Nghiên ứu một số giải pháp hạn chế nhiễu trong thông tin vệ tinh

80 Trang 6 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮTA/D Analog/Digital Tương tự/Số CCIR Comité consultatif International pour la radio Ủy ban tư vấn tần số Quốc tếCDMA Code Division Multiple Access Đa truy

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP HẠN CHẾ NHIỄU

TRONG THÔNG TIN VỆ TINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

BỘ GIÁO GIỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Nguyễn Hải Châu

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP HẠN CHẾ

Chuyên Ngành : Kỹ thuật Điện tử Viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN HỮU TRUNG

Hà Nội - 2009

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Nguyễn Hải Châu học viên lớp Cao học Kỹ thuật điện tử 1 – – Khoá 2007-2009 – Khoa Điện tử Viễn thông – Trường Đại học Bách Khoa

Hà Nội Tôi xin cam đoan bản luận văn thạc sỹ khoa học này do tôi tự làm, không sao chép nguyên bản của ai Các nguồn tài liệu là do tôi thu thập và dịch từ các tài liệu chuẩn nước ngoài Số liệu trong bản luận văn này là số liệu thực tế, không bịa đặt

Nếu có bất cứ sai phạm nào tôi xin chịu trách nhiệm trước hội đồng tốt nghiệp và nhà trường

Người làm cam đoan

Nguyễn Hải Châu

MỤC LỤC

MỤC LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH 3

1.1 Giới thiệu chung về thông tin vệ tinh 3

1.1.1 Giới thiệu chung 3

1.1.2 Đặc điểm của thông tin vệ tinh 3

1.2 Cấu trúc của tuyến liên lạc vệ tinh 4

1.2.1 Các thiết bị trong tuyến liên lạc thông tin vệ tinh 4

1.2.2 Tuyến liên lạc qua hệ thống thông tin vệ tinh 4

1.3 Các vấn đề trong truyền sóng 5

1.3.1 Tần số công tác của thông tin vệ tinh 5

1.3.2 Phân định tần số trong thông tin vệ tinh 6

1.3.3 Tần số sử dụng cho thông tin vệ tinh cố định 8

1.3.4 Phân cực sóng 9

1.3.5 Tạp âm 10

1.4 Đa truy nhập trong thông tin vệ tinh 11

1.4.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) 12

1.4.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) 14

1.4.3 Kỹ thuật CDMA 17

1.4.4 Kỹ thuật DAMA 18

1.5 Cấu trúc trạm mặt đất 19

1.5.1 Anten trạm mặt đất 20

1.5.2 Bộ khuếch đại công suất 27

1.5.3 Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) 28

1.5.4 Bộ đổi tần 28

Chương 2: NHIỄU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 31

2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống 31

2.1.1 Các tham số cơ bản đánh giá chất lượng hệ thống

thông tin vệ tinh 31

2.1.2 Một số yếu tố ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn 34

2.2 Một số phương pháp tính nhiễu 37

2.2.1 Phương pháp tính nhiễu giữa các hệ thống thông tin vệ tinh địa tĩnh 37

2.2.2 Phương pháp tính nhiễu của các hệ thống thông tin vệ tinh phi địa tĩnh tới hệ thống thông tin vệ tinh địa tĩnh 52

2.2.3 Tính nhiễu giữa hệ thống vô tuyến mặt đất với hệ thống GSO 55

Chương 3: CÁC GIẢI PHÁP HẠN CHẾ NHIỄU TRONG THÔNG TIN VỆ TINH 63

3.1 Các nguồn nhiễu 63

3.2 Các loại nhiễu và giải pháp hạn chế nhiễu 64

3.2.1 Nhiễu tín hiệu FM 64

3.2.2 Nhiễu xuyên phân cực: 66

3.2.3 Nhiễu sóng mang số, sóng mang sạch và sóng mang TV/FM 68

3.2.4 Nhiễu xuyên điều chế 69

3.2.5 Nhiễu vệ tinh lân cận 74

KẾT LUẬN 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CCIR Comité consultatif International

pour la radio Ủy ban tư vấn tần số Quốc tếCDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

DAMA Demand Asigned Multiple

Access

Đa truy nhập ấn định theo yêu cầu

EHF Etremely High Frequency Tần số cực kỳ cao

EIRP Equivalent Isotropically

GSO Geosynchronous Orbit Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh

HPA High Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất cao

ISL InterSatellite Link Liên kết giữa các vệ tinh

ITU International Telecommunication

KPA Klystron power Amplifier Bộ khuếch đại công suất cao

NOC Network Operations Center Trung tâm điều hành mạng Non – GSO Non Geosynchronous Orbit Vệ tinh quỹ đạo phi địa tĩnh

PCM Pulse Code Modulation Điều chế mã xung

SCPC Single Channel Per Carrier Một kênh đơn trên một sóng

mang SCPT Single Carrier Per Transponder Một số sóng mang trên một

phát đápSFD Saturation Flux Density Mật độ thông lượng bão hòa SHF Super High Frequency Tần số siêu cao

SLF Super Low Frequency Tần số cực kỳ thấp

SSPA Solid State Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất đèn

bán dẫn TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

thời gian

TWTA Traveling Wave Tube Amplifier Bộ khuếch đại công suất đèn

sóng chạy TWTUAT Uplink Access Test Quá trình kiểm tra truy nhập

kênh hướng lên

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Tần phân loại sóng vô tuyến điện 7

Bảng 1.2: Các băng tần sử dụng cho thông tin vệ tinh 9

Bảng 2.1: Phân loại các sóng mang 46

Bảng 2.2: Các giá trị ngưỡng tương ứng với các cặp sóng mang nhiễu và bị nhiễu 47

Bảng 2.3: Giá trị của βvz phụ thuộc vào vùng khí hậu 60

Bảng 2.4: Giá trị d ứng với các vùng 60

Bảng 2.5: Giá trị ngưỡng L(P) 61

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Đường liên lạc thông tin vệ tinh 5

Hình 1.2: Đa truy nhập phân chia theo tần số 13

Hình 1.3: Đa truy nhập phân chia theo thời gian 15

Hình 1.4: Cấu hình của một trạm mặt đất 19

Hình 1.5: Anten Cassegrain 23

Hình 2.1: Suy giảm ở các băng tần do môi trường truyền dẫn 34

Hình 2.2: Mô tả ảnh hưởng nhiễu giữa hai mạng thông tin vệ tinh sử dụng một băng tần trong cùng một hướng 42

Hình 2.3: Hai hệ thống sử dụng cùng một băng tần theo hai hướng ngược nhau 44

Hình 3.1: Tỷ lệ phần trăm các nguyên nhân gây nhiễu 63

Hình 3.2: Phổ nhiễu tín hiệu FM 64

Hình 3.3: Nhiễu tín hiệu FM 65

Hình 3.4: Nhiễu xuyên phân cực 66

Hình 3.5: Phổ nhiễu xuyên phân cực 67

Hình 3.6: Phổ nhiễu sóng mang số, sóng mang sạch và sóng mang TV/FM 69

Hình 3.7: Phổ nhiễu xuyên điều chế (1) 69

Hình 3.8: Nhiễu xuyên điều chế 70

Hình 3.9: Phổ nhiễu xuyên điều chế (2) 70

Hình 3.10: Nhiễu vệ tinh lân cận (1) 74

Hình 3.11: Nhiễu vệ tinh lân cận (1) 75

Hình 3.12: Nhiễu vệ tinh lân cận (2) 75

Hình 3.13: Nhiễu vệ tinh lân cận (2) 76

Hình 3.14: Nhiễu vệ tinh lân cận (2) 76

Hình 3.15: Nhiễu vệ tinh lân cận hướng thu (1) 77

Hình 3.16: Nhiễu vệ tinh lân cận hướng thu (2) 78

Hình 3.17: Nhiễu vệ tinh lân cận hướng thu (3) 78

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, lĩnh vực thông tin viễn thông đã có những bước tiến rất nhanh chóng, đóng góp vai trò ngày càng quan trọng đối với sự phát triển của nền kinh tế nước ta Không nằm ngoài xu thế chung đó, thông tin vệ tinh cũng không ngừng phát triển với các ứng dụng dịch vụ cho các ngành, lĩnh vực như, : quân sự, viễn thông, khí tượng thủy văn, hàng hải, khác thác dầu, giáo dục, y tế, phát thanh, truyền hình đặc biệt là sự bùng nổ của truyền hình DTH Với nhu cầu ngày càng lớn, các công nghệ, kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin vệ tinh cũng được tìm hiểu, nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều vào thực tiễn

Để đáp ứng nhu cầu rất lớn về dịch vụ thông tinh vệ tinh, số lượng quả vệ tinh trên quỹ đạo được phóng lên ngày càng nhiều, với khoảng cách giữa các quả vệ tinh cũng bị thu hẹp dần từ 40 hay 20 trước đây, hiện nay tại một vị trí quỹ đạo có thể có vài quả vệ tinh ác dải tần vệ tinh C như C, Ku, Ka được sử dụng một cách tối

đa, đồng thời công nghệ phủ sóng spotbeam cũng đã được nhiều nhà khai thác vệ tinh sử dụng

Với việc khai thác tối đa nguồn tài nguyên thôn tin vệ tinh, khả năng xuất g hiện gây nhiễu trong cùng hệ thống cũng như giữa các hệ thống càng, dễ xảy ra Trong thông tin vệ tinh, tác động ảnh hưởng của nhiễu đến chất lượng dịch vụ là rất lớn Các nguồn nhiễu có thể kể đến như: hiễu sóng mang lân cận,n nhiễu vệ tinh lân cận, nhiễu do chính hệ thống của khách hàng, nhiễu xuyên phân cực, nhiễu mặt trời

và nhiều loại nhiễu khác

Vì vậy việc tìm hiểu nghiên cứu về nhiễu trong thông tin vệ tinh là rất cần , thiết, đặc biệt hiện nay khi nước ta đã phóng vệ tinh VINASAT-1 và sẽ phóng thêm nhiều quả vệ tinh khác trong tương lai

Với các yêu cầu đó đề tài , “Nghiên cứu một số giải pháp hạn chế nhiễu

làm cơ sở xây dựng nên các quy trình xử lý nhiễu Tài liệu sẽ có tính áp dụng thực

tế đối với những nhà khai thác vệ tinh và các khách hàng đang sử dụng dịch vụ thông tin vệ tinh

Nội dung luận văn này gồm có 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về thông tin vệ tinh

Trình bày về ứng dụng, dịch vụ, công nghệ, kỹ thuật và một số vấn đề của thông tin vệ tinh

Chương 2: Nhiễu trong hệ thống thông tin vệ tinh

Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống, các tham số đánh giá chất lượng hệ thống và một số phương pháp tính nhiễu

Chương 3: Các giải pháp hạn chế nhiễu trong thông tin vệ tinh

Đưa ra các thông tin chung về các nguồn nhiễu, loại nhiễu, các con số thống kê về nguyên nhân gây nhiễu Sau đó, với mỗi loại nhiễu được

mô tả, đánh giá ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ, phân tích nguyên

nhân và đưa ra biện pháp hạn chế khắc phục, có sử dụng kết quả đo để minh họa

Tính toán công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của mỗi sóng mang khi phát một, nhiều sóng mang trên một bộ phát đáp Tính toán công suất trạm mặt đất khi phát bão hòa bộ phát đáp

Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp, tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS.Nguyễn Hữu Trung và các thầy cô giáo Khoa Điện tử Viễn thông Trường Đại học - Bách Khoa Hà Nội cùng các đồng nghiệp của mình

Vì đây là một lĩnh vực khó nên các nội dung không tránh khỏi còn hạn chế

và thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến, phê bình của các thầy cô giáo cũng như các đồng nghiệp để có thể bổ sung vào nội dung của luận văn này

Hà Nội, tháng 10 năm 2009

C hương 1

1.1.1 Giới thiệu chung

Trong những năm trở lại đây, thông tin vệ tinh đó có những phát triển vượt bậc, việc sử dụng những kỹ thuật mới làm cho các dịch vụ của th ng tin vệ tinh trở ôthành một dịch vụ phổ thông trên khắp thế giới Hàng ngày hai hệ thống th, ông tin

vệ tinh toàn cầu lớn là Intelsat và Intersputnyk bay vũng quanh trái đất cung cấp hàng ngàn kênh thoại cố định nối hàng trăm quốc gia với nhau Ngoài ra cũng cócác vệ tinh khu vực như Aussat, Eusat, Arbsat… 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 bằng hệ thống vệ tinh tầm thấp, các chương trình đào tạo giáo dục từ xa… Tóm lại, ngày nay thông tin vệ tinh có mặt hầu hết trong mọi lĩnh vực về viễn thông Thông tin vệ tinh là thông tin giữa các trạm mặt đất nhờ trạm lặp là trạm vệ tinh và là một trong ba loại thông tin vụ tuyến

vũ trụ để phân biệt với hai loại thông tin vụ tuyến vũ trụ khác là th ng tin giữa một ôtrạm mặt đất với một trạm vũ trụ hay thông tin giữa hai trạm vũ trụ với nhau

Intelsat là một tổ chức viễn thông quốc tế hoạt động phi lợi nhuận do hơn một trăm nước thành viên góp vốn Mạng thông tin vệ tinh do Intelsat cung cấp ngày nay đang là mạng vệ tinh lớn nhất thế giới, cung cấp hơn 2/3 tổng số kênh liênlạc quốc tế toàn cầu Intersputnyk có mạng vệ tinh cho hơn chục nước tham gia vào mạng thông tin liên lạc cố định và phủ sóng phát thanh truyền hình

1.1.2 Đặc điểm của thông tin vệ tinh

- Vùng phủ sóng lớn: Từ quĩ đạo địa tĩnh cách trái đất khoảng 37000 km vệ tinh có thể nhìn thấy 1/3 trái đất, như vậy chỉ cần 3 vệ tinh trên quĩ đạo là thể cóphủ sóng toàn cầu

- Dung lượng thông tin lớn Với băng tần cung cấp ộng và sử dụng kỹ thuật : rtái sử dụng băng tần, hệ thống thông tin vệ tinh cho phép đạt được dung lượng thông tin rất cao.

- Độ tin cậy cao: Do tuyến thông tin vệ tinh chỉ có 3 trạm (2 trạm mặt đất đầu cuối thông tin và trạm lặp vệ tinh) nên xácsuất hư hỏng trên tuyến rất nhỏ

- Tính linh hoạt cao

- Đa dạng về loại hình dịch vụ

1.2 Cấu trúc của tuyến liên lạc vệ tinh

1.2.1 Các thiết bị trong tuyến liên lạc thông tin vệ tinh

Không giống như trong các hệ thống thông tin khác là thông tin giữa các phần tử trên mặt đất, tuyến thông tin trong thông tin vệ tinh là tuyến liên lạc giữa một phần tử trên mặt đất và một phần tử trong không gian vũ trụ là vệ tinh nên trong tuyến liên lạc thông tin vệ tinh bao gồm hai phần là phần không gian và phần mặt đất

Các phần không gian và mặt đất được xem xét kỹ thuật dưới đây:

- Phần không gian bao gồm vệ tinh, các thiết bị trên vệ tinh, thiết bị điều : khiển đo xa, các thiết bị cung cấp nguồn

- Phần mặt đất cũng gọi là các trạm mặt đất bao gồm anten thu phát và các: thiết bị điều khiển bám vệ tinh, ống dẫn sóng, các bộ chia cao tần và ghép côngsuất, máy thu tạp âm thấp và các bộ giải điều chế, các bộ đổi tần lên xuống, các bộ khuếch đại công suất lớn và các bộ điều chế

1.2.2 Tuyến liên lạc qua hệ thống thông tin vệ tinh

- Tại trạmphát: Các tín hiệu có băng tần cơ bản được điều chế thành trung tần, sau đó được đổi lên cao tần nhờ bộ đổi tần tuyến lên UC (Up Converter) rồi được khuếch đại lên mức công suất cao nhờ bộ khuếch đại công suất lớn HPA (High Power Amplifier) và được phát lên vệ tinh qua anten phát

- Tại trạm thu: Tín hiệu cao tần phát từ vệ tinh được thu bởi anten thu qua bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier) và được đổi xuống trung tần nhờ bộ đổi tần xuống DC (Down Converter), sau đó qua bộ giải điều chế để ắckhphục lại băng tần cơ bản giống bên phát

Hình 1.1: Đường liên lạc thông tin vệ tinh.

1.3.1 Tần số công tác của thông tin vệ tinh

Sóng điện từ có dải rộng được dùng trong thông tin vệ tinh tuỳ vào sự khác nhau về mục đích sử dụng Sóng có tần số cao dễ bị hấp thụ và tiêu hao trong tầng khí quyển, trong sương mù và đặc biệt là mưa Sóng tần thấp lại bị yếu đi nhiều khi

đi qua nhiều tầng điện ly do bị hấp thụ hay bị phản xạ Uỷ ban tư vấn quốc tế về vô tuyến CCIR khuyến nghị dải tần làm việc trong thông tin vệ tinh là 1 GHz 10 GHz, -

đó là dải tần thực tế nhất trong thông tin vệ tinh và nó được gọi là “cửa sổ vô tuyến”

Các băng tần được sử dụng: Hiện nay thông tin vệ tinh sử dụng chủ hai băng tần C và Ku với tần số cho tuyến lên và tuyến xuống là 4/6 cho băng tần C và 11/14

D/C LNA

MOD

cho băng tần Ku, ngoài ra hiện nay băng tần 30/20 cũng mới được đưa vào sử dụng (tần số tính bằng đơn vị GHz)

Độ rộng băng tần của thông tin vệ tinh là 500 MHz và nó được chia ra thànhcác băng tần nhỏ hơn 36 MHz hoặc 70 MHz

Tuy vậy để nâng cao giá trị hiệu dụng của băng tần nhằm tăng dung lượng thông tin người ta đó sử dụng kỹ thuật sử dụng lại băng tần cho phép nâng băng tần hiệu dụng lên tới 2590 MHz Các kỹ thuật sử dụng lại băng tần thường được sử dụng gồm có:

- Tái sử dụng băng tần bằng cách chọn phân cực: Các băng tần giống nhau được phát xạ do các anten thông qua các bộ phát đáp khác nhau sử dụng phân cực trực giao của sóng điện từ

- Trong thông tin vệ tinh sóng điện từ phân cực theo hai loại tròn và tuyến tính

để truyền đi trong không gian, và để thu được những sóng điện từ đó thì anten thu cũng phải có phân cực tương ứng Anten có thu phân cực tuyến tính thu được với mức lớn nhất sóng điện từ cùng phân cực nếu góc nghiêng sóng điện từ và anten trong không gian là như nhau

- Tái sử dụng băng tần bằng cách phân biệt các chùm tia phát xạ từ anten Cácbăng tần giống nhau được phát đi bằng các anten trên vệ tinh dùng các bộ phát đáp khác nhau có cácchùm tia thu và cácchùm tia phát không trùng lên nhau

1.3.2 Phân định tần số trong thông tin vệ tinh

Việc phân định tần số được thực hiện theo Điều lệ vô tuyến điện ở mỗi khu vực của ITU Có ba khu vực của ITU; Nhật Bản nằm ở khu vực 3:

Khu vực 1: Châu Âu, Châu Phi, Liên bang Xô Viết cũ và các nước Đông ÂuKhu vực 2: Các nước Nam và Bắc Mỹ

Khu vực 3: Châu và Á châu Đại dương

Tuy nhiên do có sự khác nhau giữa các khu vực đối với dịch vôthông tin vệ tinh nên phân định tần số cho ba khu vực này thường được tiến hành với một vài ngoại lệ

B ảng 1.1 Tần : phân loại sóng vô tuyến điện

Tần số Dải tần số Tần băng tần Phân loại

theo bước sóng

Sử dụng chủ yếu trong

1 30 300Hz- Tần số cực kỳ

thấp (SLF)

Sử dụngtrong vật lý

Chưa được phân định

Phát thanhThông tin hàng hải Thông tin quốc tế

(HF)

Sóng decamet (cỡ chục m)

Phát thanh sóng ngắn Các loại thông tin di động Các loại thông tin cố định

7 30 300MHz- Tần số rất cao

Phát thanh FM và truyền hình

Các loại thông tin di động

8 0.3-3 G Hz Tần số cực

cao (UHF) Sóng dm

Truyền hình Các loại thông tin di động Các loại thông tin cố định

9 3- 30 GHz Tần số siêu

cao (SHF) Sóng cm

Thông tin vệ tinh và rada

Viễn thông công cộng

Vô tuyến thiên văn

decimilimet Chưa được phân định

1.3.3 Tần số sử dụng cho thông tin vệ tinh cố định

Việc phân định tần số cho các dịch vô thôngtin vệ tinh cố định nghĩa là phân tần cho các vệ tinh đứng các điểm cố định Trong này, các băng tần như L, S và C được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước, bao gồm cả Nhật và Mỹ, đó tần là phổ thông không được quốc tế côngnhận

Phân định tần số cho dịch vụ thông tin vệ tinh cố định

- Băng C (6/4 GHz, cho đường lên ần 6 GHz và đường xuống gần 4 GHz g )

Nằm ở khoảng giữa cửa sổ tần số, băng tần này chỉ suy hao t do mưa và ítrước đây đã được sử dụng cho hệ thống Viba dưới mặt đất; do vậy, sự phát triển của thiết bị đó ở mức tiên tiến, được sử dụng chung cho hệ thống Intelsat và các hệ thống khác bao gồm các hệ thống vệ tinh khu vực và nhiều hệ thống vệ tinh nội đị a

- Băng Ku (các băng 14/12 GHz và 14/11 GHz)

Băng này được sử dụng rộng rãi tiếp sau băng C cho viễn thông công cộng

Nó được ưu tiên dùng hơn trong thông tin nội địa và thông tin giữa các công ty, do tần số cao nên cho phéptrạm mặt đất sử dụng được những Anten kích thước nhỏ

- Băng Ka (30/20 GHz)

Băng Ka lần đầu tiên được sử dụng cho một đường thông tin thương mại qua

vệ tinh thông tin “SAKURA” của Nhật Ưu điểm của thông tin vệ tinh sử dụng băng tần này là cho phép sử dụng các trạm mặt đất nhỏ Mặt khác nó cũng có những nhược điểm là giá thành thiết bị tương đối cao để khắc phục suy hao lớn do mưa Ở Nhật ít khi sử dụng băng C và Ku vì hai băng tần này dễ gây nhiễu cho hệ thống viba đặt ở các vùng khác nhau trên nước Nhật Băng Ka 30/20 GHz có một ưu điểm

là không gây nhiễu với các hệ thống viba đã được sử dụng

Bảng 1.2 : Các băng tần sử dụng cho thông tin vệ tinh Băng tần Tần thông dụng Đặc tính và ứng dụng

6/4 GHz Băng C Phù hợp nhất cho thôngtin vệ tinh

Dùng cho thôngtin quốc tế và nội địa14/12 G Hz Băng Ku Bị suy hao do mưa

Sử dụng cho thông tin quốc tế và nội địa 30/20 GHz Băng Ka Bị suy hao nhiều do mưa

Sử dụng cho thông tin nội địa

1.3.4 Phân cực sóng

- Phân cực sóng là gì

Trường điện từ của một sóng vô tuyến điện khi đi trong một môi trường (như

là khí quyển) dao động theo một hướng nhất định Phân cực là hướng dao động của điện trường

Có hai loại phân cực sóng vô tuyến điện được sử dụng trong thông tin vệ tinh: sóng phân cực thẳng và sóng phân cực tròn

- Sóng phân cực thẳng

Một sóng phân c thẳng có cự thể tạo ra bằng cách dẫn các tín hiệu từ một ống dẫn sóng chữ nhật đến anten loa Nhờ đó, sóng được bức xạ theo kiểu phân cực thẳng đứng song song với cạnh đứng của anten loa Để thu được sóng này anten thu cũng cần được bố trí giống tư thế của anten phía phát

Khi đặt nó vuông góc thì không thể thu được sóng này ngay cả khi sóng đi vào ống dẫn sóng vì nó không được nối với đường cáp đồng trục Mặc dù sóng phâncực thẳng thì dễ dàng tạo ra, nhưng cần phải điều chỉnh hướng của ống dẫn sóng anten thu sao cho song song với mặt phẳng phân cực của sóng đến

- Sóng phân cực tròn

Sóng phân cực tròn là sóng khi truyền lan phâncực của nó quay tròn Có thể tạo ra loại sóng này bằng cách kết hợp hai sóng phân cực thẳng có phân cực vuông góc với nhau và góc lệch pha là 900 Sóng phân cực tròn là sóng phân cực phải hay

trái phụ thuộc vào sự khác pha giữa các sóng phân cực thẳng và sớm pha hay chậm pha

Phân cực quay theo chiều kim đồng hồ hay ngược chiều kim đồng hồ với tần

số bằng tần số sóng mang Đối với sóng phân cực tròn mặc dầu không cần điều chỉnh hướng của loa thu, nhưng mạch fiđơ của anten trở nên phức tạp hơn đôi chút

1.3.5 Tạp âm

- Khái niệm về tạp âm trong thông tin vệ tinh

Tạp âm được hiểu là hiệu không mong muốn tín có trong luồng tín hiệu thu

về, tạp âm làm giảm chất lượng thông tin, ví dụ như tạp âmlàm giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N, hoặc làm giảm tỷ số sóng mang trên tạp âm, tăng tín hiệu lỗi bitđường truyền Trên thực tế đối với các hệ thống tin khác thì tạp âm thường rất nhỏ

so với tín ệu hữu íchhi , nhưng trên tuyến thông tin vệ tinh, hiệu hữu thu được tín íchthường rất nhỏ, trong khi đó tạp âm thì lại rất lớndo khoảng cách truyền của thông tin rất dài (khoảng cách 37000 km) Tạp âm cũng được góp nhặt bởi anten từ môi trường truyền sóng, suy hao do mưa Tín hiệu thu về xem như bị chỡm trong tạp

âm Vì thế nghiên cứu tạp âm là một vấn đề rất quan trọng không thể thiếu trong thông tin vệ tinh

- Các nguồn tạp âm trong thông tin vệ tinh

và tạp âm cũng sinh ra từ đó Trong thông tin vệ tinh dải tần từ 1 đến 10 GHz khi góc ngẩng của anten dưới 5o thì mức suy hao do ảnh hưởng tầng đối lưu sẽ nhỏ hơn

1,5 dB Suy hao do mây mù vào khoảng 1 dB trong dải tần 4-6 GHz (băng C) và suy hao khoảng 3 dB trong dải tần 7 GHz và nhỏ hơn 6 dB ở dải tần 10 GHz

Tạp âm do mưa:

Sóng điện từ khôngnhững bị suy hao do mưa mà còn cộng thêm tạp âm sinh

ra do các bức xạ siêu cao của mưa, thêm vào đó nhiệt độ nước mưa cũng là nguồn tạp âm nhiệt Có thể nói trong các nguồn tạp âm trong thông tin vệ tinh thì tạp âm

do mưa sinh ra cần phải lưu ý nhất Do đó trong tính toán tuyến truyền thông tin vệ tinh, để đảm bảo chất lượng thông tin người ta phải có tínhtoán đến sự dự trữ cho mưa và đây cũng là một bài toán rất phức tạp

Tạp âm trái đất:

Mặt đất phản xạ sóng điện từ đối với các búp sóng phụ của anten trạm mặt đất, các búp sóng phụ này gây ra tạp âm ảnh hưởng trực tiếp từ mặt đất và tạp âm khí quyển từ phản xạ từ mặt đất Nhiệt tạp âm do ảnh hưởng của trái đất trong khoảng từ 3-25˚K

Trong một hệ thống thông tin vệ tinh, các trạm mặt đất liên lạc với nhau thông qua vệ tinh Vì vậy trong thông tin vệ tinh việc sử dụng các phương thức truy nhập tới và từ vệ tinh được nghiên cứu một cách hết sức kỹ để có thể chọn lựa sử dụng phương pháp có hiệu quả nhất Băng tần của một vệ tinh thông thường được chia thành những băng tần nhỏ, được khuếch đại một cách riêng rẽ dùng trong mỗi

bộ phát đáp Việc truy nhập cho mỗi bộ phát đáp có thể được giới hạn với một trạm mặt đất tại một điểm, hoặc cũng có thể thực hiện đồng thời nhiều sóng mang một lúc Trong một vệ tinh thì có thể bao gồm cả hai phương pháp truy nhập nói trên

Một số bộ phát đáp chỉ làm việc với một sóng mang đơn, trong khi cũng có đónhững bộ phát đáp làm việc với nhiều sóng mang đơn và còn có những bộ phát đáp lại xử lý một luồng thông tin nhiều sóng mang Đó chính là các phương pháp truy nhập tới các bộ phát đáp của vệ tinh.

Phần này giới thiệu các chọn lựa sẵn và cácphương pháp truy nhập tới và từ

vệ tinh Hiện nay hệ thống thông tin vệ tinh áp dụng phổ biến các phương thức đa truy nhập khác nhau sử dụng tần số, thời gian, không gian hay sử dụng phương pháp xử lý mã như phương pháp: FDMA, TDMA, CDMA, OMA, RMA, DAMA… Truy nhập có thể được hiểu là nhiều người sử dụng chia nhau sử dụng cùng một tài nguyên chung Trong lĩnh vực thông tin vệ tinh thì những người sử dụng ở đây lànhững trạm mặt đất có cùngkiểu dịch vô và khi các tuyến ISL (InterSatellite Link) trở nên thông dụng thì khỏi niệm về người sử dụng cũng được mở rộng ra, bao gồm các vệ tinh khác nhau và các dịch vụ khác trong tương lai

Dưới đây trình bày một cách tổng quát một số kỹ thuật đa truy nhập thường được sử dụng nhất đó là kỹ thuật FDMA và kỹ thuật TDMA

1.4.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)

FDMA là một phương thức đa truy nhập dùng trong thông tin vệ tinh, được

sử dụng khi có nhiều trạm mặt đất cùng làm việc trong một hệ thống thông tin vệ tinh, dựa vào nguyên tắc phân chia theo tần số Đó là trong hệ thống thông tin vệ tinh dùng FDMA mỗi trạm mặt đất khi phát hiệu sẽ làm việc với một phần bộ thì tínphát đáp đó được dành trước cho nó

Mỗi trạm mặt đất thu gom toàn bộ lưu lượng thông tin của tram đólên một sóng mang đơn bằng cách ghép băng tần cơ bản FDM hoặc TDM mà không cần biết địa chỉ của các thôngtin đó Sóng mang FM này mang các tín hiệu địa chỉ cókhác nhau được khuếch đại lên nhờ khuếch đại công suất của trạm mặt đất và đưa tới anten phát lên vệ tinh Anten thu của vệ tinh thu những sóng mang này đồng thời với cácsóng mang khác mà các sóng mang này phânbiệt với nhau nhờ tần số của chúng Toàn bộ băng tần thu được sẽ được đưa qua các bộ lọc rồi sau đó được

khuếch đại bằng các bộ lọc rồi sau đó được khuếch đại bằng các bộ khuếch đại sau các bộ lọc tương ứng

Một kiểu FDMA thường được sử dụng là SCPC (mỗi kênh đơn trên một sóng mang Single Channel Per Carrier) Trong phương thức này thì một tín hiệu – hoặc là thoại hoặc là dữ liệu được điều tần hoặc điều pha PSK được phát đi và truy nhập tới vệ tinh theo phương thức FDMA

Kiểu đa truy nhập phân chia theo tần số PCM/PSK/FDMA dựa theo nguyên tắc các kênh thoại được đưa đến trạm mặt đất dưới dạng các luồng PCM, sau khi thực hiện biến đổi A/D các luồng số có tốc độ 16 - 64 pKb s được sử dụng trên một chiều truyền dẫn của kênh thoại Sau đó chúng được ghép kênh và điều chế sóng mang theo kiểu PSK rồi phát đi, vệ tinh tiếp nhận chúng trên cơ sở FDMA Nếu lưu lượng truyền dẫn ở một trạm đó ở mức tới hạn sử dụng để tăng dung lượng kênh thoại mà không cần phải tăng sóng mang trên vệ tinh

Hình 1.2: Đa truy nhập phân chia theo tần số

Khi hệ thống hoạt động trong chế độ thoại sử dụng phương thức SCPC, thời gian trung bình mà mỗi kênh được sử dụng trong chế độ đàm thoại chỉ chiếm 40%

Trạm

A B C D E F

liên tục

toàn bộ thời gian hoạt động của kênh cho cuộc liên lạc Chế độ thoại không làm đógiảm độ rộng trung bình của băng tần sử dụng bộ phát đáp trên vệ tinh, nhưng tại bất kỳ thời điểm nào cũng chỉ hoạt động với 40% dung lượng của sóng mang thoại

vì vậy yêu cầu về công suất không đángkể và mức do điều chế tương hỗ giảm đi

1.4.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)

- Các đặc tính của TDMA

TDMA là một phương thức truy nhập trong thông tin vệ tinh dựa vào sự phânchia thời gian sử dụng các bộ phátđáp trong vệ tinh giữa các trạm mặt đất, cáctrạm mặt đất này có thể sử dụng trung một tần số sóng mang Phương thức này cũng hoàn toàn thích hợp cho cácmạng viễn thôn số ở dạng gói, hệ thống thông tin c g ápquang, truyền hình số và các hoạt động của mạng máy tính dùng chung một cơ sở

dữ liệu

Các phương pháp TDMA là SCPT/TDMA (Single Carrier Per Transponder - Một số sóng mang trên một phát đáp) và MCPC/TDMA (Multiple CPT – nhiều sóngmang trên một bộ phát đáp) Tất nhiên trong phương phápthứ hai sẽ có những yếu tố làm suy giảm chất lượng hệ thống so với phương pháp thứ nhất

Phương pháp đa truy nhập TDMA như đó nói ở trên, dựa trên việc phân chia thời gian sử dụng bộ p hát đáp thành các khoảng thời gian nhỏ, giữa các khoảng thời gian này có các khoảng thời gian trống gọi là khoảng bảo vệ Điều này hoàn toàn tương tự như trong kỹ thuật FDMA chia toàn bộ băng tần thành các băng tần con và giữa chúng cũng có các khoảng gión băng

Khác với kỹ thuật FDMA, trong kỹ thuật TDMA, mỗi bộ phát đáp chỉ làm việc với sóngmang tại một thời điểm dựa trên cơ sở việc truy nhập được thực hiện đối với nhiều người sử dụng Trong kỹ thuật này, trạm mặt đất được thiết kế sử dụng một khe thời gian dành riêng cho nó để phát lưu lượng thông tin của mình dưới dạng các bit số nằm trong một luồng bit số gọi là burst tín hiệu ( hình 1.3)

Thời gian bắt đầu phát của burst tín hiệu được thiết lập khi trạm điều khiển trung tâm thu được burst hiệu đồng bộ Khoảng thời gian mà mỗi trạm truy nhập tín

với bộ phát đáp vệ tinh được phân chia bởi trạm điều khiển sao cho phù hợp với nhu cầu về dung lượng trạm (trạm nào có dung lượng lớn sẽ được chia khoảng thời gian dài hơn) và thay đổi nhanh chúng cho phù hợp i vớ nhu cầu đột xuất về dung lượng từng trạm

Hình 1.3: Đa truy nhập phân chia theo thời gian

Bất kỳ trạm nào cũng có thể truy nhập tới toàn bộ các trạm khác trong hệ thống để nối thông liên lạc giữa chúng Đối với kỹ thuật FDMA, sự thay đổi độ rộng băng tần đó ấn định cho mỗi trạm là rất tốn kém so với kỹ thuật TDMA Sau khi một trạm đó gửi xong burst thông tin của mình thì sẽ có một khoảng thời gian trống tạo ra trước khi trạm tiếp theo gửi burst thông tin của mình Khoảng thời gian trống được thiết lập dựa trên khả năng nhận biết trước các thay đổi về trễ trong thiết

bị, khả năng thu đồng bộ và sự biến đổi trong dải công tác ra nhằm ngăn ngừa sự giao thoa giữa các burst tín hiệu cho việc truyền dẫn đồng bộ

A B C D E F time

Trạm

TDMA có một nột nổi bật nhất là cho phép nhiều trạm mặt đất truy nhập tới

bộ phát đáp vệ tinh hơn kỹ thuật FDMA rất nhiều do việc sử dụng chung một sóng mang của các trạm mặt đất nên tránh được nhiễu do điều biến tương hỗ trên các bộ phát đáp của vệ tinh Dung lượng bit của TDMA dường như độc lập với số lượng trạm truy nhập, nhưng các thôngtin cần thiết cho việc thiết lập đường liên lạc với rất nhiều khoảng thời gian trống giữa các burst tín hiệu khi có quá nhiều trạm đó làm giảm khả năng các thôngtin cầ thiết Một ưu điểm nữa của kỹ thuật TDMA là n tại mỗi thời điểm chỉ có một sóng mang được tạo ra tại trạm mặt đất hoặc tại các bộ phát đáp của vệ tinh nên các bộ khuếch đại công suất có thể làm việc ở các trạng thái ão b hoà mà không sợ điều chế tương hỗ Bộ khuếch đại của vệ tinh khả ncó ăng khống chế công suất ra trong những trường hợp đặc biệt khi hoạt động ở chế độ SCPT Khi trên vệ tinh dùng đèn khuếch đại sóng chạy TWT trong trường hợp có Fading tuyến lên và có sự thay đổi công suất giữa các burst tín hiệu thì không cần phải điều chỉnh công suất ra của TWT vì nó làm việc ở chế độ quá tải không đáng

kể sẽ làm giảm biến thiên của đường kết nối lên nhưng đối với đường kết nối xuống

Trong kỹ thuật FDMA máy phát ở các trạm mặt đất làm việc liên tục, phát liên tục các sóng mang lên vệ tinh, trong khi đó đối với kỹ thuật TDMA thì máyphát ở các trạm mặt đất chỉ làm việc khi xung yêu cầu được phát ra và chế độ làm việc là một sóng mang trên một bộ phát đáp Chu kỳ làm việc của máy phát trạm mặt đất là thấp, còn đối với vệ tinh, chu kỳ này biến thiên theo sự thay đổi tải của

bộ phát đáp, chu kỳ ngắn khi lưu lượng thông tin thấp, còn chu kỳ hoạt động gần như liên tục nếu như bộ phát đáp đầy tải Về vấn đề này cần phải nghiên cứu chế

độ làm việc cho máy pháttheo chế độ hàng ngày hoặc theo định kỳ

Trong một vài hệ thống TDMA thì một trạm sẽ lấp đầy các khe thời gian không sử dụng bằng các bit giả ngẫu nhiên để giữ cho phổ giống như một dạng tạp

âm và giảm được nhiễu lênhệ thống thông tin khác nhau Vì vậy sóng TDMA được phát lên vệ tinh 24/24h một ngày Trong chế độ làm việc SCPT thì máy pháttrên vệ tinh lúc đó làm việc ở chế độ bão hoà, lúc này công suất đỉnh hay công suất cực đại

của trạm mặt đất được đòi hỏi nhiều hơn Chu kỳ hoạt động của bộ khuếch đại trên

vệ tinh như đó nói ở trên, lối racông suất được đóng mở một cách ngẫu nhiên cần được giải quyết khi thiết kế các bộ khuếch đại trên vệ tinh vì nó có ảnh hưởng lớn đến việc cấp nguồn trên vệ tinh

Kỹ thuật TDMA rất hạn chế về độ rộng băng tần của kênh thông tin, đặc tuyến tần số của kênh không tuyến tính trong khi đó phải đảm bảo cho các kênh PSK hoặc FSK tốc độ cao mà không được phép chồng lấn phổ lên các bộ phát đáp

l ân cận Nói chung giá thành các thiết bị rất cao

Một hệ thống TDMA thường sử dụng toàn bộ bộ phát đáp theo kiểu một sóngmang trên một bộ phátđáp nhưng nó vẫn có khả năng dùng chung một bộ phátđáp với các hệ thống khác như FDMA, CDMA hay một hệ thống TDMA độc lập khác Khi làm việc theo phương pháp nhiều sóng mang trên một bộ phát đáp thìphải giảm mức giữa kí tự mang thông tin và nhiễu giữa các bộ phát đáp kề nhau do trải phổ

Việc thay đổi công suất trong hệ thống TDMA bằng các xung sẽ ảnh hưởng tới các tín hiệu tương tự trong hệ thống FDMA dùng chung bộ phát đáp Khi thay đổi công suất đường lên sẽ ảnh hưởng tới đường xuống

- Một số đặc điểm cơ bản của TDMA

Công suất bộ phát đáp: Có thể làm việc ở trạng thái ão hoà, sử dụng hiệu b quả độ rộng băng tần, tăng tốc độ truyền tin bằng điều chế tốc độ cao Bộ khuếch đại có khả năng hạn chế và loại bỏ Fading tuyến lên, điều khiển công suất đường lên không phức tạp

Phương pháp này sử dụng một phổ tần số của bộ phát đáp, thông thường bằng cách trải tín hiệu ra một dải rộng tần số mà về thực chất là rộng hơn băng tần cần thiết cho nội dung thông tin Sở dĩ có thể dùng chung một phổ tần số là vì mỗi một trạm phát sử dụng một mã giả ngẫu nhiên riêng để thực hiện việc trải phổ tín hiệu truyền đi của trạm Mỗi trạm thu trong mạng lại có một mã nhiễu giả ngẫu

nhiên tương ứng để thực hiện ngược lại với việc trải phổ là nén phổ nhằm thu lại tín hiệu Các mạng khác nhau có thể hoạt động đồng thời trong cùng phổ nếu sử dụng một mã khác không gây ảnh hưởng cho việc trải phổ hay nén phổ của mạng bên cạnh Ví dụ 6 mạng dùng chung 5 MHz trong dải phổ tần số Một hệ thống CDMA khác sử dụng một sự kết hợp kiểu cố định hay thay đổi giữa thời gian và băng tần trong truyền dẫn Các hệ thống CDMA khác nhau chủ yếu dựa vào độ bí mật của thông tin, mức độ chịu đựng sự ảnh hưởng của các hệ thống khác, độ phức tạp nhưng chủ yếu vẫn là tính kinh tế và số trạm mặt đất trong mạng.…

1.4.4 Kỹ thuật DAMA

Hệ thống sử dụng phương thức đa truy nhập DAMA có độ linh hoạt và mềm dẻo cao, sử dụng bộ phát đáp trên vệ tinh một cách có hiệu quả đặc biệt phù hợp với các vùng có nhu cầu thấp Hệ thống truyền thoại bằng việc phân định kênh cho mỗi cuộc gọi khi có yêu cầu, tức là kênh thông tin được thiết lập giữa hai trạm mặt đất trong thời gian thông tin với nhau Hệ thống có khả năng kết nối nội bộ với cấu hình

có dạng hoàn toàn lưới Một số thuê bao trong một vùng dịch vụ của trạm mặt đất nào đó qua các kênh vệ tinh để thiết lập đường thông với các vùng dịch vụ của các trạm khác Tất cả các thuê bao đều có thể thực hiện được các cuộc gọi trong nước

và quốc tế bằng cấu hình mạng lưới hoàn chỉnh

Khi bắt đầu mỗi cuộc gọi thì trạm trung tâm chọn kênh vệ tinh và phân định các bộ Modem ở cả hai trung tâm đường trục có thuê bao gọi đi và thuê bao gọi đến

để thực hiện thiết lập cuộc gọi tại các vị trí xa, mỗi đường trục được nối với Modem hoạt động theo phương thức SCPC và các Modem được điều hướng tới các tần số sóng mang được phân định bằng các lệnh điều khiển từ bộ điều khiển phân định theo nhu cầu từ xa

Trung tâm điều khiển mạng DAMA được xem như quan trọng nhất, ở trung tâm này có máy điều khiển chính cũng được nối với các Modem thu phát thoại để thu tín hiệu báo hiệu Trung tâm điều khiển DAMA có chức năng chính là phân

định các kênh vệ tinh cho các cuộc gọi mới Nó cũng có thể thay đổi cấu hình hệ thống, giám sát chất lượng khai thác tổng thể hệ thống thông qua người khai thác

Tóm lại kỹ thuật DAMA có nhiều ứng dụng trên mạng viễn thông và ngày nay kỹ thuật này ngày nay càng được sử dụng rộng rãi Tuy nhiên, do trễ truyền dẫn không dưới 810 ms nên khôngkinh tế thìdùng DAMA cho dịch vụ truyền số liệu,

mà chỉ nên sử dụng DAMA cho liên lạc thoại Chẳng hạn, khi muốn truyền một bản tin số liệu 8 kbps trên thiết bị đầu cuối 2048kbpschỉ hết 3,9 ms liên lạc, nhưng do trễ truyền dẫn nên phải không dưới 810 ms thì mới thiết lập được cuộc gọi, như vậy phải tốn một thời gian khá dài để thực hiện một cuộc gọi lại quá ngắn

Hệ thống thiết bị trong trạm mặt đất được biểu diễn trên hình vẽ bao gồm: Anten và 1 hệ thống điều khiển anten tương thích

Thiết bị phát và thiết bị thu siêu cao

C ác bộ đổi tần tuyến lên và tuyến xuống

Bộ khuếch đại IF

Bộ đổi tần lên

Máy phát công suất cao

Tín hiệu ở băng tần cơ bản từ mạng viễn thông trong nước được đưa tới từ trạm mặt đất thông qua giao tiếp giữa mạng trong nước và trạm mặt đất, tại đó tínhiệu càn được ghép kênh rồi được đưa tới thiết bị xử lý dưới trạm mặt đất và được điều chế thành sóng trung tần IF, sau đó được đổi lên cao tần RF nhờ bộ đổi tần lên Các sóng RF qua bộ cộng rồi được khuếch đại công suất, đưa ra anten phát vệ lêntinh

Theo chiều ngược lại, tín hiệu từ anten thu qua bộ LNA, bộ chia, qua các bộ đổi tần xuống, đầu ra các bộ đảo tần xuống ta có các sóng trung tần được đưa tới các bộ giải điều chế để khắc phục lại hiệu ở băng tần cơ bản, qua thiết bị xử lý tíntín hiệu rồi đưa tới thiết bị giao tiếp với mạng trong nước

Hệ thống bám có nhiệm vụ giữ cho anten hướng thẳng tới vệ tinh cho dự có

sự dao động tương đối giữa vệ tinh và anten trạm mặt đất hay trong trường hợp vệ tinh không được đặt đúng quỹ đạo của nó do các ảnh hưởng bên ngoài động vào tácViệc thực hiện yêu cầu bám phải phù hợp với các đặc điểm của búp sóng anten và quỹ đạo của vệ tinh Đối với trường hợp anten nhỏ, hệ thống bám có thể được giới hạn cho phép làm giảm giá thành, kích thước và độ phức tạp của trạm (phần này được nói rõ hơn trong phần anten trạm mặt đất)

- Vị trí của An ten trong trạm mặt đất

Việc truyền sóng điện từ trong không gian thường có thể thực hiện theo hai cách:

Cách thứ nhất là dùng các hệ truyền dẫn, nghĩa là các hệ dẫn sóng điện từ như đường dây song hành, đường truyền đồng trục, ống dẫn sóng kim loại hoặc điện môi sóng điện từ truyền lan trong các hệ thống này thuộc loại sóng điện từ ràng buộc

Cách thứ hai là sử dụng bức xạ ra không gian, trong trường hợp này sóng điện từ thuộc loại sóng tự do Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc dùng để thu nhận sóng từ không gian bên ngoài được gọi là anten Anten

phát có nhiệm vụ biến đổi từ sóng điện ràng buộc thành sóng điện từ khônggian tự do và anten thu thì biến đổi ngược lại.

Trong trạm mặt đất thông tinh thì anten là thiết quan trọng nhất, nó chiếm tới 50% giá thành hoặc có thể hơn, bản th quyết định cấu hình, hoạt động khai ân nóthác và chỉ tiêu của trạm mặt đất

Các anten thường thực hiện đồng thời cả hai chức năng thu và phát nhờ có

bộ lọc thu/phát siêu cao Sau đây ta xét một số chỉ tiêu cơ bản của anten ảnh hưởng đến chất lượng của nó

- Các thông số đặc điểm của anten.

Hệ số tăng ích

Hệ số tăng ích của một anten là tỉ số giữa công suất bức xạ hay thu trong mỗi đơn vị góc khối giưó anten và một anten chuẩn (thông thường là anten bức xạđẳng hướng) ở cùng hướng và cùng khoảng cách khảo sát, với giả thiết công suất đặt vào hai anten là như nhau Hệ số tăng ích của anten thường được kí hiệu là G và nó được tính theo công thức:

G = (4Π λ/ 2)Aeff

Trong đó:

λ= c/f , (c = 3.108m/s là vận tốc ánh sáng, f là tần số làm việc của anten)

Aefflà diện tích mặt phản xạ sóng điện từ tương đương của anten Với anten parabol đường kính D thì A = ΠD2/4, và Aeff = ηA, trong đó η là hiệu suất anten

Từ các kết quả trên ta có:

G = η Π( D/λ2) = η Π( Df/c)2

Tính theo dB:

G = 10lg[η(ΠDf/c)2] [dB]

Hiệu suất anten

Hiệu suất anten là một chỉ tiêu quan trọng nhất của anten và nó quyết định phẩm chất của trạm mặt đất Muốn đạt tỷ số G/T cao nhất trong giải tần thì thu phải

có anten hiệu suất cao và để đạt được tổn hao bộ khuếch đại công suất tới mức nhỏ nhất và để giảm các thành phần nhiễu điều chế trong băng tần phát cũng phải có

anten hiệu suất cao Hiệu suất của anten được xác định bằng tỷ số của công suất bức

xạ trên côngsuất đặt vào anten

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất anten được liệt kờ như sau:

Tổn hao mặt phản xạ chính ηpxc do mất mát công suất ra mộp ngoài mặt phản

xạ chính, vì thế hiệu suất anten giảm

Tổn hao mặt phản xạ phụ gây ra do phần bức xạ sơ cấp từ feedhorn bị mất

m át một phần công suất ra mộp ngoài mặt phản xạ phụ tạo ra sự suy giảm về hiệu suất

Hiệu suất che chắn gây ra bởi mặt phản xạ phụ và các thanh đỡ mặt phản xạ phụ, ký hiệu của suất che chắn là ηcc

Suy hao gây ra do sự không bằng phẳng của bề mặt phản xạ, suy hao này tạo lên hiệu suất bề mặt ηbm

Với các trạm mặt đất theo tiêu chuẩn A của Intelsat thì giá trị hiệu suất lấy trong khoảng 50% đến 75%

:

Độ rộng búp sóng

Trong thông tin vệ tinh đòi ỏi anten phải có đặc tính định hướng cao nghĩa h

là năng lượng khi anten phát đi có độ tập trung ở búp sóng chính và tương tự như vậy đối với tín hiệu thu về, độ rộng búp hướng anten cũng thể hiện điều Để so đó

sánh tính định hướng giữa các anten người ta đưa ra khỏi niệm độ rộng của đồ thị phương hướng Theo định nghĩa, độ rộng của đồ thị phương hướng là góc giữa hai hướng, mà theo hai hướng đó cường độ trường hoặc công suất bức xạ giảm đi đến một giá trị nhất định Thường độ rộng của đồ thị phương hướng được xác định ở hai mức: bức xạ không và bức xạ nửa công suất Trong đó độ rộng của đồ thị phương hướng theo mức nửa công suất là góc giữa hai hướng mà theo đó công suất bức xạ giảm đi một nửa so với hướng cực đại Góc này thường được kí hiệu là BW3dB được

t ính tại điểm dB (tại điểm này hệ thống tăng ích của anten giảm xuống còn một -3 nửa so với giá trị cực đại)

BW3dB = 70

fD D

1 21

=

Trong đó:

f: tần số làm việc tính bằng GHzD: đường kính anten tính bằng một

ηλ

suy ra:

G =

2 3

f

θηη

Như vậy hệ số tăng ích G không những phụ thuộc vào hiệu suất của anten mà

nó còn phụ thuộc vào góc nửa công suất θ3dB (hình H.2.2) Nó cách khác, hệ số i tăng ích của anten còn phụ thuộc vào tính định hướng anten Khi độ rộng búp sóngcàng nhỏ (tính định hướng càng cao) hệ thì số tăng ích anten theo hướng búp sóngchính càng lớn, và ngược lại độ rộng búp sóng càng lớn thì hệ số tăng ích anten càng nhỏ

- Anten CASSEGRAIN

Hiện nay hầu hết các trạm mặt đất tiêu chuẩn A đều dùng loại anten Cassegrain Anten Cassegrain thuộc loại anten gương kộp và có cấu tạo như hình vẽ dưới đây:

Hệ thống bức xạ của anten bao gồm: Một mặt phản xạ chính có cấu tạo Parabol, mặt phản xạ phụ có cấu tạo Hypecbol và một Feedhorn như hình vẽ trong

đó 01 là tiêu điểm của mặt phản xạ chính và 0 2 là tâm pha tương đương của Feedhorn Feedhorn được nối với bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA bằng đường ống dẫn sóng rất ngắn nhưng giảm được tạp âm phiđơ Hơn nữa hiện tượng spillover (hiện tượng tổn thất sóng ở gương phản xạ) đối với Cassegrain xảy ra tại rìa gương phụ theo hướng truyền của sóng làm giảm biên độ búp sóng phụ nên giảm được phần nào tạp âm anten do búp sóng phụ gây nên Giá trị góc mở của anten 2θ thôngthường người ta chọn từ 1400 đến 1800 trên cơ sở đặc tính bức xạ và kết cấu cơ khíanten Giá trị F/D liên quan chặt chẽ đến chỉ tiêu chất lượng anten như tải trọng gió chịu đựng và nhiờtj độ tạp âm Giá trị Ds/D thường được chọn bằng khoảng 1/10, có

c ân nhắc đến ảnh hưởng che chắn của mặt phản xạ phụ và khả năng tạo chùm tia của nó

Anten cassegrain có ưu điểm so với anten parabol là kích thước theo hướng trục của nó nhỏ hơn đồng thời do bộ chiếu (feedhorn) đặt gần đỉnh gương nên kết cấu sẽ đơn giản và tiện lợi hơn Nhược điểm duy nhất của loại anten này là gương phụ sẽ chắn mất một phần không gian trước gương chính gây ra một miền nối, làm ảnh hưởng tới hiệu suất anten

Góc quay và độ chính xác cơ khí của anten: Anten trạm mặt đất phải có khả năng quay được tối thiểu 100 cho cả góc phương vị và góc ngẩng xung quanh chiều hướng tới vệ tinh địa tĩnh mới đáp ứng được tiêu chuẩn một trạm mặt đất làm việc trên mạng thông tin vệ tinh Intelsat

Trên phương diện bảo quản, bảo dưỡng và đo thử người ta cần loại anten quay được càng rộng càng tốt, ngày nay các anten có thể quay được tới 3600 (quan

s át được toàn bộ bầu trời) với các cơ cấu cơ khí gọn nhẹ nhưng chắc chắn

Ngoài ra để đạt được tính định hướng cao, các mặt phải có độ chính xác bề mặt cao đồng thời anten phải có độ chắc chắn cơ học để chống các tác động từ bên ngoài như g bió ão, động đất hay các tác động khác

- Hệ thống bám vệ tinh trong anten trạm mặt đất:

Về mặt lý thuyết, vệ tinh địa tĩnh được xem như đứng yên so với trái đất Nhưng thực tế do các tác động của sức hút trái đất, mặt trăng, mặt trời làm cho vệ tinh không ở đúng vị trí quỹ đạo và độ nghiêng của nó trên quĩ đạo cũng thay đổi

Vì vậy, để bảo đảm cho anten trạm mặt đất luôn uôn hướng đúng vệ tinh người ta lphải trang bị các thiết bị bám vệ tinh để điều khiển anten luôn hướng đúng vệ tinh Các phương phápbámvệ tinh thường được sử dụng trong kỹ thuật thông tin vệ tinh ngày nay bao gồm:

- Bám vệ tinh kiểu xung đơn

Kiểu bám vệ tinh này được ứng dụng rộng rãi trong các trạm mặt đất thuộc loại tiêu chuẩn A Việc bám vệ tinh được thực hiện dựa trên cơ sở quan sát cácmode sóng đang làm việc Nếu phát hiện và tách được các mode sóng làm việc thì

sẽ xác định được mức độ hướng dúng vệ tinh của anten trạm mặt đất

Cần có một số các Feedhorn phụ đặt gần xung quanh feedhorn chính để hệ thống có khả năng giám sát được các mode sóng đang làm việc, do vậy sẽ điều khiển được anten hướng đúng vệ tinh

Thực hiện việc điều khiển bám vệ tinh phải có cácthiết bị phân tích và xử lý mode sóng Kiểu điều khiển bám vệ tinh này ưu điểm là có chính xác nhưng nhược điểm là hệ thống bám liên tục làm việc Như vậy vừa tốn năng lượng vừa chóng mài mòn các kết cấu cơ khí của anten

- Bám vệ tinh kiểu từng bước

Kiểu bám này dựa trên cơ sở giám s một tín át hiệu phát từ vệ tinh xuống gọi

là tín hiệu dẫn đường (beacon) và được thiết lập theo một chu kỳ thời gian định trước

Hệ thống này được thực hiện bởi mạch bám từng nấc dựa trên mức điện áp một chiều của tín hiệu beacon thu được Căn cứ vào mức điện áp đó mà xác định hướng để dịch chuyển anten và tạo tín hiệu triger để khởi động hệ thống điều khiển các góc phương vị và góc ngẩng của anten

Hiện nay trên mạng vệ tinh dùng các tần số dẫn đường 3947,5MHz; 3948MHz; 3952MHz; 3953MHz Trong đó các tần số 3947,5MHz thường được sử dụng Các tín hiệu khác, thường dùng khi phóng vệ tinh hay trong khi đưa vệ tinh vào đúng vị trí quỹ đạo.

Hệ thống bám vệ tinh sẽ giám sát tínhiệu dẫn đường của vệ tinh mà trạm sử dụng tại những khoảng thời gian nhất định Hệ thống sẽ lấy mẫu tại một số thời điểm trong cửa sổ Mức điện của các mẫu sẽ được dem so sánh xác định xem vệ để tinh có ở trung t cửa sổ hay không Bộ điều khiển sẽ ra lệnh cho anten quay về âmhướng có mức beacon lớn nhất Trong trường hợp tín hiệu beacon bất ngờ bị tụt xuống dưới mức đã định thì hệ thống bám được khởi động ngay lập tức

Kiểu bám từng bước không phải liên tục được điều khiển như kiểu bám xung đơn do đó không tốn năng lượng và làm mòn kết cấu cơ khí Nhược điểm của phương pháp này là khôngchính xác như phương pháp bám theo kiểu xung đơn vì mức đỉnh của tín hiệu luôn chỉ ở mức gần đạt tới, mức tín hiệu thu luôn uôn l được duy trì trong một khoảng cho phép Tuy vậy phương pháp này vẫn được dùng phổ biến nhất trong các trạm mặt đất do có những ưu điểm về kinh tế trong khi đó nhược điểm về độ chính xác vẫn chấp nhận được trong yêu cầu của hệ thống bám

vệ tinh

- Bám vệ tinh theo chương trình

Phương pháp này dựa trên số liệu thiên văn của các vị trí quỹ đạo vệ tinh được đoán trước do Intelsat cung cấp cho các trạm mặt đất Các số liệu thích hợp này thường được cung cấp trước một khoảng thời gian nhất định và sẽ được sử lý, đưa ra các tín hiệu thích hợp để điều khiển anten bám vệ tinh Bám vệ tinh theo chương trình rất phù hợp cho các trạm nhỏ vì nó không cần thu các tín hiệu beacon cũng như không cần trang bị các thiết bị xử lý tín hiệu kèmtheo do đó kinh tế hơn các kiểu khác

- Bám vệ tinh kiểu nhân công:

Chỉ thực hiện ở các trạm mặt đất cỡ nhỏ vì anten ở đấy có búp sóng lớn nên chỉ cần điều chỉnh hàng tuần hoặc hàng tháng theo kiểu bật điện cho mô tơ chạy hoặc chỉnh bằng tay

1.5.2 Bộ khuếch đại công suất

Bộ khuếch đại công suất cao tại các trạm mặt đất có nhiệm vụ khuếch đại sóng mang cao tần từ bộ cộng cung cấp ở mức công suất thấp thành tín hiệu cao tần mức công suất cao, cùng với độ tăng ích của anten nó phải đảm bảo cho công suất phát xạ đẳng hướng tương đương EIRP cho mỗi sóng mang đủ để phát xạ tới vệ tinh Hệ số khuếch đại của HPA thường được giới hạn ≤ 40 dB

Bộ khuếch đại HPA sử dụng tại các trạm mặt dất thể được phân chia theo cócông suất từ vài trăm W đến vài KW Với trạm mặt đất có dung lượng nhỏ có thể dùngloại có công suất nhỏ hơn 50W, thậm chí trong trường hợp chỉ truyền vài kênh SCPC có thể sử dụng loại từ 1W đến 10W

Hai loại HPA thường xuyên được sử dụng nhất đó là bộ khuếch đại KLYS - TRON (KPA) và bộ khuếch đại đèn sóng chạy (TWT) Chúng có các đặc điểm khác nhau về mặt kỹ thuật cũng như về mặt công suất hay băng tần làm việc Do đó khi lựa chọn bộ khuếch đại công suất cao người sử dụng phải cân nhắc kỹ về các sự khác nhau này sao cho phù hợp với y êu cầu truyền dẫn cụ thể

- Bộ khuếch đại KPA

Các điện tử phát ra từ súng điện tử qua các thiết bị cộng hưởng gồm các hốc cộng hưởng và các ống hình trụ bằng kim loại giữa chúng Tín hiệu cao tần đầu vào được đặt vào các hốc đầu tiên Tín hiệu này tạo nên dùng dao động ở bên trong hốc cộng hưởng, sinh ra một điện trường biến thiên trong hốc Điện trường này lại điều chỉnh chùm tia điện tử khi đi qua hốc Sau khi rời khỏi hốc, chùm tia điện tử hướng tới cực góp chạy qua các ống kim loại, các hốc trung gian và hốc cuối cùng chính là

hốc mà tại đó lấy ra sóng cao tần đã được khuếch đại công suất Nếu như ta điều chỉnh để được kích cỡ phù hợp thì dùng điện dao động trong hốc lớn và kết quả là ta

có được tín hiệu cao tần đầu ra mong muốn từ Catcher Các hốc trung gian được sử dụng nhằm mục đích đạt được hệ số khuếch đại cao cũng như yêu cầu về bão hoà công suất của bộ khuếch đại Sự hội tụ của chùm tia điện tử khi nó đi từ súng điện

tử tới cực góp được thực hiện nhờ cấu trúc hội tụ bằng nam châm (đối với loại ống ngắn) hay cấu trúc hội tụ SOLENOID (đối với ống dài)

1.5.3 Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA)

Tín hiệu thu từ vệ tinh về rất thấp, thường khoảng - 150 dBW trên nền tạp

âm lớn vì vậy khi khuếch đại sẽ khuếc đại luôn cả tạp âm Do đó bộ khuếch đại tạp h

âm thấp có một vai trò đặc biệt quan trọng trong máy thu trạm mặt đất LNA phải

có nhiệt tạp âm rất thấp, nếu không nó sẽ làm nhiệt tạp âm hệ thống tăng rất cao làm giảm chất lượng tín hiệu, thậm chí làm mất tín hiệu

Các yêu cầu về kỹ thuật đối với LNA:

Bộ khuếch đại tạp âm thấp có ảnh hưởng quan trọng hệ số phẩm chất trạm mặt đất G/T vì nó đóng vai trò quyết định tạo nên nhiệt tạp âm hệ thống bởi nó là tầng khuếch đại đầu tiên trong tuyến thu, nếu tạp âm của nó lớn thì tạp âm hệ thống

bị tăng đáng kể Một trạm mặt đất thông tin vệ tinh đạt tiêu chuẩn A tức là phải có

hệ số phẩm chất G/T 35 dB/K, để đạt được tiêu chuẩn đó thì hệ số khuếch đại ≥anten trạm mặt đất phải đạt G= 57 dB và nhiệt tạp âm LNA phải đảm bảo TLNA< 20

dB Để đạt được nhiệt tạp âm thấp thì ta phải làm lạnh chúng ở nhiệt độ rất thấp

Mức đầu ra tín hiệu phải nhỏ hơn mức ra bão hoà của bộ khuếch đại tối thiểu

là 20 dB nhằm giảm tối đa các thành phần điều chế tương hỗ trong bộ khuếch đại LNA Băng tần của LNA phải đảm bảo đủ rộng để bao phủ băng tần công tác của

nhưng nó cũng tồn tại đồng thời các thành phần tần số không mong muốn (các hài bậc cao) mà chúng sẽ gây ra nhiều vấn đề

Độ ổn định tần số của dao động nội ω0 là vô cùng quan trọng bởi vì mọi sự mất ổn định của tần số này sẽ gây ra sự mất ổn định của tín hiệu đầu ra Và mọi sự biến đổi về pha cũng như các tạp âm về pha của tín hiệu nội sẽ được chuyển thẳng tới tín hiệu ra Điều này trở nên rất quan trọng khi chúng gây ra các lỗi về tần số cũng như về pha trong hệ thống

- Bộ đổi tần lên chuyển đổi đơn

Sử dụng nguyên lý đổi tần đó miêu tả ở trên, trong trạm mặt đất bộ đổi tần lên U/C có nhiệm vụ thực hiện việc chuyển đổi tín hiệu trung tần IF thành tín hiệu cao tần tuyến lên RF (tần số đầu ra là 6 GHz đối với băng C và 14 GHz đối với băng Ku) Dưới đây ta xét một ví dụ của kỹ thuật trộn tần của bộ U/C

Tần số trung tần có giá trị f1= 70 MHz

Tần số của dao động nội f2= 6250 MHz

Tần số cao tần đầu ra mong muốn f3= 6322 MHz

Đầu ra bộ trộn tần ta thu được tần số

6250 MHz + 70MHz= 6320MHz

và: 6250 MHz – 70 MHz = 6180 MHz

Như vậy ta thu được cả băng tần trên và băng tần dưới sau bộ trộn tần Sau

bộ trộn tần cần thiết phải có một bộ lọc thông dải chất lượng tốt để loại trừ băng tần dưới không mong muốn Việc sử dụng một bộ lọc băng hẹp là một hạn chế của bộ đổi tần trộn đơn này

- Bộ đổi tần xuống chuyển đổi đơn

Sử dụng quátrình trộn đơn trong bộ đổi tần xuống như hình vẽ H vớitần số dao động nội f1= 4080 MHz, sau bộ trộn ta sẽ thu được hai tần số:

Tần số mong muốn: f2 = 4150 MHz

Và tần số không mong muốn: f3 = 4010 MHz

Do đó một bộ lọc thông dải cần được đặt sau bộ trộn để loại bỏ thành phần tần số không mong muốn 4010 MHz Một bộ lọc có khả năng điều chỉnh cũng được

sử dụng để thực hiện với các dải thông khác nhau của đầu vào và có thể phải điều chỉnh lại sau một vài giờ đồng hồ Và đó cũng là hạn chế của bộ đổi tần đơn Để giải quyết vấn đề này, một bộ đổi tần sử dụng kỹ thuật trộn hoạt động trên toàn bộ băng tần 500MHz không cần một bộ lọc thông dải phải điều chỉnh lại được sử dụng trong các trạm mặt đấ t.

C hương 2 NHIỄU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH

Ưu điểm lớn nhất của thông tin vệ tinh là vùng phủ sóng rộng lớn đáp ứng mọi loại hình dịch vụ và cho phép triển khai từ những nơi mà các hệ thống thông tin khác không đáp ứng được

Một điểm quan trọng khi xét đến việc thiết kế một đường truyền vô tuyến là

có thể cho phép giảm chất lượng tuyến xuống bao nhiêu trong điều kiện cho phép là phù hợp, bởi vì khi thiết kế không chỉ xét đến chất lượng đường truyền mà cần thiết phải xét đến tính kinh tế Do đó bài toán tối ưu ở đây là phải tính toán cho nhiều trường hợp, nhiều phương án để so sánh nhằm khắc phục sự giảm chất lượng đường truyền do truyền lan không gian để có đường truyền thông chất lượng cao Ngoài ra khi thiết kế tuyến thông tin vệ tinh ta phải cân đối giữa chất lượng từng khối thiết bị

và nhiễu mà nó có thể gây ra tới các tuyến khác

Chất lượng của một đường truyền thông tin vệ tinh được đánh giá bằng tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm (C/N) và lượng méo tín hiệu thu ở tuyến, nhưng ảnh hưởng khí quyển gây ra méo tín hiệu thu là rất nhỏ nên trong tính toán thực chất chỉ cần xác định tỷ số C/N của đường truyền

2.1.1 Các tham số cơ bản đánh giá chất lượng hệ thống thông tin vệ tinh

- Tỷ số tín hiệu trên tạp âm ở đầu vào máy thu

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm liên quan tới độ lớn của tín hiệu thu trong mối quan hệ đến tạp âm tại đầu vào máy thu Một vài thông số cụ thể là:

• Tỷ số của công suất tín hiệu trên công suất tạp âm (đây được coi như bản chất vì hai độ lớn cùng loại được so sánh) Nó thường được chỉ rõ là công suất sóng mang điều chế ký hiệu là C và công suất tạp âm là N (tỷ