cân bằng công suất – băng thông trong thông tin vệ tinh

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hoàng Vân CÂN BẰNG CÔNG SUẤT – BĂNG THÔNG TRONG THÔNG TIN VỆ TINH LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2010 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan bản luận văn “Cân bằng công suất băng thông trong thông tin vệ tinh” là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Bạch Gia Dương. Toàn bộ các kiến thức được trích lược từ các tài liệu được liệt kê đầy đủ và chi tiết. Cá nhân tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu có sai phạm quyền tác giả. Người làm cam đoan Hoàng Vân 3 MỤC LỤC Trang Mục lục 2 Danh mục hình vẽ, đồ thị 5 Danh mục các ký tự viết tắt 6 Mở đầu 8 Chương 1. Tổng quan về thông tin vệ tinh 1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin vệ tinh 11 1.2. Đặc điểm của thông tin vệ tinh 12 1.3 Một số vấn đề liên quan đến thông tin vệ tinh 13 1.3.1. Quỹ đạo 13 1.3.2. Tần số trong thông tin vệ tinh 15 1.3.3. Phân cực sóng 18 1.4. Hệ thống thông tin vệ tinh 19 1.5 Suy hao, tạp âm trong hệ thống thông tin vệ tinh 21 1.5.1. Các nguồn tạp âm 21 1.5.2 Các loại suy hao 22 1.6. Các phương pháp đa truy nhập trong thông tin vệ tinh 23 1.6.1. Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA 23 1.6.2. Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA 24 1.6.3. Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA 27 Chương 2. Truyền dẫn số trong thông tin vệ tinh 2.1 Ảnh hường của thiết bị trạm mặt đất đến tín hiệu số 29 2.1.1 Bộ khuếch đại công suất 30 2.1.2 Bộ khuếch đại tạp âm thấp 31 2.1.3 Bộ chuyển đổi tần số 32 2.2 Kỹ thuật điều chế và giải điều chế tín hiệu 33 2.2.1. Giới thiệu 33 2.2.2. Kỹ thuật điều chế tần số (FM) 34 2.2.3. Kỹ thuật giải điều chế sóng mang điều tần (FM) 34 2.2.4. Điều chế số 34 4 2.2.5. Kỹ thuật giải điều chế sóng mang PSK 35 2.3 Truyền dẫn tín hiệu số trên kênh thực tế 36 2.3.1 Khái niệm ISI 36 2.3.2. Các đặc tính lọc nhằm truyền dẫn không có ISI 36 2.3.3. Phân phối đặc tính lọc 42 2.3.4 Ảnh hưởng của bộ lọc cosine nâng đến băng thông tín hiệu 43 2.4. Méo tuyến tính 43 2.5 Méo phi tuyến 44 2.5.1 Các hiện tượng phi tuyến 44 2.5.2 Hài (Harmonic) 45 2.5.3. Điểm nén 1 dB 46 2.5.4 Điểm chặn bậc 3 - IP3 (Third Intercept Point) 47 2.5.5 Ảnh hưởng của IM3 đến băng thông 50 2.5.6 Một số phương pháp khắc phục méo phi tuyến 51 2.6 Mã hóa kênh 51 2.6.1 Các phương pháp điều khiển lỗi 52 2.6.2 Mã khối 53 2.6.3 Mã chập 54 2.6.4 Giải mã mã chập bằng thuật toán Viterbi 54 2.6.5 Mã Turbo 55 2.6.6 Đánh giá các loại mã 55 2.7 Tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến băng thông 56 Chương 3. Các hệ thức tuyến và cân bằng công suất – băng thông 3.1. Các mối quan hệ trong hệ thức tuyến 58 3.1.1. Đơn vị đo lường 58 3.1.2. Quan hệ sóng mang – nhiễu 60 5 3.1.3. Hệ thức tuyến 60 3.2. Hệ số tăng ích Anten (G-Gain) 61 3.3. Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) 61 3.4. Suy hao đường truyền 62 3.4.1. Suy hao trong không gian tự do 62 3.4.2. Khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh 63 3.5. Nhiệt tạp âm 63 3.6. Nhiệt tạp âm của Anten 64 3.6.1. Anten vệ tinh (tuyến lên) 64 3.6.2. Anten trạm mặt đất (tuyến xuống) 65 3.7. Nhiệt tạp âm của hệ thống 66 3.8. Hệ số phẩm chất (G/T) 67 3.9. Tỷ số sóng mang trên tạp âm (C/N) 67 3.10. Tổng tỷ số sóng mang trên tạp âm (C/T T ) 68 3.11. Bộ phát đáp vệ tinh 68 3.11.1. Điểm hoạt động của bộ phát đáp 69 3.11.2. EIRP hoạt động của bộ phát đáp 69 Chương 4. Tính toán công suất tuyến 4.1 Mục đích của cân bằng công suất – băng thông 70 4.2 Tính toán thực tế 70 Chương 5. Thực nghiệm 5.1. Giới thiệu công nghệ mạch dải 78 5.2. Ma trận tán xạ 80 5.3. Thiết kế và mô phỏng bộ khuếch đại dùng JFET 80 Kết luận 90 Tài liệu tham khảo 93 6 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình vẽ Trang Hình 1.1: Truyền dẫn bằng vệ tinh 12 Hình 1.2: Các dạng quỹ đạo của vệ tinh 14 Hình 1.3: Quỹ đạo vệ tinh 15 Hình 1.4: Cửa sổ tần số 18 Hình 1.5: Các thành phần của một hệ thống vệ tinh thông tin 19 Hình 1.6: Các bộ phận của trạm mặt đất 20 Hình 1.7: Đa truy nhập theo tần số: FDMA 23 Hình 1.8: Hoạt động của mạng theo nguyên lý TDMA 24 Hình 1.9: Cấu trúc khung TDMA theo tiêu chuẩn INTELSAT 25 Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát của hệ thống truyền dẫn 29 Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống thông tin vệ tinh 30 Hình 2.3: Đặc tính không tuyến tính của bộ khuếch đại công suất 31 Hình 2.4: Nguyên lý bộ trộn 32 Hình 2.5: Bộ chuyển đổi đơn tần số lên 33 Hình 2.6: Nguyên lý của một bộ điều chế số 35 Hình 2.7: Mô hình hệ thống băng gốc với các tín hiệu xung PAM 36 Hình 2.8: Hình thành bộ lọc cosine nâng 38 Hình 2.9: Đáp ứng xung của bộ lọc cosine nâng 39 Hình 2.10: Đáp ứng xung của bộ lọc cosine nâng với 1 số giá trị của  40 Hình 2.11: Điểm nén 1dB 46 Hình 2.12: Gây méo tín hiệu bởi IM 3 48 Hình 2.13: Xác định IP 3 bằng đồ thị 48 Hình 2.14: Mối liên hệ giữa IP 3 và IM 3 50 Hình 2.15: Tổng quan các phương pháp điều khiển lỗi 52 Hình 2.16: Sơ đồ khối của mã Turbo 55 Hình 4.1: Sơ đồ tính toán đường truyền cho kênh thông tin 77 Hình 5.1. Các loại vi mạch dải 79 Hình 5.2: Sơ đồ nguyên lý 81 Hình 5.3: Cấu trúc nhánh 1 82 Hình 5.4: Kết quả mô phỏng tham số S 11 83 Hình 5.5: Kết quả mô phỏng tham số S 21 84 Hình 5.6: Kết quả mô phỏng tham số S 22 85 Hình 5.7: Kết quả mô phỏng hệ số sóng đứng tương ứng S 11 85 Hình 5.8: Kết quả mô phỏng hệ số sóng đứng tương ứng S 22 86 Hình 5.9: Cấu trúc nhánh 2 86 Hình 5.10. Bộ khuếch đại cao tần dùng JFET 87 Hình 5.11: Đo đạc các tham số bằng máy phân tích mạng 88 Hình 5.12: Kết quả đo đạc tham số S 11 88 Hình 5.13: Kết quả đo đạc tham số S 21 89 7 DANH MỤC CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT Ký tự viết tắt Cụm từ Tiếng Anh Diễn giải ARQ Automatic Repeat reQuest Yêu cầu lặp tự động ATDE Adaptive Time Domain Equalizer Bộ cân bằng thích nghi AWGN Additive white Gaussian noise Nhiễu Gauss trắng BB Basic Band Băng tần cơ sở BER Bit error ratio Tỉ số lỗi bít BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế dịch mức pha nhị phân C/N Carrier/Noise Tỉ số sóng mang/tạp âm CCIR International Radio Consultative Committee Uỷ ban tư vấn quốc tế CDMA Code division multiple access Đa truy nhập theo mã D/C Down Converter Bộ đổi tần xuống DEM Demodulation Bộ giải điều chế DE-PSK Different Encode PSK Giải điều chế dịch mức pha DE-QPSK Different Encode QPSK Giải điều chế cầu phương DTH Direct to Home Truyền hình trực tiếp đến hộ gia đình EIRP Equivalent Isotropic Radiated Power CS bức xạ đẳng hướng tương đương FDMA Frequency Division Multiple access Đa truy nhập theo tần số FECC Forward Error Correction Coding Mã hóa sửa lỗi không phản hồi FET Field-effect transistor Transistor hiệu ứng trường HF High Frequency Cao tần HPA High Power Amplifier Khuếch đại công suất cao IBO Input Back Off Độ lùi đầu vào IBPD In-Band power difference Độ lệch băng thực tế so với hoàn hảo IM Intermodulation Biến điệu 8 IP3 Third Intercept Point Điểm chặn bậc 3 ISI InterSymbol Interference Xuyên nhiễu giữa các dấu ITU International Telecommunication Union Hiệp hội viễn thông quốc tế JFET Junction Field-effect transistor Transistor trường điều khiển bằng tiếp xúc N-P KPA Klystron Amplifier Bộ khuếch đại CS Klystron LNA Low noise Amplifier Khuếch đại tạp âm thấp MOD Modulation Bộ điều chế OBO Output Back Off Độ lùi đầu ra OFDM Orthogonal frequency- division multiplexing Điều chế đa sóng mang trực giao PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế xung biên PCB Printed circuit board Công nghệ chế tạo bảng mạch in PCM Pulse Code Modulation Điều chế xung mã PSK Phase Shift Keying Điều chế dịch mức pha QAM Quadrature amplitude modulation Điều chế cầu phương QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha trực giao QSA Quasi-static Approximation Xấp xỉ tĩnh lượng tử S/N Signal/Noise Tỉ số tín hiệu/tạp âm SDMA Space division Multiple access Đa truy nhập theo không gian SHF Super high Frequency Siêu tần số SSPA Solid State Power Amplifier Bộ khuếch đại CS dùng bán dẫn TDM Time division multiplexing Ghép kênh theo thời gian TDMA Time division multiple access Đa truy nhập theo thời gian TWTA Travelling Wave Tube Amplifier Bộ khuếch đại công suất ống sóng chạy U/C Up Converter Bộ đổi tần lên VHF Very high Frequency Siêu cao tần XPD X-polarization diversity Phân cực chéo 9 MỞ ĐẦU Ngày nay, thông tin vệ tinh đã trở thành một dịch vụ phổ thông trên toàn thế giới với các vệ tinh đĩa tĩnh của nhiều hệ thống, đặc biệt là 2 hệ thống Intelsat và Intersputnyk đã cung cấp hàng triệu kênh thoại, truyền hình, số liệu…kết nối hàng trăm quốc gia khác nhau. Ngoài ra các vệ tinh khu vực như: Eusat, Asiasat, Palapa… cung cấp các dịch vụ thoại cố định, phát thanh truyền hình, truyền số liệu, đảm bảo thông tin dẫn đường cho hàng không, cứu hộ hàng hải, thăm dò tài nguyên, đào tạo từ xa… đã đưa thông tin vệ tinh trở thành loại hình có thể cung cấp đa dạng nhiều loại dịch vụ nhất hiện nay. Năm 2008, vệ tinh đầu tiên của Việt Nam – Vinasat đã được đưa vào hoạt động, phục vụ mục đích thiết lập đường truyền dẫn quốc tế và xây dựng các mạng VSAT nội hạt. Trong bài toán xây dựng một hệ thống thông tin vệ tinh, khách hàng cần thuê đường truyền thường dựa trên cơ sở nhu cầu về dung lượng thực tế (Bps) với các điều kiện về chất lượng dịch vụ, còn các nhà cung cấp đường truyền vệ tinh sẽ quy về băng thông (Hz) và công suất tương ứng. Họ sẽ phải tính toán để đảm bảo tỷ lệ băng thông cho thuê trên mỗi transponder cân bằng với công suất bỏ ra tương ứng. Do phải trả tiền cho nhà cung cấp đường truyền về băng thông nên khách hàng sẽ có xu hướng sử dụng các thiết bị nâng cao khả năng tối ưu băng thông để tiết kiệm chi phí. Điều này sẽ đẩy các nhà cung cấp đường truyền vào bài toán cân bằng công suất để đạt được hiệu quả khai thác vệ tinh tốt nhất. Thực tế với sự phát triển công nghệ ngày nay thì các thiết bị trạm mặt đất được đổi mới và phát triển liên tục, còn vệ tinh phải chấp nhận “nằm im” trong suốt thời gian sống của nó trên không gian (15 năm). Vì vậy, cán cân công suất – băng thông đang ngày càng nghiêng về sự tiêu tốn của công suất, băng thông ngày càng tối ưu. Đối với các vệ tinh thế hệ cũ, vấn đề đảm bảo công suất là rất khó khăn và tốn kém. Nhà cung cấp đường truyền thường xuyên phải đối mặt với việc giới hạn công suất, đặc biệt cho các vùng có suy hao lớn do mưa và các suy hao bức xạ khác. Vì vậy, bài toán cân bằng công suất – băng thông là hết sức thiết thực đối với cả nhà cung cấp đường truyền và khách hàng. Các vệ tinh thế hệ mới - do công nghệ chế tạo ngày càng phát triển – đã có thể giảm khối lượng các bộ khuếch đại và điều khiển công suất đủ lớn theo yêu cầu, sẵn sàng phục vụ ở các miền tần số cao như dải tần Ka. Tuy nhiên, số lượng vệ 10 tinh ngày càng gia tăng, mật độ vệ tinh trên quỹ đạo ngày càng dày đặc nên để tránh can nhiễu giữa các hệ thống, ITU cũng ra các quy định về giới hạn công suất phát cho mỗi transponder. Chính vì vậy, việc tăng công suất phát vẫn là vấn đề cần hết sức cân nhắc và bài toán cân bằng công suất – băng thông vẫn rất có ý nghĩa về thực tế, kinh tế. Vì vậy, mục đích của luận văn này là phân tích các yếu tố tác động đến tín hiệu, một số biện pháp để khắc phục, nâng cao chất lượng và những ảnh hưởng của các biện pháp đó đến băng thông. Đồng thời cũng phân tích quá trình tính toán quỹ công suất để đạt được trạng thái cân bằng với băng thông chiếm dụng trên transponder. Trong luận văn cũng đưa ra ví dụ tính toán tuyến để chỉ ra việc cân băng này và nghiên cứu thực nghiệm thiết kế một bộ khuếch đại băng tần C tại tần số 5.5Ghz sử dụng công nghệ mạch dải siêu cao tần. Luận văn gồm 5 chương: Chương 1. Tổng quan về thông tin vệ tinh: Trình bày các đặc điểm, cấu trúc của hệ thống thông tin vệ tinh. Các vấn đề về tần số, quỹ đạo, phân cực, suy hao, nhiễu. Chương 1 cũng phân tích sơ lược về vấn đề đa truy nhập trong thông tin vệ tinh. Chương 2. Truyền dẫn số trong thông tin vệ tinh: Phân tích sự ảnh hưởng của các thiết bị trong hệ thống trạm mặt đất đến tín hiệu số. Các yếu tố gây méo trong truyền dẫn vô tuyến: méo tuyến tính và méo phi tuyến tương ứng các yếu tố ảnh hưởng đến băng thông: bộ lọc cosine nâng để chống ISI, bộ lọc mask để chống IM3. Chương 2 cũng trình bày một số loại mã hóa sử dụng trong thông tin vệ tinh và tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến băng thông tín hiệu. Chương 3. Các hệ thức tuyến và cân bằng công suất – băng thông: Trình bày các công thức tính toán tham số cho một tuyến thông tin vệ tinh. Chương 4. Tính toán công suất tuyến: Tính toán thiết lập đường truyền từ một trạm mặt đất Hà nội đến trạm đầu cuối Hồ chí Minh qua vệ tinh Vinasat. Chương 5: Thực nghiệm: Trên cơ sở nghiên cứu băng tần C, thiết kế thử nghiệm một bộ khuếch đại siêu cao tần sử dụng JFET có ý nghĩa quan trọng trong việc làm chủ kênh truyền với công suất phát cho trước. Vấn đề cân bằng công suất-băng thông không phải là vấn đề mới trong kỹ thuật. Tuy nhiên, trong thương mại, các khách hàng nhiều khi không đánh giá đúng tầm quan trọng của nó để có thể lựa chọn cấu hình phù hợp với yêu cầu của mình. Có thể vì mục tiêu lợi nhuận bằng cách tối giản chi phí thuê băng thông sẽ [...]... lại băng tần nên hệ thống thông tin vệ tinh cho phép đạt tới dung lượng lớn trong một thời gian ngắn Hình 1.1: Truyền dẫn bằng vệ tinh (a): Điểm – điểm, (b): Đa điểm  Độ tin cậy thông tin cao: Tuyến thông tin vệ tinh chỉ có 3 trạm trong đó vệ tinh chỉ đóng vai trò trạm lặp còn 2 trạm đầu cuối trên mặt đất do đó xác suất hư hỏng trên tuyến là rất thấp, độ tin cậy trung bình đạt 99,9% thời gian thông tin. .. tác lên vệ tinh bù trừ cho nhau nên vệ tinh được coi là đứng yên so với trái đất khi quan sát từ một vị trí cố định trên mặt đất Dạng này rất thích hợp cho các vệ tinh thông tin Nó có các đặc điểm sau: - Tốc độ bay trung bình của vệ tinh: 23 giờ, 56 phút, 04,09054 giây - Độ cao của vệ tinh 35.786,04Km được tính từ vệ tinh đến điểm chiếu thẳng dưới vệ tinh trên xích đạo - Bán kính của quỹ đạo vệ tinh: ... tĩnh nói chung thường lấy tên của kinh độ trực tiếp ở dưới vị trí điạ tĩnh của vệ tinh Khoảng cách các vệ tinh thường là 3o đối với các vệ tinh thông tin quốc tế và thường là 1o đối với các vệ tinh thông tin nội địa 1.3.2 Tần số trong thông tin vệ tinh a Môi trường truyền sóng Trong thông tin vệ tinh môi trường để truyền lan năng lượng điện từ là vùng khí quyển bao quanh trái đất và vùng không gian... trời, bão mặt trời, sao băng, bức xạ vũ trụ và mùa trong năm cũng ảnh hưởng đến tầng điện ly b Băng tần thông tin vệ tinh Khi chọn băng tần cho thông tin vệ tinh người ta thường phải cân nhắc các yếu tố: can nhiễu, băng tần, các tham số đường truyền và công nghệ thiết bị sử dụng trong hệ thống Các tần số lý tưởng đối với thông tin vệ tinh nằm trong cửa sổ tần số Tuy nhiên băng tần sử dụng yêu cầu... gia - Năm 1979, thành lập tổ chức thông tin hàng hải quốc tê qua vệ tinh INMARSAT có trụ sở lại Anh, chuyên cung cấp dịch vụ thông tin vệ tinh thương mại hàng hải Ngày nay, các công ty vệ tinh đã và đang phát triển rất mạnh như Intelsat, Inmarsat, Panamsat, Asiasat, Eurostar, Loral Skynet,… 13 1.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA THÔNG TIN VỆ TINH Thông tin liên lạc nhờ chuyển tiếp qua vệ tinh, môi trường truyền sóng là... đại công suất Để bù vào tổn hao truyền sóng lớn trong thông tin vệ tinh, đầu ra máy phát cần phải có công suất càng lớn càng tốt Do vậy, trong hệ thống trạm mặt đất cần có bộ khuếch đại công suất cao (HPA – High Power Amplifier) So với các hệ thống vô tuyến trên mặt đất với khoảng cách giữa các trạm chỉ khoảng vài chục km nên công suất máy phát chỉ khoảng 1W, khoảng cách đó trong thông tin vệ tinh. .. truyền qua vùng mưa Trong thông tin vệ tinh dải tần từ 1 GHz đến 10 GHz có suy hao tương đối thấp và là giải tần tốt nhất cho thông tin vệ tinh, đã được CCIR khuyến nghị sử dụng cho thông tin vệ tinh Dải tần này được gọi là cửa sổ tần số vô tuyến Sóng điện từ trong dải 1 - 10GHz truyền trong vũ trụ được coi như truyền trong không gian tự do, do đó nó cho phép lập các đường truyền thông tin ổn định với... QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH - Tháng 10 - 1957: Liên Xô phóng thành công vệ tinh nhân tạo đầu tiên Sputnik-1vào quỹ đạo quanh trái đất - Năm 1958: Bản tin chúc mừng giáng sinh của tổng thống Mỹ Eisenhower lần đầu tiên được phát quảng bá qua vệ tinh có tên là Score (Signal Communication by Orbitdio Equipment) - Năm 1960 - 1962: Một loạt các Vệ tinh như:... 1,95 - 0,833 Trong đó các băng tần C, Ku và Ka đang được sử dụng rộng rãi - Băng C: Nằm trong cửa sổ tần số ít suy hao do mưa, được sử dụng chung cho hệ thống Intelsat và các hệ thống khác như hệ thống vệ tinh khu vực và nhiều hệ thống vệ tinh nội địa - Băng Ku : Băng này được sử dụng rộng rãi sau băng C cho viễn thông công cộng Nó được dùng nhiều cho thông tin nội địa và thông tin giữa các công ty do... thông tin vệ tinh được hình thành từ hai phần chính đó là phần không gian và phần mặt đất Đường lên Đường xuống Trạm điều khiển(TT & C) Phần không gian Tx Rx Phần mặt đất Hình 1.5 Các thành phần của một hệ thống vệ tinh thông tin 21  Phần không gian: gồm có vệ tinh, các thiết bị thông tin trên vệ tinh, các thiết bị điều khiển và đo từ xa, các thiết bị cung cấp nguồn lấy từ năng lượng mặt trời Trong . Tổng quan về thông tin vệ tinh 1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin vệ tinh 11 1.2. Đặc điểm của thông tin vệ tinh 12 1.3 Một số vấn đề liên quan đến thông tin vệ tinh 13 1.3.1 Quỹ đạo 13 1.3.2. Tần số trong thông tin vệ tinh 15 1.3.3. Phân cực sóng 18 1.4. Hệ thống thông tin vệ tinh 19 1.5 Suy hao, tạp âm trong hệ thống thông tin vệ tinh 21 1.5.1. Các nguồn. gian ngắn. Hình 1.1: Truyền dẫn bằng vệ tinh (a): Điểm – điểm, (b): Đa điểm  Độ tin cậy thông tin cao: Tuyến thông tin vệ tinh chỉ có 3 trạm trong đó vệ tinh chỉ đóng vai trò trạm lặp còn