Đồ án Môn Công Nghệ Vệ Tinh Khảo sát hệ thống thông tin vệ tinh

Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin Bài tổng kết Môn Công Nghệ Vệ Tinh Bài: Khảo sát hệ thống thông tin vệ tinh Nhóm : GVGD : Thầy Trần Bá Nhiệm Ngô Trần Vĩnh Phúc 08520288 Đinh Hoàng Việt 08520464 MỤC LỤC I Giới thiệu Ngày nay chúng ta đang sống trong một thế giới của thông tin, vấn đề giao tiếp giữa con người với con người ngày càng trở nên thuận lợi hơn và hoàn hảo hơn nhờ vào các hệ thống truyền tin đa dạng như hệ thống thông tin vô tuyến hay hệ thống thông tin hữu tuyến. Các hệ thống này thật sự là phương tiện cực kỳ hữu ích vì nó có khả năng nối liền mọi nơi trên thế giới để vượt qua cả khái niệm về không gian và thời gian giúp con người gần gũi nhau hơn mặc dù quãng đường thì xa vạn dặm, giúp con người cảm nhận cảm nhận được cuộc sống hiện tại của thế giới xung quanh xảy ra mà không cần phải vất vả đi xa thông qua các phương tiện truyền thông như điện thoại hay truyền hình quốc tế. Trước khi đề cập đến nội dung của đề tài thì ta dễ dàng nhận thấy bất cứ một vấn đề gì thì cũng luôn có hai mặt của nó đó là hai mặt ưu và khuyết điểm. Hai hệ thống thông tin viễn thông nói trên cũng không nằm ngoài quy luật đó. Đối với hệ thông thông tin hữu tuyến thì nói chung chi phí lắp đặt thấp, có tính bảo mật cao, ít bị nhiễu trong đường truyền, Tuy nhiên vấn đề sử dụng thì không được thuận tiện cho lắm vì mỗi thiết bị đều phải nối vào đường dây, do đó vấn đề truyền tín hiệu đi xa khá là phức tạp nhất là các đường truyền xuyên lục địa. Còn đối với hệ thống thông tin vô tuyến thì nó đã khắc phục được nhược điểm của hệ thống thông tin hữu tuyến và đó chính là ưu điểm tuyệt vời của nó đó chính là vấn đề truyền tin xuyên lục địa. Và dĩ nhiên nó cũng có các nhược điểm như bị suy hao nhiều trên đường truyền, chi phí lắp đặt cao, Ở nước ta thì hệ thống thông tin hữu tuyến nhìn chung cũng đã có từ lâu còn hệ thống thông tin vô tuyến thì mới phát triển trong những năm gần đây và cũng còn là mới mẻ đối với rất nhiều người. Để giao lưu với thế giới thì lĩnh vực này hiện nay đang được quan tâm đầu tư phát triển mạnh mẽ. II. Ứng dụng của vệ tinh nhân tạo Vệ tinh nhân tạo được sử dụng rất rộng rải trong các ứng dụng sau đây: - Thiên văn học - Khí quyển học - Thông tin liên lạc - Nghành hàng hải - Phán đoán từ xa - Tìm kiếm và khôi phục hệ thống - Thám hiểm không gian - Đo đạc địa hình - Dự báo thời tiết Trong việc thông tin liên lạc, vệ tinh nhân tạo được dùng để truyền hình ảnh. Để lắp đặt mạng điện thoại ta cần kết nối đường dây giữa các switch (ở đây có thể là dây điện thoại). Có thể kết nối giữa các vùng nông thôn, liên lạc trên đất liền, thông tin liên lạc trên biển và nhiều ứng dụng khác nữa. Nhiều nhóm mạng dùng vệ tinh nhân tạo cho việc trao đổi thông tin nội bộ với nhau. Ngoài ra vệ tinh cũng được dùng để gửi thông tin liên lạc giữa các khu vực khác nhau (trên mặt đất , trên không trung hay dưới mặt nước). Ví dụ: hệ thống khu vực toàn cầu (GPS) dùng 24 vệ tinh nhân tạo liên tục phát sóng, trả về những thông số tại vị trí của nó. Người dùng là người nhận GPS. Người dùng GPS tính toán các thông số giới hạn của riêng nó (kinh độ, vĩ độ, độ cao so với mặt biển) dựa trên dữ liệu nhận được từ vệ tinh nhân tạo. Sự giám sát vệ tinh nhân tạo thông qua các máy quay phim. Những vệ tinh nhân tạo liên tục giám sát kẻ địch của lãnh thổ và gửi dữ liệu phim đến trạm ở mặt đất. Sự giám sát vệ tinh nhân tạo được dùng ở nhiều nước để giữ hoạt động thông tin liên lạc giữa các quốc gia. Vệ tinh nhân tạo được dùng rộng rải cho các ứng dụng cho thông tin liên lạc , phát thanh truyền hình , việc giám sát, nghành hàng hải, dự báo thời tiết, nghiên cứu khí quyển, điều khiển từ xa và thám hiểm không gian. III. Kiến trúc của hệ thống thông tin vệ tinh 1. Hệ thống thông tin vệ tinh hoạt động trong hai cấu hình: lưới và sao. a. Trong cấu hình mắt lưới, hai thiết bị đầu cuối vệ tinh liên lạc trực tiếp với nhau. Một trạm từ xa có thể giao tiếp trực tiếp với một trạm từ xa. b. Trong cấu hình ngôi sao, sẽ có một ga trung tâm (gọi là một hub), và các trạm từ xa thông qua hub này. Các cấu hình sao là cấu hình sử dụng rộng rãi nhất vì hiệu quả chi phí của nó, và chúng ta sẽ nghiên cứu các chi tiết của hệ thống thông tin vệ tinh dựa trên cấu hình ngôi sao trong chương này. Hai từ xa các trạm giao tiếp thông qua một nhà ga trung tâm hoặc hub - Đoạn không gian : Các phân đoạn không gian bao gồm các vệ tinh, trong đó có ba hệ thống chính: (a) hệ thống nhiên liệu, (b) vệ tinh và hệ thống điều khiển từ xa, và (c) transponders. Hệ thống nhiên liệu có trách nhiệm làm vệ tinh chạy trong nhiều năm. Nó có các tấm năng lượng mặt trời, tạo ra năng lượng cần thiết cho hoạt động của vệ tinh. Các vệ tinh và hệ thống điều khiển từ xa được sử dụng để gửi lệnh đến các vệ tinh cũng như để gửi các trạng thái của các hệ thống trên tàu đến các trạm mặt đất. Transponder là hệ thống giao thông, hoạt động như một chuyển tiếp trên bầu trời. Các transponder nhận được tín hiệu từ các trạm mặt đất, khuếch đại chúng, và sau đó gửi chúng tới các trạm mặt đất. Việc tiếp nhận và truyền tải được thực hiện tại hai tần số khác nhau. Transponder cần phải làm bản dịch tần số cần thiết. - Đoạn mặt bằng : Phân đoạn mặt đất bao gồm một số các trạm Earth. Trong một mạng cấu hình star, sẽ có một ga trung tâm gọi là hub và một số trạm từ xa. Mỗi trạm từ xa sẽ có một thiết bị đầu cuối rất nhỏ (VSAT), một ăng-ten trong khoảng 0,5 mét đến 1,5 mét. Cùng với các ăng-ten sẽ có một đơn vị ngoài trời (ODU), trong đó có các phần cứng vô tuyến để nhận được tín hiệu và khuếch đại nó. Các tín hiệu radio được gửi tới một đơn vị trong (IDU), và thực hiện việc xử lý baseband cần thiết. IDU được kết nối với một hệ thống kết thúc, như một máy tính, mạng LAN, hoặc PBX. Các nhà ga trung tâm bao gồm một ăng-ten lớn (4,5 mét đến 11 mét) cùng với tất cả các thiết bị điện tử liên quan để xử lý một số lượng lớn các VSATs. Các trạm trung tâm cũng sẽ có một Trung tâm Quản lý mạng (NCC) mà tất cả các chức năng quản lý, chẳng hạn như cấu hình các trạm từ xa, giữ một cơ sở dữ liệu của các trạm từ xa, theo dõi sức khỏe của điều khiển từ xa, phân tích lưu lượng,… Trách nhiệm chính của NCC là phân công các kênh cần thiết để điều khiển từ xa khác nhau dựa trên yêu cầu. Lưu ý: Các nhà ga trung tâm hoặc trung tâm bao gồm một ăng-ten lớn và điện tử liên quan để xử lý một số lượng lớn các VSATs. Các trung tâm điều khiển mạng (NCC) tại các trung tâm chịu trách nhiệm về tất cả các chức năng quản lý để kiểm soát mạng lưới vệ tinh. Các đường dẫn thông tin từ một trạm mặt đất đến vệ tinh được gọi là đường lên. Các liên kết thông tin liên lạc từ vệ tinh tới trạm mặt đất được gọi là đường xuống. Tần số riêng biệt được sử dụng cho đường lên và đường xuống. Khi một truyền dữ liệu từ xa bằng cách sử dụng một tần số uplink, các vệ tinh transponder nhận tín hiệu, khuyếch đại, chuyển đổi tín hiệu với tần số đường xuống, và phát lại nó. Bởi vì tín hiệu đã đi gần 36.000 km trong mỗi hướng, các tín hiệu nhận được qua vệ tinh cũng như từ xa là rất yếu. Ngay sau khi tín hiệu được nhận, nó đã được khuếch đại trước khi chế biến tiếp. Vệ tinh truyền thông đang đóng ở 36.000 km trên bề mặt của trái đất, trong quỹ đạo địa tĩnh. Hai tần số riêng biệt được sử dụng cho đường lên và đường xuống. 2. Các đặc tính tần số hoạt động Phân định tần số: Việc phân định tần số được thực hiện theo điều lệ vô tuyến ở mỗi khu vực của ITU. ITU chia làm 3 khu vực. - Khu vực 1 gồm: Châu Âu, Châu Phi, Liên bang Xô Viết cũ và các nước Đông Âu - Khu vực 2 gồm: Các nước Nam và Bắc Mỹ - Khu vực 3 gồm: Châu Á và Châu Đại Dương. Ba băng tần số sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin vệ tinh là băng tần C, băng tần Ku, và băng tần Ka. Các tần số cao hơn, nhỏ hơn sẽ tương ứng với kích thước ăng ten. Tuy nhiên, ảnh hưởng của mưa lớn hơn ở tần số cao hơn. Các giá trị băng tần khác nhau hoạt động là: · Băng tần C: đường lên (uplink) khoảng 6GHz, đường xuống (downlink) khoảng 4GHz). Dùng ở các hệ thống InterSat, thông tin liên lạc nội địa. · Băng tần Ku: uplink khoảng 14GHz ; downlink 11/12GHz (10,7-11,25 GHz, 12,2- 12,75 GHz. Dúng lien lạc giũa các công ty. · Băng tần Ka: với tần số uplink là 30GHz và downlink là 20GHz, được sử dụng cho các ứng dụng phát sóng. Phát sóng vệ tinh trực tiếp, trong đó phát sóng các chương trình video trực tiếp đến nhà (mà không cần phải phân phối thông qua mạng truyền hình cáp) hoạt động trong băng tần 17/12GHz, với bằng tần uplink là 17,3-18,1GHz, và downlink là 11,7-2,2GHz. Bởi vì tần số hoạt động cao hơn trong băng tần Ku, kích thước ăng ten sẽ nhỏ hơn nhiều so với ăng-ten băng tần C. Tuy nhiên, ảnh hưởng của mưa lớn trong Ku nhiều hơn trong C. Trong nhiều năm, chỉ có băng tần C được sử dụng cho thông tin vệ tinh. Với những tiến bộ trong các thành phần vô tuyến chẳng hạn như các bộ khuếch đại, bộ lọc, modem, và như vậy, ảnh hưởng của mưa trên băng tần Ku có thể được vô hiệu hóa bằng cách khuếch đại. Hiện nay, băng tần Ku được sử dụng rộng rãi trong giao tiếp. - Vấn đề trong thông tin vệ tinh Sự hấp dẫn chính của thông tin vệ tinh là nó cung cấp phương tiện truyền thông đển bất kỳ phần nào trên trái đất, vệ tinh không nhạy cảm với khoảng cách. Tuy nhiên, những vấn đề liên quan đến vệ tinh là: - Trễ đường truyền: Trong một mạng sao, sự chậm trễ tổng số từ một VSAT đến VSAT khác là gần 0,5 giây nếu VSAT có để giao tiếp thông hub này. Đây là loại trễ không thể chấp nhận đặc biệt đối với liên lạc thoại, bởi vì nó tạo ra tiếng vang và âm thanh chồng lên nhau. Trễ đường truyền cũng gây ra vấn đề cho nhiều giao thức truyền thông dữ liệu như TCP/IP. Các giao thức đặc biệt cần phải được thiết kế cho các mạng truyền thông dữ liệu có sử dụng vệ tinh. Nếu các VSAT giao tiếp trực tiếp với VSAT khác, sự chậm trễ truyền dẫn là gần 0,25 giây. Chúng tôi sẽ thảo luận về kỹ thuật đa truy nhập có điều kiện giao tiếp trực tiếp từ một VSAT đến VSAT khác. - Băng thông thấp: Khi so sánh với các phương tiện truyền thông trên mặt đất, đặc biệt là cáp quang, băng thông được hỗ trợ bởi các vệ tinh ít hơn nhiều. Mặc dù hiện nay băng thông cung cấp cho vệ tinh nhiều hơn so với các vệ tinh của thập niên 1970 và thập niên 1980, băng thông là thứ không thể so sánh với băng thông cáp quang. - Tiếng ồn: kênh truyền hình vệ tinh bị ảnh hưởng bởi mưa, rối loạn khí quyển, vv. Kết quả là, hiệu suất của các liên kết vệ tinh nói chung rất hiếm so với các liên kết trên mặt đất. Nếu dữ liệu nhận được có lỗi, dữ liệu đã được truyền lại bởi người gửi. Để giảm truyền lại, chuyển tiếp sửa sai (FEC) được thực hiện. 3. Hệ thống điều chế và truyền dẫn: Điều chế: là chuyển tín hiệu gốc thành tín hiệu khác phù hợp với môi trường và phương thức truyền tin sao cho nội dung về tin tức không thay đổi. Hệ thống kênh truyền gồm: a. Đa truy cập: Một số kỹ thuật đa truy nhập được sử dụng trong thông tin vệ tinh. Dựa vào loại ứng dụng và chi phí thiết bị, nhiều kỹ thuật truy cập cụ thể được lựa chọn. Một mạng hoạt động trong cấu trúc hình sao có thể sử dụng TDM/TDMA. Các trạm trung tâm sẽ ghép tất cả các dữ liệu từ các điều khiển từ xa và quảng bá chúng đi. Tất cả các điều khiển từ xa sẽ nhận được các dữ liệu và dữ liệu điều khiển từ xa, điều này có nghĩa là sẽ giải mã dữ liệu, các phần còn lại của điều khiển từ xa sẽ bỏ qua các dữ liệu. Mỗi việc điều khiển từ xa sẽ truyền tải trong chế độ TDMA trong các khe thời gian dành cho nó. Một khe cắm tín hiệu có sẵn cho mỗi điều khiển từ xa để thực hiện một yêu cầu cho một khe cắm đường truyền ở chế độ TDMA. Cơ chế này rất hữu ích nếu mạng có một số lượng lớn các điều khiển từ xa và lưu lượng dữ liệu chủ yếu là từ trạm trung tâm đến các điều khiển từ xa. Nếu giao tiếp trực tiếp từ một điều khiển từ xa này đến một điều khiển từ xa khác được yêu cầu thì ta sẽ sử dụng kỹ thuật đa truy cập, kỹ thuật này được nói đến trong phần dưới đây. Các mạng lưới VSAT hoạt động trong kiến trúc hình sao sử dụng cơ chế truy cập TDM/TDMA. Hub ghép dữ liệu từ tất cả các điều khiển từ xa và quảng bá chúng đi. Các trạm từ xa dung các khe TDMA để gởi dữ liệu đi. b. Đa truy cập theo tần số FMDA Đây là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất. Trong hệ thống này, mỗi trạm mặt đất có dùng riêng một tần số phát không trùng với các trạm khác sao cho khoảng cách tần số giữa các trạm không bị trùng lên nhau. Phương pháp này thiếu tính linh hoạt trong việc thay đổi cách phân phối kênh. Nguyên nhân các kênh truyền dẫn được phân chia theo tần số quy định, khi muốn tăng số kênh bắt buộc phải giảm nhỏ băng thông nghĩa là thay đổi bộ lọc dãi đối với trạm thu. Đồng thời phương pháp này tốn kém kênh truyền c. Đa truy cập theo thời gian TMDA Trong TDMA, tất cả các việc truyền dữ liệu đều sử dụng cùng tần số để truyền. ở mỗi việc truyền dữ liệu sẽ có một modem gửi. Việc truyền dữ liệu sẽ truyền dữ liệu của mình như một tia trong khe thời gian mà nó được gán. Việc phân bổ khe thời gian được thực hiện bởi trung tâm diều khiển mạng. Các khuông dạng khung hiển thị trong hình dưới mỗi khe thời gian sẽ có cùng một khuông dạng như đã nói. Tín hiệu từ trung tâm điều khiển mạng được gởi vào từ điều khiển (control work). Các điều khiển từ xa có được thông tin từ việc phân bổ khe bằng cách phân tích trường kiểm soát. Tín hiệu từ các điều khiển từ xa được gởi vào trường tiêu đề (header field). NNC cũng có thể cấp phát một khe thời gian đến một điều khiển từ xa trống để nó có thể gởi thông tin báo hiệu ở phần dữ liệu trong khe của nó. 4. Trạm mặt đất [...]... một hệ số chất lượng cho toàn bộ hệ thống thu bao gồm cả anten của nó Đơn vò sử dụng cho G/T là dB/0K G/T: chỉ phản ánh được khi ứng với góc ngẩng Anten trong thời tiết tốt Ngoài ra cần phải tính riêng các tạp âm khác như can nhiễu với các hệ thống vệ tinh khác 4.4 Công nghệ Anten trong thông tin vệ tinh 4.4.1 Yêu cầu đối với Anten trong thông tin vệ tinh Để thu được những sóng yếu đến từ vệ tinh. .. chuyển tiếp trong hệ thống vi ba trên mặt đất Do đó cần có các công nghệ thu được các tín hiệu yếu từ vệ tinh, phát các tín hiệu công suất cao đến vệ tinh và đối phó với thời gian trễ gây ra do cự ly truyền sóng dài Như sau: a Công nghệ anten cần có: Hệ số tăng ích cao Hiệu suất cao Đồ thò tính hướng hẹp Búp sóng phụ nhỏ Đặc tính phân cực tốt Đặc tính tạp âm nhỏ b Công nghệ máy phát công suất lớn đòi... đông, tây, nam, bắc Bởi vậy cần điều khiển Anten trên mặt đất bám theo vệ tinh Sau đây là các lọai hệ thống quay anten bám vệ tinh: * Hệ thống xung đơn: Hệ thống này luôn xác đònh tâm búp sóng anten có hướng đúng vào vệ tinh hay không, để điều khiển hướng của anten Trong hệ thống này để có thể biết chắc anten có hướng chính xác vào vệ tinh hay không bằng cách sử dụng 4 bức xạ, mỗi cái bức xạ có hướng hơi... Khuếch đại công suất lớn Ngăn chặn xuyên điều chế c Công nghệ máy thu tạp âm thấp cần có: Đặc tính tạp âm thấp Hệ số khuếch đại lớn` d Công nghệ điều khiển tiếng dội cần phải có: Hạn chế tiếng dội Giám sát tiếng dội Hiệu quả truyền dẫn Điều khiển lỗi 4.2.1 Công nghệ máy phát 4.2.1.1 Máy phát công suất cao Để bù vào suy hao truyền lớn trong thông tin vệ tinh, đầu ra máy phát cần phải có công sụất càng... biết tạp âm trong thông tin vệ tinh do nhiều nguồn sinh ra, nhưng công suất của nó vô cùng nhỏ Nhiệt tạp âm được dùng làm đơn vò để hiển thò cho công suất nhỏ như thế -Nếu dùng nhiệt tạp âm (T) thì công suất tạp âm (P) là: P= K.T.B (W) Với : K = hằng số Bolzman = 3,38.10-23.J/K B= Độ rộng băng thông (Hz) T= Nhiệt độ tuyệt đối (0K) - Các nguồn tạp âm của hệ thống thu trong thông tin vệ tinh:  Tạp âm thu... Cassegrain, dẫn đến hệ số tăng ích lớn hơn Có hai lọai anten khác cũng thuộc lọai anten lệch là: anten Gregorian lệch có gương phản xạ phụ dạng elip và anten Cassegrain lệch có gương phụ dạng hypepbol Các anten này có hiệu quả đặc biệt khi cần thiết giảm can nhiễu từ các đường thông tin viba trên mặt đất hoặc các vệ tinh khác ở vò trí kề nhau trên quỹ đạo 4.4.3 Hệ thống quay bám vệ tinh Mặc dù vệ tinh được đặt... đến vệ tinh Khi thu: anten từ trạm mặt đất thu tín hiệu từ vệ tinh sau đó được máy thu tạp âm thấp khuếch đại đưa đến bộ đổi tần đường xuống và được biến đổi ra tần số trung tần sau đó được đưa đến thiết bị thơng tin trên mặt dất thơng qua thiết bị đa truy nhập điều chế và giải điều chế - 4.2 Các công nghệ quan trọng đối với trạm mặt đất Ta biết khoảng cách từ mặt từ một trạm mặt đất tới một vệ tinh. .. dụng bộ khuếch đại công suất cao HPA (Hight Power Amplifier) Trong các hệ thống vô tuyến mặt đất khoảng cách giữa các trạm chuyển tiếp chỉ khoảng vài chục km nên công suất ra của máy phát khoảng 10W là đủ So với hệ thống thông tin vệ tinh có khoảng cách lớn (36.000 Km) nên một trạm mặt đất phải phát với công suất cao khoảng từ vài trăm đến vài chục KW 4.2.2 Phân lọai các bộ khuếch đại công suất cao Các... ống dẫn sóng tròn để lấy ra các tín hiệu sai lỗi Hệ thống này yêu cầu phải có một hệ thống fiđơ phức tạp và giá thành cao hơn do sử dụng nhiều máy thu Tuy nhiên được áp dụng trong trường hợp anten đường kính lớn mà độ rộng búp sóng ở mức một nửa công suất là 0,10 hoặc nhỏ hơn và phải bắt được tín hiệu vệ tinh ở tâm búp sóng * Hệ thống bám từng nấc: Hệ thống này dòch chuyển nhẹ vò trí anten ở các khoảng... chương chình: Hệ thống này điều khiển anten dựa trên cơ sở dự đoán trước về quỹ đạo vệ tinh 4.4.4 Các tính chất về điện của một Anten a Hệ số tăng ích của Anten Hệ số tăng ích của ten là một thông số quan trọng, quyết đònh không hững chất lượng của anten mà còn cả quy mô của trạm mặt đất Quan hệ giữa diện tích hiệu dụng A, bước sóng λ, hiệu suất η và hệ số tăng ích của aten G được biểu thò bằng công thức: . Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin Bài tổng kết Môn Công Nghệ Vệ Tinh Bài: Khảo sát hệ thống thông tin vệ tinh Nhóm : GVGD : Thầy Trần Bá Nhiệm Ngô Trần Vĩnh. bao gồm các vệ tinh, trong đó có ba hệ thống chính: (a) hệ thống nhiên liệu, (b) vệ tinh và hệ thống điều khiển từ xa, và (c) transponders. Hệ thống nhiên liệu có trách nhiệm làm vệ tinh chạy. việc giám sát, nghành hàng hải, dự báo thời tiết, nghiên cứu khí quyển, điều khiển từ xa và thám hiểm không gian. III. Kiến trúc của hệ thống thông tin vệ tinh 1. Hệ thống thông tin vệ tinh hoạt