Nghiên Cưú Các Loại Mã Truyền Tin Sử Dụng Trong Thông Tin Vệ Tinh

Mở đầu Hiện giới nh khu vực, nhiều nớc có hệ thống thông tin vệ tinh riêng Mục đích chung hệ thống đáp ứng nhu cầu phát triển nh dịch vụ ngày phong phú đa dạng: truyền hình, thoại, fax, số liệu với nhiều nhu cầu khác khách hàng thuê bao Với bùng nổ thông tin nh nay, ngời ta sử dụng tới phơng thức truyền dẫn khác nhau: từ cáp đồng truyền thống đến vô tuyến công nghệ cáp sợi quang góc độ định phơng thức truyền dẫn phần thoả mãn đợc nhu cầu, nhiên thông tin cho vùng sâu, vùng xa, miền biển, biên giới, hải đảo hay khu vực cần phục hồi thông tin nhanh tăng lu lợng cho vùng hệ thống truyền dẫn phần bộc lộ số hạn chế, việc triển khai thời gian, tốc độ triển khai chậm, không hiệu không thực đợc Khắc phục nhợc điểm trên, với u vốn có việc phủ sóng cụ thể khả cung cấp nhiều loại hình dịch vụ với độ tin cậy cao, tốc độ triển khai nhanh với giá cớc không phụ thuộc vào không gian, khoảng cách Một xu hớng rõ ràng vệ tinh viễn thông đợc sử dụng rộng rãi cho thông tin vệ tinh nội địa Thông tin vệ tinh trở thành phơng thức truyền dẫn cần thiết, lâu dài với phơng thức truyền dẫn khác để tạo nên hạ tầng thông tin tiên tiến, vững Đối với nớc ta, với đặc điểm địa hình phức tạp nên việc thực truyền dẫn cáp tới vùng sâu, vùng xa, biên giới hải đảo nh miền hay thông tin với nớc lân cận khó khăn việc triển khai không mang lại hiệu kinh tế Mặt khác với sách mở cửa đa dạng hoá quan hệ cho phép mở rộng thị trờng, hợp tác trao đổi Với nhu cầu phát triển cao, với quan tâm Đảng Nhà nớc, điều cho thấy có tiềm cho phát triển thông tin vệ tinh Chính việc đặt xem xét vấn đề phóng vệ tinh viễn thông riêng hoàn toàn đắn có sở Chính khả đáp ứng thông tin lớn thông tin vệ tinh với tính cấp thiết nớc ta mà em chọn đề tài nghiên cứu tím hiểu thông tin vệ tinh Do thời gian làm đồ án có hạn nên đồ án em nghiên cứu sơ lợc thông tin vệ tinh, khoảng cách truyền tin thông tin vệ tinh lớn (khoảng 36000km) nên ảnh hởng tạp âm đờng truyền đặc tính truyền sóng cần phải đợc quan tâm, yếu tố làm suy giảm chất lợng thông tin, thể tỉ lệ lỗi bít cao Từ nguyên nhân mà ngời ta sử dụng nhiều giải pháp kỹ thuật để khắc phục chúng nhằm nâng cao chất lợng đờng truyền việc đa loại mã truyền tin phù hợp giải pháp Từ em nghiên cứu tìm hiểu loại mã truyền tin thích hợp đợc sử dụng thông tin vệ tinh tên đề tài Nghiên cú loại mã truyền tin sử dụng thông tin vệ tinh Cụ thể đồ án đợc bố cục với ba nội dung đợc phân thành chơng tơng ứng nh sau: Chơng Tổng quan thông tin vệ tinh Chơng Một số yếu tố ảnh hởng đến tuyến thông tin vệ tinh Chơng Các loại mã sử dụng thông tin vệ tinh Phần cuối ba chơng phụ lục đa công thức chơng trình tính xác suất lỗi bit mã FEC Em xin chân thành cảm ơn thầy Trơng Nhữ Tuyên tận tình bảo giúp đỡ em thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em xin gửi lời cảm ơn tới Anh, Chị đài INTELSAT cung cấp cho em nhiều tài liệu quý báu tạo điều kiện cho em thực tập trạm mặt đất HAN-01A Cuối em xin cảm ơn thầy, cô Học Viện cung cấp cho em nhiều kiến thức bổ ích suốt thời gian học tập trờng Trên lý khiến em chọn đề tài em nêu tóm tắt nội dung, yêu cầu đồ án tốt nghiệp Sau nội dung đồ án Hà Nội 25/3/2002 Sinh viên: Nguyễn Văn Thạch Chơng Tổng quan thông tin vệ tinh 1.1 Giới thiệu chung Bản tin chúc mừng giáng sinh tổng thống Mỹ Eisenhower lần giới đợc phát qua vệ tinh thông tin vào năm 1958 Kể từ thông tin vệ tinh thực trở thành cách mạng lĩnh vực truyền thông khắp giới Nhờ vệ tinh thông tin mà gọi điện thoại đến nớc giới đợc quay số trực tiếp, mạng máy tính đợc nối với vợt qua đại dơng, giải bóng đá giới (World Cup) vận hội (Olympic) đợc truyền hình khắp nơi thông tin vệ tinh làm cho giới xích lại gần hơn, việc tìm hiểu thông tin vệ tinh cần thiết Hàng ngày vệ tinh địa tĩnh hai hệ thống thông tin toàn cầu lớn Intelsat Intersputnik bay vòng quanh trái đất cung cấp hàng ngàn kênh thoại cố định nối hàng trăm quốc gia với Ngoài có vệ tinh khu vực nh Ausat, Eusat, Arabsat, Asiasat, cung cấp dịch vụ thoại cố định, phát truyền hình, truyền số liệu, đảm bảo thông tin dẫn đờng cho hàng không, cứu hộ cho hàng hải, thăm dò tài nguyên Từ khẳng định thông tin vệ tinh chiếm vai trò quan trọng thiếu xã hội thông tin ngày Tổ chức vệ tinh viễn thông quốc tế Intelsat tổ chức hoạt động phi lợi nhuận nớc thành viên góp vốn, có trăm nớc thành viên Mạng thông tin vệ tinh quốc tế Intelsat trở thành mạng vệ tinh lớn giới cung cấp 2/3 tổng số kênh liên lạc quốc tế toàn cầu Tổ chức thông tin vệ tinh Intersputnik có mạng vệ tinh cho chục nớc tham gia vào thông tin liên lạc cố định phủ sóng phát truyền hình Việt Nam thành viên tổ chức từ năm 1980 Việt Nam, phơng thức thông tin vệ tinh đợc sử dụng để liên lạc quốc tế từ năm 1980 Năm 1985 trạm mặt đất thứ hai thuộc hệ thống Intersputnik xây dựng thành phố Hồ Chí Minh đa vào hoạt động, số kênh quốc tế tăng đồng thời thông tin Bắc - Nam đợc vững đạt chất lợng cao Tuy phải từ năm 1990 tới nay, lu lợng quốc tế phát triển nhanh chóng Ngành Bu điện xây dựng đợc hai trạm mặt đất tiêu chuẩn A trạm mặt đất tiêu chuẩn B thuộc hệ thống Intelsat Ngày vệ tinh thông tin chứng minh khả cung cấp dịch vụ thông tin khắp nơi giới Đó điều quan trọng để tin vào tiềm to lớn vững thông tin vệ tinh 1.2 Đặc điểm thông tin vệ tinh Thông tin liên lạc nhờ chuyển tiếp qua vệ tinh có đặc điểm sau đây: - Vùng phủ sóng rộng lớn: từ quỹ đạo địa tĩnh có bán kính cách trái đất khoảng 36000km nên vệ tinh địa tĩnh phủ đợc 1/3 trái đất, nh với vệ tinh địa tĩnh, vùng phủ sóng bao trùm toàn cầu trừ vùng cực - Chịu tác động nhiều môi trờng truyền lan: môi trờng truyền lan sóng thông tin vệ tinh môi trờng chịu nhiều tạp âm, quãng đờng truyền lan dài (khoảng 36000km) chịu tác động từ nhiều yếu tố ví dụ nh: suy hao hấp thụ khí quyển, suy hao không gian tự do, hấp thụ tầng điện ly - Tính linh hoạt cao: hệ thống thông tin đợc thiết lập nhanh chóng điều kiện trạm mặt đất cách xa mặt địa lý, dung lợng thay đổi linh hoạt tùy theo yêu cầu sử dụng - Không bị ngăn cản địa hình tự nhiên: vệ tinh thông tin vợt chớng ngại thiên nhiên nh đỉnh núi, thành phố, sa mạc, đại dơng - Đa dạng loại hình dịch vụ: nh - Dịch vụ thoại, Fax - Dịch vụ phát truyền hình quảng bá - Dịch vụ thông tin di động qua vệ tinh - Dịch vụ VSAT, VISTA, đạo hàng, cứu hộ hàng hải 1.3 Cấu hình hệ thống thông tin vệ tinh Hình 1.1 trình bày thành phần khác hệ thống thông tin vệ tinh Nó bao gồm đoạn mặt đất đoạn vũ trụ 1.3.1 Đoạn vũ trụ Đoạn vũ trụ bao gồm vệ tinh tất phơng tiện mặt đất dùng để điều khiển giám sát vệ tinh Chúng bao gồm trạm TT&C với trung tâm điều khiển vệ tinh, trung tâm thực tất hoạt động liên quan đến việc kiểm tra trì vệ tinh, có thiết bị cung cấp nguồn lấy từ lợng mặt trời đoạn vũ trụ Các tuyến lên Các tuyến xuống Trạm điều khiển TCC&M Các máy phát Các máy thu đoạn mặt đất Hình 1.1 : cấu hình hệ thống thông tin vệ tinh 1.3.2 Đoạn mặt đất Phần dới mặt đất bao gồm tất trạm mặt đất, trạm mặt đất thờng đợc đấu nối với thiết bị ngời dùng đầu cuối qua mạng dới đất đấu nối trực tiếp, ví dụ nh trờng hợp trạm nhỏ VSAT Các trạm mặt đất khác theo kích thớc chúng, tuỳ thuộc vào loại hình dịch vụ (điện thoại, truyền hình hay số liệu) Một số trạm đảm nhiệm hai chức phát thu; trạm khác máy thu, chẳng hạn trờng hợp máy thu dùng hệ thống truyền hình quảng bá qua vệ tinh Các thành phần trạm mặt đất gồm có: - Anten thu phát thiết bị điều khiển, bám vệ tinh - Máy thu tạp âm thấp, điều chế, giải điều chế - Các chia ghép công suất - Các đổi tần, khuyếch đại công suất lớn - Hệ thống phi Hình 1.2 mô tả hoạt động tuyến thông tin vệ tinh hai trạm mặt đất Tại phía phát: tín hiệu băng gốc nh thoại, video, telex đợc ghép thành luồng tổng nhờ ITMC (International Transmission Maintenance Center), sau điều chế thành trung tần, tín hiệu đợc điều chế đợc đổi lên cao tần nhờ đổi tần tuyến lên (Upconverter) đợc khuyếch đại lên mức công suất cao nhờ HPA (High Power Amplifier ) cuối đợc phát lên vệ tinh qua anten phát trạm mặt đất Tại đầu thu vệ tinh, tín hiệu thu đợc lần lợt qua khuyếch đại, qua đổi tần, khuyếch đại công suất phát xuống mặt đất nhờ anten phát vệ tinh Anten thu trạm mặt đất nhận tín hiệu phát từ vệ tinh, tín hiệu đợc qua khuyếch đại tạp âm thấp LNA, tần số đợc hạ xuống trung tần nhờ Downconverter, sau sang giải điều chế để khôi phục lại băng tần gốc nh trạm mặt đất phát, tín hiệu băng gốc đợc tách luồng đợc phân phối tới đầu cuối phù hợp Vệ tinh anten anten HPA LNA Upconverter Downconverter Modulator Demodulator DM DM ITMC ITMC Hình 1.2: hoạt động hệ thống thông tin vệ tinh 1.4 Các băng tần sử dụng thông tin vệ tinh Các tần số sử dụng thông tin vệ tinh nằm dải tần siêu cao SHF (3 ữ30GHz ) dải tần cực cao EHF (30 ữ 300GHz ) Ngời ta thờng chia nhỏ dải tần số kể thành băng tần nhỏ nh bảng 1.1 Theo hội nghị vô tuyến quốc tế tổ chức năm 1979, dịch vụ viễn thông vệ tinh toàn cầu đợc chia vùng bản: - Vùng bao gồm châu Âu, châu Phi, trung cận đông nớc thuộc Liên xô cũ - Vùng bao gồm nớc châu Mỹ - Vùng bao gồm nớc châu (trừ nớc trung Liên xô cũ) châu Đại Dơng Một số băng thờng sử dụng: - Băng C (6/4GHz, cho đờng lên gần 6GHz, đờng xuống gần 4GHz) nằm khoảng cửa sổ tần số, băng tần suy hao ma đợc sử dụng cho hệ thống viba dới mặt đất, băng tần đợc sử dụng chung cho hệ thống Intelsat hệ thống khác bao gồm hệ thống vệ tinh khu vực nhiều hệ thống vệ tinh nội địa Tên băng tần L S C X Ku K Ka Tần số (GHz) 1-2 2-4 4-8 8-12 12-18 18-27 27-40 Bảng 1.1: băng tần dùng thông tin vệ tinh - Băng Ku (các băng 14/12, 14/11GHz) Băng đợc sử dụng rộng rãi tiếp sau băng C cho viễn thông công cộng Nó đợc a dùng cho thông tin nội địa thông tin công ty, tần số cao nên cho phép trạm mặt đất sử dụng đợc anten kích thớc nhỏ 1.5 Anten dùng thông tin vệ tinh 1.5.1 Các yêu cầu anten dùng thông tin vệ tinh Để nhận đợc tín hiệu yếu từ vệ tinh, yêu cầu anten sử dụng phải có đặc tính sau: - Hệ số tăng ích hiệu suất cao Mặc dù hệ số tăng ích anten tỷ lệ thuận với diện tích mặt phản xạ anten, nhng ngời ta mong muốn anten phải có hiệu suất cao để với diện tích anten nhỏ mà hệ số tăng ích lớn để có giá thành thấp khai thác dễ dàng - Tính hớng cao Mong muốn anten có độ rộng búp sóng hẹp búp sóng phụ nhỏ, yêu cầu để không can nhiễu lên hệ thống khác - Có tính chất phân cực tốt Tính phân cực tốt để đảm bảo sử dụng tần số có hiệu quả, việc sử dụng sóng phân cực khác làm tăng cách ly tần số - Tạp âm thấp: giảm tạp âm để đảm bảo G/T yêu cầu 1.5.2 Một số loại anten thờng sử dụng - Anten parabol loại tiêu chuẩn Đây loại anten có cấu tạo đơn giản giá thành thấp Nó đợc sử dụng chủ yếu trạm thu đặc biệt trạm nhỏ với dung lợng thấp Các đặc tính hệ số tăng ích búp phụ không đợc tốt, nhợc điểm khác chiếu xạ đặt xa đỉnh gơng nên cáp đấu nối từ anten đến máy phát máy thu dài gây suy hao lớn - Anten Cassegrain Với việc thêm vào gơng phụ nhỏ hình Hypebol với gơng phản xạ Parabol, hệ số tăng ích đợc nâng cao đặc tính búp phụ đợc cải thiện chút Nó đợc sử dụng cho trạm mặt đất quy mô trung bình Cải tiến quan trọng anten cassegrain chiếu xạ đặt gần đỉnh gơng cho phép khai thác lắp đặt dễ dàng - Anten bù Anten bù có chiếu xạ, gơng phụ đặt lệch khỏi hớng trục quang gơng để không che chắn đờng sóng phản xạ từ gơng Chính đặc tính búp phụ đợc cải thiện nhiều so với anten cassgrain làm hệ số tăng ích lớn 1.6 Vệ tinh thông tin 1.6.1 Các dạng quỹ đạo vệ tinh Có hai dạng quỹ đạo quỹ đạo elip quỹ đạo tròn Quỹ đạo elip có dạng quỹ đạo elip cao (HEO) mà điển hình vệ tinh Molniya Liên xô (còn gọi quỹ đạo Molniya), độ nghiêng mặt phẳng quỹ đạo so với mặt phẳng xích đạo 650, cận điểm 1000km viễn điểm 39400km, chu kỳ quỹ đạo 14 38 phút Dạng quỹ đạo tròn có loại: quỹ đạo thấp (LEO), quỹ đạo trung bình (MEO), quỹ đạo cao (HEO) hay quỹ đạo đồng vệ tinh bay độ cao 35780km, lúc chu kỳ bay vệ tinh chu kỳ tự quay trái đất 23 56 phút 01 giây Trong quỹ đạo tròn lại chia ra: Quỹ đạo cực tròn, mặt phẳng quỹ đạo vuông góc với mặt phẳng xích đạo, nghĩa vòng bay vệ tinh qua hai cực đất Quỹ đạo tròn nghiêng, mặt phẳng quỹ đạo nghiêng góc so với mặt phẳng xích đạo Quỹ đạo xích đạo tròn, mặt phẳng quỹ đạo trùng với mặt phẳng xích đạo Trong quỹ đạo xích đạo tròn chiều bay vệ tinh với chiều bay đất có chu kỳ chu kỳ quay đất đợc gọi quỹ đạo địa tĩnh (GEO) Có thể tóm tắt dạng quỹ đạo vệ tinh bảng 1.2 Tên quỹ đạo Quỹ đạo elip cao(HEO) Đặc điểm Vùng phủ sóng từ vĩ độ trung bình đến vĩ độ cao với vệ tinh Quỹ đạo cực nghiêng Quỹ đạo thấp Vùng phủ sóng rộng toàn cầu nhng (LEO) yêu cầu phải có nhiều vệ tinh Quỹ đạo trung bình (MEO) Quỹ đạo địa Phủ sóng toàn cầu với vệ tinh tĩnh (GEO) Bảng 1.2 Các loại quỹ đạo vệ tinh Từ dạng quỹ đạo nêu vệ tinh địa tĩnh vệ tinh sử dụng cho thông tin lý tởng đứng yên quan sát từ vị trí cố định mặt đất Nghĩa thông tin đợc đảm bảo liên tục, ổn định 24 trạm nằm vùng phủ sóng vệ tinh mà không cần chuyển đổi qua vệ tinh khác, hầu hết hệ thống thông tin vệ tinh cố định sử dụng vệ tinh địa tĩnh 1.6.2 Sơ đồ khối vệ tinh thông tin Vệ tinh viễn thông thiết bị quan trọng hệ thống thông tin vũ trụ, thực chất trạm chuyển tiếp tích cực tuyến thông tin siêu cao tần mặt đất - vệ tinh - mặt đất nhng đợc đặt vũ trụ Bản thân vệ tinh có cấu trúc phức tạp bao gồm: phát đáp, anten, hệ thống đo xa, điều khiển độ cao quỹ đạo bay, nguồn, Chức vệ tinh thông tin thu tín hiệu, khuyếch đại phát trở lại tín hiệu Nhiệm vụ đợc thực phân hệ thông tin gồm anten, máy thu khuyếch đại Vệ tinh giải điều chế tín hiệu thu đợc băng tần sở sau điều chế lại theo cách khác để phát chúng trở lại trạm mặt đất thu với tần số thấp Hình 1.3 mô tả cấu trúc tổng quát hệ thống viễn thông vệ tinh anten truyền lệnh đo xa anten thông tin Hình 1.3: sơ đồ khối vệ tinh thông tin 1.6.3 Các hệ thống vệ tinh - Các hệ thống thông tin Hệ thống thông tin thực chức vệ tinh thông tin Hệ thống thông tin bao gồm: anten thu, khuyếch đại tạp âm thấp (LNA), đổi tần, khuyếch đại công suất anten phát Các anten đợc tổ hợp, anten đợc dùng cho thu lẫn phát Khuyếch đại tạp âm thấp dùng điôt tunnel Bộ đổi tần biến đổi tần số đờng lên thành tần số đờng xuống bao gồm dao động trộn Thành phần khuyếch đại công suất đèn sóng chạy (TWT), hệ thống thông tin có thêm song công, lọc thu, lọc phát, cân bằng, suy hao ma trận chuyển mạch Một sơ đồ đơn giản đợc giới thiệu bao gồm anten thu, máy thu, khuyếch đại công suất anten phát, nh hình 1.4 - Đo lờng từ xa, theo dõi điều khiển (TT&C) Chức phân hệ là: đo tham số kỹ thuật, vị trí vệ tinh, xử lý kết đo, thông qua điều khiển để điều chỉnh tham số vị trí thiết kế Hệ thống điều khiển phát lệnh cần thiết đến vệ tinh Việc theo dõi vệ tinh đợc anten trạm mặt đất đảm nhiệm việc đo khoảng cách từ mặt đất tới vệ tinh, thực việc phát tín hiệu qua đờng điều khiển lên vệ tinh, máy phát đo xa vệ tinh thu phát lại tín hiệu đến trạm TT&C Máy thu anten thu thu 6Ghz Chuyển mạch Khuyếch đại anten phát phát 4Ghz Hình 1.4: sơ đồ khối hệ thống thông tin vệ tinh - Nguồn điện Chức hệ thống nguồn điện cung cấp nguồn cho thiết bị thông tin hoạt động Nguồn vệ tinh thông tin đợc cung cấp tế bào bin mặt trời silicon Trong thời gian bị che khuất trái đất nguồn dự trữ acquy Nguồn pin mặt trời acqui đợc đấu nối tới thiết bị khác qua điều khiển điện Chức điều khiển điện chuyển nguồn acqui hay pin mặt trời cách thích hợp theo thời gian - Điều khiển nhiệt Hệ thống điều khiển nhiệt dùng để trì nhiệt độ vệ tinh nhiệt độ phù hợp Nhiệt độ trung bình vệ tinh đợc xác định dựa cân nhiệt lợng hấp thụ lợng toả - Điều khiển vị trí vệ tinh Các vệ tinh viễn thông hệ phát tín hiệu hớng anten đẳng hớng Ngày nay, vệ tinh viễn thông đòi hỏi anten hớng thẳng vào trái đất hội tụ lợng thành chùm hẹp Khi vệ tinh viễn thông quỹ đạo địa tĩnh chịu ảnh hởng nhiều yếu tố gây nhiễu làm thay đổi vị trí vệ tinh, cần phải trang bị hệ thống điều khiển bay Hệ thống điều khiển bay điều khiển hớng anten hớng trái đất phạm vi sai lệch từ 0.01 đến 0,10 Việc phát sai lệch đợc xác định sensor, đợc hiệu chỉnh cách thay đổi tốc độ quay bánh đà Nếu việc quay bánh đà đạt đến tốc độ tối đa không làm cho vệ tinh trở lại vị trí động đẩy khởi động, tốc độ bánh đà giảm xuống đa vệ tinh lại vị trí 1.6.4 Bộ phát đáp Bộ phát đáp chiếm vị trí quan trọng hệ thống thông tin vệ tinh, đợc cấu tạo phần tử tích cực hoạt động nh khuyếch đại lặp tín hiệu Bộ phát đáp thu tín hiệu phát từ trạm mặt đất tuyến lên, đổi tần tín hiệu phát trở lại xuống trạm mặt đất tuyến xuống Nếu vệ tinh làm việc với băng C 4/6 GHz băng Ku 11/14GHz có phát đáp cho băng C băng Ku Nếu vệ tinh làm việc với hai băng Ku C có phát đáp làm việc băng Ku và băng C Sơ đồ khối tổng quát phát đáp đợc mô tả hình 1.5 Amplifier Hình 1.5: sơ đồ khối phát đáp Các phát đáp nhận tín hiệu cao tần với độ rộng băng cho phép, thân tín hiệu thu đợc anten thu vệ tinh yếu, phát đáp có nhiệm vụ khuyếch đại chúng lên mức công suất cao sau đổi tần, sau tín hiệu đợc khuyếch đại đợc đa anten phát xuống mặt đất tuyến xuống Tầng khuyếch đại dùng khuyếch đại lặp tầng khuyếch đại không tuyến tính, nguyên nhân gây điều biến tơng hỗ nhiều sóng mang làm việc phát đáp để tận dụng tối đa công suất phát vệ tinh Khi băng tần phát đáp bị ghép chật sóng mang, để tránh điều chế tơng hỗ xảy phát đáp làm việc phần đặc tuyến phi tuyến, ngời ta chọn biện pháp lùi công suất hay gọi Back-Off, nghĩa tổng công suất sóng mang đầu vào phải nhỏ mức công suất bão hoà 1.7 Kỹ thuật trạm mặt đất 1.7.1 Giới thiệu chung Các trạm mặt đất thành phần quan trọng mạng thông tin vệ tinh Chức trạm mặt đất để nhận phát thông tin tới mạng vệ tinh theo cách thức tin cậy hiệu kinh tế mà đảm bảo chất lợng tín hiệu nh mong muốn Phụ thuộc vào ứng dụng, trạm mặt đất đảm nhiệm hai chức phát thu có khả phát thu tín hiệu Việc phân loại dựa loại hình dịch vụ, thông thờng tiêu thiết kế khác dịch vụ vệ tinh cố định (FSS ), dịch vụ vệ tinh quảng bá (BSS) dịch vụ vệ tinh di động (MSS) Thông số đặc trng cho trạm mặt đất G/T (tỷ số tăng ích anten thu nhiệt tạp âm) Hệ số phẩm chất miêu tả độ nhạy thu trạm mặt đất, ngời ta mong muốn tỷ số G/T lớn tốt Vì vậy, dựa vào giá trị G/T loại hình dịch vụ cung cấp ta phân loại trạm mặt đất làm loại khác nh bảng 1.3 1.7.2 Cấu trúc trạm mặt đất Hình 1.6 dới cấu trúc trạm vệ tinh mặt đất mạng thông tin vệ tinh Intelsat Hệ thống thiết bị trạm mặt đất bao gồm: anten, thiết bị phát thiết bị thu siêu cao, biến đổi tuyến lên tuyến xuống Ngoài để đảm bảo chùm xạ thay đổi phù hợp với thay đổi vệ tinh đặc biệt ứng dụng di động, thiết bị trạm mặt đất đợc trang bị thêm hệ thống bám vệ tinh, cuối thành phần thiếu hệ thống cấp nguồn đảm bảo cho trạm hoạt động liên tục Dịch vụ Kiểu trạm mặt đất G/T (dB/K) Trạm mặt đất cố định Lớn Trung bình Nhỏ nhỏ nhỏ Trạm mặt đất di động 40 30 25 20 12 MSS Lớn Trung bình Nhỏ Trạm mặt đất ngời dùng -4 -12 -24 BSS Lớn Nhỏ 15 FSS Bảng 1.3 : phân loại trạm mặt đất - Hệ thống anten Đờng kính anten thu, phát trạm mặt đất đợc quy định tuỳ theo tiêu chuẩn Để liên tục bám đợc vệ tinh ngời ta phải trang bị hệ thống bám anten Ngoài anten đợc hệ thống khí vững đảm bảo đỡ anten điều kiện ma to gió lớn, bão, động đất Hệ thống anten đợc đấu nối trực tiếp với khuyếch đại tạp âm thấp LNA khuyếch đại công suất cao HPA hệ thống ống dẫn sóng, để cách ly công suất phát tín hiệu thu dùng chung anten, ngời ta dùng lọc thu phát siêu cao (Duplexer) Khi thiết kế trạm mặt đất ngời ta phải bố trí cho ống dẫn sóng nối thiết bị thu phát đến anten nhỏ để giảm thiểu đợc mức suy hao công suất tín hiệu ống dẫn sóng gây - Hệ thống thu, phát tín hiệu Hệ thống thu, phát tín hiệu đợc thiết kế để thu phát hai loại tín hiệu thoại, số liệu hình riêng biệt - Hệ thống điều khiển giám sát Để giám sát chất lợng sóng mang toàn hoạt động trạm mặt đất ngời ta thờng trang bị hệ thống gọi tắt CMA ( Control Monitor and Alarm system) đợc điều khiển hệ thống máy tính giúp cho ngời khai thác vận hành hệ thống nắm vững đợc tình trạng thời hệ thống Các chức hệ thống CMA: - Theo dõi điều khiển mức công suất phát theo tiêu chuẩn, - Theo dõi mức công suất tín hiệu thu - Theo dõi điều khiển hệ thống tự động bám vệ tinh - Theo dõi thiết bị xử lý tín hiệu nh mdem số, thiết bị đổi tần - Theo dõi chất lợng tín hiệu hình Khuyếch đại tạp âm thấp điều chế đổi tần xuống Giải đ.chế động điều khiển Chia Tín hiệu điều khiển Bám Kết nối với mạng mặt đát Tín hiệu sai số đổi tần lên Thiết bị ghép Khuyếch đại công suất Thiết bị xử lý tín hiệu deplexer Kết hợp Anten feed Chương trình bám Thông tin hướng Phân hệ antena Thiết bị RF Tần số vô tuyến Thiết bị thông tin mặt đất Trung tần Giao diện với thiết bị mặt đất Băng gốc Hình 1.6 : Cấu trúc trạm mặt đất - Hệ thống cung cấp nguồn điều hoà Để đảm bảo cho liên lạc không bị gián đoạn cố nguồn gây lên, hệ thống trạm mặt đất phải đợc cấp nguồn nguồn điện không bị gián đoạn UPS ( Uninterupted Power Supply) UPS cung cấp nguồn với độ ổn định cho phép, đủ công suất cho thiết bị trạm Để đảm bảo yêu cầu nguồn UPS phải đợc dự phòng, phải điều khiển đợc Hệ thống điều hoà đảm bảo môi trờng chuẩn cho thiết bị điện tử toàn hệ thống, nhằm trì tuổi thọ cho thiết bị nh chất lợng thông tin 1.7.3 Các thông số trạm mặt đất 1.7.3.1 Công suất xạ đẳng hớng tơng đơng EIRP Công suất xạ đẳng hớng tơng đơng EIRP (Effective Isotropic Radiated Power) đặc trng cho khả phát trạm mặt đất, đợc tính tích (PTGT)ES công suất sóng mang PT đầu vào anten hệ số tăng ích GT anten phát theo hớng vệ tinh Công suất PT đầu vào anten hàm phụ thuộc vào công suất khuyếch đại công suất (PHPA)ES , tổn hao kết nối đầu khuyếch đại anten (LFTX)ES giảm công suất hoạt động đa sóng mang (LMC)ES: PT = (PHPA)ES(1/LFTX)ES(1/LMC)ES (W) (1.1) Hệ số tăng ích cực đại anten có đờng kính D xác định bởi: GTmax = T(DT/c)2 (1.2) T hiệu suất anten c vận tốc ánh sáng (3.108 m/s) Do anten phát trạm mặt đất không hớng vào anten thu vệ tinh cách lý tởng, hệ số tăng ích anten thực tế GT khác giá trị cực đại xác định phơng trình (1.2), với kích thớc tần số công tác, GT đợc xác định bởi: GT = (GTmax/LT)ES (1.3) LT hệ số phụ thuộc vào góc sai lệch T anten phát trạm mặt đất anten thu vệ tinh (T phụ thuộc vào kiểu bám ): LT =101.2( T dB ) (1.4) 1.7.3.2 Các giới hạn EIRP Để hạn chế can nhiễu hệ thống vệ tinh ITU đa giới hạn cho mức EIRP lệch trục (ITU-R S.524) Xét mật độ EIRP giải 40KHz trạm mặt đất cung cấp dịch vụ cố định (FSS) băng tần Ku Bất kể mức sai lệch góc so với mức lớn 2,5 hớng 30 quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh mật độ EIRP không đợc vợt giá trị cho bảng 1.4 1.7.3.3 Hệ số phẩm chất trạm mặt đất Hệ số phẩm chất (G/T)ES trạm mặt đất đợc xác định đầu vào máy thu trạm mặt đất, tỷ số hệ số khuyếch đại G máy thu nhiệt tạp âm hệ thống trạm mặt đất Tham số đợc dùng để biểu thị cho chất lợng độ nhạy trạm mặt đất Góc lệch trục 2.50 70 70 9,20 9,20 480 480 1800 Giá trị EIRP cực đại (dBW/40kHz) 39-25 log 18 42-25log Bảng 1.4 : giới hạn EIRP - Hệ số tăng ích hỗn hợp (G) G hỗn hợp thờng đợc xác định từ G thực tế suy hao sóng mang feeder anten thu máy thu Nó hàm phụ thuộc vào góc lệch bằng: G = ( GR/LFRX )ES = (GRmax / LR)ES(1/LFRX )ES (1.5) - Nhiệt tạp âm hệ thống Nhiệt tạp âm hệ thống đợc biểu thị biểu thức T = (TA / LFRX )ES + TF (1 1/LFRX)ES + TR / LFRX (1.6) đó: T tạp âm tổng máy thu TA nhiệt tạp âm anten TR nhiệt tạp âm máy thu TF nhiệt tạp âm feeder LFLX suy hao hệ thống fiđơ (giá trị thực) Phơng trình tính tạp âm xảy phần quy đầu vào Nói chung, tạp âm đợc tạo nơi thiết bị, nhng dùng trị số quy đầu vào tạp âm tạo đầu vào thiết bị 1.7.4 Điều khiển Anten bám vệ tinh Về nguyên lý vệ tinh địa tĩnh đứng yên quan sát từ vị trí cố định mặt đất, thực tế bị xê dịch theo hớng tác động lực hút mặt trời, mặt trăng, trờng hấp dẫn đất hành tinh khác Việc trì vệ tinh vị trí thiết kế đợc thực lệnh phát từ trạm đo lờng từ xa, bám, điều khiển giám sát TTC & M đặt mặt đất Các hệ thống tự động điều khiển anten bám theo vệ tinh sử dụng tram mặt đất gồm có: hệ thống bám xung đơn, bám nấc hệ thống bám theo chơng trình - Hệ thống bám xung đơn: hớng thu tín hiệu từ vệ tinh đến hớng thu cực đại anten (hớng thẳng góc với chiếu xạ) ống dẫn sóng tiếp sóng xuất loại sóng TE1, hớng thu bị lệch ống dẫn sóng xuất loại sóng TE2 Pha sóng TE2 thay đổi phụ thuộc vào hớng góc lệnh, sở mà máy thu điều khiển bám lệnh phù hợp để quay anten - Bám theo chơng trình: hệ thống anten đợc điều khiển máy tính dựa số liệu dự đoán vị trí vệ tinh Intelsat cung cấp cho vệ tinh trạm mặt đất liên quan theo chu kỳ định Số liệu dự đoán vị trí vệ tinh đợc cài đặt vào phần mềm máy tính điều khiển, từ biến đổi thành lệnh để điều khiển anten bám theo vệ tinh thời gian định - Hệ thống bám nấc: nhận đợc tín hiệu điều khiển bám vệ tinh, tín hiệu có mức không đổi, đợc phát từ vệ tinh, mức tín hiệu thu đợc so sánh với mức chuẩn quy định, nhỏ giá trị chuẩn quy định anten đợc lệnh điều khiển quay góc Bằng cách so sánh mức tín hiệu thu trớc sau dịch chuyển, hớng dịch chuyển đợc định, tín hiệu có xu hớng tăng anten tiếp tục dịch chuyển theo hớng cũ, ngợc lại tín hiệu có chiều hớng giảm anten nhận đợc lệnh điều khiển quay theo chiều ngợc lại 1.8 Kỹ thuật truyền dẫn số 1.8.1 Mã hoá kênh Thông thờng mã hoá kênh trình xử lý tín hiệu số đợc thực sau nguồn tin số trớc điều chế Một nhiệm vụ mã hoá kênh để kiểm soát lỗi Mã hoá kênh trình xử lý tín hiệu số để đảm bảo truyền dẫn thông tin số tin cậy kênh thực tế Một động thực tiễn khác dẫn đến việc sử dụng mã hoá kênh để giảm tỷ số Eb/N0 yêu cầu tỷ số lỗi bit (BER) cố định, nhờ việc giảm ngời ta giảm công suất phát hay giảm giá thành phần cứng chẳng hạn sử dụng anten kích cỡ nhỏ Mục đích kiểm soát lỗi để đảm bảo toàn vẹn số liệu đợc thực hiệu chỉnh lỗi trớc Hình 1.7 cho thấy mô hình hệ thống thông tin số sử dụng phơng pháp Bộ mã hoá kênh nhận bit tin bổ xung thêm bit d theo quy tắc đợc quy định trớc, tạo luồng bit đợc mã hoá có tốc độ cao Bộ giải mã sử dụng bit d để định bit tin bit thực đợc phát Phần mã hoá kênh đợc xét cụ thể chơng Nguồn tin số Bộ mã hóa kênh Bộ điều chế Tạp âm Người sử dụng Bộ giải mã kênh Kênh truyền dẫn Bộ giải điều chế Hình 1.7: Mô hình đơn giản hệ thống truyền dẫn số 1.8.2 Điều chế số Khi phát luồng số kênh vô tuyến, cần phải điều chế luồng số sóng mang (thờng hàm sin) có độ rộng băng tần hữu hạn dành cho kênh Luồng số tín hiệu đầu máy tính hay luồng số PCM đợc tạo từ tiếng nói hình ảnh số hoá Quá trình điều chế số bao gồm việc khoá chuyển biên độ, tần số hay pha sóng mang theo luồng số vào Vì tồn ba phơng pháp điều chế để truyền dẫn số: điều chế khoá chuyển biên (ASK), điều chế khoá chuyển tần (FSK) điều chế khoá chuyển pha (PSK) Điều chế pha PSK đặc biệt thích hợp với tuyến vệ tinh, so với khoá dịch tần cung cấp hiệu phổ tần tốt Sau ta tìm hiểu kỹ thuật điều chế, giải điều chế PSK đơn giản BPSK hay 2-PSK 1.8.2.1 Điều chế 2-PSK điều chế 2-PSK pha sóng mang thay đổi tuỳ theo giá trị bit luồng số đa lên điều chế Khi giá trị bit 0, pha sóng mang nhận giá trị 0, giá trị bit 1, pha sóng mang nhận giá trị Tổng quát biểu diễn tín hiệu 2-PSK dạng sau S(t) = A.u(t) cos(ct + o) =A cos(c + t + o) đó: A biên độ sóng mang c = 2fc tần số góc sóng mang, fc tần số sóng mang t pha đợc điều chế sóng mang o pha ban đầu sóng mang u(t) luồng số hai đa lên điều chế dạng lỡng cực, có giá trị dơng tơng ứng với bit nhận giá trị âm tơng ứng với bit 1; u(t) = t = bit bit Sơ đồ khối điều chế 2-PSK nh hình 1.8 dới Chuỗi hai u(t) ( lưỡng cực) Sóng 2-PSK S(t) = A.u(t) cos(2 f ct + o) (t) = A cos(2 f ct + o) Hình 1.8: sơ đồ khối điều chế 2-PSK Phơng pháp điều chế 2-PSK xét đợc gọi điều chế pha trực tiếp (nhất quán), có phơng pháp khác điều chế pha vi sai hay điều chế không quán 1.8.2.2 Giải điều chế Giải điều chế bao gồm trình sau: - Khôi phục sóng mang: - Khôi phục định thời - Lọc kênh Sơ đồ khối tổng quát giải điều chế 2-PSK quán đợc cho hình 1.9 Tín hiệu 2-PSK vào A u(t) cos(2 fct + o) S(t) Bộ lọc kênh Quyết định mức Số liệu Khôi phục sóng mang cos(2 fct + o) Khôi phục định thời Hình 1.9 Sơ đồ khối giải điều chế 2-PSK Tồn hai phơng pháp khôi phục sóng mang: khoá pha vòng nhân pha khoá pha vòng costas Nguyên tắc chung khôi phục sóng mang trớc hết phải loại trừ phụ thuộc pha tín hiệu thu PSK vào tín hiệu điều chế sau đa lên khoá pha dao động nội Sau khôi phục sóng mang (sóng VCO có tần số pha giống nh sóng mang phía phát), sóng đợc nhân với sóng PSK thu đợc nhân (xem hình 1.9), kết đợc biểu thức sau: S(t) = A.u(t)cos( ct + o) cos( ct + o) = A/2 u(t).cos( 2ct + 2o) + A/2 U(t) sau lọc thông thấp LPF ta đợc tín hiệu tỉ lệ với luồng số hai dạng lỡng cực u(t) đa lên điều chế phía phát Cuối sau định mức ta khôi phục đợc luồng số hai 1.8.3 Các phơng pháp đa truy nhập Cũng nh hệ thống thông tin đa truy nhập vô tuyến khác Để truy nhập đến vệ tinh có ba phơng pháp sau: - Đa truy nhập phân chia theo tần số: FDMA phơng pháp độ rộng băng tần công tác vệ tinh (tiêu chuẩn 500MHz ) đợc chia khoảng tần số nhau, độ rộng khoảng (thờng 36MHz 72MHz) đợc phân chia cho trạm mặt đất để phát tần số ấn định riêng biệt cho trạm Khi nhận trạm vệ tinh mặt đất điều chỉnh máy thu chúng đến tần số mong muốn để khôi phục lu lợng thông tin dành cho trạm Để đảm bảo hạn chế tối thiểu can nhiễu sóng mang ngời ta phải dành riêng khoảng tần số đủ rộng để tách biệt băng tần, khoảng tần số đợc gọi khoảng phòng vệ kênh phơng pháp FDMA tín hiệu đợc truyền đồng thời nhng tần số khác tơng ứng với sóng mang - Đa truy nhập phân chia theo thời gian: TDMA phơng thức mà trạm mặt đất đợc quy định khoảng thời gian để phát thu khung thời gian cố định Các tín hiệu đợc truyền vài tần số sóng mang nhng thời gian khác Phơng thức truy nhập TDMA dựa việc phân chia toàn thời gian sử dụng phát đáp thành khoảng thời gian nhỏ khoảng với có khoảng trống (còn đợc gọi thời gian gián đoạn) Điều hoàn toàn tơng tự nh FDMA chia toàn băng tần phát đáp thành băng tần mà chúng có khoảng băng giãn cách (còn gọi độ rộng băng bảo vệ - guard band) Phơng thức FDMA tạo khả truy nhập đồng thời tới phát đáp từ nhiều ngời sử dụng, phơng thức TDMA cho phép phát đáp vệ tinh hoạt động với sóng mang thời điểm dựa sở việc truy nhập đợc thực liên tục với nhiều ngời sử dụng - Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) CDMA phơng thức truy nhập mà trạm mặt đất phát tín hiệu thời gian tần số sóng mang Các trạm mặt đất đợc phân biệt với mã đợc quy định riêng cho trạm, trạm mặt đất sử dụng mã dành riêng cho để phát thu tín hiệu cách độc lập với trạm lại [...]... tổng quát của hệ thống viễn thông trên vệ tinh anten truyền lệnh và đo xa anten thông tin Hình 1.3: sơ đồ khối vệ tinh thông tin 1.6.3 Các hệ thống con của vệ tinh - Các hệ thống thông tin Hệ thống thông tin thực hiện chức năng chính của một vệ tinh thông tin Hệ thống thông tin bao gồm: anten thu, bộ khuyếch đại tạp âm thấp (LNA), bộ đổi tần, khuyếch đại công suất và anten phát Các anten có thể đợc tổ... một cách thích hợp theo từng thời gian - Điều khiển nhiệt Hệ thống điều khiển nhiệt dùng để duy trì nhiệt độ của vệ tinh ở nhiệt độ phù hợp Nhiệt độ trung bình của một vệ tinh đợc xác định dựa trên sự cân bằng giữa nhiệt lợng hấp thụ và năng lợng toả ra - Điều khiển vị trí của vệ tinh Các vệ tinh viễn thông thế hệ đầu tiên phát tín hiệu ra mọi hớng bằng những anten đẳng hớng Ngày nay, vệ tinh viễn thông. .. tinh, xử lý kết quả đo, thông qua bộ điều khiển để điều chỉnh các tham số đúng vị trí thiết kế Hệ thống điều khiển phát các lệnh cần thiết đến vệ tinh Việc theo dõi vệ tinh đợc anten trạm mặt đất đảm nhiệm bằng việc đo khoảng cách từ mặt đất tới vệ tinh, thực hiện bằng việc phát tín hiệu qua đờng điều khiển lên vệ tinh, máy phát đo xa của vệ tinh thu và phát lại tín hiệu đó đến trạm TT&C Máy thu anten... quan trọng trong một mạng thông tin vệ tinh Chức năng chính của một trạm mặt đất là để nhận hoặc phát thông tin tới mạng vệ tinh theo một cách thức tin cậy và hiệu quả kinh tế nhất mà vẫn đảm bảo chất lợng tín hiệu nh mong muốn Phụ thuộc vào các ứng dụng, mỗi trạm mặt đất có thể đảm nhiệm cả hai chức năng phát và thu hoặc chỉ có khả năng phát hoặc thu tín hiệu Việc phân loại có thể dựa trên loại hình... phân loại trạm mặt đất ra làm các loại khác nhau nh trong bảng 1.3 1.7.2 Cấu trúc trạm mặt đất Hình 1.6 dới đây là cấu trúc cơ bản của một trạm vệ tinh mặt đất trong mạng thông tin vệ tinh Intelsat Hệ thống thiết bị trạm mặt đất bao gồm: anten, thiết bị phát và thiết bị thu siêu cao, các bộ biến đổi tuyến lên và tuyến xuống Ngoài ra để đảm bảo chùm bức xạ thay đổi phù hợp với sự thay đổi của vệ tinh. .. Intelsat cung cấp cho mỗi vệ tinh và các trạm mặt đất liên quan theo một chu kỳ nhất định Số liệu dự đoán vị trí vệ tinh đợc cài đặt vào phần mềm của máy tính điều khiển, từ đó biến đổi thành các lệnh để điều khiển anten bám theo vệ tinh ở từng thời gian nhất định - Hệ thống bám từng nấc: khi nhận đợc tín hiệu điều khiển bám vệ tinh, tín hiệu này có mức không đổi, đợc phát đi từ vệ tinh, mức tín hiệu thu... quả đất và các hành tinh khác Việc duy trì vệ tinh ở vị trí thiết kế đợc thực hiện bởi lệnh phát đi từ trạm đo lờng từ xa, bám, điều khiển và giám sát TTC & M đặt trên mặt đất Các hệ thống tự động điều khiển anten bám theo vệ tinh sử dụng ở các tram mặt đất gồm có: hệ thống bám xung đơn, bám từng nấc và hệ thống bám theo chơng trình - Hệ thống bám xung đơn: khi hớng thu tín hiệu từ vệ tinh đến đúng... phát 4Ghz Hình 1.4: sơ đồ khối hệ thống thông tin trên vệ tinh - Nguồn điện Chức năng chính của hệ thống nguồn điện là cung cấp nguồn cho các thiết bị thông tin hoạt động Nguồn chính của vệ tinh thông tin đợc cung cấp bởi các tế bào bin mặt trời silicon Trong thời gian bị che khuất bởi trái đất thì nguồn dự trữ là acquy Nguồn pin mặt trời và acqui đợc đấu nối tới các thiết bị khác nhau qua bộ điều khiển... đổi tốc độ quay của bánh đà Nếu việc quay của các bánh đà đạt đến tốc độ tối đa cũng không làm cho vệ tinh trở lại đúng vị trí thì các động cơ đẩy sẽ khởi động, khi đó tốc độ của bánh đà có thể giảm xuống và đa vệ tinh về lại đúng vị trí của nó 1.6.4 Bộ phát đáp Bộ phát đáp chiếm vị trí quan trọng trong hệ thống thông tin của vệ tinh, nó đợc cấu tạo bởi các phần tử tích cực và hoạt động nh một bộ khuyếch... hạn sử dụng anten kích cỡ nhỏ hơn Mục đích của kiểm soát lỗi là để đảm bảo sự toàn vẹn của số liệu có thể đợc thực hiện bằng hiệu chỉnh lỗi trớc Hình 1.7 cho thấy mô hình của một hệ thống thông tin số sử dụng phơng pháp này Bộ mã hoá kênh nhận các bit của bản tin và bổ xung thêm các bit d theo một quy tắc đợc quy định trớc, vì thế tạo ra luồng bit đợc mã hoá có tốc độ cao hơn Bộ giải mã sử dụng các ... đờng truyền việc đa loại mã truyền tin phù hợp giải pháp Từ em nghiên cứu tìm hiểu loại mã truyền tin thích hợp đợc sử dụng thông tin vệ tinh tên đề tài Nghiên cú loại mã truyền tin sử dụng thông. .. vùng phủ sóng vệ tinh mà không cần chuyển đổi qua vệ tinh khác, hầu hết hệ thống thông tin vệ tinh cố định sử dụng vệ tinh địa tĩnh 1.6.2 Sơ đồ khối vệ tinh thông tin Vệ tinh viễn thông thiết bị... Intelsat Ngày vệ tinh thông tin chứng minh khả cung cấp dịch vụ thông tin khắp nơi giới Đó điều quan trọng để tin vào tiềm to lớn vững thông tin vệ tinh 1.2 Đặc điểm thông tin vệ tinh Thông tin liên