt đất . 1 1.2. Phân hệ anten. 2 1.2.1. Các loại anten trạm mặt đất 2 1.2.1.1. Anten g ơng Parrabol. 2 1.2.1.2. Anten Cassegrain 7 1.2.2. Bức xạ của búp sóng chính và búp sóng phụ 9 1.2.3. Góc định vị của anten trạm mặt đất 10 1.2.4. Bám vệ tinh. 11 1.2.4.1. Tổng quan 11 1.2.4.2. Anten trạm mặt đất đ ợc đặt cố định không dùng hệ thống bám 12 1.2.4.3. Anten trạm mặt đất có sử dụng hệ thống bám. 12 1.3. Phân hệ tần số vô tuyến. 13 1.3.1. Tổng quan 13 1.3.2. Phần thu 13 1.3.2.1. Hệ số phẩm chất G/T và nhiệt độ tạp âm của máy thu 13 1.3.2.2. Bộ khuếch đại tham số. 14 1.3.2.3. Bộ khuếch đại dùng transitor 16 1.3.2.4. Bộ khuếch đại đ ợc làm lạnh 16 1.3.2.5. Bộ phân phối sóng mang và chuyển đổi tần số 16 1.3.3. Phần phát 17 1.3.3.1. Công suất phát 17 1.3.3.2. Bộ khuếch đại công suất phát dùng đèn điện tử 18 1.3.3.3. Bộ khuếch đại công suất phát dùng chất bán dẫn 20 1.3.3.4. Đặc tuyến của bộ khuếch đại công suất và việc lựa chọn chế độ làm việc 20 1.4. Phân hệ xử lý tín hiệu trung ian. 21 1.4.1. Tổng quan 21 1.4.2. Biến tần và khối trung tần 22 1.4.2.1. Tần số trung gian. 22 2 3 1.4.2.2. Biến tần đơn. 22 1.4.2.3. Biến tần hai lần 23 1.4.2.4. Khuếch đại trung tần và các bộ lọc 25 1.4.2.5. Điều chế và giải điều chế 26 1.5. Phân hệ giao diện mạng. 26 1.5.1. Ghép kênh và tách kênh 26 1.5.2. Ghép kênh phân chia theo tần số và đa truy nhập FDMA 26 1.5.3. Ghép kênh phân chia theo thời gian và đa truy nhập TDMA. 32 1.5.4. Trạm mặt đất và đa truy nhập CDMA 35 1.6. Phân hệ điều khiển và giám sát. 41 1.7. Nhận xét chung 41 Ch ơng 2. Các thông số và các biểu thức tính toán trong cáC trạm mặt đất và đ ờng truyền trạm mặt đất - Vệ tinh 43 2.1. Tổn hao lùi công suất phát. 43 2.2. Công suất phát và năng l ợng Bit 44 2.3. Công suất bức xạ đẳng h ớng t ơng đ ơng 44 2.4. Nhiệt độ tạp âm t ơng đ ơng. 45 2.5. Mật độ tạp âm 46 2.6. Tỷ số mật độ công suất sóng mang trên tạp âm. 46 2.7. Tỷ số mật độ năng l ợng bit trên tạp âm 47 2.8. Tỷ số tăng ích trên nhiệt độ tạp âm t ơng đ ơng 49 2.9. Các tham số tính toán trong tuyến liên lạc thông tin vệ tinh 49 2.10. Các biểu thức tính toán tuyến liên lạc 50 2.11. Định vị vệ tinh theo các góc nhìn. 53 2.11.1. Định nghĩa 53 2.11.2. Góc ngẫng. 53 2.11.3. Góc ph ơng vị 54 2.11.4. Góc ngẫng tối thiểu - khả năng nhìn thấy vệ tinh. 55 2.11.5. Định vị vệ tinh địa tĩnh 55 Ch ơng 3. Dự kiến tính toán thiết kế một trạm mặt đất tại thành phố vinh-nghệ an để liên lạc với vệ tinh vinasat-1 của việt Nam . 57 3.1. Khảo sát thực trạng mạng viễn thông của tỉnh Nghệ An 57 3.1.1. Mạng điện thoại cố định và kết nối. 57 3 4 3.1.2. Mạng di động. 58 3.1.3. Các mạng viễn thông khác 58 3.2. Nhu cầu phát triển dịch vụ viễn thông ở tỉnh Nghệ An dự kiến đến 2012. 59 3.2.1. Điện thoại 59 3.2.2. Di động 59 3.2.3. Vệ tinh 60 3.2.4. Các dịch vụ thông tin vệ tinh 60 3.3. Dự kiến thiết kế trạm mặt đất đặt tại thành phố Vinh - Nghệ An để liên lạc với vệ tinh Vinasat -1 60 3.3.1. Dự kiến quy mô mạng thông tin vệ tinh Vinh - Nghệ An 60 3.3.2. Tính toán khoảng cách truyền sóng giữa trạm mặt đất đặt tại Vinh - Nghệ An với vệ tinh Vinasat -1 61 3.3.3. Góc ph ơng vị của Anten trạm mặt đất 62 3.3.4. Góc ngẩng của Anten trạm mặt đất 63 3.3.5. Công suất bức xạ đẳng h ớng t ơng đ ơng EIRP 64 3.3.6. Tính dự trữ tuyến 65 3.3.7. Kết nối trạm mặt đất với vệ tinh Vinasat -1 67 3.4. Kết luận chung 70 Tài liệu tham khảo Phụ lục 01 Phụ lục 02 chơng 1. tổng quan về trạm mặt đất 1.1. Chức năng và cấu hình của trạm mặt đất !"#$%&' ()"*+,#-./"*-"012## 3456$7%8.,#$0"9&&#!:%; #!"%;<#&2,=*) >)#.#!"7#$74%8&#!?@ &,#0 AB?#*./"*" "012##3456) 4 5 C&6#D*.;#;$EF=01 E*6?:#G?0.)H6#E&!;#2#6? &?I*.&#J#)K, 56KLM%%!J6#,##!: N&#!:)OE?=01;#!? $P*G;.5G") QN()(IARG E?N)S# @RT*U' HU*AV HU#V HU*.V HUP*G;&5V HU0.&:#G?V W<E*U,,#$0R *U#' ()HUV >)HU2#!"V X)HU7%8,##V Y)HUP*G;&5V T)HU..$0.&:#G?V 5 6 H×nh 1.1. S¬ ®å khèi chøc n¨ng mét tr¹m mÆt ®Êt ®iÓn h×nh 6 7 1.2. Ph©n hÖ anten 1.2.1. C¸c lo¹i anten tr¹m mÆt ®Êt Z;#2#2#;%&E ,%<&0@*[< :*,):#3=*#&*.3= 456#&,##3#D*.=.0#\#E 0EF[0E*+%#R)S%=456*90"B .%&'H0%7G7& S) 1.2.1.1. Anten g¬ng Parrabol S#@H0%R0E*+!"#' ch¶o ph¶n x¹ h×nh parabol&*24,/=[%&bé chiÕu x¹)/0E"#7%&E A*?%&E5*%$5&5*%%$07-< :I*0%*I7*0%])^A*I7%&E"016 E$J6*I7 %=+*#&0@*_* <=%)*I7<=%%&. *`$.R*A) a:#?/=G[*AN A.074#RA* ;#?A#G*I7&#!:b AE5&30c#:#5& \#%E#)a:#G&!*d=*<A*0%  0E"#7;#?) /+!$I4EA*I7*0%&0E*.7*.N2# ;#?e<.G,<G8#BN()>)f"c$*`$ 3*0%*AN.[y = ax 2 &=1g%&\#h,. ?&9GI.-.?";#?&".3#i%& Ec)C0?#1BN()>$N\#%&' FA + AA' = FB + BB' = FC + CC' = k ()( &' 7 Anten Parabol 7 8 FX %&;#/*0%V k%&cV jk;#/&3G,AFX/WZ=[%&jGi# E$F[l%&Gi#E*#*0%) C %=-=*I7-A&+*#7#\#6m$Z=[ %&0@*,R1*A<$E0@**65& i#N()>) aEE0@*,$,BX5fR1*A< *0%?,0?#2@) 3 70 dB D = ()> 8 Hình 1.2. Mô tả kích thuớc hình học và đồ thị phơng hớng của anten Parabol 8 9 '  70c fD θ =   ()>0 ' θ %&EE0@*<4# n V λ %&0<.V c%&E#!:oX)(n p DV D %&3G,V f %&2QqV & φ 0 o> θ ()X  φ 0 %&B<#G<07, n ) f?#()>$()>0&()X,7.<*0%Gi#E%<0@* _*) * HiÖu suÊt cña anten parabol ( η ) ë*0%$G*II. %=07-#RA* 0E"#7:#=*I7-A*0%)OE %==*6- A&E %=G.r01s77#\#P*A)Q= E&%#Gh#+[%&=rß rØ&trµn$ %=07-0E "#J=*I7-AGITntuTt);&$0E"#7G *I%&E#R?$Ed,k#&c5< A)KdG#;Ed5<A)SvN.%85& /"##*0%=GITTt#07-0E "#7) * HÖ sè t¨ng Ých cña anten parabol Q ,*0%G P $?,0?#2@) 9 9 10 G P o 2       λ π η D  ()Y ' η %&##V D%&3G,*0%V λ %&0<.V K<##;#0?#%&TTt η on$TT$0?#()Y?"' G p o 2 2 2 5,4D f c ()Y0 'coX)(n p D%&E#!:&f%&2V?"5<5 5f' G p o5fo>n%f OQqw>n%DY>$> ()Y C"# ##%&(nntNE;>$xx5f&0?# ()Y)) -.0?#()Y$0$+!c$ ,*0%j %#+<0N*A2&0N*A3G,*0%)a:# g%&$2&&A*0%&%<N ,^ * $*0% &%<)Q.G.j,#56;0<. &%<N ,&%<)a<*0%5d%& #NG*I&0E5,0:A*I7=*I7 $5d5,#%/*I7r0PAd,/", .)W,/"#*0%#A R ?,0?#) A R = k.A P ()T ' A p %&5,/" > V k%&*6#E&N5G,<kon$TT< A*I7*0%&0E#7%&44) 10 10 [...]... sinl) 16 17 Mặt phẳng ngang Huớng Bắc A ES Đến vệ tinh y l L ES e E L Trạm mặt 17 SL y l Vệ tinh ở phía đông trạm mặt đất A = 18 0o - a Ro Vệ tinh ở phía tây trạm mặt đất A = 18 0o + a 18 đất ở Bắc bán cầu Trạm mặt đất ở Nam bán cầu A=a A = 360o - a Hình 1. 6 Mô tả gócphơng vị (A) và góc ngẩng (E) 1. 2.4 Bám vệ tinh 1. 2.4 .1 Tổng quan Bám vệ tinh là giữ cho trục búp sóng chính của anten trạm mặt đất đúng... Mô tả tuyến liên lạc thông tin vệ tinh đơn giản với 2 trạm mặt đất và các tần số liên lạc Hình 1. 17 mô tả trờng hợp phức tạp hơn, vệ tinh liên lạc với nhiều trạm mặt đất và nh vậy mỗi tuyến có yêu cầu nhiều hơn bốn sóng mang RF, bởi vì nếu phân bổ tần số nh hình 1. 16 thì một trạm mặt đất này chỉ có thể liên lạc với duy nhất một trạm mặt đất khác 34 35 ở đây phải sử dụng một phơng pháp phân phối khác... cũng nêu lên một số chi tiết (hình 1. 5) [CCIR-3 91] 15 (1. 9) 16 Hình 1. 5 Tăng ích của anten trạm mặt đất theo khuyến nghị của ITU 1. 2.3 Góc định vị của anten trạm mặt đất Biết rằng, phơng của một điểm bất kỳ trên bề mặt quả đất hớng về vệ tinh đợc xác định bởi hai góc, đó là góc phơng vị và góc ngẩng Đây cũng chính là hai góc định vị của anten trạm mặt đất đối với vệ tinh Các góc đó đợc tính toán theo... hình 6 .17 , trạm mặt đất 1 phát ở các sóng mang ở băng tần cao (f 11, f12, f13 v.v) và trạm mặt đất 2 thu ở các sóng mang băng tần thấp (f1, f2, f3 v.v) Để tránh can nhiễu, trạm mặt đất 1, trạm mặt đất 2 phải phát và thu ở các tần số sóng mang khác nhau Các tần số sóng mang RF là cố định và bộ phát đáp vệ tinh chỉ làm nhiệm vụ đơn giản là chuyển đổi tần số giữa tuyến lên và tuyến xuống Hình 1. 16 Mô tả... và các trạm mặt đất khác nhau Mỗi một khuôn dạng có những đặc điểm, u khuyết điểm khác nhau, tuỳ thuộc vào yêu cầu cụ thể Hình 6 .16 mô tả một hệ thống thông tin vệ tinh đơn giản (có hai trạm mặt đất liên lạc với nhau qua vệ tinh) , sử dụng ghép kênh FDM, điều chế tần số FM (FDM/FM) Trong trờng hợp này, để có thể liên lạc song công (full-duplex) thì mỗi một tuyến liên lạc yêu cầu phải hai kênh vệ tinh. .. sóng mang RF tại vệ tinh, cấu hình lại các tín hiệu băng cơ sở với thiết bị ghép kênh/ tách kênh đặt trên vệ tinh hoặc bằng cách sử dụng anten đa búp sóng Các phơng pháp đó có thể giải quyết đợc vấn đề gặp phải nhng hơi phức tạp, tốn kém và làm gia tăng thiết bị phần cứng đặt trên vệ tinh Hình 1. 17 Mô tả trờng hợp một vệ tinh liên lạc với nhiều trạm mặt đất khác trong hệ thống Các vệ tinh truyền thông... của trạm mặt đất (L là giá trị tuyệt đối của hiệu số giữa kinh độ của vệ tinh và kinh độ của trạm mặt đất) Góc phơng vị (azimuth angle) là góc mà anten trạm mặt đất cần phải quay quanh trục thẳng đứng, theo hớng chiều kim đồng hồ tính từ điểm gốc là cực Bắc, đến trục của anten nằm trong mặt phẳng đứng có chứa phơng của vệ tinh Mặt phẳng đó qua các điểm: tâm quả đất, trạm mặt đất và vệ sinh (hình 1. 6a)... thuộc vào độ rộng búp sóng của anten trạm mặt đất cùng với giá trị biên độ của chuyển động biểu kiến của vệ tinh 1. 2.4.2 Anten trạm mặt đất đợc đặt cố định không dùng hệ thống bám Trong nhiều trờng hợp anten trạm mặt đất không cần có hệ thống bám khi mà độ rộng búp sóng của anten đủ rộng so với cửa sổ của vệ tinh địa tĩnh dành cho trạm mặt đất, hoặc nếu là vệ tinh có quỹ đạo elip nghiêng thì là trờng... một số chức năng cụ thể khác về giao diện 1. 5 .1 Ghép kênh và tách kênh Đối với các kênh thoại trong mạng mặt đất PSTN, mặc dù đã có ghép kênh theo các chuẩn nhng khi cần truyền qua kênh thông tin vệ tinh thì tại các trạm mặt đất các kênh thoại đó cần đợc sắp xếp lại Sự sắp xếp đó tuỳ thuộc vào phơng thức truy nhập của trạm mặt đất đến bộ phát đập vệ tinh và dung lợng kênh mà trạm mặt đất đợc phân phối... biểu thức tính toán góc 18 19 phơng vị và góc ngẩng của anten đối với vệ tinh Việc điều chỉnh tính sau đó có thể dựa vào việc dò tìm tín hiệu dẫn đờng (beacon signal) ứng với mức thu cực đại Tín hiệu dẫn đờng đó đợc phát từ vệ tinh 1. 2.4.3 Anten trạm mặt đất có sử dụng hệ thống bám Nhiệm vụ của hệ thống bám là phục vụ điều chỉnh anten trạm mặt đất sao cho hớng búp sóng chính hớng đúng vào vệ tinh Có