Cân bằng công suất - băng thông trong thông tin vệ tinh

Trong bài toán xây dựng một hệ thống thông tin vệ tinh, khách hàng cần thuê đường truyền thường dựa trên cơ sở nhu cầu về dung lượng thực tế Bps với các điều kiện về chất lượng dịch vụ,

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Hoàng Vân

CÂN BẰNG CÔNG SUẤT – BĂNG THÔNG TRONG

THÔNG TIN VỆ TINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2010

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Hoàng Vân

CÂN BẰNG CÔNG SUẤT – BĂNG THÔNG TRONG

THÔNG TIN VỆ TINH

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Chương 1 Tổng quan về thông tin vệ tinh

1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin vệ tinh 11

1.3 Một số vấn đề liên quan đến thông tin vệ tinh 13

1.3.2 Tần số trong thông tin vệ tinh 15

1.3.3 Phân cực sóng 18

1.5 Suy hao, tạp âm trong hệ thống thông tin vệ tinh 21

1.5.1 Các nguồn tạp âm 21

1.5.2 Các loại suy hao 22 1.6 Các phương pháp đa truy nhập trong thông tin vệ tinh 23

1.6.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA 23

1.6.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA 24

1.6.3 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA 27

Chương 2 Truyền dẫn số trong thông tin vệ tinh

2.1 Ảnh hường của thiết bị trạm mặt đất đến tín hiệu số 29

2.1.1 Bộ khuếch đại công suất 30

2.1.2 Bộ khuếch đại tạp âm thấp 31

2.1.3 Bộ chuyển đổi tần số 32 2.2 Kỹ thuật điều chế và giải điều chế tín hiệu 33

2.2.1 Giới thiệu 33

2.2.2 Kỹ thuật điều chế tần số (FM) 34

2.2.3 Kỹ thuật giải điều chế sóng mang điều tần (FM) 34

2.2.4 Điều chế số 34

2.2.5 Kỹ thuật giải điều chế sóng mang PSK 35

2.3.1 Khái niệm ISI 36

2.3.2 Các đặc tính lọc nhằm truyền dẫn không có ISI 36

2.3.3 Phân phối đặc tính lọc 42

2.3.4 Ảnh hưởng của bộ lọc cosine nâng đến băng thông tín hiệu 43

2.5.1 Các hiện tượng phi tuyến 44

2.5.2 Hài (Harmonic) 45

2.5.3 Điểm nén 1 dB 46

2.5.4 Điểm chặn bậc 3 - IP3 (Third Intercept Point) 47

2.5.5 Ảnh hưởng của IM3 đến băng thông 50

2.5.6 Một số phương pháp khắc phục méo phi tuyến 51

Chương 3 Các hệ thức tuyến và cân bằng công suất – băng thông

3.1.1 Đơn vị đo lường 58

3.1.2 Quan hệ sóng mang – nhiễu 60

3.1.3 Hệ thức tuyến 60

3.3 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) 61

3.4.1 Suy hao trong không gian tự do 62

3.4.2 Khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh 63

3.6.1 Anten vệ tinh (tuyến lên) 64

3.10 Tổng tỷ số sóng mang trên tạp âm (C/TT) 68

3.11.1 Điểm hoạt động của bộ phát đáp 69

3.11.2 EIRP hoạt động của bộ phát đáp 69

Chương 4 Tính toán công suất tuyến

4.1 Mục đích của cân bằng công suất – băng thông 70

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.5: Các thành phần của một hệ thống vệ tinh thông tin 19

Hình 1.9: Cấu trúc khung TDMA theo tiêu chuẩn INTELSAT 25

Hình 2.3: Đặc tính không tuyến tính của bộ khuếch đại công suất 31

Hình 2.7: Mô hình hệ thống băng gốc với các tín hiệu xung PAM 36

Hình 2.10: Đáp ứng xung của bộ lọc cosine nâng với 1 số giá trị của  40

Hình 2.15: Tổng quan các phương pháp điều khiển lỗi 52

Hình 4.1: Sơ đồ tính toán đường truyền cho kênh thông tin 77

Hình 5.7: Kết quả mô phỏng hệ số sóng đứng tương ứng S 11 85 Hình 5.8: Kết quả mô phỏng hệ số sóng đứng tương ứng S 22 86

Hình 5.11: Đo đạc các tham số bằng máy phân tích mạng 88

DANH MỤC CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT

Ký tự viết tắt Cụm từ Tiếng Anh Diễn giải

ARQ Automatic Repeat reQuest Yêu cầu lặp tự động

ATDE Adaptive Time Domain

BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế dịch mức pha nhị phân

CCIR International Radio

Consultative Committee

Uỷ ban tư vấn quốc tế

CDMA Code division multiple access Đa truy nhập theo mã

DE-PSK Different Encode PSK Giải điều chế dịch mức pha

DE-QPSK Different Encode QPSK Giải điều chế cầu phương

DTH Direct to Home Truyền hình trực tiếp đến hộ gia

đình

EIRP Equivalent Isotropic Radiated

Power

CS bức xạ đẳng hướng tương đương

FDMA Frequency Division Multiple

access

Đa truy nhập theo tần số

FECC Forward Error Correction

Coding

Mã hóa sửa lỗi không phản hồi

FET Field-effect transistor Transistor hiệu ứng trường

HPA High Power Amplifier Khuếch đại công suất cao

IBPD In-Band power difference Độ lệch băng thực tế so với hoàn

hảo

IP3 Third Intercept Point Điểm chặn bậc 3

ISI InterSymbol Interference Xuyên nhiễu giữa các dấu

ITU International

Telecommunication Union

Hiệp hội viễn thông quốc tế

JFET Junction Field-effect

transistor

Transistor trường điều khiển bằng tiếp xúc N-P

KPA Klystron Amplifier Bộ khuếch đại CS Klystron

LNA Low noise Amplifier Khuếch đại tạp âm thấp

OFDM Orthogonal

frequency-division multiplexing

Điều chế đa sóng mang trực giao

PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế xung biên

PCB Printed circuit board Công nghệ chế tạo bảng mạch in

PCM Pulse Code Modulation Điều chế xung mã

PSK Phase Shift Keying Điều chế dịch mức pha

QAM Quadrature amplitude

modulation

Điều chế cầu phương

QPSK Quadrature Phase Shift

Keying

Điều chế pha trực giao

QSA Quasi-static Approximation Xấp xỉ tĩnh lượng tử

SDMA Space division Multiple

access

Đa truy nhập theo không gian

SHF Super high Frequency Siêu tần số

SSPA Solid State Power Amplifier Bộ khuếch đại CS dùng bán dẫn

TDM Time division multiplexing Ghép kênh theo thời gian

TDMA Time division multiple access Đa truy nhập theo thời gian

TWTA Travelling Wave Tube

Amplifier

Bộ khuếch đại công suất ống sóng chạy

XPD X-polarization diversity Phân cực chéo

MỞ ĐẦU

Ngày nay, thông tin vệ tinh đã trở thành một dịch vụ phổ thông trên toàn thế giới với các vệ tinh đĩa tĩnh của nhiều hệ thống, đặc biệt là 2 hệ thống Intelsat và Intersputnyk đã cung cấp hàng triệu kênh thoại, truyền hình, số liệu…kết nối hàng trăm quốc gia khác nhau Ngoài ra các vệ tinh khu vực như: Eusat, Asiasat, Palapa… cung cấp các dịch vụ thoại cố định, phát thanh truyền

hình, truyền số liệu, đảm bảo thông tin dẫn đường cho hàng không, cứu hộ hàng hải, thăm dò tài nguyên, đào tạo từ xa… đã đưa thông tin vệ tinh trở thành loại hình có thể cung cấp đa dạng nhiều loại dịch vụ nhất hiện nay

Năm 2008, vệ tinh đầu tiên của Việt Nam – Vinasat đã được đưa vào hoạt động, phục vụ mục đích thiết lập đường truyền dẫn quốc tế và xây dựng các mạng VSAT nội hạt

Trong bài toán xây dựng một hệ thống thông tin vệ tinh, khách hàng cần thuê đường truyền thường dựa trên cơ sở nhu cầu về dung lượng thực tế (Bps) với các điều kiện về chất lượng dịch vụ, còn các nhà cung cấp đường truyền vệ tinh sẽ quy về băng thông (Hz) và công suất tương ứng Họ sẽ phải tính toán để đảm bảo tỷ lệ băng thông cho thuê trên mỗi transponder cân bằng với công suất

bỏ ra tương ứng Do phải trả tiền cho nhà cung cấp đường truyền về băng thông nên khách hàng sẽ có xu hướng sử dụng các thiết bị nâng cao khả năng tối ưu băng thông để tiết kiệm chi phí Điều này sẽ đẩy các nhà cung cấp đường truyền vào bài toán cân bằng công suất để đạt được hiệu quả khai thác vệ tinh tốt nhất Thực tế với sự phát triển công nghệ ngày nay thì các thiết bị trạm mặt đất được đổi mới và phát triển liên tục, còn vệ tinh phải chấp nhận “nằm im” trong suốt thời gian sống của nó trên không gian (15 năm) Vì vậy, cán cân công suất – băng thông đang ngày càng nghiêng về sự tiêu tốn của công suất, băng thông ngày càng tối ưu

Đối với các vệ tinh thế hệ cũ, vấn đề đảm bảo công suất là rất khó khăn và tốn kém Nhà cung cấp đường truyền thường xuyên phải đối mặt với việc giới hạn công suất, đặc biệt cho các vùng có suy hao lớn do mưa và các suy hao bức

xạ khác Vì vậy, bài toán cân bằng công suất – băng thông là hết sức thiết thực đối với cả nhà cung cấp đường truyền và khách hàng

Các vệ tinh thế hệ mới - do công nghệ chế tạo ngày càng phát triển – đã có thể giảm khối lượng các bộ khuếch đại và điều khiển công suất đủ lớn theo yêu cầu, sẵn sàng phục vụ ở các miền tần số cao như dải tần Ka Tuy nhiên, số lượng vệ tinh ngày càng gia tăng, mật độ vệ tinh trên quỹ đạo ngày càng dày đặc nên để tránh can nhiễu giữa các hệ thống, ITU cũng ra các quy định về giới hạn công suất phát cho mỗi transponder Chính vì vậy, việc tăng công suất phát vẫn là vấn

đề cần hết sức cân nhắc và bài toán cân bằng công suất – băng thông vẫn rất có ý nghĩa về thực tế, kinh tế

Vì vậy, mục đích của luận văn này là phân tích các yếu tố tác động đến tín hiệu, một số biện pháp để khắc phục, nâng cao chất lượng và những ảnh hưởng của các biện pháp đó đến băng thông Đồng thời cũng phân tích quá trình tính

toán quỹ công suất để đạt được trạng thái cân bằng với băng thông chiếm dụng trên transponder Trong luận văn cũng đưa ra ví dụ tính toán tuyến để chỉ ra việc cân băng này và nghiên cứu thực nghiệm thiết kế một bộ khuếch đại băng tần C tại tần số 5.5Ghz sử dụng công nghệ mạch dải siêu cao tần

Luận văn gồm 5 chương:

Chương 1 Tổng quan về thông tin vệ tinh: Trình bày các đặc điểm, cấu trúc

của hệ thống thông tin vệ tinh Các vấn đề về tần số, quỹ đạo, phân cực, suy hao, nhiễu Chương 1 cũng phân tích sơ lược về vấn đề đa truy nhập trong thông tin

vệ tinh

Chương 2 Truyền dẫn số trong thông tin vệ tinh: Phân tích sự ảnh hưởng

của các thiết bị trong hệ thống trạm mặt đất đến tín hiệu số Các yếu tố gây méo trong truyền dẫn vô tuyến: méo tuyến tính và méo phi tuyến tương ứng các yếu

tố ảnh hưởng đến băng thông: bộ lọc cosine nâng để chống ISI, bộ lọc mask để chống IM3 Chương 2 cũng trình bày một số loại mã hóa sử dụng trong thông tin vệ tinh và tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến băng thông tín hiệu

Chương 3 Các hệ thức tuyến và cân bằng công suất – băng thông: Trình

bày các công thức tính toán tham số cho một tuyến thông tin vệ tinh

Chương 4 Tính toán công suất tuyến: Tính toán thiết lập đường truyền từ một

trạm mặt đất Hà nội đến trạm đầu cuối Hồ chí Minh qua vệ tinh Vinasat

Chương 5: Thực nghiệm: Trên cơ sở nghiên cứu băng tần C, thiết kế thử

nghiệm một bộ khuếch đại siêu cao tần sử dụng JFET có ý nghĩa quan trọng trong việc làm chủ kênh truyền với công suất phát cho trước

Vấn đề cân bằng công suất-băng thông không phải là vấn đề mới trong kỹ thuật Tuy nhiên, trong thương mại, các khách hàng nhiều khi không đánh giá đúng tầm quan trọng của nó để có thể lựa chọn cấu hình phù hợp với yêu cầu của mình Có thể vì mục tiêu lợi nhuận bằng cách tối giản chi phí thuê băng thông sẽ dẫn đến suy giảm chất lượng nếu nhà cung cấp đường truyền vệ tinh không thể đáp ứng về công suất Các tài liệu hiện nay cũng không phân tích sâu và có hệ thống về vấn đề này Vì vậy, luận văn trình bày không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô và các bạn

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp và PGS.TS Bạch Gia Dương đã giành nhiều thời gian giúp đỡ, tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài này

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH

- Tháng 10 - 1957: Liên Xô phóng thành công vệ tinh nhân tạo đầu tiên Sputnik-1vào quỹ đạo quanh trái đất

- Năm 1958: Bản tin chúc mừng giáng sinh của tổng thống Mỹ Eisenhower lần đầu tiên được phát quảng bá qua vệ tinh có tên là Score (Signal Communication

nó chỉ có thể thu, phát thông tin tối đa trong 4 giờ/ ngày và không liên tục

Để khắc phục nhược điểm này, người ta đưa vào sử dụng quỹ đạo địa tĩnh ở độ cao 36.000 km, cho phép vệ tinh duy trì vị trí cố định so với trái đất để thu tín hiệu một cách liên tục

- Năm 1963: Vệ tinh địa tĩnh đầu tiên Syncom bay ở độ cao 36.000 km đã truyền hình thế vận hội Olympic Tokyo từ Nhật sang Mỹ

- Năm 1964: Tổ chức quốc tế về thông tin vệ tinh ra đời, ban đầu có 19 thành viên có tên là Intelsat Đến năm 1994, số nước thành viên của Intelsat lên đến

133 nước , trong đó có Việt Nam

- Năm 1971: thành lập tổ chức thông tin vệ tinh quốc tế mang tên INTERSPUTNIK tại Liên Xô Đến năm 1991 đã có trên 40 quốc gia tham gia

- Năm 1979, thành lập tổ chức thông tin hàng hải quốc tê qua vệ tinh INMARSAT có trụ sở lại Anh, chuyên cung cấp dịch vụ thông tin vệ tinh thương mại hàng hải

Ngày nay, các công ty vệ tinh đã và đang phát triển rất mạnh như Intelsat, Inmarsat, Panamsat, Asiasat, Eurostar, Loral Skynet,…

1.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA THÔNG TIN VỆ TINH

Thông tin liên lạc nhờ chuyển tiếp qua vệ tinh, môi trường truyền sóng là không gian nó có các đặc điểm chính như:

 Vùng phủ sóng lớn: Một vệ tinh có thể phủ sóng được một vùng rộng lớn, có nhiều phương thức phủ sóng có thể được sử dụng phù hợp với từng loại hình dịch vụ Nếu sử dụng vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh có bán kính cách trái đất trung

bình khoảng 36.000Km thì một vệ tinh có thể nhìn thấy 1/3 trái đất, như vậy chỉ với 3 vệ tinh có thể phủ sóng toàn cầu trừ vùng cực

 Dung lượng vệ tinh lớn: Với băng tần công tác rộng, nhờ áp dụng các kỹ thuật

sử dụng lại băng tần nên hệ thống thông tin vệ tinh cho phép đạt tới dung lượng lớn trong một thời gian ngắn

Hình 1.1: Truyền dẫn bằng vệ tinh (a): Điểm – điểm, (b): Đa điểm

 Độ tin cậy thông tin cao: Tuyến thông tin vệ tinh chỉ có 3 trạm trong đó vệ tinh chỉ đóng vai trò trạm lặp còn 2 trạm đầu cuối trên mặt đất do đó xác suất hư hỏng trên tuyến là rất thấp, độ tin cậy trung bình đạt 99,9% thời gian thông tin trong một năm, ngày nay người ta nâng cao chất lượng để đạt 99,99%

 Chất lượng thông tin cao: Đường thông tin có chất lượng cao do các ảnh hưởng nhiễu của khí quyển và Fading là không đáng kể Tỷ lệ lỗi bit có thể đạt

10-9

 Tính linh hoạt của hệ thống thông tin vệ tinh cao: Hệ thống thông tin được thiết lập nhanh chóng trong điều kiện các trạm mặt đất ở rất xa nhau về mặt địa

lý, dung lượng của nó có thể thay đổi rất linh hoạt tuỳ theo nhu cầu sử dụng

 Các loại hình dịch vụ mà hệ thống Thông tin vệ tinh có thể phục vụ là rất đa dạng như:

- Dịch vụ thoại, truyền số liệu, Fax, telex

- Dịch vụ phát thanh, truyền hình quảng bá

- Dịch vụ thông tin di động qua vệ tinh

- Dịch vụ DAMA, VSAT, cứu hộ, định vị

1.3 MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN THÔNG TIN VỆ TINH

2 Định luật thứ nhất của Kepler: Vệ tinh chuyển động vòng quanh quả đất theo một quỹ đạo hình Elip (hoặc quỹ đạo tròn khi bán trục lớn bằng bán trục bé) với tâm của quả đất trùng với một trong hai tiêu điểm của hình Elip đó

3 Định luật thứ hai của Kepler: Một vật chuyển động theo quỹ đạo Elip có vận tốc giảm khi bán kính quỹ đạo tăng lên và có vận tốc tăng lên khi bán kính quỹ đạo giảm Một vật chuyển động theo quỹ đạo tròn sẽ có vận tốc không thay đổi trong toàn quỹ đạo

4 Định luật thứ 3 của Kepler: Bình phương chu kỳ quỹ đạo thì tỷ lệ với lập phương của bán kính quỹ đạo

Quỹ đạo vệ tinh là dạng đường mà Vệ Tinh chuyển động xung quanh quả đất

Có hai dạng Quỹ đạo là quỹ đạo Elip và quỹ đạo tròn

- Quỹ đạo Elip chỉ có dạng quỹ đạo Elip cao (HEO), độ nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo so với mặt phẳng xích đạo là 650, cận điểm là 1000 km và viễn điểm là 39.400km, chu kỳ quỹ đạo là 11 giờ 58 phút

- Dạng quỹ đạo tròn có thể có ba loại: Quỹ đạo thấp (LEO), quỹ đạo trung bình (MEO), Quỹ đạo cao (HEO) hay quỹ đạo đồng bộ khi vệ tinh bay ở độ cao 35.786 km, lúc đó chu kỳ bay của vệ tinh bằng chu kỳ tự quay của quả đất bằng

23 giờ 56 phút 04 giây

Trong quỹ đạo tròn lại có thể chia ra:

+ Quỹ đạo cực tròn : Mặt phẳng quỹ đạo vuông góc với mặt phẳng xích đạo, nghĩa là mỗi vòng bay của Vệ Tinh sẽ đi qua hai cực quả đất

+ Quỹ đạo tròn nghiêng : Khi mặt phẳng quỹ đạo nghiêng một góc nào đó so với mặt phẳng xích đạo

+ Quỹ đạo xích đạo tròn : Khi mặt phẳng quỹ đạo trùng với mặt phẳng xích đạo Trong quỹ đạo xích đạo tròn nếu chiều bay vệ tinh cùng chiều với chiều quay

quả đất và có chu kỳ bằng chu kỳ quay của quả đất gọi là quỹ đạo địa tĩnh ( GEO)

Hình 1.2: Các dạng quỹ đạo của vệ tinh

Đây là dạng quỹ đạo mà vệ tinh có tốc độ bay gần bằng tốc độ thiên văn của quả đất và được đặt ở độ cao xấp xỉ 36.000Km ở độ cao này các lực tương tác lên vệ tinh bù trừ cho nhau nên vệ tinh được coi là đứng yên so với trái đất khi quan sát từ một vị trí cố định trên mặt đất Dạng này rất thích hợp cho các vệ tinh thông tin Nó có các đặc điểm sau:

- Tốc độ bay trung bình của vệ tinh: 23 giờ, 56 phút, 04,09054 giây

- Độ cao của vệ tinh 35.786,04Km được tính từ vệ tinh đến điểm chiếu thẳng dưới vệ tinh trên xích đạo

- Bán kính của quỹ đạo vệ tinh: 42.164,20Km là khoảng cách từ tâm của quỹ đạo vệ tinh đến chu vi của nó

- Chiều quay vệ tinh cùng chiều quay theo trục Bắc-Nam của quả đất

- Tốc độ vệ tinh trên quỹ đạo : 3, 074662Km/giây

- Độ dài của cung 1o: 735,904Km là chiều dài của cung tròn trên quỹ đạo vệ tinh khi có góc ở tâm là 1o

- Thời gian trễ của đường truyền sóng hơn 270ms, là thời gian trung bình để truyền sóng vô tuyến từ một trạm mặt đất qua vệ tinh địa tĩnh đến trạm mặt đất khác

Từ một vị trí trong không gian vệ tinh địa tĩnh có thể phủ sóng được khoảng 42% bề mặt quả đất Vì vậy chỉ cần có 3 vệ tinh đặt ở 3 vị trí cách đều nhau là

Hình 1.3: Quỹ đạo địa tĩnh

Mặt phẳng của quỹ đạo trùng mặt phẳng xích đạo, cho nên tên của vệ tinh địa tĩnh nói chung thường lấy tên của kinh độ trực tiếp ở dưới vị trí điạ tĩnh của vệ tinh Khoảng cách các vệ tinh thường là 3o

đối với các vệ tinh thông tin quốc tế

và thường là 1o

đối với các vệ tinh thông tin nội địa

1.3.2 Tần số trong thông tin vệ tinh

a Môi trường truyền sóng

Trong thông tin vệ tinh môi trường để truyền lan năng lượng điện từ là vùng khí quyển bao quanh trái đất và vùng không gian tự do Vùng khí quyển bao quanh trái đất là một hỗn hợp các chất khí, bụi và hơi nước Nó phụ thuộc vào các điều kiện khí tượng, thời tiết và cường độ bức xạ mặt trời ảnh hưởng đến chất lượng

và độ tin cậy khi truyền lan sóng điện từ trong khí quyển khi các yếu tố này thay đổi Vùng khí quyển có thể chia thành 3 tầng:

+Tầng điện ly

+Tầng bình lưu

+Tầng đối lưu

- Tầng đối lưu rải từ mặt đất đến độ cao khoảng 10Km

- Tầng bình lưu có độ cao từ giới hạn trên của tầng đối lưu đến khoảng 35Km

- Tầng điện ly là tầng trên cùng có giới hạn đến 400Km Tầng này có mật độ khí quyển loãng dần, nhưng bức xạ mặt trời lại mạnh dần khi độ cao tăng Do đó mật độ điện tử và ion sẽ đạt giá trị cực đại ở độ cao trung bình, tại đó mật độ khí quyển đủ lớn và cường độ bức xạ đủ mạnh

Ban ngày tầng điện ly chia thành 3 lớp tính từ dưới lên được đặt tên là lớp

D, E và F, trong đó lớp F lại được chia thành lớp F1 (lớp dưới) và F2 (lớp trên):

Sự phân chia này chỉ mang tính chất tương đối vì nó luôn được thay đổi tuỳ theo

vị trí của mặt trời Vào lúc giữa trưa bức xạ chiếu thẳng vào tầng điện ly, kết quả

là ion hóa cực đại Vào ban đêm bức xạ và ion hoá cực tiểu bởi vì các lớp điện

tử tái hợp lại với các ion dương, do đó các lớp D, E biến mất, lớp F1 và F2 kết hợp lại thành lớp F

Ngoài ra, chu kỳ hoạt động của mặt trời, bão mặt trời, sao băng, bức xạ vũ trụ và mùa trong năm cũng ảnh hưởng đến tầng điện ly

b Băng tần thông tin vệ tinh

Khi chọn băng tần cho thông tin vệ tinh người ta thường phải cân nhắc các yếu tố: can nhiễu, băng tần, các tham số đường truyền và công nghệ thiết bị

sử dụng trong hệ thống Các tần số lý tưởng đối với thông tin vệ tinh nằm trong

cửa sổ tần số Tuy nhiên băng tần sử dụng yêu cầu rất rộng không thể chứa đủ

trong khoảng tần số của cửa sổ tần số Do đó phải sử dụng các băng tần mới

nhưng phải thăm dò cẩn thận Chính vì vậy, hiện nay thông tin vệ tinh sử dụng các băng tần sau:

Tên băng tần Tần số (GHz) Bước sóng (cm)

Trong đó các băng tần C, Ku và Ka đang được sử dụng rộng rãi

- Băng C: Nằm trong cửa sổ tần số ít suy hao do mưa, được sử dụng chung cho

hệ thống Intelsat và các hệ thống khác như hệ thống vệ tinh khu vực và nhiều hệ thống vệ tinh nội địa

- Băng Ku : Băng này được sử dụng rộng rãi sau băng C cho viễn thông công cộng Nó được dùng nhiều cho thông tin nội địa và thông tin giữa các công ty do tần số cao nên cho phép sử dụng được những anten loại nhỏ và sử dụng cho truyền hình trực tiếp đến hộ gia đình (DTH – Direct to home)

- Băng Ka: Được sử dụng cho thông tin thương mại, đa dịch vụ Tuy nhiên nó sẽ

bị suy hao lớn do mưa nên thiết bị có giá thành cao để khắc phục suy hao

Hiện nay các vệ tinh thông tin đang được sử dụng có băng thông 500MHz, nó được chia ra các băng nhỏ hơn như 36 hoặc 72 MHz, tương ứng băng thông của một bộ phát đáp (Transponder) Tuy có độ rộng 500MHz nhng

nó rất hạn chế việc tăng dung lượng, vì vậy việc tăng độ rộng băng là cần thiết

Các kỹ thuật sử dụng lại băng tần cho phép nâng giá trị hiệu dụng của nó lên 2590MHz bằng một phương pháp sau:

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

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

- Sử dụng các phương pháp đa truy nhập theo thời gian (TDMA) và đa truy nhập theo mã (CDMA)

Việc phân định tần số được thực hiện theo điều lệ vô tuyến ở mỗi khu vực của

ITU Gồm 3 khu vực:

- Khu vực 1: châu Âu, châu Phi, Liên xô cũ và các nước Đông Âu

- Khu vực 2: Các nước Bắc và Nam Mỹ

- Khu vực 3: châu Á và châu Đại dương

Sự phản xạ và truyền lan sóng điện từ trên mặt đất và khi qua tầng điện ly của các băng tần khác nhau

1000

100

10

Hình 1.4: Cửa sổ tần số

Sóng ngắn (HF) bị hấp thụ năng lượng rất mạnh khi đi qua tầng điện ly, còn với sóng có tần số siêu cao thì bị suy hao mạnh khi truyền qua lớp khí quyển, qua mây mù và đặc biệt suy hao rất mạnh khi truyền qua vùng mưa

Trong thông tin vệ tinh dải tần từ 1 GHz đến 10 GHz có suy hao tương đối thấp

và là giải tần tốt nhất cho thông tin vệ tinh, đã được CCIR khuyến nghị sử dụng

cho thông tin vệ tinh Dải tần này được gọi là cửa sổ tần số vô tuyến Sóng điện

từ trong dải 1 - 10GHz truyền trong vũ trụ được coi như truyền trong không gian

tự do, do đó nó cho phép lập các đường truyền thông tin ổn định với chất lượng cao

1.3.3 Phân cực sóng

Một trong các phương pháp sử dụng có hiệu quả băng tần và bộ phát đáp của vệ tinh là phương pháp phân cực sóng Phân cực sóng là hướng dao động điện trường của sóng vô tuyến điện khi đi qua môi trường truyền sóng theo một hướng nhất định Có hai phân cực là phân cực tuyến tính và phân cực tròn a) Phân cực tuyến tính:

Có 2 loại là phân cực thẳng đứng và phân cực nằm ngang

 Phân cực thẳng đứng có thể được tạo ra bằng cách dẫn các tín hiệu từ một ống dẫn sóng hình chữ nhật đến một 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 cần phải bố trí giống tư thế của anten phía phát Khi hai anten đặt vuông góc thì không thể thu được ngay cả khi sóng đi vào ống dẫn sóng, do đó cần phải điều chỉnh hướng của ống dẫn sóng anten thu sao cho song song với mặt phẳng phân cực của sóng đến

 Phân cực nằm ngang: cũng được tạo ra tương tự như phân cực thẳng đứng nhưng hướng sóng dịch đi một góc 90o

b) Phân cực tròn:

Phân cực tròn là phân cực mà sóng trong khi truyền lan vừa tịnh tiến vừa quay tròn Trường điện từ vừa di chuyển vừa quay, được xác định bởi trung tâm quay

Có thể tạo ra phân cực tròn bằng cách kết hợp 2 loại phân cực thẳng đứng và phân cực nằm ngang (hai phân cực vuông góc với nhau) Sóng phân cực tròn là phân cực phải hay trái phụ thuộc vào sự khác pha giữa các sóng phân cực thẳng

là sớm pha hay muộn pha Phân cực có thể quay theo chiều kim đồng hồ với tần

số bằng tần số của sóng mang

- Phân cực quay theo chiều kim đồng hồ: APOL là phân cực ở đó đường lên có phân cực tròn phía tay trái (LHCP) và đường xuống có phân cực tròn phía tay phải (RHCP)

- Phân cực quay theo chiều ngược kim đồng hồ: BPOL là phân cực ở đó đường lên có phân cực tròn phía tay phải (RHCP) và đường xuống có phân cực tròn phía tay trái (LHCP)

1.4 HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH

Hệ thống thông tin vệ tinh được hình thành từ hai phần chính đó là phần không gian và phần mặt đất

 Phần không gian: gồm có vệ tinh, các thiết bị thông tin trên vệ tinh, các thiết bị điều khiển và đo từ xa, các thiết bị cung cấp nguồn lấy từ năng lượng mặt trời Trong hệ thống thông tin vệ tinh thì vệ tinh thông tin đóng vai trò là một trạm lặp tín hiệu của tuyến thông tin siêu cao tần

 Phần mặt đất: hay còn gọi là các trạm thu phát 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

Trạm điều khiển(TT & C)

ghép công suất, máy thu tạp âm thấp và cac bộ điều chế, giải điều chế, các bộ đổi tần tuyến lên và tuyến xuống, bộ khuếch đại công suất cao (HPA)

Đường liên lạc hệ thống thông tin vệ tinh được mô tả theo hình sau:

Hình 1.6: Các bộ phận của trạm mặt đất

BB: Băng tần cơ sở LNA: Bộ khuyếch đại tạp âm thấp

MOD : Bộ điều chế D/C: Bộ đổi tần xuống

U/C: Bộ đổi tần lên DEM: Bộ giải điều chế

HPA: Bộ khuyếch đại

Hoạt động của hệ thống thông tin vệ tinh như hình trên được mô tả như sau:

- Tại đầu phát băng tần cơ sở (BB) như: Tín hiệu thoại, video, telex, facsimile được điều chế lên thành tần số trung tâm tần IF sau đó được đổi lên cao tần RF nhờ bộ đổi tần tuyến lên U/C Tín hiệu được khuyếch đại lên mức công suất cao nhờ bộ HPA và qua anten phát lên vệ tinh

- Tại đầu anten thu của vệ tinh, tín hiệu thu được qua bộ khuyếch đại, qua đổi tần từ tần số tuyến lên thành tần số của tuyến xuống, khuyếch đại công suất rồi phát xuống mặt đất nhờ anten phát

- Anten thu trạm mặt đất thu tín hiệu từ vệ tinh về, tín hiệu qua bộ khuyếch đại tạp âm thấp LNA, tần số siêu cao được biến đổi thành trung tần IF nhờ bộ D/C, sau đó qua bộ giải điều chế DEM để phục hồi lại băng tần cơ bản như ở trạm mặt đất phát

- Đường hướng từ trạm mặt đất phát đến vệ tinh được gọi là đường lên (uplink)

và đường hướng từ vệ tinh đến trạm mặt đất thu gọi là đường xuống (dowlink) Trong một băng tần, tần số của tuyến lên: fu bao giờ cũng lớn hơn tần số của tuyến xuống: fd để phân biệt tần số lên và tần số xuống tại các bộ phận đáp trên

vệ tinh Ví dụ: Hầu hết các tần số trong khoảng 6 GHz (băng C) và 14 GHz

(băng Ku) được dùng cho tuyến lên và các tần số trong khoảng 4 GHz (băng C)

và 11GHz (băng Ku) được dùng cho tuyến xuống

1.5 SUY HAO, TẠP ÂM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH

Tạp âm là những tín hiệu không mong muốn sinh ra khi luồng tín hiệu truyền qua môi trường truyền dẫn hay thiết bị, do đó làm giảm chất lượng tín hịêu thu, như: Làm giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) hoặc giảm tỷ số sóng mang trên tạp âm (C/N) hoặc làm tăng tỷ số lỗi bit (BER)

Trên thực tế đối với các hệ thống thông tin khác thì tạp âm thường rất nhỏ so với tín hiệu có ích, nhưng trong thông tin vệ tinh thì tín hịêu thu được rất nhỏ sau khi phải truyền qua một khoảng cách truyền dẫn quá lớn ( 40.000km), trong khi đó tổng các nguồn gây ra tạp âm lại lớn, do đó C/N rất nhỏ Vì vậy nghiên cứu tạp âm là cần thiết để khắc phục tạp âm

1.5.1 Các nguồn tạp âm

a) Tạp âm vũ trụ: Tạp âm vũ trụ hình thành do nhiễu bức xạ siêu cao tần từ các

dải ngân hà, nhiễu do mặt trời hoạt động mạnh, phát xạ của mặt trăng tác động mạnh ở dải tần dưới 1 GHz

b) Tạp âm khí quyển: Khí quyển (oxy, nitơ, hơi nước, sương mù ) hấp thụ

năng lượng của sóng điện từ có bước sóng xấp xỉ bằng tần số dao động của các phần tử khí nói trên khi tràn qua nó, làm cho sóng điện từ suy yếu đi, tạp âm sinh ra từ đó Trong điều kiện trời trong, nhiệt độ tạp âm tương đương là một hàm phụ thuộc vào góc ngẩng trong dải tần từ 400 MHz đến 40 GHz

c) Tạp âm do mƣa: Sóng điện từ ở băng tần 1 GHz - 10 GHz chẳng những bị

suy hao khi truyền qua mưa mà còn phải cộng thêm tạp âm do mưa gây nên Đó

là các bức xạ siêu cao của mưa, nhiệt độ nước mưa gây tạp âm nhiệt Vì vậy cần phải tính năng lượng dự trữ

Khi đường truyền sóng xuất hiện mưa, sóng vô tuyến không những bị hấp thụ bởi các hạt mưa mà còn bị phân tán đi các hướng khác nhau Như vậy sóng vô tuyến khi truyền qua vùng mưa bị suy hao đáng kể Tín hiệu bị suy hao nhiều hay ít phụ thuộc vào tuyến truyền đi qua mưa dài hay ngắn, chiều cao của vùng mưa, tốc độ mưa, hình dạng hạt mưa

Ngoài việc làm suy giảm tín hiệu, mưa còn làm tăng nhiệt độ tạp âm của hệ thống máy thu trạm mặt đất do hạt mưa cũng là phần tử bức xạ nhiệt Điều đó làm giảm hệ số phẩm chất của trạm mặt đất

Việc đánh giá lượng tăng nhiệt độ tạp âm máy thu do mưa thường được đo thực

tế

d) Tạp âm trái đất: Mặt đất có tác dụng 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 phản xạ từ mặt đất Nhiệt độ tạp

âm do ảnh hưởng của trái đất khoảng từ 30

K - 250K

e) Tạp âm giao thoa: Tạp âm giao thoa sinh ra do sự giao thoa sóng điện từ của

trạm mặt đất thông tin vệ tinh với các trạm Viba trên mặt đất Để đảm bảo thông tin cho các hệ thống này, CCIR qui định công suất giao thoa trung bình phải nhỏ hơn 1000pw trong một giờ bất kỳ

f) Tạp âm mặt trời: Được sinh ra khi mặt trời hoạt động mạnh theo các chu kỳ

khác nhau và ảnh hưởng ở các mức độ khác nhau Nếu trạm mặt đất nào ở vị trí nhìn thẳng mặt trời thì có thể mất liên lạc hoàn toàn vì bức xạ mặt trời quá lớn

1.5.2 Các loại suy hao:

a) Suy hao đường truyền:

- Suy hao trong không gian tự do: là suy hao khi sóng điện từ truyền lan qua đường truyền sóng Suy hao này phụ thuộc vào khoảng cách truyền sóng, tần số tín hiệu

- Suy hao do hấp thụ của môi trường truyền sóng

b) Suy hao feeder: Suy hao do tín hiệu truyền dẫn qua feeder nối giữa máy phát

(hoặc máy thu) với anten và suy hao tại các điểm đấu nối Suy hao này thường được cho trước bởi nhà sản xuất

c) Suy hao do lệch hướng: Suy hao do anten thu và anten phát lệch hướng

nhau, tức là búp sóng chính của anten thu không hướng đúng chùm tia phát xạ từ búp sóng chính của anten phát

d) Suy hao lệch phân cực: Suy hao sinh ra do anten thu không hướng đúng

hướng phát của sóng mang phân cực của phía phát hay do sóng mang phân cực

bị xoay mặt phẳng phân cực do các tác động trên đường truyền sóng như: Phading, Faraday

1.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY NHẬP TRONG THÔNG TIN VỆ TINH

Đa truy nhập là một phương pháp để nhiều trạm mặt đất sử dụng chung cho bộ phát đáp Thông tin chuyển tải giữa nhiều trạm mặt đất (tức là thiết lập nhiều tuyến liên lạc trạm - trạm) đồng thời được thực hiện trên cùng một kênh vệ tinh Một cách tổng quát đa truy nhập trong thông tin vệ tinh được phân loại như sau:

- Đa truy nhập chia theo tần số: FDMA

- Đa truy nhập chia theo thời gian: TDMA

- Đa truy nhập chia theo mã: CDMA

- Đa truy nhập chia theo không gian: SDMA

- Đa truy nhập ngẫu nhiên: Giao thức bất đồng bộ ALOHA, Giao thức theo yêu cầu DAMA, Giao thức dự trữ

1.6.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA

FDMA là phương pháp trong đó băng thông bộ phát đáp sẽ được chia thành các băng tần con và mỗi băng tần con được ấn định cho một sóng mang Với kiểu truy nhập này, các trạm mặt đất truy nhập bộ phát đáp một cách liên tục tại những sóng mang khác nhau Để hạn chế nhiễu kênh lân cận giữa các sóng mang, cần phải có băng tần bảo vệ (Guard band) thích hợp giữa các sóng mang lân cận Vệ tinh sau đó sẽ phát toàn bộ sóng mang thu được này trên đường xuống Để máy thu của trạm mặt đất có thể thu được các sóng mang mong muốn, tại mỗi máy thu cần phải có các bộ lọc thông dải (Bandpass Filter) được hiệu chỉnh tại các băng tần con tương ứng

Hình 1.7: Đa truy nhập theo tần số: FDMA

Nếu băng tần bảo vệ giữa các sóng mang lân cận lớn thì nhiễu kênh lân cận sẽ giảm và các bộ lọc thông dải tại máy thu trạm mặt đất không đòi hỏi hệ số phẩm chất cao nhưng ngược lại tài nguyên vệ tinh không được sử dụng hiệu qủa do số lượng trạm mặt đất được phép truy nhập bộ phát đáp ít đi Nhiễu xuyên điều chế đóng một vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ cũng như công suất vệ tinh Do các bộ khuyếch đại công suất cao trên vệ tinh là các thiết bị phi tuyến, khi hoạt động ở chế độ đa sóng mang luôn yêu cầu có độ lùi đầu vào (input Backoff) và do vậy giảm công suất đầu ra của vệ tinh

Ưu điểm của FDMA là cấu hình các trạm mặt đất đơn giản, dễ khai thác Tuy nhiên FDMA cũng có một số nhược điểm sau:

-Không có tính linh hoạt trong trường hợp cấu hình lại hệ thống khi có các thay đổi về lưu lượng truyền dẫn

-Sử dụng băng thông và công suất bộ phát đáp không hiệu quả trong trường hợp số trạm truy nhập tăng

-Cần thiết phải điều chỉnh công suất của các trạm mặt đất trong mạng nhằm tránh hiện tượng chèn lấn sóng mang trong bộ phát đáp

1.6.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA

TDMA là một phương thức truy nhập của thông tin vệ tinh nó hoàn toàn thích hợp cho các viễn thông số ở dạng gói, hệ thống thông tin quang, truyền hình số và các hoạt động của mạng máy tính dùng chung một cơ sở dữ liệu Phương pháp truy nhập TDMA dựa trên việc phân chia thời gian sử dụng bộ phát đáp thành các khe thời gian, giữa các khe thời gian có các khoảng bảo vệ Điều này hoàn toàn tương tự như trong FDMA chia toàn bộ băng tần ra thành các băng tần con mà giữa chúng có những khoảng dãn băng

Với công nghệ TDMA, tất cả các trạm mặt đất trong hệ thống đều sử dụng chung một tần số Tuy nhiên tại một thời điểm xác định chỉ một trạm trong số các trạm của hệ thống được phép phát lưu lượng của nó lên vệ tinh và chiếm toàn bộ băng thông của bộ phát đáp đó Lưu lượng truyền dẫn trong khoảng thời gian cho phép (Tburst) gọi là cụm tín hiệu (Burst) Tập hợp các Bust của các trạm mặt đất phát đi trong một chu kỳ tạo thành khung (Frame) có thời gian là TF Để

Mật độ phổ công suất

các Burst không chồng lấn nhau tại máy thu vệ tinh, cần thiết phải có khoảng thời gian bảo vệ (Guard time) giữa các Burst kế tiếp và đồng thời việc đồng bộ giữa các trạm mặt đất trong mạng là tối cần thiết Kỹ thuật TDMA do vậy liên quan đến qúa trình tạo Burst, thu Burst và đồng bộ phát của các trạm mặt đất trong mạng

Hình 1.9 Cấu trúc khung TDMA theo chuẩn INTERSAT

a) Qúa trình tạo Burst: Lưu lượng của trạm mặt đất tới các trạm mặt đất khác

trong mạng trước hết được ghép kênh phân thời gian (TDM-Time Division Multiplex) để tạo luồng bit nhị phân liên tục với tốc độ RB và được lưu trữ vào

bộ nhớ đệm để chờ tới thời điểm phát đi burst tín hiệu của mình Cấu trúc chung của một burst tín hiệu bao gồm hai phần: Phần mào đầu (Overhead) và phần mang lưu lượng thông tin Tại thời điểm được phép phát, trạm mặt đất phát Burst trong khoảng thời gian Tburst Phần mào đầu bao gồm tất cả các thông tin cần thiết phục vụ cho mục đích tái tạo dữ liệu tại đầu thu và sự hoạt động của hệ thống TDMA Đối với các hệ thống TDMA khác nhau, các phần mào đầu có các trường con khác nhau nhưng chúng đều thực hiện các chức năng cơ bản sau:

-Tái tạo xung định thời và bit sóng mang: Cho phép máy thu trạm mặt đất nhanh chóng tái tạo được sóng mang từ tín hiệu thu và tái tạo lại xung đồng hồ định thời thu nhằm đảm bảo tách sóng giữ pha một cách chính xác

-Từ mã đồng nhất: bao gồm một dãy bit đặc biệt cho phép các trạm thu và phát được đồng bộ một cách chính xác

RB 1 TB a RB 2 TB b

Khung TDMA 2ms

RB i : Burst chuẩn của trạm chuẩn i

TB x : Burst lưu lượng của trạm x

-Kênh báo hiệu: các thông tin liên quan đến báo hiệu trong mạng và quản

lý

-Kênh nghiệp vụ: Phục vụ cho việc liên lạc giữa các trạm mặt đất với nhau

b) Quá trình thu Burst: Các trạm mặt đất trong mạng sẽ thu toàn bộ các Burst

được phát từ vệ tinh Đối với mỗi một Burst, máy thu trạm mặt đất sẽ xác định thông tin cần thu trong trường lưu lượng thông qua trường thông tin mào đầu và lưu các thông tin liên quan này bộ đệm với tốc độ của đường xuống Dữ liệu sau

đó được đọc ra với tốc độ Rburst

c) Đồng bộ: Đồng bộ trong mạng TDMA là một đòi hỏi nghiêm ngặt nhằm định

vị đúng các burst tín hiệu TDMA ở phía phát cũng như tránh việc thu nhầm burst không liên quan ở phía thu Để phục vụ cho mục đích đồng bộ và xác định thời điểm bắt đầu và kết thúc khung bằng cách sử dụng các Burst chuẩn (Reference Burst) được phát đi từ các trạm chuẩn (Reference Station) Burst chuẩn chỉ đơn thuần chứa trường thông tin mào đầu Có hai phương pháp đồng

bộ được sử dụng trong mạng TDMA là đồng bộ vòng kín (Closed-Loop Synchronization) và đồng bộ vòng mở (Open-Loop Synchronization)

*Các đặc điểm của TDMA:

Tại mỗi thời điểm, kênh vệ tinh chỉ khuếch đại một sóng mang và nó chiếm toàn bộ độ rộng băng của kênh do vậy không xuất hiện các thành phần điều chế tương hỗ và sóng mang được khuếch đại ở mức cao nhất (bão hòa) của kênh vệ tinh TDMA cho phép sử dụng dung lượng kênh vệ tinh hiệu qủa hơn FDMA do khả năng thông của mạng vẫn đảm bảo khi số lượng trạm trong mạng tăng lên Mạng TDMA không yêu cầu điều khiển công suất phát của các trạm trong mạng Các trạm thu và phát trên cùng một tần số không cần quan tâm đó là burst tín hiệu gửi đi hay thu về trạm, do vậy việc điều chỉnh tần số rất đơn giản Khi tăng số trạm hoặc tăng dung lượng của mạng, có thể dùng phần mềm điều khiển mà không cần phải thay đổi phần cứng

Tuy nhiên TDMA có yêu cầu nghiêm ngặt về đồng bộ để đảm bảo sự hoạt động của toàn mạng Và do độ thông dải của TDMA là lớn nên các trạm trong mạng thường có kích thước lớn, công suất phát của trạm mặt đất cao hơn so với hệ thống FDMA Do vậy, giá thành thiết bị trạm của mạng TDMA cao hơn so với trường hợp mạng FDMA

1.6.3 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

Trong phương thức đa truy nhập theo mã (CDMA) các trạm mặt đất sẽ truy nhập bộ phát đáp vệ tinh cùng một lúc và cùng một tần số Để có thể phân biệt được các sóng mang với nhau, tại phía phát, mỗi bộ sóng mang sẽ được nhân với một mã nhận dạng đặc biệt Mã nhận dạng này cho phép máy thu có thể tái tạo được sóng mang yêu cầu bằng cách nhân sóng mang thu được với chính mã nhận dạng của sóng mang đó Để thỏa mãn yêu cầu trên, mã nhận dạng là một

mã giả ngẫu nhiên có các tính chất sau:

- Mã giả ngẫu nhiên là một bộ mã tuần hoàn với chu kỳ bằng 2r-1Tchip (trong đó r

là số bit của thanh ghi dùng để tạo mã, Tchip là khoảng thời gian của một chip)

- Số lượng chip “0” và chip “1” chênh nhau 1 đơn vị trong từ mã

-Hàm tạo mã phải có tính chất tự tương quan

Tín hiệu sau khi nhân với mã nhận dạng sẽ được trải rộng ra về mặt phổ tần chính vì thế mã nhận dạng được gọi là mã trải phổ và kỹ thuật CDMA dựa trên nguyên lý trải phổ tín hiệu (Spread Spectrum) Có 2 loại trải phổ được sử dụng trong CDMA là trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-Direct Sequence) và trải phổ nhảy tần (FH-Frequency Hopping)

Nguyên lý đa truy nhập đạt được như sau: Tại phía phát các sóng mang sẽ được nhân với các mã trải phổ và đều được phát lên vệ tinh Tại phía thu, các trạm mặt đất sẽ nhân các sóng mang thu được với bản sao mã trải phổ nên chỉ có sóng mang mong muốn được nén phổ lại, còn các sóng mang khác sẽ bị trải phổ một lần nữa và do vậy mật độ phổ công suất rất nhỏ Để hệ thống CDMA hoạt động tốt yêu cầu phải có sự đồng bộ mã trải phổ tốt giữa máy phát và máy thu

*Ƣu nhƣợc điểm của CDMA đối với thông tin vệ tinh:

CDMA có ưu điểm là tránh được nhiễu và méo, bảo mật tiếng nói cao và ít chịu ảnh hưởng của các thông số và đường truyền Hoạt động của CDMA là đơn giản vì không cần tới sự đồng bộ trong việc truyền dẫn giữa các trạm Điều này làm cho CDMA rất phù hợp với những mạng sử dụng các trạm mặt đất nhỏ với

độ rộng búp anten lớn và đặc biệt là cho dịch vụ di động qua vệ tinh

Tuy nhiên, khi khai thác CDMA trong môi trường thông tin vệ tinh thì khả năng thông của CDMA là thấp Với một độ rộng băng lớn của phần không gian chỉ dùng được với hiệu suất thấp khiến cho tổng dung lượng mạng (của phần mặt đất) là thấp so với trường hợp dung lượng một sóng mang không trải phổ Nói chung hiệu suất sử dụng độ rộng băng vệ tinh của CDMA là thấp so với các phương pháp đa truy nhập FDMA và TDMA

CHƯƠNG 2

TRUYỀN DẪN SỐ TRONG THÔNG TIN VỆ TINH

Thông tin vệ tinh là một trường hợp của truyền dẫn vô tuyến, nó cũng mang đầy

đủ các tính chất và nguyên lý của một hệ thống truyền dẫn số

Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát của hệ thống truyến dẫn

Một sơ đồ hệ thống truyền dẫn cơ bản như hình vẽ trên, nó bao gồm các thành phần: máy phát, máy thu, môi trường truyền Nguồn tin mk ban đầu sau một loạt quá trình xử lí để đến nơi nhận Tín hiệu nhận được là m’k Như vậy, khi truyền trên kênh thực tế, dưới tác động của các loại nhiễu và méo, tín hiệu nhận được không hoàn toàn giống như tín hiệu phát đi

Các thành phần gây ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu bao gồm 2 yếu tố chính:

- Suy hao đường truyền: tín hiệu bị tác động bởi các yếu tố tự nhiên

- Suy hao từ chính các thiết bị: do chế tạo các bộ lọc chưa hoàn hảo, do nhiễu nhiệt

Trong hệ thống thông tin vệ tinh, các thiết bị của trạm mặt đất cũng gây ra suy hao Nguyên nhân của các suy hao đó chính là méo tín hiệu: méo tuyến tính và méo phi tuyến Chúng ta sẽ phân tích một số yếu tố tác động đến chất lượng tín hiệu và một số phương pháp khắc phục Các phương pháp này sẽ làm giảm được suy hao nhưng cũng sẽ gây ra các tác động đến công suất và băng thông tín hiệu

2.1 ẢNH HƯỞNG CỦA THIẾT BỊ TRẠM MẶT ĐẤT ĐẾN TÍN HIỆU SỐ

Từ sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin số, ta sẽ xem xét sơ đồ cụ thể của hệ thống thông tin vệ tinh như sau:

Nguồn số Máy phát Kênh truyền Máy thu Nhận tin

LNA D/C

Demod De-

coding

Nhận

tin

Nhiễu

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống thông tin vệ tinh

Trong sơ đồ trên, các thành phần coding/de-coding, Mod/demod nằm trong thiết

bị modem, U/C và D/C là thiết bị chuyển đổi tần số lên/xuống, HPA là bộ khuếch đại công suất cao, LNA là bộ khuếch đại tạp âm thấp

2.1.1 Bộ khuếch đại công suất

Để bù vào tổn hao truyền sóng lớn trong thông tin vệ tinh, đầu ra máy phát cần phải có công suất càng lớn càng tốt Do vậy, trong hệ thống trạm mặt đất cần có bộ khuếch đại công suất cao (HPA – High Power Amplifier)

So với các hệ thống vô tuyến trên mặt đất với khoảng cách giữa các trạm chỉ khoảng vài chục km nên công suất máy phát chỉ khoảng 1W, khoảng cách đó trong thông tin vệ tinh là trên 36,000km và băng tần khá lớn nên công suất có thể đến vài trăm hay vài nghìn W (cho trạm Hub có dung lượng lớn) Trong một

số trường hợp, các bộ SSPA (Solid State Power Amplifier) với mức công suất khoảng 1-10W có thể được dùng cho trạm có dung lượng thấp (Ví dụ như VSAT)

Có ba loại bộ khuếch đại công suất chính là bộ khuếch đại công suất Klystron - KPA (Klystron Amplifier), bộ khuếch đại công suất ống sóng chạy - TWTA (Travelling Wave Tube Amplifier) và bộ khuếch đại công suất transistor – SSPA (Solid State Power Amplifier)

Bộ khuếch đại KPA có công suất ra từ vài trăm W đến vài KW (khoảng 5 KW), băng thông 60 – 80 MHz ở băng tần C và 80-100 MHz ở băng tần Ku

Bộ khuếch đại đèn sóng chạy TWTA có công suất ra từ vài trăm đến vài chục KW (3KW), băng thông 600 MHz ở băng tần C và 3 GHz ở băng tần Ka (tại tần số 30 GHz) Ưu điểm của bộ khuếch đại này là có thể tạo ra công suất rất lớn ở tần số rất cao (băng Ka) nhưng nhược điểm lớn nhất của nó là kích thước trọng lượng lớn, nguồn nuôi có điện áp rất cao (cỡ 10 KV) nên chỉ được dùng ở các trạm có dung lượng lớn (Ví dụ các trạm có tiêu chuẩn A của Intelsat)

Bộ khuếch đại SSPA sử dụng transistor hiệu ứng trường Giá trị công suất và tần số làm việc luôn tăng lên do sự phát triển của công nghệ Để có mức công suất yêu cầu, các transistor được đấu song song với nhau ở các tầng đầu ra

Bộ khuếch đại Transistor đã được sử dụng làm việc ở băng C từ đầu những năm

1980 với công suất đạt được khoảng 10W để phụ trợ cho bộ khuếch đại ống Kỹ thuật ngày nay đưa công suất đầu ra SSPA đạt được khoảng vài trăm W

Pout

Hình 2.3: Đặc tính không tuyến tính của bộ khuếch đại công suất

Đặc thù của thông tin vệ tinh là suy hao đường truyền rất lớn do cự li truyền dẫn quá xa Để chống lại việc suy giảm tín hiệu do suy hao, công suất máy phát cần phải lớn Tuy nhiên, khi máy khuếch đại công suất cao sẽ gây ra méo phi tuyến Để khắc phục điều này, ta có thể sử dụng bộ méo trước hoặc dùng độ lùi Méo phi tuyến sẽ được phân tích chi tiết ở phần sau

2.1.2 Bộ khuếch đại tạp âm thấp

Sóng bức xạ từ vệ tinh bị hấp thụ rất lớn cho tới khi chúng tới mặt đất Ví

dụ, các sóng băng Ku bị yếu đi khoảng 1/1021 so với tín hiệu ban đầu, nếu thu bằng một anten đường kính 3.3m thì băng Ku mức thu được tăng lên khoảng 10 triệu lần Tuy nhiên điều đó chưa đủ lớn Do đó cần phải khuếch đại chúng lên một mức có thể giải điều chế được Kỹ thuật bộ khuếch đại tạp âm thấp với

“nhiệt tạp âm” thấp đóng vai trò rất quan trọng trong việc bảo đảm chất lượng tín hiệu

Theo định lý Nyquist, bình phương của điện áp xuất hiện trong các thiết

B là băng thông, đơn vị Hz

Nếu coi N là công suất nhiễu, ta có : N = KTB (Watts) Công suất nhiễu này có thể xuất hiện tại đầu vào của mọi thiết bị có tính trở kháng Cho trước băng thông, nếu nhiệt độ tương dương của các phần tử được biết thì công suất nhiễu phát ra cũng sẽ xác định được

Trong mọi bộ khuếch đại, tín hiệu tương ứng ở đầu vào sẽ phát ra nhiễu bằng KTB Watts (Ni), công suất nhiễu đầu ra (No) sẽ tăng lên nhiều lần do độ lợi bộ khuếch đại, cộng với nhiễu của chính bên trong hệ thống Quan hệ No/Ni cho mỗi thiết bị được gọi là hệ số nhiễu (F)

F = 1+Te/To và Te = (F-1)To

Pin

Trong đó: Te là nhiệt độ tương đương, tạo ra nhiễu ở đầu vào

To là nhiệt độ xung quanh (290o

Bộ U/C chuyển tín hiệu IF (tần số trung gian) thành tín hiệu RF (ví dụ thành 6GHz hay 14GHz) Ngược lại, bộ D/C chuyển tín hiệu RF (ví dụ 4GHz hoặc 11-12GHz) thành tín hiệu RF

IF BPF 36MHz BW

IF AMP 70 or 140 MHz MIXER

RF Rejection Filter (Turnable)

OutPut Power monitoring

RF Output

5925 to 6425 MHz

F=Ft-70 MHz Local OSC.

Mixer

Hình 2.5: Bộ chuyển đổi đơn tần số lên

Trong khối chuyển đổi tần số, bộ trộn có thể gây ra méo phi tuyến, tuy nhiên do công nghệ chế tạo ngày càng hoàn hảo nên có thể bỏ qua Các bộ lọc sử dụng trong khối này lại tạo ra ISI gây méo tuyến tính

2.2 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU

2.2.1 Giới thiệu

Điều chế tín hiệu là biến đổi tin tức cần truyền sang một dạng năng lượng mới

có quy luật biến đổi theo tin tức và thích hợp với môi trường truyền dẫn Quá trình điều chế là quá trình dùng tín hiệu tin tức để thay đổi một hay nhiều thông

số của phương tiện mang tin Phương tiện mang tin trong thông tin vệ tinh thường là sóng điện từ cao tần (RF) Việc điều chế phải đảm bảo sao cho tín hiệu ít bị can nhiễu nhất khi sóng mang đi qua môi trường trung gian

Người ta phân biệt hai loại điều chế đó là điều chế tương tự cho các tín hiệu tương tự và điều chế số cho các tín hiệu số Đối với tín hiệu tương tự thì kiểu điều chế thường dùng trong thông tin vệ tinh là điều tần FM (dùng cho thoại, số liệu và truyền hình) Các phương pháp điều biên AM và điều biên pha QAM (điều chế cầu phương) rất ít dùng bởi khoảng cách truyền dẫn rất lớn của tuyến

vệ tinh cùng với các tạp âm đường truyền sẽ làm cho biên độ sóng mang bị thay đổi rất mạnh gây nhiều khó khăn cho quá trình giải điều chế Còn các kỹ thuật điều chế số dựa trên cơ sở dùng các biện pháp tải các dòng bít tin tức lên sóng mang Tín hiệu ở băng gốc bao giờ cũng là tín hiệu tương tự nên chúng phải được chuyển thành tín hiệu số nhờ phương thức PCM (Pulse Code Modulation) trước khi đem điều chế Kỹ thuật điều chế số được sử dụng trong thông tin vệ tinh thường là điều chế dịch mức pha PSK (Phase Shift Keying) và điều chế dịch mức pha vi sai DE-PSK (Different Encode PSK) Ưu điểm của kỹ thuật điều chế số là nó khai thác được các mặt mạnh của tín hiệu số so với tín hiệu tương tự, ít bị can nhiễu của môi trường và dễ kết hợp với các quá trình xử lý như: mã hoá, bảo mật, chống lỗi, sửa lỗi… Nói chung, nguyên tắc của việc điều chế tín hiệu số và tín hiệu tương tự là giống nhau

ΔF(t) = f(t) – f

c =k

FM.v(t) (Hz) Trong đó: - k

FM (Hz/V) đặc trưng cho bộ điều chế

- f(t) (Hz) là tần số tín hiệu cần điều chế

Như vậy, sự biến đổi biên độ của điện thế v(t) đặc trưng cho tin tức cần truyền

đi đã được tải lên sóng mang theo hàm ΔF(t) Khi truyền sóng sang trạm thu, bộ giải điều chế sẽ căn cứ vào đại lượng ΔF(t) để khôi phục tin tức ban đầu

2.2.3 Kỹ thuật giải điều chế sóng mang điều tần (FM)

Nguyên lý của kỹ thuật giải điều chế sóng mang (FM): sóng mang tại đầu vào

bộ giải điều chế có một tỷ số tín hiệu trên tạp âm (C/N

0)

T Bộ giải điều chế nhận biết độ di tần tức thời ΔF(t) của sóng mang và khôi phục một điện áp u(t) sao cho:

- Một bộ tạo tín hiệu (sóng mang) tần số vô tuyến

Hình 2.6 Nguyên lý của một bộ điều chế số

Bộ giải điều chế

Bộ tạo ký tự kênh thứ m Bộ mã hóa Bộ tạo tín hiệu kênh M

M=2m tín hiệu kênh

Số liệu

vào

Bộ tạo ký tự tạo ra các ký tự với M trạng thái, trong đó M=2m, từ m bit liên tiếp của dòng nhị phân đầu vào Bộ mã hoá thiết lập một sự tương ứng giữa M trạng thái của các ký hiệu này và M trạng thái có thể có của sóng mang phát Có hai loại mã hoá thông dụng:

- Mã hoá trực tiếp - một trạng thái của ký tự xác định một trạng thái của sóng mang

- Mã hoá chuyển tiếp (mã hoá vi sai) - một trạng thái của ký tự xác định một chuyển tiếp giữa hai trạng thái kế tiếp nhau của sóng mang

Điều chế pha (khóa dịch pha PSK – Phase Shift Keying) đặc biệt thích hợp đối với các tuyến vệ tinh Trong thực tế nó sử dụng lợi thế của một đường bao không đổi nên nó cung cấp hiệu quả phổ tốt hơn

2.2.5 Kỹ thuật giải điều chế sóng mang PSK

Vai trò của bộ giải điều chế là nhận biết pha (hoặc sự dịch pha) của sóng mang nhận được và từ đó suy ra giá trị các bit của dòng nhị phân được phát đi Giải điều chế có thể là:

- Nhất quán (coherent): bộ giải điều chế sử dụng tín hiệu chuẩn hình sin tại chỗ

có cùng tần số và pha như sóng mang được điều chế tại máy phát Bộ giải điều chế thông dịch pha của sóng mang thu được bằng việc đối chiếu nó với pha của tín hiệu chuẩn Giải điều chế nhất quán cho phép dòng nhị phân được tái cấu trúc cho cả hai trường hợp mã hoá truyền dẫn - trực tiếp (BPSK và QPSK) và vi sai (DE-PSK và DE-QPSK)

- Vi sai: bộ giải điều chế đối chiếu pha của sóng mang thu được trong thời gian truyền dẫn một ký tự và pha của nó trong thời gian của ký tự trước đó Do vậy,

bộ giải điều chế phát hiện được những biến đổi pha Thông tin phía phát chỉ có thể được khôi phục nếu nó được chứa trong các biến đổi pha, điều chế vi sai luôn luôn kết hợp với mã hoá vi sai khi truyền dẫn

2.3 TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU SỐ TRÊN KÊNH THỰC TẾ

2.3.1 Khái niệm ISI

Băng tần vô tuyến, nhất là trong thông tin vệ tinh, là một tài nguyên quý và hiếm nên cần phải chia sẻ cho nhiều đối tượng cùng sử dụng Để hạn chế phổ tần nhằm tăng số hệ thống có thể cùng công tác trên một băng sóng cho trước, người

ta sử dụng các mạch lọc Do vậy, hàm truyền tổng cộng của một hệ thống truyền dẫn số sẽ có đặc tính như một mạch lọc Ở đầu ra, phổ tín hiệu thu được bị hạn chế bởi đặc tính lọc của hệ thống nên tín hiệu thu được của một symbol (chưa kể đến tạp âm) sẽ trải ra vô hạn về thời gian Điều đó dẫn đến việc tại đầu thu của

các symbol được truyền kế tiếp nhau sẽ chồng lấn lên nhau về thời gian va gây nhiễu lẫn cho nhau, hiện tượng này trong truyền dẫn tín hiệu số được gọi là xuyên nhiễu giữa các dấu (ISI: InterSymbol Interference) Sự tồn tại của các ISI

có thể dẫn đến tín hiệu thu được bị méo rất lớn và tin tức có thể sẽ bị nhận sai tại thời điểm lấy mẫu t=kTs giá trị của tín hiệu thu được ở lối mạch ra lấy mẫu của máy thu theo sơ đồ máy thu lọc phối hợp chẳng hạn có thể vượt ngưỡng quyết định và tín hiệu sẽ bị quyết định nhầm

Vì vậy, các nghiên cứu để tránh suy giảm tín hiệu được tập trung nhiều vào cách khắc phục ISI

2.3.2 Các đặc tính lọc nhằm truyền dẫn không có ISI [1]

Ta sẽ xem xét tín hiệu băng gốc truyền qua hệ thống tương đương thông thấp qua mô hình cho trên hình vẽ 2.7 Tín hiệu từ nguồn gồm có M phần tử song chúng ta hạn chế chỉ khảo sát trường hợp khi các phần tử Si(t) của tập tín hiệu chỉ khác nhau về biên độ, tức là sẽ hạn chế chỉ xét hệ thống điều chế biên xung PAM (Pulse Amplitude Modulation) Thực tế hệ thống này có thể xem như gán cho mỗi một tin mk một hằng số ak mà biên độ của xung đầu ra của bộ tạo xung

sẽ được nhân với nó

s(t)s’(t)

Hình 2.7 Mô hình hệ thống băng gốc với các tín hiệu xung PAM

Theo định lý Nyquist, độ rộng băng truyền dẫn nhỏ nhất để có thể truyền được không méo tín hiệu băng gốc là B=1/2T Độ rộng băng ở đây có nghĩa là giải tần ngoài nó giá trị hàm truyền đồng nhất bằng không Tần số 1/2T được gọi là tần

số Nyquist Do vậy, chúng ta sẽ xét các đặc tính lọc có độ lọc thông tần tối thiểu

Có giá trị cực đại bằng 1 tại t=0 và có giá trị bằng không tại t= kπ/ω0

Giả sử đầu vào bộ lọc lý tưởng này có tín hiệu được tạo bởi bộ tạo xung như trên hình 2.7 tức là có tín hiệu lối vào bộ lọc T (ω) được cho bởi

s' ( ) ( )Trong trường hợp này, đáp ứng xung đầu ra sẽ không gây nên ISI nếu tần số cắt của bộ lọc là f0 = ω0/2π = 1/2T

Tuy vậy, không thể chế tạo bộ lọc lý tưởng trong thực tế, do đó cần tìm một lớp các bộ lọc có độ rộng băng thông lớn hơn 1/2T với đặc tuyến thoải ở hai biên (nhằm dễ chế tạo hơn) song cũng có các đáp ứng xung bằng không tại các thời điểm t=kT Theo lý thuyết lấy mẫu, các bộ lọc có đặc tính C (ω) thoả mãn quan hệ:

Trong đó Ceq là đặc tính tương đương của bộ lọc, sẽ có các đáp ứng xung cắt các điểm không tại thời điểm t=nT, với n≠0

Đặc tính tương đương như trên được tạo ra bằng chia trục ω thành các đoạn có

độ dài 2π/T và dịch các đoạn này có của hàm C (ω) đi từng đoạn ±π/T rồi lấy tổng trên tất cả các đoạn này

Tất cả các bộ lọc thoả mãn quan hệ trên đều được gọi là thoả mãn tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất và đều có đáp ứng xung có các giá trị bằng không tại các thời điểm t=nT (n≠0), do đó đều cho phép truyền chuỗi tín hiệu số PAM qua mà

1 ; 0 ≤|ω|≤ω 0

0 ; |ω|>ω 0

|C(ω)| =

const T

k C

không có ISI Trong đó các bộ lọc thoả mãn tiêu chuẩn Nyquist, các bộ lọc có

độ rộng giải lớn hơn tần số Nyquist song nhỏ hơn 2 lần tần số Nyquist là đáng quan tâm hơn cả vì cho sử dụng phổ khá tốt Để thoả mãn điều kiện trên các bộ lọc này cần phải có hàm truyền là tổng của hàm truyền bộ lọc lý tưởng với một hàm “làm cong” (roll-off) xác định trong khoảng (0,1/T), đối xứng tâm qua tần số1/2T Kết quả là hàm truyền tổng cộng sẽ có dạng như trên hình 2.8c