thiết kế tuyến thông tin vệ tinh

Ngoài ra kỹ thuật viba ngày càng phát triển đã tạo điều kiện thực hiện các anten nhiều búp sóng có khả năng tạo biên hình mà búp sóng của chúng hoàn toàn thích ứng với hình dạng lục địa,

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Giáo viên hướng dẫn

Sinh viên thực hiện : ĐẶNG RÕ

http://www.ebook.edu.vn 1

Lời Nói Đầu

Trong những thập kỷ qua, cùng với sự phát triển của khoa học , công nghệ

ngành viễn thông đã có những phát triển vượt bậc, đáp ứng những nhu cầu trao đổi

thông tin góp phần không nhỏ trong công cuộc xây dựng và định hướng phát triển

của xã hội loài người

Chúng ta sống trong kỷ nguyên của sự bùng nổ thông tin, việc trao đổi thông

tin diễn ra khắp mọi nơi trên thế giới với yêu cầu nhanh chóng và chính xác Đối với

thông tin quốc tế, thông tin vệ tinh đã cung cấp những đường thông tin dung lượng

lớn, khi tầm liên lạc xảy ra trong diện rộng thì thông tin vệ tinh thể hiện tính ưu việt

của nó về mặt kinh tế Hiện nay nước ta đang chuẩn bị phóng vệ tinh cho riêng mình

nhằm đáp ứng các nhu cầu thông tin ngày càng cao trong nước và quốc tế Để hiểu

rõ hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm công nghệ thông tin, công nghệ thiết bị, sự

liên lạc qua hệ thống thông tin vệ tinh và từ đó xây dựng một tuyến liên lạc phù hợp,

được sự giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn, em thực hiện đề tài :

“ Thiết kế tuyến thông tin vệ tinh ”

Được sự hướng dẫn tận tình của thầy , em đã cố gắng vận dụng các kiến

thức đã học để hoàn thành đồ án, nhưng vì thời gian và kiến thức còn hạn chế, chắc

hẳn trong đồ án này không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong được sự góp ý,

chỉ bảo, đóng góp của các thầy cô và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Công nghệ thông tin –

Điện tử viễn thông đã giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập mà đặc biệt là sự

hướng dẫn chỉ bảo của thầy giúp em hoàn thành đồ án này

Tuy hòa, tháng 11 năm 2002

Sinh viên

Đặng Rõ

MỤC LỤC

-LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH

CHƯƠNG II : SÓNG VÔ TUYẾN ĐIỆN 2.1 Tần số và các đặc tính của sóng vô tuyến điện trong thông tin vệ tinh 17

http://www.ebook.edu.vn 3

CHƯƠNG III : KỸ THUẬT TRẠM MẶT ĐẤT

CHƯƠNG IV : TRẠM VỆ TINH

4.3.3 Các tuyến nối liên vệ tinh 36

1 Các tuyến nối giữa các vệ tinh địa tĩnh với vệ tinh quỹ đạo thấp 36

CHƯƠNG V : THIẾT KẾ ĐƯỜNG TRUYỀN

CHƯƠNG VI : TÍNH TOÁN TUYẾN THÔNG TIN

6.4 Tính dự trữ tuyến trạm thu truyền hình qua vệ tinh (TVRO) 64

http://www.ebook.edu.vn 5

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH

1.1 SỰ RA ĐỜI CỦA CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH

Thông tin vô tuyến qua vêï tinh là thành tựu nghiên cứu trong lĩnh vực truyền

thông và mục tiêu của nó là gia tăng về mặt cự ly và dung lượng với chi phí thấp

Kết hợp sử dụng hai kỹ thuật - tên lửa và viba đã mở ra kỷ nguyên thông tin

vệ tinh Dịch vụ được cung cấp theo cách này bổ sung một cách hữu ích cho các dịch

vụ mà trước đó độc nhất chỉ do các mạng ở dưới đất cung cấp, sử dụng vô tuyến và cáp

Kỷ nguyên vũ trụ được bắt đầu vào năm 1957 với việc phóng vệ tinh nhân

tạo đầu tiên (vệ tinh Sputnik của Liên xô cũ ) Những năm tiếp theo các vệ tinh

khác cũng lần lượt được phóng như SCORE phát quảng bá (năm 1958 ), vệ tinh

phản xạ ECHO (1960), các vệ tinh chuyển tiếp băng rộng TELSTAR và RELAY

(1962) và vệ tinh địa tĩnh đầu tiên là SYNCOM (1963)

Trong năm 1965, vệ tinh địa tĩnh thương mại đầu tiên INTELSAT-1 đánh

dấu sự mở đầu cho hàng loạt các vệ tinh INTELSAT Cùng năm đó, Liên xô cũ

cũng phóng vệ tinh truyền thông đầu tiên trong loạt vệ tinh truyền thông

MOLNYA

1.2 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN

Các hệ thống vệ tinh đầu tiên cung cấp dung lượng thấp với giá tương đối cao

như vệ tinh INTELSAT-1 nặng 68kg khi phóng, có dung lượng 480 kênh thoại với giá

32.500USD một kênh trong một năm Giá thành này cao là do chi phí phóng, kết hợp

với giá vệ tinh có tính đến tuổi thọ vệ tinh ngắn (1 năm rưỡi ) và dung lượng thấp

Việc giảm giá là kết quả của nhiều nỗ lực, những nỗ lực đó đã dẫn đến việc

tạo ra các tên lửa phóng có khả năng đưa các vệ tinh ngày càng nặng hơn lên quỹ

đạo (3750kg khi phóng vệ tinh INTELSAT-VI) Ngoài ra kỹ thuật viba ngày càng

phát triển đã tạo điều kiện thực hiện các anten nhiều búp sóng có khả năng tạo biên

hình mà búp sóng của chúng hoàn toàn thích ứng với hình dạng lục địa, cho phép tái

sử dụng cùng một băng tần giữa các búp sóng và kết hợp sử dụng các bộ khuyếch đại

truyền dẫn công suất cao hơn Dung lượng vệ tinh tăng lên dẫn đến giảm giá thành

mỗi kênh thoại (80.000 kênh trên INTELSAT-VI có giá thuê mỗi kênh là 380USD)

Ngoài việc giảm chi phí truyền thông, đặc điểm nổi bậc nhất là tính đa

dạng của các dịch vụ mà các hệ thống thông tin vệ tinh cung cấp và diện bao phủ

rộng của vệ tinh đã được dùng để thiết lập các tuyến thông tin vô tuyến cự ly xa,

như vệ tinh INTELSAT-1 cho phép thiết lập các trạm ở hai bên bờ Đại Tây Dương

kết nối được với nhau Khi kích thước và công suất của các vệ tinh càng tăng lên

thì càng cho phép giảm kích thước của các trạm mặt đất và do vậy giảm giá thành

của chúng, dẫn đến tăng số lượng các trạm mặt đất Do đó có thể khai thác một

tính năng khác của vệ tinh, đó là khả năng thu thập hoặc phát quảng bá các tín

hiệu từ hoặc tới một số địa điểm.Thay vì phát các tín hiệu từ điểm này tới điểm

khác, bây giờ có thể phát từ một máy duy nhất tới rất nhiều máy thu phân bố trong

một vùng rộng lớn, hoặc ngược lại, có thể phát từ nhiều trạm tới một trạm trung

tâm duy nhất Vì vậy, các mạng truyền số liệu đa điểm, các mạng quảng bá qua vệ

tinh và các mạng thu thập dữ liệu Có thể phát quảng bá tới các máy phát chuyển

tiếp hoặc trực tiếp tới khách hàng cá nhân Các mạng này hoạt động với các trạm

mặt đất nhỏ có anten đường kính từ 0,6 đến 3,5m

1.3 ĐẶC ĐIỂM CỦA THÔNG TIN VỆ TINH

Thông tin vệ tinh tuy ra đời muộn nhưng được phát triển nhanh chóng bởi vì

nó có nhiều lợi thế so với các hệ thống truyền thông khác, đó là:

• Vùng phủ sóng rộng, chỉ cần ba vệ tinh là có thể phủ sóng toàn cầu

• Thiết bị phát sóng của hệ thống thông tin vệ tinh chỉ cần công suất nhỏ

• Việc lắp đặt hoặc di chuyển một hệ thông thông tin vệ tinh trên mặt đất

tương đối nhanh chóng và không phụ thuộc vào cấu hình mạng cũng như hệ thống

truyền dẫn

• Hệ thống thông tin vệ tinh có thể phục vụ nhiều dịch vụ khác nhau như

viễn thông thoại và phi thoại, thăm dò địa chất, truyền hình ảnh, quan sát mục tiêu,

nghiên cứu khí tượng, phục vụ quốc phòng an ninh, v.v…

• Thông tin vệ tinh rất ổn định Đã có nhiều trường hợp bão to, động đất

mạnh làm cho các phương tiện truyền thông khác mất tác dụng chỉ còn duy nhất

thông tin vệ tinh hoạt động

• Các thiết bị đặt trên vệ tinh có thể tận dụng năng lượng mặt trời để cung

cấp điện hầu như cả ngày lẫn đêm

Tuy vậy thông tin vệ tinh cũng có một số nhược điểm, đó là :

• Kinh phí ban đầu để phóng một vệ tinh vào quỹ đạo khá lớn

• Bức xạ của sóng vô tuyến trong thông tin vệ tinh bị tổn hao lớn trong môi

trường truyền sóng

1.4 CÁC DẠNG QŨY ĐẠO CỦA VỆ TINH

Qũy đạo của vệ tinh là hành trình của vệ tinh trong không gian mà trong

đó vệ tinh được cân bằng bởi hai lực đối nhau Hai lực đó là lực hấp dẫn của trái

đất và lực ly tâm được hình thành do độ cong của hành trình vệ tinh Qũy đạo của

vệ tinh có ba thông số quan trọng : Khoảng cách từ qũy đạo vệ tinh đến mặt đất,

hình dạng và góc nghiêng so với mặt bình độ Một thông số chung của nó là mặt

phẳng chuyển động của vệ tinh phải đi qua tâm trái đất Quỹ đạo của vệ tinh nằm

trên một mặt phẳng có thể là hình tròn hoặc hình elíp Nếu quỹ đạo là tròn thì tâm

của quỹ đạo tròn trùng với tâm của trái đất (hình 1-1)

http://www.ebook.edu.vn 7

Hình 1.1 Vệ tinh qũy đạo tròn

Nếu quỹ đạo là elíp thì có một đầu elíp nằm xa trái đất nhất gọi là viễn

điểm (apogee) và đầu gần trái đất nhất gọi là cận điểm (perigee) (hình 1-2)

Qũy đạo thông dụng hiện nay của vệ tinh là những dạng qũy đạo sau đây

1.4.1 Các qũy đạo hình elíp

Loại qũy đạo này đảm bảo phủ sóng các vùng vĩ độ cao dưới một góc

ngẩng lớn Góc ngẩng lớn là đặc biệt cần thiết trong những ứng dụng như :

cây cối

- Việc bám vệ tinh được dễ dàng hơn

- Giảm bớt được tạp âm mà anten trạm mặt đất thu nhận do can nhiễu từ

các hệ thống thông tin vô tuyến dưới mặt đất

1.4.2 Các qũy đạo tròn

1 Quỹ đạo cực :

Vệ tinh có qũy đạo tròn và có độ cao khoảng vài trăm đến nghìn km với

mặt phẳng quỹ đạo chứa trục quay của trái đất, loại qũy đạo này đảm bảo rằng vệ

tinh có thể đi qua các vùng của trái đất Người ta sử dụng loại qũy đạo này cho

các vệ tinh quan sát (observation satellite) như vệ tinh SPOT và phủ sóng toàn cầu

như chùm vệ tinh IRIDUM (gồm 77 vệ tinh )

2 Quỹ đạo nghiêng :

Khi mặt phẳng quỹ đạo không chứa trục quay trái đất và cũng không vuông

góc với trục đó Một số vệ tinh được tổ chức thành chùm vệ tinh có qũy đạo dạng

tròn này, ở độ cao thấp (cỡ 1000 km) có khả năng phủ sóng toàn cầu trực tiếp đến

người sử dụng như ( GLOBAL STAR, LEOSAT,…)

3 Quỹ đạo xích đạo :

Qũy đạo này nằm trong mặt phẳng xích đạo của trái đất và các vệ tinh trên

qũy đạo được gọi là vệ tinh địa tĩnh (GEO-geostationary satellite) Độ cao qũy đạo

là 35.768km Vệ tinh trong trường hợp này xuất hiện như một điểm cố định trên

bầu trời với vùng phủ sóng của vệ tinh là 43% diện tích của bề mặt trái đất Ba vệ

tinh địa tĩnh trong trường hợp này có thể phủ sóng toàn cầu

Việc lựa chọn qũy đạo nào trong thực tế còn phụ thuộc vào các ứng dụng

cụ thể, độ can nhiễu mà hệ thống có thể chấp nhận được

Để vệ tinh có thể gữi nguyên vị trí của mình trong qũy đạo đã được xác

định, người ta sử dụng một trong hai kỹ thuật ổn định, đó là ổn định quay hoặc ổn

định ba trục

1.5 CẤU TRÚC MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH

Cấu trúc một hệ thống thông tin vệ tinh gồm hai phần : phần không gian

(space segment) và phần mặt đất (ground segment) Hình 1-3 mô tả cấu trúc tổng

quát một hệ thống thông tin vệ tinh

http://www.ebook.edu.vn 9

Hình 1.3- Các thành phần của một hệ thống thông tin vệ tinh

1.5.1 Phần không gian

Phần không gian bao gồm vệ tinh cùng các thiết bị đặt trong vệ tinh và hệ

thống các trang thiết bị đặt trên mặt đất để kiểm tra, theo dõi và điều khiển vệ tinh

(các hệ thống bám, đo đạc và điều khiển) Bản thân vệ tinh bao gồm phần tải

(payload) và phần nền (platform) Phần tải bao gồm các anten thu/phát và tất cả

các thiết bị điện tử phục vụ cho việc truyền dẫn các sóng mang Phần nền bao gồm

các hệ thống phục vụ cho phần tải hoạt động, ví dụ như : Cấu trúc vỏ và khung,

nguồn cung cấp điện, điều khiển nhiệt độ, điều khiển hướng và qũy đạo, thiết bị

đẩy, bám, đo đạc, v.v…

Các sóng vô tuyến được truyền từ trạm mặt đất lên vệ tinh được gọi là

tuyến lên (uplink) Vệ tinh đến lượt mình lại truyền các sóng vô tuyến (sau khi đã

biến đổi tần số và khuyếch đại ) tới các trạm thu vệ tinh đặt trên mặt đất và được

gọi là tuyến xuống (downlink)

Chất lượng của một liên lạc qua sóng vô tuyến đó được xác định bởi thông

số sóng mang trên tạp âm (C/N) Chất lượng của tổng thể tuyến liên lạc từ trạm

mặt đất này đến trạm mặt đất khác được quyết định bởi chất lượng của tuyến lên

và tuyến xuống trong đó bao gồm cả kỹ thuật điều chế và mã hoá được sử dụng

Trong mỗi vệ tinh được đặt môït số bộ phát đáp (transponder) để thu tín hiệu từ

tuyến lên, biến đổi tần số, khuyếch đại công suất và truyền trở lại trên tuyến xuống

Trạm điều khiển TT&C

Đoạn mặt đất

Các tuyến xuốngCác tuyến lên

Đoạn vũ trụ

co

Hình 1.4a- Sơ đồ khối chức năng của một bộ phát đáp đơn giản

Hình 1-4a mô tả sơ đồ khối chức năng một bộ phát đáp đơn giản, ở đây

không có nhiệm vụ giải điều chế tín hiệu thu được và cũng không xử lý tín hiệu

Nó chỉ đóng vai trò như bộ chuyển đổi xuống có hệ số khuyếch đại công suất lớn

Bộ khuyếch đại công suất trong bộ phát đáp thường dùng hai loại : Khuyếch đại

dùng đèn sóng chạy (TWTA- Traveling Wave Tube Amplifier) và khuyếch đại

dùng bán dẫn tranzitor (SSPA – Solid State Power Amplifier) Công suất bão hoà

tại đầu ra của TWTA thường từ 20W đến 200W và của SSPA thường từ 20W đến

40W Trong các vệ tinh loại mới được trang bị các bộ phát đáp đa chùm tia

(multibeam satellite tranponders) và các bộ phát đáp tái sinh (regrative

tranponders) Do hạn chế về kích thước và trọng lượng cho nên các anten thu/phát

của bộ phát đáp thường có kích thước nhỏ và do đó độ tăng ích của anten trong

trường hợp này bị giới hạn

Vệ tinh trong trường hợp này hình thành một điểm trung chuyển tín hiệu

giữa các trạm mặt đất và được xem như một điểm nút của mạng với hai chức năng

chính sau đây :

• Khuyếch đại các sóng mang thu được từ tuyến lên để sử dụng cho việc

truyền dẫn lại trên tuyến xuống Công suất sóng mang tại đầu vào của máy thu vệ

tinh có yêu cầu từ 100pW tới 1nW, còn công suất tại đầu ra của bộ khuyếch đại

công suất phát cho tuyến xuống có yêu cầu từ 10 đến 100W Như vậy độ tăng ích

của anten của bộ phát đáp vệ tinh có yêu cầu từ 100 đến 130dB Sóng mang trong

băng tần được bức xạ đến các vùng phủ sóng trên bề mặt trái đất với các mức

EIRP tương ứng

Bộ chuyển đổi xuống

LO

Bộ dao động nội

Bộ lọc thông thấp

Bộ khuếch đại công suất đèn sóng chạy

Bộ lọc thông thấp

Anten

thu

6GHz

Tuyến xuống

Anten phát

4 GHz

http://www.ebook.edu.vn 11

• Thay đổi tần số sóng mang (giữa thu và phát) nhằm tránh hiện tượng một

phần công suất phát tác động trở lại phía đầu thu Khả năng lọc của các bộ lọc đầu

vào đối với tần số tuyến xuống kết hợp với độ tăng ích thấp của anten, giữa đầu ra

phát và đầu vào thu cần đảm bảo sự cách biệt khoảng 150dB

Tuy nhiên khi xem xét một vệ tinh cụ thể thì có thể có một số chức năng

khác Ví dụ, đối với vệ tinh có nhiều búp sóng hoặc búp sóng quét thì bộ phát đáp

vệ tinh phải có khả năng tạo tuyến sóng mang đến các vùng phủ sóng yêu cầu

Trong trường hợp đối với vệ tinh tái sinh thì bộ phát đáp còn có thêm chức năng

điều chế và giải điều chế

Phần tải (payload) của vệ tinh truyền thông được đặc trưng bởi các thông

số kỹ thuật trong từng băng tần công tác như sau :

• Băng tần công tác

• Số lượng bộ phát đáp

• Độ rộng dải thông của mỗi bộ phát đáp

• Phân cực tín hiệu của đường lên và đường xuống

• Công suất bức xạ tương đương đẳng hướng (EIRP) hoặc mật độ thông

lượng công suất tạo ra tại biên của vùng phủ sóng phục vụ

• Mật độ thông lượng công suất bão hoà tại anten thu của vệ tinh (SPD –

Saturation Power Density)

• Hệ số phẩm chất G/T của máy thu vệ tinh tại biên của vùng phủ sóng

hoặc giá trị cực đại

• Vùng phủ sóng

• Công suất đầu ra của bộ công suất phát

• Cấu hình dự phòng cho máy thu và bộ khuyếch đại công suất cao

1.5.2 Phần mặt đất

Phần mặt đất bao gồm tất cả các trạm mặt đất và chúng thường được nối

với các thiết bị của người sử dụng thông qua các mạng mặt đất hoặc trong trường

hợp sử dụng các trạm VSAT(Very Small Aperture Terminal) thì có thể liên lạc trực

tiếp tới thiết bị đầu cuối của người sử dụng Các trạm mặt đất được phân loại tuỳ

vào thuộc vào kích cỡ trạm và loại hình thông tin được truyền cũng như xử lý

(thoại, hình ảnh hoặc dữ liệu ) Có thể có các trạm mặt đất vừa thu vừa phát nhưng

cũng có loại trạm mặt đất chỉ làm nhiệm vụ thu (ví dụ trạm TVRO – Television

Receiver Only) Các trạm mặt đất lớn được trang bị anten có đường kính 30-40m,

trong khi đó các trạm mặt đất loại nhỏ chỉ dùng anten đường kính 60cm hoặc thậm

chí có thể nhỏ hơn (các trạm di động, các máy cầm tay) Hình 1-4b mô tả một trạm

mặt đất đơn giản bao gồm cả thu và phát

λ

Hình 1-4b Cấu hình của một trạm mặt đất

Đối với một trạm mặt đất cỡ lớn, do độ rộng của búp sóng chính của anten

rất hẹp cho nên trạm mặt đất cần phải có các thiết bị bám vệ tinh để đảm bảo chất

lượng đường truyền (trục anten hướng đúng vệ tinh) Với các trạm mặt đất cỡ nhỏ

do độ rộng búp sóng anten khá lớn cho nên trong trường hợp này không cần thiết

phải có các thiết bị bám vệ tinh

Trong thực tế một bộ phát đáp của vệ tinh có thể phục vụ cùng một lúc

nhiều trạm mặt đất khác nhau Đó là nhờ vào phương pháp đa truy nhập Kỹ thuật

mà các trạm mặt đất dùng để truy nhập bộ phát đáp vệ tinh đó là (FDMA,

TDMA,CDMA)

1.6 ĐA TRUY NHẬP

Trong các hệ thống thông tin vệ tinh kỹ thuật đa truy nhập là một phương

pháp để cho nhiều trạm sử dụng chung một bộ phát đáp Hiện nay có ba phương

pháp chính được dùng đó là :

1.6.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA - Frequency Division

Multiple Access) Phương pháp này được sử dụng rộng rãi nhất Với hệ thống này

mỗi trạm mặt đất phát một sóng mang có tần số sóng mang khác với tần số sóng

điều chế và giải điều chế

Thiết bị bám

Bộ khuếch đại tạp âm thấp

Bộ đổi tần xuống

Hệ thống tiếp sóng

Bộ khuếch đại công suất cao

Bộ nâng tần

Máy phát công suất cao

Bộ dao động

Bộ dao động

Bộ khuếch đại IF

Bộ giải điều chế

Thiết bị đa truy nhập

Bộ khuếch đại IF

Bộ điều chế

http://www.ebook.edu.vn 13

khác bằng những băng tần bảo vệ thích hợp, sao cho chúng không chồng lấn lên

nhau (hình 1-5)

FDMA có thể được sử cho bất kỳ hệ thống điều chế nào, điều chế tương tự

hoặc điều chế số Một trạm mặt đất thu chọn lựa các tín hiệu nó cần thông tin bằng

một bộ lọc băng thông

Phương pháp này cho phép tất cả các trạm truyền dẫn liên tục ; nó có ưu

điểm không cần thiết điều khiển định thời đồng bộ, và thiết bị sử dụng khá đơn

giản; hiệu quả sử dụng công suất vệ tinh của nó cũng không thấp Tuy nhiên

phương pháp này thiếu linh hoạt trong việc thay đổi cách phân phối kênh

1.6.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian ( TDMA – Time Division

Multiple Access ) Là một hệ thống trong đó các trạm mặt đất dùng chung một bộ

phát đáp trên cơ sở phân chia theo thời gian Để làm được việc này cần sử dụng

một sóng mang điều chế số Hệ thống TDMA thường định ra một khung trong miền

thời gian gọi là khung TDMA; khung này được phân chia ra và mỗi một khoảng

chia được phân cho từng trạm

Mỗi một trạm phát sóng mang của nó trong một khoảng thời gian ngắn đã

được phân (khe thời gian) trong khung thời gian Cần để ra một khoảng thời gian

trống (thời gian bảo vệ) giữa hai khe thời gian cạnh nhau sao cho các sóng mang

phát từ nhiều trạm không chồng lên nhau trong bộ phát đáp (hình 1-6)

Thời gian

Tần số

1 2 N

Bộ phát đáp

B t

1

2

N

Hình 1.6- Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)

Mỗi trạm thu sẽ tách ra những phần sóng mang của chính nó dựa trên cơ sở

phân chia theo thời gian trong những tín hiệu nhận được Hệ thống TDMA có thể

sử dụng tốt nhất công suất vệ tinh và có thể dễ dàng thay đổi được dung lượng

truyền tải nên hệ thốâng này có ưu điểm là linh hoạt trong việc chấp nhận thay đổi

trong thiết lập tuyến

1.6.3 Đa truy nhập phân chia theo mã ( CDMA – Code Division Multiple

Access) hay đa truy nhập trải phổ (SSMA – Spread Spectrum Multiple Access )

Với đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) các trạm của mạng phát liên

tục và cùng phát trên một băng tần như nhau của kênh Nhưng các sóng mang này

trước đó đã được điều chế bằng một mẫu bít đặc biệt quy định cho mỗi trạm mặt

đất trước khi phát tín hiệu đã điều chế Do đó ở loại đa truy nhập này ngay cả khi

có nhiều tín hiệu điều chế được đưa vào bộ phát đáp, thì trạm mặt đất thu có thể

tách tín hiệu thu từ các tín hiệu khác bằng cách sử dụng một mẫu bít đặc biệt thực

hiện quá trình giải điều chế

Các tín hiệu từ tất cả các trạm đều có cùng một vị trí trong bộ phát đáp cả

về thời gian lẫn tần số Ở phía thu thực hiện quá trình trải phổ ngược sử dụng mã

giống như mã trải phổ sử dụng ở phía phát và lấy ra tín hiệu ban đầu Điều này cho

phép chỉ thu các tín hiệu mong muốn ngay cả khi các sóng mang trải phổ với các

mã khác đến cùng thời gian (hình 1-7)

Hình 1.7-Đa truy nhập phân chia theo mã

Ưu điểm hệ thống CDMA là hoạt động đơn giản, do nó không đòi hỏi bất

kỳ sự đồng bộ truyền dẫn nào giữa các trạm Đồng bộ duy nhất là đồng bộ của máy

thu với chuỗi của sóng mang thu được Kỹ thuật này đạt hiệu qủa trong việc chống

lại sự can nhiễu từ các hệ thống khác và can nhiễu do hiện tượng đa đường truyền

Nhược điểm chính là hiệu suất thấp Bảng 1-1 tóm tắt ưu điểm và nhược điểm của

Bộ phát đáp

Mã

Thời gian CDMA

Tần số 1

N

2

1 2

N

Mã

1

http://www.ebook.edu.vn 15

Bảng 1-1 Tính năng của các hệ thống đa truy nhập

-Thiếu linh hoạt trong thay đổi thiết lập tuyến

-Hiệu quả thấp khi số sóng mang tăng

-Dễ dàng ứng dụng việc phân phối theo yêu cầu

TDMA

-Hiệu quả sử dụng tuyến cao thậm chí khi tăng số các trạm truy nhập

-Linh hoạt cao trong việc thay đổi thiết lập tuyến

-Yêu cầu đồng bộ cụm

-Công suất phát cần thiết của trạm mặt đất cao

-Có thể ứng dụng SS-TDMA nếu có thể

- Bảo mật tiếng nói cao

-Hiệu quả sử dụng băng tần kém

- Yêu cầu đường truyền với băng tần lớn

-Phù hợp với các hệ thống có các trạm lưu lượng nhỏ

Ngoài ra còn thể sử dụng một trong các kỹ thuật sau :

1 Chế độ đa truy nhập gán cố định (FAMA – Fixed Assigned Multiple

Access)

2 Chế độ đa truy nhập gán theo nhu cầu ( DAMA- Demand Assigned

Multiple Access )

3 Đa truy nhập phân chia theo thời gian chuyển mạch vệ tinh (SS-TDMA)

Với gán cố định, các kênh vệ tinh được phân bố cố định cho tất cả các trạm

mặt đất khác nhau, bất chấp có hay không có các cuộc gọi phát đi, còn gán theo

nhu cầu thì các kênh vệ tinh được sắp xếp lại mỗi khi có yêu cầu thiết lập kênh từ

các trạm mặt đất có liên quan

Với các vệ tinh SS-TDMA, các anten chùm hẹp khác nhau được chuyển

mạch tại thời điểm thích ứng trong chu kỳ khung TDMA để hướng các chùm phát

và thu theo hướng mong muốn

1.7 KẾT LUẬN

Thông tin vệ tinh có nhiều bước phát triển vượt bậc trong những năm qua về

công nghệ cũng như các dịch vụ Chúng ta thấy ở những năm 1970 các dịch vụ thông

tin vệ tinh cần cung cấp là truyền dẫn tín hiệu thoại và truyền hình giữa các lục địa

Với nhu cầu tăng dung lượng nên đã nhanh chóng dẫn đến việc tạo ra các vệ tinh đa

chùm và tái sử dụng tần số nhờ phân cực trực giao và phân tách không gian Nhu cầu

gia tăng về số lượng lớn các tuyến nối dung lượng thấp đã dẫn đến việc chế độ gán

theo yêu cầu ra đời sử dụng một trong các kỹ thuật đa truy nhập FDMA, TDMA hoặc

CDMA Đồng thời, những tiến bộ của kỹ thuật anten cho phép các chùm tia phù hợp

với vùng bao phủ dịch vụ, dẫn đến các chỉ tiêu của tuyến thông tin được cải thiện

Tuy nhiên khi số lượng chùm tia tăng lên làm cho việc liên kết mạng khó khăn hơn

do đó nảy sinh kỹ thuật chuyển mạch trên vệ tinh (SS-TDMA)

Một hệ thống thông tin vệ tinh có các thuộc tính mà các mạng mặt đất

không thể có hoặc chỉ có với quy mô thấp hơn nhiều, đó là :

• Khả năng phát quảng bá

• Dải thông rộng

• Thiết lập nhanh chóng và dễ dàng cấu hình lại

Với các thuộc tính trên cho nên tiềm năng của các dịch vụ do thông tin vệ

tinh cung cấp là rất đa dạng Các loại dịch vụ đang nổi bật là:

• Trung kế thoại và trao đổi chương trình truyền hình

• Các hệ thống đa dịch vụ : Truyền dẫn thoại và số liệu cho các nhóm

người dùng phân tán theo các vùng địa lý khác nhau Mỗi nhóm dùng chung một

trạm mặt đất và truy nhập dịch vụ qua một mạng dưới đất

• Các hệ thống VSAT ( Very Small Aperture Terminal): Truyền dẫn số

liệu dung lượng thấp, phát quảng bá các chương trình truyền hình hoặc âm thanh

số Thông dụng nhất là người sử dụng được kết nối trực tiếp đến trạm

Tóm lại ta có thể nói rằng thông tin vệ tinh chiếm một vị trí quan trọng

trong vai trò của một phương tiện truyền thông

http://www.ebook.edu.vn 17

CHƯƠNG II

SÓNG VÔ TUYẾN ĐIỆN

2.1 Tần số và các đặc tính của sóng vô tuyến điện trong thông tin vệ tinh

2.1.1 Sóng vô tuyến và tần số

Sóng vô tuyến là một bộ phận của sóng điện từ và giống như sóng ánh

sáng, tia hồng ngoại, tia X, v.v… Sự khác nhau giữa chúng chỉ ở tần số Sóng vô

tuyến được quy định là những sóng điện từ có tần số nhỏ hơn 3000GHz Các sóng

có tần số từ 3kHz đến 270 GHz được phân định cho nhiều mục đích khác nhau

Các tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh hiêïn nay nằm trong khoảng 1GHz đến

30GHz

2.1.2 Các tần số sử dụng cho thông tin vệ tinh cố định

a Băng C (Băng 6/4GHz)

Tần số phát cho đường lên từ 5,925GHz đến 6,425GHz và cho đường

xuống từ 3.7GHz đến 4,2GHz Băng tần này suy hao rất ít do mưa và trước đây

đã sử dụng cho các hệ thống vi ba dưới mặt đất ; do đó sự phát triển của thiết bị đã

ở một mức tiên tiến, nó được sử dụng cho các hệ thống vệ tinh khu vực và nội địa

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

Tần số phát cho đường lên từ 14GHz đến 14,5GHz và cho đường xuống từ

12,25GHz đến 12,75GHz hoặc từ 10,95GHz đến 11,7GHz Băng này đã được sử

dụng rộng rãi tiếp sau băng C cho viễn thông công cộng Nó được ưa dùng hơn cho

thông tin nội địa và thông tin giữa các công ty, do tần số cao nên cho phép các trạm

mặt đất sử dụng được các anten có kích thước nhỏ để liên lạc

c Băng Ka (30/20 GHz)

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

vệ tinh thông tin “SAKURA” của Nhật Bản Ưu điểm của thông tin vệ tinh sử dụng

băng tần này là cho phép sử dụng các trạm mặt đất nhỏ và không gây nhiễu với

các hệ thống vi ba trên mặt đất Tuy nhiên băng tần này bị suy hao lớn do mưa

2.2 Phân cực sóng

2.2.1 Định nghĩa

Sóng bức xạ bởi anten bao gồm các thành phần điện trường và từ trường

Hai thành phần này trực giao với nhau và vuông góc với phương truyền sóng,

chúng biến đổi theo tần số của sóng Phân cực của sóng được xác định bởi hướng

điện trường Sóng điện từ phẳng có các dạng phân cực như : phân cực elíp, phân

cực tròn, phân cực thẳng (hình 2)

2.2.2 Phân cực elíp

Trong quá trình truyền sóng nếu đầu cuối véc tơ cường độ điện trường của

sóng vạch nên một hình elíp trong không gian thì sóng gọi là phân cực elíp

2.2.3 Phân cực tròn

Trong quá trình truyền sóng nếu véc tơ cường độ điện trường của nó vẽ nên

một vòng tròn thì sóng gọi là phân cực tròn Nếu nhìn theo chiều truyền sóng, véc

tơ điện trường quay theo chiều kim đồng hồ thì ta có sóng phân cực tròn quay phải,

trong trường hợp véc tơ điện trường quay ngược chiều kim đồng hồ ta gọi là sóng

phân cực tròn quay trái

2.2.4 Phân cực thẳng

Sóng có véc tơ cường độ điện trường luôn hướng song song theo một đường

thẳng trong quá trình truyền sóng gọi là sóng phân cực thẳng hay phân cực tuyến

tính Tuỳ theo hướng của véc tơ điện trường ta có phân cực ngang hoặc phân cực

đứng

2.3 Sự truyền lan sóng vô tuyến điện

2.3.1 Khái niệm về sự truyền lan sóng vô tuyến trong thông tin vệ tinh

Có những vấn đề khác nhau liên quan tới sự truyền lan sóng vô tuyến

trong thông tin vệ tinh vì việc phát và thu sóng thực hiện giữa một trạm mặt đất và

một vệ tinh thông tin ở một cự ly khá xa (35.786km) Vấn đề lớn nhất là tổn hao

truyền lan khi truyền giữa trạm mặt đất và vệ tinh Có thể nói rằng công nghệ

thông tin vệ tinh luôn luôn được cải tiến để khắc phục được các tổn hao truyền lan

Ngoài tổn hao truyền lan ra, sóng vô tuyến sử dụng trong thông tin vệ tinh còn chịu

Hướng truyền lan P

E x y

Hình 2- Phân cực sóng

http://www.ebook.edu.vn 19

ảnh hưởng của các tác động như tổn hao hấp thụ do tầng điện ly, khí quyển và mưa

cũng như tạp âm gây ra từ bên ngoài bởi tầng điện ly, khí quyển, mưa và mặt đất

2.3.2 Tổn hao trong không gian tự do

Trong thông tin vệ tinh, sóng vô tuyến đi qua khoảng không vũ tru ï(gần như

chân không) Trong một môi trường như vậy, có rất ít các chất có thể suy hao sóng

hoặc làm lệch hướng truyền lan của nó Sự suy hao sóng gây ra chỉ do sự khuyếch

đại tự nhiên của nó Môi trường như vậy được gọi là không gian tự do Khi sóng vô

tuyến truyền trong không gian tự do tỷ số công suất phát trên công suất thu tại

điểm cách nơi phát một khoảng R sẽ là :

Ở đây λ là bước sóng của vô tuyến điện

Γ được gọi là tổn hao không gian tự do

Từ biểu thức có thể thấy rằng tổn hao không gian tự do tỷ lệ bình phương

với khoảng cách truyền lan sóng

Trong thông tin vệ tinh, vì hầu hết sự truyền lan sóng đi xảy ra trong không

gian là chân không, do đó tổn hao truyền sóng có thể coi như bằng tổn hao không

gian tự do Tuy nhiên khoảng cách truyền sóng rất dài nên gây ra tổn hao rất lớn

(khoảng 200dB với sóng có tần số khoảng 6GHz ) Vì vâïy nên cần sử dụng các

máy phát công suất lớn và máy thu có độ nhạy cao cũng như anten thu và phát có

hệ số tăng ích lớn

2.3.3 Cửa sổ vô tuyến

Trong một số trường hợp, các sóng vô tuyến truyền đến hay đi từ các vệ

tinh thông tin, ngoài ra còn chịu ảnh hưởng của tầng điện ly và khí quyển đến tổn

hao truyền lan do cự ly xa

Sóng truyền đi từ vệ tinh và trạm mặt đất bị ảnh hưởng bởi tầng điện ly khi

tần số thấp và bị ảnh hưởng do mưa khi tần số cao Đồ thị hình 2-1 chỉ ra đặc tính

tần số suy hao do tầng điện ly và do mưa

100

50

10 5

Cửa sổ vô tuyến

Hình2.1- Cửa sổ vô tuyến

Từ đồ thị này ta thấy các tần số nằm ở khoảng giữa 1GHz và 10GHz thì suy

hao do tầng điện ly và mưa là không đáng kể, do vậy băng tần này được gọi là

“cửa sổ vô tuyến” Nếu ta sử dụng tần số nằm trong khoảng này thì tổn hao truyền

lan gần như bằng tổn hao không gian tự do, vì vậy cho phép thiết lập các kênh

thông tin vệ tinh ổn định

2.3.4 Tạp âm trong truyền lan sóng vô tuyến

Các chất khí của khí quyển và mưa không chỉ hấp thu sóng mà còn là các

nguồn bức xạ tạp âm nhiệt Tạp âm do các chất khí trong khí quyển ảnh hưởng

không nhiều đến sự truyền lan sóng so với suy hao lớn hơn do tạp âm gây ra do

mưa Vì vậy khi thiết kế các kênh thông tin, ngoài việc giảm suy hao sóng phải tính

thêm tạp âm do mưa Hình 2-2 chỉ ra tạp âm do mưa

Cũng có tạp âm mặt đất phát sinh trong khi truyền lan sóng Đây là tạp âm

nhiệt gây ra bởi trái đất, nhiệt tạp âm gần như nhiệt độ bề mặt trái đất Nhiệt độ

2.3.5 Sự giảm khả năng tách biệt phân cực chéo do mưa

Trường điện và từ của sóng có hướng dao động khác nhau; hai sóng có điện

trường vuông góc với nhau đôi khi kết hợp lại thành một và tạo ra một sóng “phân

cực chéo” Một sóng như vậy có thể dùng một anten để tách ra các sóng riêng biệt

Tuy nhiên, khi sóng đi qua mưa, hình dẹp của các hạt mưa đôi khi làm nghiêng

phân cực chéo, do đó sinh ra các thành phần vuông góc trong quá trình anten tách

ra các sóng riêng biệt Tỷ số thành phần vuông góc hỗn hợp trên thành phần mong

muốn được gọi là “sự tách biệt phân cực chéo”

2.3.6 EIRP : Đặc trưng khả năng phát

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 ( K) O

Hình 2.2- Tăng tạp âm do mưa

http://www.ebook.edu.vn 21

Tích số giữa hệ số tăng ích của anten và công suất máy phát cung cấp cho

anten gọi là công suất bức xạ tương đương đẳng hướng (EIRP), đây là thông số cơ

bản biểu thị khả năng của một trạm phát

2.3.7 G/T : Đặc trưng độ nhạy máy thu

1 Nhiệt tạp âm máy thu

Mặc dù tạp âm trong thông tin vệ tinh do nhiều nguồn tạo ra, nhưng công

suất của nó vô cùng nhỏ Nhiệt tạp âm được dùng làm đơn vị để biểu thị công suất

nhỏ như thế Nếu dùng nhiệt tạp âm (T) thì công suất tạp âm (P) có biểu thức :

P = kTB (W)

Trong đó :

B – Độ rộng băng thông (Hz)

T – Nhiệt độ tuyệt đối

Các nguồn tạp âm trong thông tin vệ tinh có thể được phân loại như sau :

-Tạp âm do anten thu được :

+ Tạp âm từ vũ trụ

+ Tạp âm khí quyển

+ Tạp âm do một búp sóng phụ

+ Tạp âm do mưa

trên tổn hao 0,1dB)

-Tạp âm máy thu

Trong số các loại tạp âm do anten thu được thì tạp âm từ vũ trụ gây ra chỉ

vài độ K, hầu như không đáng kể Tạp âm khí quyển tăng đặc biệt ở băng sóng

milimet là nguyên nhân chủ yếu gây ra tạp âm vũ trụ trong thời tiết tốt Tạp âm do

mưa tăng theo cường độ mưa

Tạp âm từ một búp sóng phụ là do anten thu tiếp nhận bằng búp sóng phụ

một lượng tạp âm từ mặt đất và khí quyển Giá trị tạp âm này phụ thuộc vào góc

ngẩng và tần số

Tạp âm từ hệ thống tiếp sóng, sinh ra do tổn hao ở hệ thống tiếp sóng Vì

tổn hao này không những làm suy giảm tín hiệu đầu vào, mà còn sinh ra tạp âm, do

đó máy thu đặt càng gần anten càng tốt để giảm tổn hao và tạp âm

2 G/T (Hệ số phẩm chất của thiết bị thu )

Tỷ số của hệ số tăng ích trên tạp âm nhiệt tổng được ký hiệu là G/T và tỷ

số này biểu thị cho chất lượng độ nhạy của trạm thu G/T được dùng như một hệ số

2.3.8 Sự nhiễu loạn do các sóng can nhiễu

Hầu hết các băng tần ấn định cho thông tin vô tuyến vũ trụ thì cũng được

ấn định cho thông tin vô tuyến trên mặt đất do đó có bốn loại can nhiễu giữa các

hệ thống có thể xảy ra :

- Một trạm vệ tinh mặt đất can nhiễu với một vệ tinh

Hình 2-3 mô tả các dạng can nhiễu

Nhằm để giảm bớt sự can nhiễu có thể xảy ra Các tổ chức đưa ra các

Khuyến nghị sau :

• Hạn chế mật độ thông lượng năng lượng tạo ra trên mặt đất của vệ tinh

• Hạn chế EIRP phát từ các trạm truyền thông trên mặt đất theo hướng

về quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh

S2 S1

Trạm mặt đất hoạt động

ở băng tần 4GHz

Trạm mặt đất Trạm mặt đất hoạt động ở

T: Máy phát R: Máy thu :Tín hiệu mong muốn :Tín hiệu nhiễu

Hình 2.3- Can nhiễu từ các vệ tinh khác và hệ thống vi ba trên mặt đất

http://www.ebook.edu.vn 23

CHƯƠNG III

KỸ THUẬT TRẠM MẶT ĐẤT

3.1 Công nghệ và đặc tính của anten

3.1.1 Yêu cầu chất lượng đối với thông tin vệ tinh

Để thu được những sóng yếu đến từ vệ tinh và phát đi các sóng có công

suất đủ mạnh lên vệ tinh, anten cần có một số đặc tính sau :

1 Hệ số tăng ích cao và hiệu suất cao

Mặc dù hệ số tăng ích của anten tỷ lệ thuận với diện tích của nó, nhưng

tuỳ thuộc vào tính kinh tế và tính thuận tiện khi khai thác mà ta chọn loại anten

vừa có hệ số tăng ích cao mà diện tích càng nhỏ càng tốt

2 Hướng tính cao và búp sóng phụ nhỏ

Anten dùng trong thông tin vệ tinh cần phải có tính định hướng cao, búp

sóng phụ nhỏ để chúng không can nhiễu vào các hệ thống thông tin khác

3 Đặc tính phân cực tốt

Anten cần phải có tính phân cực tốt để sử dụng tần số một cách hiệu quả

bằng cách ghép các sóng phân cực ngang và đứng thành phân cực vuông góc hoặc

thành các sóng phân cực tròn quay trái và quay phải trong phân cực tròn

4 Tạp âm thấp

3.1.2 Phân loại anten

Hình 3-1 trình bày hình dạng các loại anten hay được sử dụng trong thông tin

vệ tinh Mỗi anten có một bộ phản xạ chính parabon và được thiết kế sao cho nguồn

bức xạ đặt tại tiêu điểm của parabon để sóng bức xạ từ mặt parabon là sóng phẳng

Tên

Anten parabon có

nguồn bức xạ sơ cấp

đặt tại tiêu điểm chính

Hình

dạng

Hình 3.1- Các loại anten trạm mặt đất

1 Anten parabon có nguồn bức xạ sơ cấp đặt tại tiêu điểm

Đây là loại anten có cấu trúc đơn giản nhất Nó được dùng chủ yếu ở các

trạm chỉ thu và các trạm nhỏ với dung lượng thấp Vì hiệu quả hệ số tăng ích thấp

búp sóng phụ không được tốt và cáp nối từ loa tiếp sóng đến máy phát bị dài

2 Anten Cassegrain

Đây là loại có thêm một bộ phản xạ phụ vào bộ phản xạ chính, hệ số tăng

ích của anten được nâng cao và đặc tính búp sóng phụ cũng được cải thiện chút ít

Anten được sử dụng cho các trạm bình thường, có quy mô trung bình Cáp nối giữa

máy phát và loa tiếp sóng ngắn hơn

3 Anten lệch

Anten lệch có bộ phận tiếp sóng, một mặt phản xạ phụ được đặt ở vị trí

lệch một ít so với hướng trục của mặt phản xạ để các bộ phận tiếp sóng và mặt

phản xạ nhỏ không chặn đường đi của sóng Do đó búp sóng phụ được cải thiện rất

lớn dẫn đến hệ số tăng ích lớn hơn Ngoài anten lệch một mặt phản xạ còn có hai

loại anten khác thuộc loại này : Một là loại Gregorian lệch có mặt phản xạ phụ

dạng elíp, hai là loại Gregorian lệch với mặt phản xạ phụ có dạng hyperbol Các

anten này có hiệu quả đặc biệt khi cần thiết giảm can nhễu từ các kênh thông tin

viba trên mặt đất hoặc trên các vệ tinh khác ở các vị trí kề nhau trên quỹ đạo

3.1.3 Hệ thống anten bám vệ tinh

Ngay cả vệ tinh ở quỹ đạo địa tĩnh; vị trí của chúng cũng luôn thay đổi

trạm mặt đất để bám theo vệ tinh Các loại hệ thống anten bám vệ tinh :

- Hệ thống xung đơn : Hệ thống này luôn xác định tâm búp sóng anten có

hướng đúng vào vệ tinh hay không để điều khiển hướng của anten Hệ thống này

sử dụng bốn loa bức xạ, mỗi loa bức xạ có hướng búp sóng hơi khác với hướng búp

sóng chính để lấy ra tín hiệu báo lỗi

- Hệ thống bám từng nấc : Hệ thống này dịch chuyển nhẹ vị trí anten ở các

khoảng thời gian nhất định để điều chỉnh sao cho mức tín hiệu thu là cực đại

- Hệ thống điều khiển theo chương trình : Hệ thống này điều khiển anten

dựa trên thông tin quỹ đạo dự đoán trước liên quan đến vệ tinh

3.1.4 Các đặc tính về điện

1 Hệ số tăng ích

Hệ số tăng ích của một anten là tỷ số giữa mật độ công suất bức xạ (hoặc

thu) của anten ở một hướng đã cho và tại một điểm trên hướng ấy trên mật độ

công suất bức xạ (hoặc thu) của anten vô hướng cũng tại hướng và điểm trên khi

hai anten có công suất cấp cho anten là như nhau Hệ số tăng ích cực đại ở hướng

bức xạ cực đại có giá trị cho bởi công thức :

http://www.ebook.edu.vn 25

f : là tần số sóng điện từ

A : là diện tích bề mặt =

4

2

D

D : là đường kính anten gương parabol có mặt phản xạ tròn

η : hiệu suất toàn bộ của anten là do một số tham số tính đến quy

luật chiếu xạ, mất mát do sự tràn, bề mặt phản xạ xấu, v.v… Thông thường có giá

Biểu thị ở dạng dB (decibel) :

Đồ thị bức xạ biểu thị các thay đổi giá trị của hệ số tăng ích theo các hướng

khác nhau Với anten có mặt phản xạ tròn thì đồ thị có dạng đối xứng và tròn xoay

được biểu thị trong hệ toạ độ cực (hình 3-2a) hay toạ độ Đề- các (hình 3-2b) Búp

sóng chính có hướng cực đại và dạng các búp sóng phụ

Hình 3.2 – Đồ thị bức xạ anten

1 Độ rộng búp sóng

Độ rộng của búp sóng chính được biểu thị bằng góc hợp bởi hai hướng mà

ở đó hệ số tăng ích giảm đi một nửa so với hệ số tăng ích ở hướng cực đại được mô

tả như ở (Hình 3-2a) Độ rộng búp sóng này còn được gọi là độ rộng búp sóng nửa

tới tỷ số λ/D bởi một hệ số có giá trị phụ thuộc vào luật chiếu xạ Đối với một

anten parabol thông thường, độ rộng búp sóng 3dB được xác định :

fD

c D

7070

=

Các Búp Phụ

Búp Chính

θ3dBα

GMax, dB

-3dB

Điển hình 30dB Độ tăng ích của ăng ten

Với biểu thức trên ta thấy độ rộng búp sóng 3dB giảm tỷ lệ nghịch với tần

số và đường kính anten

Điểm ở hướng α so với trục (hướng cực đại) thì hệ số tăng ích được tính bằng:

Từ công thức (3-2) và (3-4) ta có mối quan hệ giữa hệ số tăng ích cực đại

với độ rộng búp sóng 3dB :

Mối quan hệ giữa độ rộng búp sóng 3dB với hệ số tăng ích cực đại được

biểu diễn như ở (hình 3-3)

- Đặc tính búp sóng phụ :

Nếu giảm búp sóng phụ càng nhiều càng tốt để tránh can nhiễu với hệ

thống khác Theo Khuyến nghị của CCIR cho các anten có D/λ > 100, hệ số tăng

hợp bởi trục chính Φ :

20 30 40 50 60 70

Độ rộng bước sóng 3dB của Anten (độ)

Hình 3.3- Hệ số anten ở hướng bức xạ cực đại là hàm của độ rộng góc 3dB

http://www.ebook.edu.vn 27

Caùc anten leôch coù caùc ñaịc tính buùp soùng phú raât toât, vì khođng coù söï cạn trôû

cụa maịt phạn xá phú vaø caùc thanh ñôõ, chuùng ñöôïc söû dúng khi coù yeđu caău nghieđm

ngaịt giạm can nhieêu trong thieẫt keâ mách

3.2 COĐNG NGHEÔ MAÙY PHAÙT

3.2.1 Maùy phaùt cođng suaât cao

Ñeơ buø vaøo toơn hao truyeăn soùng lôùn trong thođng tin veô tinh, ñaău ra maùy phaùt

caăn phại coù cođng suaât caøng lôùn caøng toât, do vaôy ôû trám maịt ñaât söû dúng boô khuyeâch

ñái cođng suaât cao (HPA) Trong caùc heô thoâng vođ tuyeân tređn maịt ñaât, khoạng caùch

giöõa caùc trám chuyeơn tieâp chư vaøi chúc km neđn cođng suaât maùy phaùt nhoû (khoạng

10W) coøn ñoâi vôùi thođng tin veô tinh do khoạng caùch chuyeơn tieâp daøi (36.000km) neđn

maùy phaùt ôû trám maịt ñaât phại coù cođng suaât lôùn khoạng vaøi traím W ñeân haøng KW

3.2.2 Phađn loái caùc boô khuyeâch ñái cođng suaât cao

Caùc ñeøn soùng cháy (TWT), Klystron (KLY), transistor hieôu öùng tröôøng

(FET) ñöôïc duøng trong boô khuyeâch ñái cođng suaât cao Tuyø theo cođng suaât ra cụa

maùy phaùt vaø baíng taăn cođng taùc maø söû dúng loái khuyeâch ñái naøo cho thích hôïp

Bạng 3-1 : So saùnh caùc boô khuyeâch ñái cođng suaât cao

HPA

Tham soâ

Loái KLY

khođng khí khi cođng suaât tôùi vaøi kW

- Laøm lánh baỉng nöôùc khi cođng suaât

ra khoạng 10kW

-Laøm lánh baỉng khođng khí khi cođng suaât tôùi vaøi kW

- Laøm lánh baỉng nöôùc khi cođng suaât

ra khoạng 10KW

- Laøm lánh baỉng khođng khí töï nhieđn

Ñieôn aùp cung

Ñeøn soùng cháy (TWT) coù baíng taăn khuyeâch ñái roông, coù theơ phụ ñöôïc taât

cạ caùc baíng taăn phađn ñònh cho truyeăn daên, ñieău ñoù coù lôïi cho vieôc söû dúng nhieău

soùng mang hôn

Còn đối với đèn Klystron (KLY) có độ rộng băng tần khuyếch đại tương

đối hẹp, nhưng tần số khuyếch đại có thể điều chỉnh đến bất kỳ giá trị nào trong

khoảng tần số phân định cho truyền dẫn

Transistor hiệu ứng trường (FET) được sử dụng ở trạm dung lượng thấp,

công suất ra nhỏ Để đạt được công suất cao hơn người ta đấu song song các

transistor lại với nhau

3.2.3 Cấu hình

Cấu hình của một trạm mặt đất được mô tả ở hình 1-4b, ta thấy máy phát

công suất cao gồm có một bộ khuyếch đại trung tần, bộ chuyển đổi tần số lên và

một bộ khuyếch đại công suất cao Bộ khuyếch đại trung tần khuyếch đại tín hiệu

từ bộ điều chế đưa tới, tần số trung tần sau đó được biến đổi lên tần số cực ngắn

nhờ bộ đổi tần Sau đó tín hiệu được bộ khuyếch đại tần số cao khuyếch đại lên

đến mức yêu cầu để phát đến vệ tinh

Cấu hình của máy phát công suất cao được quyết định bởi loại sóng mang

và số lượng sóng mang, nhưng nhìn chung có hai dạng thường được thực hiện sau :

1 Một máy phát khuyếch đại đồng thời nhiều sóng mang (hình 3-4)

U/C : Bộ nâng tần

MOD : Bộ điều chế

Hình 3-4 Cấu hình của bộ khuyếch đại công suất cao

sử dụng một HPA

Với cấu hình này cần thoả mãn các yêu cầu sau :

- Độ rộng băng đủ rộng để khuyếch đại một sóng mang với bất kỳ tần số nào

- Công suất ra có độ dự trữ đủ sao cho méo do điều chế phát sinh từ sự

khuyếch đại đồng thời của nhiều tín hiệu ở dưới mức quy định

Cấu hình này thuận lợi trong khai thác

http://www.ebook.edu.vn 29

2 Mỗi sóng mang được khuyếch đại riêng bằng một bộ khuyếch đại công

suất cao (hình 3-5 )

Hình 3.5 – Cấu hình của bộ khuyếch đại công suất cao sử dụng nhiều bộ khuyếch đại

Với cấu hình này mỗi bộ khuyếch đại không yêu cầu phải có băng tần rộng

để điều chỉnh tần số khuyếch đại đối với mỗi sóng mang cho trước Cấu hình này

phù hợp với trạm có sóng mang ít

3.2.4 Méo do xuyên điều chế

Bộ khuyếch đại công suất cao là bộ khuyếch đại tuyến tính nhưng nó sẽ trở

thành phi tuyến khi khuyếch đại ở vùng bão hoà Lúc đó điện áp đầu ra không tỷ lệ

với điện áp đầu vào Bởi vậy khi nhiều sóng mang được khuyếch đại đồng thời thì

sẽ phát sinh các tạp âm Hình 3-6 minh hoạ vấn đề trên, khi khuyếch đại đồng thời

f1)

f1+f2-f3 2f2-f1

Phổ tần số đầu vào Đặc tuyến vào và ra Phổ tần số đầu ra

Hình 3-6 Méo do xuyên điều chế

Do đó đối với một bộ khuyếch đại công suất cao, khi khuyếch đại nhiều

sóng mang đồng thời thì điểm làm việc của bộ khuyếch đại phải được chọn sao cho

mức đầu ra thấp hơn mức bão hoà khoảng 6 đến 10dB, nhằm mục đích để triệt tiêu

các tín hiệu tạp, điểm làm việc đó được gọi là điểm lùi (back-off)

Ngoài ra còn có một phương pháp khác để triệt tiêu nhiễu xuyên điều chế,

được gọi là “tuyến tính hoá” Phương pháp này là người ta chèn vào tầng trước một

mạch điện có đặc tuyến bù với đặc tuyến phi tuyến của bộ khuyếch đại để cải

thiện tuyến tính toàn bộ Hình 3-7 minh họa phương pháp trên

Hình 3-7 Tuyến tính hoá

3.3 Công nghệ máy thu

3.3.1 Cấu trúc trạm thu

Cấu trúc của trạm thu được mô tả như ở hình 1-4b thiết bị gồm có : Anten ,

khối thu tạp âm thấp , khối giải điều chế và thiết bị đa truy nhập

Trong khối thu tạp âm thấp gồm có : Bộ khuyếch đại tạp âm thấp, bộ đổi

tần xuống, bộ dao động, bộ khuyếch đại trung tần

3.3.1 Khuyếch đại tạp âm thấp

Sóng bức xạ từ vệ tinh đến anten với công suất cực kỳ nhỏ, sau khi được

anten khuyếch đại nhưng mức đó vẫn chưa đủ để thực hiện giải điều chế do đó cần

phải khuyếch đại chúng lên một mức đủ lớn và tỷ số S/N phải đạt ở ngưỡng cho

phép, do đó đòi hỏi tầng khuyếch đại này phải có hệ số tạp âm nhiệt nhỏ, vì đây là

tầng khuyếch đại đầu tiên Hiện nay có hai loại khuyếch đại tạp âm thấp thường

dùng là khuyếch đại dùng GaAs-FET, khuyếch đại dùng HEMT

1- Khuyếch đại dùng GaAs-FET

Khuyếch đại dùng GaAs-FET là bộ khuyếch đại nhiễu thấp có hệ số tạp

âm khoảng 1,2 đến 2dB Transistor hiệu ứng trường dùng loại bán dẫn hợp chất

giữa gali và asenic Bộ khuyếch đại này được sử dụng rộng rãi ở tần số cao với các

đặc tính băng tần rộng, có hệ số khuyếch đại và độ tin cậy cao

2 Khuyếch đại dùng HEMT (High Electron Mobility Transistor)

Transistor có độ linh động điện tử cao (HEMT) sử dụng tiếp giáp pha trộn

giữa GaAs và AlGaAs (hình 3-8) , giữa dải dẫn của AlGaAs có một sai khác năng

lượng, dải này được kích thích loại n, còn GaAs không được khích thích Vì vậy

hình thành một lớp giàu điện tử trong AlGaAs gần bề mặt tiếp giáp với GaAs Khi

http://www.ebook.edu.vn 31

linh hoạt rất cao vì chúng không chịu sự tán xạ bất kỳ của các “nguyên tử cho” của

vật liệu sinh ra chúng HEMT có các đặc tính tạp âm thấp tốt hơn so với

GaAs-FET

Hình 3.8- Cấu tạo của HEMT

Các đặc tính nổi bậc của HEMT như băng tần rộng, kích thước nhỏ, giá

thành thấp, dễ bảo quản và thuận lợi cho sản xuất hàng loạt, bởi vậy nó được sử

dụng rộng rãi Bộ khuyếch đại này làm việc ổn định ở nhiệt độ phòng nhưng có khi

chúng được làm lạnh nhằm để cải thiện hơn nữa các đặc tính tạp âm thấp của

Băng tần rộng Kích thước nhỏ

Tạp âm thấp Kích thước vô cùng nhỏ

b)

Điện tử Lỗ trống (Si)

Dải dẫn Dải hoá trị

http://www.ebook.edu.vn 33

CHƯƠNG IV

TRẠM VỆ TINH

4.1 Cấu hình trạm vệ tinh với một bộ phát đáp đơn giản

Hình 4-1 Cấu trúc bộ phát đáp thông thường

Tín hiệu từ trạm phát mặt đất truyền lan đến anten thu của vệ tinh được

anten khuyếch đại lên rồi qua mạch lọc thông dải để loại bỏ các tín hiệu ngoài dải

tần công tác của bộ phát đáp, tiếp đến tín hiệu được khuyếch đại đủ lớn để thực

hiện đổi tần, yêu cầu của tầng khuyếch đại này là hệ số tạp âm thấp(LNA) Tần số

tín hiệu này trộn với tần số dao động nội tạo ra các tần số khác, các tần số đó được

đưa qua mạch lọc thông dải để lấy ra tần số cần thiết (tần số phát xuống) Tín hiệu

sau khi qua bộ lọc được đưa vào mạch khuyếch đại công suất cao (HPA) khuyếch

đại tín hiệu đến mức thiết kế rồi đưa đến anten bức xạ xuống trạm mặt đất Linh

kiện khuyếch đại tầng này cũng thường dùng đèn sóng chạy (TWT) hoặc transistor

hiệu ứng trường FET

4.2 Phân bố dải tần của bộ phát đáp

Băng tần phân bổ cho bộ phát đáp vệ tinh có thể từ vài trăm MHz lên đến

vài GHZ Băng tần này thường được chia thành các băng tần con (theo phân định

của ITU) Hầu hết các bộ phát đáp thường được thiết kế với dải thông 36MHz,

54MHz, hoặc 72MHz, trong đó dải thông 36MHz là chuẩn được dùng phổ biến cho

dịch vụ truyền hình băng C (6/4 GHz) Hiện nay một số loại loại bộ phát đáp có xử

lý tín hiệu đã được đưa vào sử dụng và như vậy có thể cải thiện được chất lượng lỗi

(đối với truyền tín hiệu số ) Trong quỹ đạo địa tĩnh, mỗi vệ tinh được đặt ở một vị

trí toạ độ xác định và làm việc với một băng tần xác định Ví dụ, trong băng tần C

(6/4GHz) vệ tinh được sử dụng một phân định phổ rộng là 500MHz Như vậy vệ

tinh có thể đặt 24 bộ phát đáp liền kề nhau và mỗi bộ phát đáp sử dụng dải thông

36MHz trong dải thông phân định 500MHz Có thể thực hiện được điều đó bằng

cách bố trí 12 bộ phát đáp làm việc với tín hiệu sóng bức xạ phân cực đứng và 12

BPF

LO

bộ phát đáp làm việc với phân cực ngang Hình 4-2 mô tả sự bố trí 12 kênh phân

cực dọc và 12 kênh phân cực ngang trong dải thông phân định là 500MHz

HÌnh 4.2- Phân bố dải tần của bộ phát đáp vệ tinh 6/4GHz

Các vệ tinh loại này chủ yếu chuyển tiếp cho tín hiệu hình Để các vệ tinh

4.3 Các mạng vệ tinh nhiều chùm

Các mạng vệ tinh một chùm tia có thể cung cấp một vùng bao phủ toàn bộ

khu vực trái đất mà có thể nhìn thấy vệ tinh và do vậy có thể thiết lập được các

tuyến liên lạc cự ly xa Nhưng trong trường hợp này độ tăng ích của anten bị giới

hạn bởi góc mở của chùm tia

Đối với vệ tinh cung cấp vùng bao phủ chỉ gồm một phần của trái đất (một

vùng hoặc một quốc gia ) nhờ một chùm tia hẹp ( một chùm tia vùng hoặc một

việc) Thì độ tăng ích anten được cao hơn nhờ sự giảm góc mở của của chùm tia

b) Phân cực đứng

f(MHz)

Hình 4.3- Vùng bao phủ toàn cầu và vùng bao phủ của một số chùm hẹp

http://www.ebook.edu.vn 35

4.3.1.Ưu điểm của vệ tinh nhiều chùm

- Khi thay đổi từ một vệ tinh có vùng bao phủ toàn cầu sang một vệ tinh

nhiều chùm thì cho phép tiết kiệm được kích thước trạm mặt đất dẫn tới giảm giá

thành trạm mặt đất

- Cho phép tái sử dụng tần số

Tái sử dụng tần số là việc sử dụng nhiều lần cùng một dải tần theo một

cách thức sao cho làm gia tăng tổng dung lượng của mạng mà không làm gia tăng

dải tần được phân phối Trong vệ tinh một chùm việc tái sử dụng tần số nhờ vào

phân cực trực giao, còn trong vệ tinh nhiều chùm tính tách biệt của hướng tính

anten có thể được khai thác để tái sử dụng cùng một dải tần trong các chùm khác

nhau

Trong trường hợp tái sử dụng tần số nhờ phân cực trực giao, dải thông B chỉ

được sử dụng hai lần Trong trường hợp tái sử dụng nhờ tách góc, dải tần B có thể

được tái sử dụng cho bao nhiêu luồng cũng được nếu mức can nhiễu cho phép

Về mặt lý thuyết một vệ tinh có M chùm, dải tần B, kết hợp hai kiểu tái

sử dụng tần số nói trên thì hệ số tái sử dụng tần số là 2M

4.3.2 Liên kết giữa các vùng bao phủ

Một hệ thống vệ tinh đa chùm phải đặt ở một vị trí để liên kết tất cả các

trạm mặt đất của mạng do vậy phải cung cấp việc đấu nối qua lại giữa các vùng phủ

sóng Khi sử dụng bộ phát đáp thông thường có ba kỹ thuật liên kết các vùng phủ

sóng:

1 Liên kết nhờ bước nhảy của bộ phát đáp

Băng tần phân phối cho hệ thống được chia thành số băng tần con bằng với

số chùm Một nhóm các bộ lọc trên vệ tinh sẽ phân cách các sóng mang theo băng

tần con mà chúng chiếm Đầu ra mỗi bộ lọc được kết nối tới anten của chùm đích

qua một bộ phát đáp Nhất thiết phải sử dụng một số lượng bộ lọc và bộ phát đáp ít

nhất cũng bằng bình phương của số lượng các chùm Hình 4-4 minh hoạ khái niệm

này cho một thí dụ với hai chùm Với kiểu liên kết này, các trạm mặt đất phải có

khả năng phát và thu trên nhiều tần số và nhiều phân cực nhằm nhảy từ bộ phát

đáp này sang bộ phát đáp khác