Thiết kế kênh truyền hình số vệ tinh

Dựa vào các hệ thống truyền hình số vệ tinh có sẵn, theo các tài liệu huấn luyện của các chuyên gia nước ngoài, tác giả tổng hợp , biên soạn tính toán ứng dụng cho một hệ thống dùng ở cá

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI  LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ KÊNH TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH NGUYỄN TIẾN LONG HÀ NỘI 2006 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131478701000000 MỤC LỤC  NỘI DUNG TRANG Trang đầu Lời cảm ơn Mục lục Các chữ viết tắt MỞ ĐẦU Chương 1- TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 - TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1.1 - Định nghĩa, phân loại 1.1.2 - Ưu điểm thơng tin liên lạc qua vệ tinh 1.2 - CẤU HÌNH KHÁI QUÁT CỦA MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN 1.2.1- Cấu trúc vệ tinh 1.2.2 - Trạm mặt đất 1.3 - TẦN SỐ LÀM VIỆC VÀ BĂNG THÔNG CỦA THÔNG TIN VỆ TINH 1.3.1 - Cửa sổ vô tuyến 1.3.2 - Phân định băng tần 1.4 - CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN TRÊN TUYẾN THÔNG TIN 1.4.1 - Các mức công suất 1.4.2 - Các loại suy hao 1.4.3 - Nhiễu tuyến thơng tin 15 1.4.4 - Tỉ lệ tín hiệu nhiễu đầu vào decoder 21 1.4.5 - Tỉ số lượng bit/mật độ nhiễu Eb/NO 21 Chương 2- PHÂN TÍCH HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH 22 2.1 - HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ QUA VỆ TINH 22 2.1.1 - Thực tiễn truyền hình số chuẩn DVB-S 22 2.1.2 - Kỹ thuật đa truy cập qua vệ tinh 23 2.2 - CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH 28 2.2.1 - Điều tần FM (frequency modulation) 28 2.2.2 - Mã hoá kênh (Channel encoding) 31 2.2.3 - Điều chế số ( Digital Modulation ) 31 2.2.4 - Hiệu suất phổ (spectral efficiency ) Г 32 2.2.5 - Chất lượng giải điều chế 33 2.2.6 - Giải mã sửa lỗi 35 2.2.7 - Tính tốn tốc độ liệu có ích so với dải thơng vệ tinh 38 2.2.8 - Hệ số phản xạ Г 40 2.2.9 - Hệ số sóng đứng – VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) 40 2.2.10 - Return loss 40 2.2.11 -Tổn hao không phối hợp trở kháng (Mismatch loss) 41 2.2.12 - Nén tần số ảnh (Image Rejection) 41 2.2.13 - Tạp âm méo xuyên điều chế vệ tinh 42 2.2.14 - Mức cơng suất tín hiệu vào 44 R R 2.2.15 - Dãy tốc độ symbol khoảng tần số ngõ vào 2.2.16 - Nhiệt độ nhiễu tương đương TR , hệ số nhiễu 2.2.17 - Băng thông IF2 2.2.18 - Mức công suất dao động ngõ vào Low-band 2.2.19 - Điểm ngăn hài bậc 2.2.20 - Mức audio 2.3 - HỆ THỐNG ANTEN 2.3.1 - Đặc tính , yêu cầu anten trạm mặt đất 2.3.2 - Phân loại anten 2.3.3 - Các thông số anten parabol đối xứng 2.3.4 - Phễu thu sóng 2.3.5 - Vị trí anten Chương - XỬ LÝ TÍN HIỆU AUDIO, VIDEO TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH 3.1 - AUDIO SỐ 3.1.1 - Tổng quan 3.1.2 - Các nguồn tín hiệu audio số 3.1.3 - Nén tín hiệu chuẩn MPEG – cho Audio số 3.1.4 - Sơ đồ khối nén MPEG 3.1.5 - Sơ đồ khối giải nén MPEG 3.2 - VIDEO SỐ 3.2.1 - Các hệ truyền hình màu giới 3.2.2 - Tiêu chuẩn composite số 3.2.3 - Tiêu chuẩn Component số 3.2.4 - Chuẩn nén MPEG-2 cho video số 3.2.5 - Quá trình giải nén MPEG-2 3.2.6 - Ứng dụng chuẩn nén MPEG -2 3.2.7 - MPEG-2 Profiles, Levels, and Layer 3.2.8 - Tốc độ mã hóa MPEG-2 3.3 - TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH SỐ 3.3.1 - Phân tán lượng (Energy dispersion) 3.3.2 - FEC (Forward Error Correction) 3.4 - ĐIỀU CHẾ SỐ QPSK 3.4.1 - Sơ đồ khối 3.4.2 - Băng thơng tín hiệu QPSK 3.4.3 - Phổ tín hiệu QPSK 3.4.4 - Mạch giải điều chế QPSK 3.5 - BĂNG THÔNG VÀ DỊCH TẦN Chương - TÍNH TỐN KÊNH TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH 4.1 - CHUẨN BỊ CHO TUYẾN TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH 4.1.1 - Phần Vệ tinh 4.1.2 - Trạm mặt đất 4.2 - THIẾT KẾ TUYẾN TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH VINASAT 97 O E 4.2.1 - Vị trí đặt trạm mặt đất 4.2.2 - Tính tuyến lên 4.2.3 - Tính tuyến xuống R R P P 44 44 44 45 45 45 45 45 46 46 50 50 53 53 53 53 56 59 60 60 60 62 67 71 77 78 84 85 86 87 89 92 92 94 94 95 97 98 98 98 101 101 101 102 103 4.2.4 - Tính tuyến tổng 4.2.5 - Thiết kế tính tốn tuyến lên băng Ku 4.2.6 - Thiết kế tính tốn tuyến xuống băng Ku 4.2.7 - Tính tuyến tổng C trạm Hà nội 4.3 - TÍNH KÊNH TRUYỀN DẪN 4.4 - CHỌN MÁY THU VÀ MÁY PHÁT 4.5 - ĐẶT VỆ TINH LÊN QUỸ ĐẠO KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO KEY WORD PHỤ LỤC 104 107 111 114 116 116 117 118 119 120 PL1 LỜI MỞ ĐẦU  Trong thời đại ngày nay, thời đại công nghệ thông tin liên lạc, thiết bị hệ thống mạng phát triển giờ, ngày Hệ thống viễn thơng nói chung hệ thống truyền hình nói riêng đã, phát triển vũ bão Truyền hình từ kỹ thuật tương tự, đen trắng mặt đất bước qua kỷ nguyên số, màu, độ phân giải cao ứng dụng truyền dẫn cáp, vô tuyến mặt đất, vệ tinh Thế giới có nhiều chuẩn, hệ thống , nhằm giải hoàn cảnh , đặc điểm , nhu cầu riêng nước Truyền hình số vệ tinh nước phát triển đến mức hồn thiện khơng ngừng cải tiến nhằm nâng cao chất lượng dung lượng kênh Truyền hình số vệ tinh Việt Nam bước đầu có ứng dụng phát triển dừng mức độ thuê kênh tính thời điểm Cơng nghệ truyền hình số vệ tinh Thế giới có nhiều chuẩn, hệ thống việc chọn theo hệ thống chuẩn để ứng dụng cho quốc gia điều đáng quan tâm nhà ứng dụng chuyên ngành Việc thiết kế kênh truyền hình số qua vệ tinh điều mẻ với nhà chuyên môn nước ta Nếu xét tồn diện từ thiết kế tính tốn đến công nghệ chế tạo cho hệ thống truyền hình số vệ tinh riêng Việt Nam cơng trình phức tạp Nhưng xét phương diện thiết kế tính tốn, chọn thiết bị mua nước ngồi lắp ráp thi cơng điều khả thi Trong khuôn khổ nội dung luận văn này, tác giả chủ yếu thiết kế hệ thống kênh truyền hình số qua vệ tinh Ứng dụng cơng nghệ chuẩn châu Âu, từ lựa chọn thiết bị cho yêu cầu cụ thể hệ thống Dựa vào hệ thống truyền hình số vệ tinh có sẵn, theo tài liệu huấn luyện chuyên gia nước ngoài, tác giả tổng hợp , biên soạn tính tốn ứng dụng cho hệ thống dùng đài truyền hình tỉnh hay thành phố Trong q trình tính tốn thiết kế đề cập việc chọn lựa tốt cho tiêu giải pháp khắc phục hạn chế thường gặp Tuy nội dung luận văn có tính thực tiễn cao khơng tránh khỏi thiếu sót trình độ tác giả thời gian có hạn Xin thầy giáo đồng nghiệp góp ý bảo để nội dung luận văn thực có ích Xin chân thành cảm ơn TP.Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng năm 2006 Nguyễn Tiến Long Chương 1- TỔNG QUAN HỆ THỐNG THỐNG TIN VỆ TINH Chương 1- TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 - ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1.1 - Định nghĩa, phân loại + Một vệ tinh có khả thu phát sóng vơ tuyến điện phóng vào vũ trụ ta gọi vệ tinh thơng tin Khi vệ tinh khuếch đại sóng vơ tuyến điện nhận từ trạm mặt đất phát lại sóng vô tuyến điện đến trạm mặt đất khác Do vệ tinh chuyển động khác quan sát từ mặt đất, phụ thuộc vào quỹ đạo bay vệ tinh, vệ tinh phân vệ tinh quỹ đạo thấp vệ tinh địa tĩnh +Vệ tinh quỹ đạo thấp ( hình 1.1 ) vệ tinh nhìn từ mặt đất chuyển động liên tục, thời gian vệ tinh chuyển động vòng quỹ đạo khác với chu kỳ quay trái đất xung quanh trục Các quỹ đạo thấp có hình ellipse gồm : - LEOs (Low- Earth Orbits) độ cao 750 - 1500 km - MEOs (Medium – Earth Orbits) độ cao 10000 - 20000 km - Ngoài cịn có quỹ đạo cực, HEO + Ưu điểm hệ thống thơng tin dùng quỹ đạo : - Giảm thời gian trễ - Có thể thơng tin đến nơi trái đất LEOs ứng dụng nhiều dịch vụ thông tin di động, MEOs cạnh tranh với LEOs, hệ thống định vị toàn cầu GPS ( Global Position System) ví dụ ứng dụng MEOs + Vệ tinh địa tĩnh ( Geostationary Orbits – GEOs) vệ tinh phóng lên quỹ đạo trịn nằm mặt phẳng đường xích đạo cách trái đất 35786 km, vệ tinh loại bay xung quanh đất vòng 24 Do chu kỳ bay vệ tinh trùng chu kỳ quay đất xung quanh trục theo hướng từ tây sang đông, vệ tinh dường đứng yên quan sát từ mặt đất Mặc dù sử dụng rộng rãi thông tin vệ tinh vệ tinh đặt GEO có số khuyết điểm : Khó bao phủ vùng cực Khó đặt quỹ đạo Góc ngẩng tương đối thấp vĩ độ cao Thời gian trễ lớn ( thời gian tín hiệu gần 0.25s ) - Có ba loại hình thơng tin liên lạc qua vệ tinh : Dịch vụ cố định (FSS –Fixed Satellite Service): VSAT + GSO Dịch vụ quảng bá (BSS– Broadcast Satellite Service): TVRO,SMATV,Radio Dịch vụ di động (MSS – Mobile Satellite Services): SNG, LEO, MEO … 1.1.2 - Ưu điểm thơng tin liên lạc qua vệ tinh - Vùng phủ sóng rộng : vệ tinh đặt cách xa trái đất - Dung lượng thông tin lớn : sử dụng tần số cao nên băng tần rộng áp dụng biện pháp tiết kiệm khoảng tần số (FDMA, TDMA, CDMA …) - Độ tin cậy chất lượng thông tin cao : tuyến thông tin có ba trạm, vệ tinh đóng vai trò trạm lặp, hai trạm đầu cuối mặt đất nên xác suất hư hỏng tuyến thấp - Tính linh hoạt hiệu kinh tế : hệ thống thông tin thiết lập nhanh chóng GVHD TS Nguyễn Vũ Sơn SVTH Nguyễn Tiến Long Chương 1- TỔNG QUAN HỆ THỐNG THỐNG TIN VỆ TINH điều kiện trạm mặt đất cách xa Đặc biệt hiệu kinh tế cao thông tin cự li lớn, thông tin xuyên lục địa - Đa dạng loại hình dịch vụ : Dịch vụ thoại, Fax, Telex cố định Dịch vụ phát thanh, truyền hình quảng bá Dịch vụ thơng tin di động qua vệ tinh Dịch vụ VSAT, Inmarsat Hình 1.1 : Vệ tinh quỹ đạo thấp Hình 1.2 : Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh Vệ tinh địa tĩnh bảo đảm thông tin ổn định liên tục so với vệ tinh quỹ đạo thấp, nên sử dụng truyền hình Nếu ba vệ tinh địa tĩnh đặt cách đường xích đạo hình 1.2 thiết lập thơng tin hầu hết vùng đất cách chuyển tiếp qua vệ tinh Điều cho phép xây dựng mạng thơng tin tồn cầu Hình 1.3 : Hệ thống thơng tin vệ tinh GVHD TS Nguyễn Vũ Sơn SVTH Nguyễn Tiến Long Chương 1- TỔNG QUAN HỆ THỐNG THỐNG TIN VỆ TINH 1.2 - CẤU HÌNH KHÁI QT CỦA MỘT HỆ THỐNG THƠNG TIN Hệ thống thơng tin vệ tinh ( hình 1.3 ) gồm có: Một vệ tinh địa tĩnh Các trạm mặt đất Đường hướng từ trạm phát mặt đất đến vệ tinh gọi tuyến lên Đường hướng từ vệ tinh đến trạm thu mặt đất gọi tuyến xuống 1.2.1 - Cấu trúc vệ tinh : Hình 1.4 mơ tả vệ tinh bao gồm: - Vệ tinh nhân tạo chứa máy thu phát hình, điều khiển bay - Anten định hướng cho mặt đất, góc tỏa sóng anten chọn cho sóng bao trùm vùng cần phủ mặt đất (cả nước vùng lục địa) - Nguồn lượng cung cấp cho vệ tinh hoạt động chủ yếu dùng pin mặt trời Hình 1.4 : Cấu trúc vệ tinh Hình 1.5 – Sơ đồ khối chức vệ tinh GVHD TS Nguyễn Vũ Sơn SVTH Nguyễn Tiến Long Chương 1- TỔNG QUAN HỆ THỐNG THỐNG TIN VỆ TINH - Hoạt động vệ tinh ( hình 1.5 ): Đầu tiên anten nhận tín hiệu tuyến lên, lọc bỏ dãy tần số không mong muốn, khuếch đại nâng cơng suất tín hiệu lên tín hiệu dịch xuống dãy tần phù hợp với dãy tần tuyến xuống Tiếp theo khuếch đại, mạng lưới phân kênh tách kênh riêng lẻ để xử lý : cân bằng, khuếch đại, lọc… tất kênh sau kết hợp lại truyền xuống Hình 1.6 – Sơ đồ khối chức trạm mặt đất 1.2.2 - Trạm mặt đất Phần mặt đất ( hình 1.6 ) hay cịn gọi trạm thu, phát mặt đất, viết tắt SES (Satellite Earth Station) Có nhiều loại trạm mặt đất khác sử dụng, tùy thuộc vào kiểu dịch vụ liên lạc qua vệ tinh Ví dụ trạm cố định di động, thu, phát hai, mục đích sử dụng để truyền thơng tin liệu, thoại truyền hình Hệ thống thiết bị trạm mặt đất bao gồm : antenna, 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 băng tần ( Base Band ) 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 ITMC (International Trunk Maintenance Center) đấu nối đến trạm mặt đất hệ thống cáp đồng trục cáp sợi quang Tín hiệu hình đưa đến trạm mặt đất từ Studio truyền hình ( phát hình thu hình ) cáp đồng trục cáp sợi quang - Hệ thống anten : Đường kính anten thu, phát trạm mặt đất thông thường từ 0.6 - 30 m tuỳ theo tiêu chuẩn loại trạm Anten hệ thống khí vững giữ, đảm bảo đỡ anten điều kiện mưa to gió lớn chí động đất Hệ thống anten đấu nối trực tiếp với khuếch đại tạp âm thấp LNA khuếch đại công suất lớn HPA hệ thống ống dẫn sóng Để ngăn cách tín hiệu cơng suất phát tín hiệu thu khơng lẫn sang ( dùng chung antenna ) người ta dùng lọc thu phát siêu cao ( Diplexer ) - Hệ thống thu tín hiệu : Tín hiệu SHF thu từ antenna khuếch đại lên nhờ LNA, sau qua chia cao GVHD TS Nguyễn Vũ Sơn SVTH Nguyễn Tiến Long Chương 1- TỔNG QUAN HỆ THỐNG THỐNG TIN VỆ TINH tần vào biến đổi xuống (Down Converter) để đổi từ tần số RF xuống trung tần IF, qua giải điều chế để thu lại tín hiệu băng tần ( Base Band ) Tín hiệu xử lý giải nén, sửa lỗi ( Redundancy ), giải nhấn (De-emphasis), triệt tiếng dội (Echo-Cancellation) sau tín hiệu thoại hay truyền hình phân kênh để truy xuất dễ dàng theo tần số sóng mang chuẩn - Hệ thống phát tín hiệu : Tín hiệu băng tần dồn kênh (Mux), sau qua xử lý tín hiệu, điều chế, tổng hợp tần số, đổi tần cho kênh riêng lẻ sau qua khuếch đại công suất lớn truyền qua Diplexer, Feeder xạ antenna Ngồi cịn có hệ thống bám vệ tinh (Tracking), hệ thống giám sát, cấp nguồn Các thiết bị điện tử trạm bắt buộc làm việc mơi trường thích hợp, nhiệt độ 200 C với độ ẩm 70% để đảm bảo an tồn, trì tuổi thọ chất lượng thông tin 1.3 - TẦN SỐ LÀM VIỆC VÀ BĂNG THÔNG CỦA THÔNG TIN VỆ TINH P P Hình 1.7 – Sự suy giảm sóng vơ tuyến không gian 1.3.1 - Cửa sổ vô tuyến Hình 1.7 cho thấy sóng điện từ tần số thấp bị hấp thụ lượng mạnh truyền qua tầng điện li ( đặc biệt mây từ ) tần số cao ( lớn 10Ghz ) bị suy hao đáng kể truyền qua lớp khí ( mây mù đặc biệt mưa ) Chỉ có dải tần từ 1-10 GHz có suy hao tương đối thấp nên chọn sử dụng thông tin vệ tinh, ta gọi khoảng tần số cửa sổ vô tuyến ( Radio Window ) Liên đồn thơng tin quốc tế ITU chia giới làm khu vực : Khu vực : Châu Âu, Châu Phi, Liên bang Nga nước đông Âu cũ Khu vục : Châu Mỹ Khu vực : Châu Á Châu đại dương 1.3.2 - Phân định băng tần Bảng 1.1 1.2 cho ta thấy phân định băng tần thông tin vệ tinh dịch vụ ứng dụng Ví dụ: Băng S ( uplink 2.GHz - downlink 1.GHz ) sử dụng cho di động Băng C, Ku sử dụng nhiều vùng, dùng cho thông tin cố định truyền hình DBS, DTH GVHD TS Nguyễn Vũ Sơn SVTH Nguyễn Tiến Long