hệ thống điều chế và truyền dẫn trong thông tin vệ tinh

Đồ án tốt nghiệp Tổng quan thông tin vệ tinh Phần I: thông tin vệ tinh Chơng 1: hệ thống thông tin vệ tinh 1.1 Tổng quan 1.1.1 Lịch sử phát triển thông tin vệ tinh Năm 1945, ARTHUR C CLARKE ngời đề nghị làm vệ tinh cho mục đích thông tin Ông cho đặt vệ tinh quỹ đạo định quay quanh trái đất nhìn thấy vệ tinh với khoảng cách 35786 km Vệ tinh đợc đặt khí mặt đất sử dụng để chuyển tiếp thông tin cho trạm mặt đất Trạm vệ tinh trạm chuyển tiếp thông tin cho trạm mặt đất thiết bị thông tin nh : Các phát đáp (transponder) anten Đờng truyền thông tin vệ tinh đợc chia thành ba phần: + Đờng lên (từ trạm phát tới vệ tinh) + Đờng xuống (từ vệ tinh đến trạm thu mặt đất) + Đờng chuyển tiếp vệ tinh với (intersatellite) Năm 1957, Liên Xô phóng vệ tinh Sputnik, mở đầu cho chạy đua Mỹ Liên Xô Ngày 18/1/1958, Mỹ phóng vệ tinh Score, Score bay lên quỹ đạo elip Vệ tinh lực lợng không quân Mỹ thực Sau hàng loạt vệ tinh đợc phóng lên quỹ đạo nh : vệ tinh phản xạ Echo Đó Echo I vào 12/8/1960 Echo II vào 25/1/1964 đợc phóng vào quỹ đạo trái đất với chu kỳ 118 phút Echo I 108 phút Echo II Tiếp vệ tinh phát lu trữ CORIER năm 1960, vệ tinh băng rộng, TELSAT RELAY năm 1962, vệ tinh địa tĩnh SYNCOM năm 1963 Hệ thống BELL triển khai phóng vệ tinh thu đợc thành công với transponder dải rộng Ngày 10/7/1962 7/5/1963 TELSAT với quỹ đạo thấp với chu kỳ 158 phút 225 phút TELSAT có độ rộng băng tần 50MHz tín hiệu analog điều tần Tần số phát lên 6389,58 MHz, tần số phát xuống 4169,72 MHz chọn tần số băng C với tỷ số 4/6 Năm 1963 SYNCOM khởi đầu thành công thông tin vệ tinh đồng sau 20 năm ý tởng A.C.CLARKE đợc thực Vệ tinh SYNCOM I, II đợc phóng thành công vào 26/7/1963 19/7/1964 SYNCOM III dùng tần số phát lên 7,36 GHz tần số phát xuống 4,815 GHz Năm 1965, vệ tinh địa tĩnh dành cho thơng mại INTELSAT mở đầu cho hàng loạt vệ tinh khác hãng sau đời SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang Đồ án tốt nghiệp Tổng quan thông tin vệ tinh Năm 1966 Liên Xô (cũ) nớc tổ chức hệ thống thông tin vệ tinh nội địa việc phóng vệ tinh MOLNIYA cho phép phát chơng trình phát thanh, truyền hình tới vùng xa xôi đất nớc Vào năm 70, Mỹ Canada có chơng trình tổ chức thông tin vệ tinh nội địa, đến năm 1975 phóng vệ tinh riêng phục vụ cho mục đích Châu Âu năm 1974 1975 Pháp, Đức phóng vệ tinh Symphonic I, II dùng cho thông tin nội địa Trên giới ngày tồn nhiều hệ thống thông tin vệ tinh: Intelsat, Inmarsat, Interputnik 1.1.2 Nguyên lý thông tin vệ tinh Một vệ tinh có khả thu phát sóng vô tuyến điện Sau đợc phóng vào vũ trụ dùng cho thông tin vệ tinh, vệ tinh khuếch đại sóng vô tuyến điện nhận đợc từ trạm mặt đất phát lại sóng vô tuyến điện đến trạm mặt đất khác( vệ tinh thông tin) Khi quan sát từ mặt đất di chuyển vệ tinh theo quỹ đạo bay ngời ta thờng phân vệ tinh thành hai loại + Vệ tinh quỹ đạo thấp: vệ tinh chuyển động liên tục so với mặt đất, thời gian cần thiết cho vệ tinh chuyển động quanh quỹ đạo khác với chu kỳ quay trái đất Loại dùng vào việc nghiên cứu khoa học + Vệ tinh địa tĩnh: vệ tinh đợc phóng lên quỹ đạo tròn độ cao khoảng 36.000 km so với bệ mặt trái đất.Vệ tinh bay xung quanh trái đất vòng 24 Do thời gian bay vệ tinh với thời gian quay trái đất hớng (hớng Đông), nên ta quan sát từ mặt đất thấy vệ tinh đứng yên, gọi vệ tinh địa tĩnh SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang Đồ án tốt nghiệp Tổng quan thông tin vệ tinh Hình 1.1 Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh Nếu dùng ba vệ tinh địa tĩnh đợc đặt cách xích đạo thiết lập đợc thông tin hầu hết vùng trái đất, cách chuyển tiếp qua hai vệ tinh Ta có sơ đồ khối hệ thống thông tin vệ tinh nh sau: Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống vệ tinh 1.1.3 Các đặc điểm thông tin vệ tinh Các hình thức thông tin đợc phân loại nh: + Thông tin hữu tuyến điện nh: cáp đồng trục, cáp quang + Thông tin vô tuyến điện sử dụng sóng vô tuyến điện nối liền nhiều nơi giới vợt qua thời gian không gian, thông tin sóng ngắn, viba, vệ tinh Thông tin vệ tinh có u điểm sau: + Có khả đa truy nhập + Vùng phủ sóng rộng + ổn định cao, chất lợng khả thông tin băng rộng + Có thể ứng dụng tốt cho thông tin di động + Hiệu kinh tế cao cho thông tin đờng dài, xuyên lục địa Sóng vô tuyến điện phát từ vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh bao phủ 1/3 bề mặt đất Bởi trạm mặt đất liên lạc vi trạm mặt đất thuộc vùng phủ sóng thông qua vệ tinh thông tin Kỹ thuật sử dụng vệ tinh cho nhiều trạm mặt đất việc tăng hiệu sử dụng tới cực đại gọi đa truy nhập Đa truy nhập phơng pháp dùng phát đáp vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang Đồ án tốt nghiệp Tổng quan thông tin vệ tinh Yêu cầu đa truy nhập không để nhiễu trạm mặt đất Vì phải phân chia tần số, thời gian (hoặc không gian) sóng vô tuyến điện để truyền tin tức Phải phân chia tần số, khe thời gian cách thích hợp cho trạm mt đất Đa truy nhập phân ba dạng nh sau (theo quan điểm ghép sóng mang): + FDMA: Frequecny Division Mutiple Access + TDMA: Time Division Multiple Access + CDMA: Code Division Mutliple Access FDMA: Là loại đa truy nhập đợc dùng phổ biến thông tin vệ tinh Các trạm mặt đất phát sóng mang với tần số khác với băng tần bảo vệ thích hợp cho băng tần không chồng lẫn lên Hình 1.3 FDMA TDMA: Một khung TDMA đợc chia theo thời gian, cho trạm mặt đất phát tần số sóng mang nh khe thời gian phân chu kỳ thời gian định Yêu cầu TDMA sóng mang phát từ trạm mặt đất cần phải đợc điều khiển xác cho sóng mang chúng nằm khoảng thời gian đợc phân phối cách: + Truyền tín hiệu cách đơn giản + Dự phòng khoảng thời gian bảo vệ đài phát gián đoạn cho chúng không bị chồng lẫn lên Vì vậy, phải có trạm chuẩn để phát tín hiệu chuẩn CDMA: Là phơng pháp đa truy nhập, trạm mặt đất phát tần số sóng mang nh nhau, nhng sóng mang trớc đợc điều chế mẫu bít đặc biệt quy định cho trạm mặt đất trớc SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang Đồ án tốt nghiệp Tổng quan thông tin vệ tinh phát tín hiệu điều chế loại này, có nhiều tín hiệu điều chế đợc đa vào phát đáp, trạm thu tách tín hiệu cần thu mẫu bít đặc biệt để giải điều chế Nếu xét đa truy nhập theo quan điểm phân phối kênh chia làm hai loại sau: + Đa truy nhập phân phối trớc: phơng pháp truy nhập kênh vệ tinh đợc phân bố cố định cho trạm mặt đất khác, có hay không gọi phát + Đa truy nhập phân phối theo nhu cầu: phơng pháp truy nhập có kênh vệ tinh đợc xếp lại có yêu cầu thiết lập kênh đợc đa trạm mặt đất có liên quan Nhợc điểm thông tin vệ tinh + Với tổng chiều dài đờng lên đờng xuống 70.000 km thời gian truyền trễ đáng kể xấp xỉ 1/4 giây tốc độ truyền sóng cao 300.000km/s + Sóng vô tuyến điện bị suy hao hấp thụ tầng điện ly khí đặc biệt ma Để khắc phục nhợc điểm ngời ta thờng chọn khoảng tần số bị suy hao nhỏ (1 ữ 10MHz) gọi khoảng Cửa sổ tần số Băng C 1.1.4 Cấu hình vệ tinh thông tin Vệ tinh thông tin bao gồm: - Tải nhiệm vụ (Payload): Thực nhiệm vụ vệ tinh Tải nhiệm vụ bao gồm: - Anten thu phát - Bộ phát đáp (trasponder) - Thân vệ tinh (Back): để mang tải nhiệm vụ: Thân vệ tinh gồm phân hệ sau: + Phân hệ điều khiển bay + Phân hệ đẩy + Phân hệ cấp nguồn + Phân hệ điều khiển từ xa, bám lệnh (TTC) + Phân hệ điều khiển nhiệt cấu trúc tàu vũ trụ 1.1.5 Quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh: Quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh đờng tròn 3600 xung quanh đất có độ cao khoảng 36.000km, nguồn tài nguyên có SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang Đồ án tốt nghiệp Tổng quan thông tin vệ tinh hạn Với đà phát triển thông tin vệ tinh nay, không giới hạn vệ tinh thông tin quốc tế, mà bao gồm số vệ tinh nội địa khu vực Cho nên vấn đề ùn tắc quỹ đạo địa tĩnh vấn đề lớn Vì ngời ta thực biện pháp sau: + Giới hạn số vệ tinh phóng + Sử dụng lại tần số cách dùng phân cực vuông góc + Sử dụng điều chế số nhiều mức, nhiều pha để tăng số bít truyền 1.1.6 Quá trình phóng vệ tinh Mỗi vệ tinh đợc đa lên quỹ đạo theo hai cách sau: - Dùng tên lửa đẩy thông thờng - Dùng phơng tiện phóng sử dụng nhiều lần: Tàu thoi 1.1.7 Các hệ thống thông tin a) Các hệ thống thông tin quốc tế INTELSAT (International Telecommunications Satellite Organization): + Là tổ chức quốc tế (tổ chức vệ tinh thông tin quốc tế) cung cấp dịch vụ thông tin vệ tinh toàn cầu, dựa sở thơng mại Là hệ thống toàn cầu mở cửa cho quốc gia, không phân biệt hệ thống trị trình độ phát triển kinh tế + Intelsat chia toàn giới thành ba vùng (khu vực) phủ sóng tới tất vùng để cung cấp tất dịch vụ đến nơi trái đất Ba vùng Đại Tây Dơng, Thái Bình Dơng ấn Độ Dơng + Đặc điểm tổ chức Intelsat - T cách hội viên nớc gồm có: Chính phủ tổ chức khai thác thông tin - Tổ chức đa định cao gồm có: Hội nghị nớc ký hiệp ớc hội nghị toàn thể bên tham gia - Bằng cách quản lý Intelsat cung cấp không dịch vụ công cộng đến trạm mặt đất tiêu chuẩn, mà cung cấp mạch điện bảo vệ mềm dẻo, linh hoạt đáp ứng đòi hỏi riêng biệt ngời sử dụng INMARSAT (International Marine Satellite Organization): + Là tổ chức thông tin vệ tinh quốc tế đợc thành lập năm 1979 để khai thác quản lí tốt dịch vụ thông tin hàng hải giới INTERSPUTNIK SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang Đồ án tốt nghiệp Tổng quan thông tin vệ tinh Năm 1971, nớc XHCN thoả thuận chơng trình nghiên cứu vũ trụ tổ chức chơng trình có tên Intersputnik Tổ chức sử dụng loại vệ tinh nh: Molniya, Raduga, Horyzont Hệ thống Intersputnik bao gồm 17 nớc thành viên b) Các hệ thống vệ tinh khu vực: Do nhu cầu nớc khu vực thông tin ngày tăng Vì châu nh nớc xung quanh Việt Nam có vệ tinh thông tin địa tĩnh nh sau (ngoài vệ tinh quốc tế nh: Intelsat I, V-F7, VA, VI) + Chinasat 1,2 Trung Quốc + Asiasat tổ chức vệ tinh châu + Statstrosat 6, 13, 14 Nga + Thaicom Thái Lan 1.2 Đặc tính tần số thông tin vệ tinh 1.2.1 Sóng vô tuyến điện tần số Sóng vô tuyến điện phận sóng điện từ, giống nh sóng ánh sáng, tia hồng ngoại, tia X khác tần số 1.2.2 Phân định tần số Việc phân định tần số đợc thực theo điều lệ vô tuyến khu vực ITU(Interational Telecommunication Union) ITU chia làm ba khu vực: + Khu vực gồm: Châu Âu, Châu Phi, Liên bang Xô Viết cũ nớc Đông Âu + Khu vực gồm nớc Nam Bắc Mỹ + Khu vực gồm Châu Châu Đại Dơng Bảng 1.1 Phân loại tần số TT Dải tần số Bảng tần 30 ữ 300Hz ULE: Tần số thấp 300 ữ 3000Hz ữ 30KHz ELF: tần số cực thấp VLF: Tần số thấp 30 ữ 300KHz LF: Tần số thấp 300 ữ 3000KHz MF: Tần số trung bình ữ 30MHz HF: Tần số cao SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Phân loại theo bớc sóng Sử dụng vật lý, y học Nt Sóng Mm (Chục nghìn m) Sóng Km ứng dụng Siêu âm, âm Nt Vô tuyến hàng hải, thông tin di động hàng hải Vô tuyến hàng hải, di động hàng không Sóng Hectomet Thông tin hàng hải, (trăm m) phát thanh, thông tin quốc tế Sóng Decamet Thông tin quốc tế, phát (Chục m) sóng ngắn, thông tin di động Trang Đồ án tốt nghiệp Tổng quan thông tin vệ tinh 30 ữ 300MHz VHF: Tần số cao Sóng mét 300 ữ 3000MHz UHF: Tàn số cao Sóng dm ữ 30GHz SHF: Tần số siêu cao Sóng cm 10 30 ữ 300Gz EHF: Tần số vô cao Sóng mm Phát FM, truyền hình thông tin di động Truyền hình, thông tin di động, thông tin cố định Thông tin vệ tinh, đa thông tin viễn thông, vô tuyến thiên văn Ra đa sóng mm, vô tuyến thiên văn 1.2.3 Các tần số sử dụng cho thông tin cố định Việc phân định tần số cho dịch vụ thông tin cố định, nghĩa thông tin vệ tinh điểm đợc trình bày nh (bảng 1.2.): *Ghi chú: + R1, R2, R3 tơng ứng với ba khu vực ITU phân định + Băng C (6/4 GHz, cho đờng lên 6GHz, đờng xuống GHz) Nằm khoảng sổ tần số, băng tần bị suy hao ma, băng trùng với hệ thống viba dới mặt đất Nó đợc sử dụng hệ thống Intelsat, thông tin khu vực nội địa + Băng Ku (các băng 14/12 GHz 14/11 GHz) Băng đợc sử dụng tiếp sau băng C cho viễn thông công cộng Đợc dùng nhiều cho thông tin nội địa công ty Do tần số cao cho phép sử dụng anten kích thớc nhỏ + Băng Ka (30/20GHz) Vì tần số cao băng tần cho phép sử dụng trạm mặt đất nhỏ, đợc sử dụng thông tin nội địa Nhng suy hao lớn ma nên giá thành thiết bị tơng đối cao, nhng gây nhiễu cho hệ thống viba số Bảng 1.2 Phân định tần số cho thông tin vệ tinh điểm cố định SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang Đồ án tốt nghiệp Tổng quan thông tin vệ tinh 1.2.4 Phân cực sóng thông tin vệ tinh a) Khái niệm: Trờng điện từ sóng vô tuyến điện truyền sóng dao động theo hớng định Phân cực sóng hớng dao động điện trờng Có hai loại sóng phân cực đợc sử dụng thông tin vệ tinh sóng phân cực thẳng phân cực tròn b) Sóng phân cực thẳng SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang Đồ án tốt nghiệp Tổng quan thông tin vệ tinh + Một sóng phân cực thẳng đợc tạo cách dẫn tín hiệu từ ống dẫn sóng chữ nhật đến anten loa Nhờ sóng phân cực theo kiểu thẳng đứng song song với cạnh đứng anten loa + Để thu đợc sóng này, t anten thu phải bố trí giống t anten phát, nh hình vẽ: Hình 1.4 Sơ đồ t anten thu anten phát để thu đợc sóng phân cực thẳng c) Sóng phân cực tròn + Sóng phân cực tròn sóng lan truyền, phân cực quay tròn + Có thể tạo loại sóng cách kết hợp hai sóng phân cực thẳng có phân cực vuông góc với có góc lệch pha 900 + Sóng phân cực tròn phân cực phải hay trái phụ thuộc vào khác pha sóng phân cực thẳng sớm pha hay chậm pha + Phân cực quay theo chiều kim đồng hồ hay ngợc kim đồng hồ với tần số tần số sóng mang + Đối với sóng phân cực tròn: nơi thu không cần hớng loa thu 1.2.5 Sự lan truyền sóng thông tin vệ tinh a) Các yếu tố ảnh hởng Ta biết môi trờng truyền sóng lý tởng, mà khoảng cách từ trạm mặt đất tới vệ tinh lại xa Vì suy hao đáng kể Ngoài sóng vô tuyến điện thông tin vệ tinh chịu ảnh hởng tác động nh: Tiêu hao sóng bị hấp thụ tầng điện ly, khí ma b) Tiêu hao không gian tự + Trong thông tin vệ tinh, sóng vô tuyến điện qua khoảng không vũ trụ gần nh chân không Trong môi trờng nh có chất làm SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 10 Đồ án tốt nghiệp Tổng quan thông tin vệ tinh + Mạch logic có nhiệm vụ tạo lại tín hiệu số vào + Mạch giải mã số tơng tự (DAC) có nhiệm vụ biến tín hiệu số thành tín hiệu rời rạc tơng ứng dới dạng xung có biên độ thay đổi + Mạch tạo xung lấy mẫu xung đồng hồ có nhiệm vụ tạo xung lấy mẫu đồng cac trình lại DAC + Mạch lấy mẫu có nhiệm vụ khử nhiễu (nhiễu xuất chuyển mạch nhanh đầu mạch DAC) + Mạch lọc thông thấp để tách băng tần tín hiệu lấy mẫu + Khuếch đại tín hiệu video SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 65 Đồ án tốt nghiệp Chơng Tổng quan thông tin vệ tinh Thiết bị thu 7.1 Sơ đồ khối Trạm thu hình cá nhân TVRO có nhiệm vụ thu tín hiệu từ vệ tinh địa tĩnh, qua xử lý tín hiệu giải điều chế hoàn trả lại dạng điều biên (analog) nh tín hiệu truyền hình mặt đất để tơng hợp với tivi gia đình Một trạm thu TVRO gồm phận sau đây: a Thiết bị bên (Outdoor) + Chảo ăngten Parabol, đờng kính chảo từ 0,6 ữ 6m + Phễu thu sóng, ống dẫn sóng que phân cực + Bộ khuyếch đại dịch tần nhiễu thấp LNA hay LNB + Cơ cấu điều khiển chảo quay theo góc ngẩng góc phơng vị + Cơ cấu điều khiển góc quay phân cực ( Polarotor) b Thiết bị bên (Indoor) + Máy thu TVRO + Mạch điều khiển góc quay Polaror Positioner + Bộ điều khiển từ xa nhớ Hình 7.1 Sơ đồ khối trạm thu TVRO Khối bên gồm anten Parabol dịch tần LNB đó: + (2a) mạch đổi phân cực trực giao + (2b) mạch chuyển tần số SHF UHF SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 66 Đồ án tốt nghiệp Tổng quan thông tin vệ tinh Dải tần làm việc khối băng tần C (3,7 ữ 4) GHz băng tần Ku/SHF (10,95 ữ12) GHz, dịch tần xuống trung tần 1, IF = 0,95 ữ1,7 GHz Khối nhà bao gồm khuyếch đại trung tần (IF2 distributor) có từ ữ đầu phân nhánh ngõ (4), cho tín hiệu RF video RE audio Khối (5) khuyếch đại trung tần máy thu (IF receiver) Nó bao gồm: + (5a) chuyển tần UHF xuống VHF = 134 MHz, gọi trung tần (IF2) + (5b) giải điều chế FM + (5c) Mạch khuyếch đại tín hiệu VF + FM sound Hình 7.2 Mức tín hiệu trạm thu TVRO Sơ đồ khối mô tả mức tín hiệu máy thu TVRO Cờng độ điểm thu mặt đất cho phép với trạm thu cá nhân TVRO vào khoảng - 130 dBw/m2 Sau anten khuếch đại 50dB, nâng mức tín hiệu đến ngõ vào LNB -80dB Độ lợi khuếch đại dịch tần khoảng 50dB, nâng mức tín hiệu ngõ - 30 dB Đờng dây cáp truyền tín hiệu 0,95 ữ 1,7 GHz từ khối bên đến khối bên trong, suy giảm tín hiệu đến -20 dB (mức cho phép) Nếu đờng cáp truyền dài 100ft cần phải có mạch khuếch đại cáp tuyến tính Tuỳ theo độ dài cáp mà khuếch đại cáp phải bù tổn hao, thông thờng độ lợi cho phép từ 15 ữ 20 dB Do mức tín hiệu sau khuếch đại cáp có giá trị từ (-55 ữ -30) dB mức chuẩn 50dB Tín hiệu qua mạch trung tần phân nhánh (distributor) không bị suy giảm, nên mức đa đến ngõ vào máy thu từ -50 ữ -30 dB, lấy chuẩn -50 ữ - 30 dB, lấy chuẩn -50dB Mức tín hiệu ngõ đợc tiêu chuẩn hoá mức đỉnh 1Vpp Đây mức tín hiệu tổng hợp Video + Sound băng tần gốc Baseband 7.2 Anten phễu thu sóng a Chảo parabol Năng lợng xạ từ anten parabol trạm phát (downlink) có búp sóng hẹp có cờng độ trờng điểm thu nhỏ, khoảng 1pw hay nhỏ SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 67 Đồ án tốt nghiệp Tổng quan thông tin vệ tinh Để nhận tín hiệu cực nhỏ có búp sóng hẹp cần phải dùng anten parabol có hệ số tăng ích vào khoảng 50dB cấp đủ mức tín hiệu làm việc cho khuếch đại dịch tần LNA (-80 dB = 10pw) Vật liệu chế tạo anten thờng dùng nhôm lới kim loại phủ nhựa Lới kim loại dùng cho băng tần C, đờng kính lỗ phải nhỏ 5mm Còn băng Ku phải dùng nhôm tấm, không đục lỗ Phễu thu sóng phải đặt tiêu điểm chảo Gắn liền với phiễu ống dẫn sóng, que dò phân cực LNB Anten có giá đỡ chắn, chịu đợc sức gió đến 120km/h Anten parabol có ba dạng cấu trúc: đối xứng, lệch tâm phản xạ hai lần Anten đối xứng thông dụng dễ làm dễ lắp đặt dễ cân chỉnh F d) Kích thớc anten chảo Parapol d Hình 7.3 Các dạng anten chảo Parabol Các chùm sóng tới theo phơng song song đập vào lòng chảo đợc phản xạ lại, D tập trung vào phễu thu sóng đặt tiêu điểm chảo Các thông số cấu trúc Kích thớc cấu trúc anten có quan hệ chặt chẽ với thông số hệ số tăng ích Thông số kích thớc anten có tính chất định đến thông số là: - Đờng kính đờng chảo parabol (D) - Bề sâu lòng chảo (d), đợc tính từ tâm chảo đến tiêu điểm Ba kích thớc có quan hệ với theo công thức: F = D 16d (7.1) Thông số quan trọng đờng kính chảo anten Đờng kính D phụ thuộc vào yếu tố: SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 68 Đồ án tốt nghiệp Tổng quan thông tin vệ tinh + Bớc sóng băng tần làm việc, băng C băng Ku + Cờng độ trờng điểm thu, đợc cho catalog vệ tinh tính theo thông số công suất phát (downlink) vệ tinh (P EIRP), khoảng cách từ vệ tinh đến điểm thu, tổn hao đờng truyền + Hệ số tăng ích anten, xác định đợc theo cờng độ trờng EIRP điểm thu độ nhạy ngõ vào tầng khuyếch đại dịch tần LNB Hệ số tăng ích anten băng C Ku biến động từ (32 ữ 60) dB Với cờng độ trờng EIRP nh Việt Nam (35 dB) hệ số tăng ích anten vào khoảng 38 dB chấp nhận đợc Sau chọn đợc đờng kính D (Hay mua chảo có sẵn thị trờng) chọn tỷ số F/D thích hợp Tỷ số F/D phụ thuộc vào độ rộng chùm sóng mép rìa vành chảo hay góc mở lớn, làm tăng tạp nhiễu mặt chảo phản xạ Còn F/D lớn, góc mở lúc nhỏ, làm giảm hệ số tăng ích anten Tỷ số cho phép đánh giá đợc hiệu suất anten * Các thông số điện + Hệ số tăng ích: thông số quan trọng anten, phụ thuộc vào bớc sóng tiết diện miệng chảo (hay đờng kính D) Hay nói cách khác phụ thuộc vào góc mở hay độ rộng búp sóng Hệ số tăng ích anten đợc tính theo công thức gần sau đây: G= 27000 ữ 30000 (7.2) , độ rộng búp sóng đợc tính mức - 3dB mặt ngang mặt đứng búp sóng Giá trị , tăng khi: - Đờng cong parabol chảo không - Vật liệu kết cấu anten, bề mặt lòng chảo không tốt, gây nhiều búp sóng phụ, giảm định hớng búp sóng - Trục chảo anten chỉnh cha hớng vệ tinh - Đờng kính anten giảm theo giá trị độ rộng búp sóng cho bảng (7.1) đợc tính băng tần Ku Bảng 7.1 Quan hệ đờng kính chảo độ rộng búp sóng Đờng kính anten (m) Độ rộng búp sóng mức 3dB (0) 0.5 3.43 1.0 1.72 1.2 1.46 1.5 1.14 1.8 0.97 2.0 0.96 2.5 0.69 3.0 0.57 SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 69 Đồ án tốt nghiệp Tổng quan thông tin vệ tinh Bởi góc , nhỏ đồng nghĩa với tính định hớng anten tốt, làm tăng hệ số tăng ích anten giảm đợc tạp nhiễu Hệ số tăng ích tính đợc theo bớc sóng kích thớc anten: G= k ef 4S = k ef (D) 2 (7.3) Trong : S = D tiết diện chảo.(7.4) D đờng kính chảo Kef hệ số hiệu dụng bớc sóng làm việc Hệ số kef thờng lấy giá trị 0,65 Nó biểu thị cho lợng phản xạ có ích lòng chảo anten Thông số phụ thuộc vào yếu tố sau: * Độ xác mặt parabol * Hệ số phản xạ mặt parabol * Các tổn hao kết cấu anten nh feedhorn, giá đỡ, sơn phủ dày hay hạt bụi lớn * Điểm hội tụ tia phản xạ không tiêu cự + Hệ số sóng đứng: nguyên nhân phát sinh sóng đứng có số tia sóng phản xạ cách xa tâm lòng chảo chênh lệch khoảng cách với chùm sóng tâm chảo tập trung tiêu điểm Thời gian chênh lệch làm cho sai pha gây nên sóng đứng Ngoài lòng chảo gồ ghề, méo mó giá đỡ phễu gây nên Tỷ số cho phép không vựơt 2,0 Giá trị làm việc phạm vi cho phép SWR = 1,5/l Bởi phễu thu sóng vừa thu sóng phản xạ từ bề mặt chảo đồng thời phải phân biệt loại sóng phân cực đứng hay ngang Giá trị độ phân biệt (Isolation) không nhỏ 15dB Điều không đợc quên tín hiệu đến bề mặt chảo nhỏ, nên cần phải giữ lòng chảo Với lớp bụi có hạt cỡ 0,1mm làm giảm hệ số tăng ích đến 3%, hạt to đến 1mm làm giảm hệ số tăng ích đến 20% Vật liệu làm chảo tốt nhôm, nhựa dẻo phủ nhôm hay lới kim loại không gỉ phủ nhựa mỏng Nó cho giá trị hệ số tăng ích, hiệu suất tỷ số sóng đứng tốt Bảng 7.2 Chảo Parabol hãng TOSHIBA Nhật việc băng C Độ lợi (dB) Hiệu suất Tỷ số VSWR Vật liệu chế tạo (%) ngõ anten 38.05 75.60 1.20 Nhôm SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 70 Đồ án tốt nghiệp 37.95 37.50 37.25 73.90 68.10 68.90 Tổng quan thông tin vệ tinh 1.25 1.18 1.15 Lới kim loại phủ chất dẻo Lới nhôm phủ chất dẻo, chất dẻo phủ nhôm Bảng 7.3 Chảo parabol hãng Spacelab (Đài Loan) làm nhôm phủ nhựa KSA 3406 Đờng kính (ft) Hệ số tăng ích 36 (dB) Tỷ số F/D 0,4 Tiêu cự (inch) 28,8 Phân cực Nhiệt độ làm việc Kiểu thông số KSA 3408 38 0,395 38,4 KSA 3410 10 39,8 KSA 3412 12 41 KSA KSA 3416 3420 16 20 43 45 0,395 0,395 0,4 48 57,6 76,8 Tuyến tính hay quay vòng -300C đến + 550C6 0,4 96 b) Phễu thu sóng Feedhorn Hình 7.4 Phễu thu sóng Phễu thu sóng gồm có phễu ống dẫn sóng đợc gắn chung với dịch tần LNB nh mô tả hình (7.4) Vành phễu có dạng hình hoa hay hình vành khuyên Phễu hình vành khuyên đợc dùng phổ biến hình loa Nó đợc đúc SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 71 Đồ án tốt nghiệp Tổng quan thông tin vệ tinh nhôm có từ ữ vòng, lồng vào ống dẫn sóng để di động theo tiêu cự với ống dẫn sóng Các vành khuyên có nhiệm vụ thu gom lợng phản xạ từ lòng chảo với cờng độ trờng nhỏ (khoảng dới picrowatt) đa vào ống dẫn sóng Các tia tới lòng chảo phản xạ lại, tập trung vào phễu đặt tiêu điểm, ống dẫn sóng có dạng hình trụ, bên đợc khoét tròn hình chữ nhật để vừa thu đợc sóng điện trờng từ trờng Nó đợc đúc hợp kim nhôm hay gang, mặt phải đợc sử lý nhẫn bóng để giảm tổn hao lợng Phía cuối ống biến áp modul không tổn hao lợng nhằm phối hợp ống dẫn sóng với que dò đặt biến áp để truyền lợng đến ngõ vào LNB Que dò thu lợng điện từ trờng phân cực ngang (H) hay phân cực đứng (V), phân cực tròn quay phải (R) hay quay trái (L) Loại đợc gắn cố định vào feedhorn có dạng chữ thập, nên tìm phân cực quay feedhorn Loại phải chỉnh tay dùng trạm thu TVRO bắt sóng vệ tinh Nếu muốn tìm sóng vệ tinh khác lại phải quay tìm phân cực lại với feedhorn Loại đầu dò di động thờng có hình móc câu quay tròn đợc ống dẫn sóng Nó đợc làm quay hệ thống Palarotor, điều khiển từ máy thu TVRO Phơng pháp điều khiển xung mạch logic TTL(Transister transister Logic) Độ rộng xung ngắt hẹp, từ 0,65 ữ2,2 às, chu kỳ xung vào khoảng 18 às Nguồn cấp cho palarotor thờng dùng mức DC 5V, dòng tiêu thụ 300 ữ 500 mA SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 72 Đồ án tốt nghiệp Tổng quan thông tin vệ tinh Hình 7.5 Các loại ống dẫn sóng đờng sức từ trờng Khi chùm lợng chạy ống dẫn sóng tạo nên trờng điện từ theo tâm chùm sóng Các đờng sức từ trờng trực giao Nếu xét riêng điện trờng ống dẫn sóng tròn, ta có đờng sức (hình 7.5a) Khi cộng hai sóng phân cực đứng phân cực ngang lại cho phân cực tổng, với góc lệch 450 so với hai loại Đối với ống dẫn sóng hình chữ nhật có dạng cực tơng tự (7.5b) Do nên tiến hành lắp đặt, đặt feedhorn cho trục phải lệch 450 so với trục polar (hình 7.5c) Sở dĩ đặt lệch nh để feedhorn vừa thu đợc sóng phân cực đứng phân cực ngang lúc bắt đầu tìm sóng Sau tuỳ theo dạng phân cực sóng vệ tinh mà điều chỉnh lại Mặt khác, đặt lệch nh góc quay phân cực đạt mức tối đa 135 (trong lúc góc quay phơng vị quay đợc 1400) để quét mặt phẳng phân cực đứng ngang Loại đầu dò ferrite đặt ống dẫn sóng đợc thay đổi góc phân cực dòng điện từ mà không cần quay đầu dò Phơng pháp thay đổi phân cực cách làm thay đổi góc pha tâm chùm sóng Nguồn điện cung cấp thờng dùng DC +5V với dòng tiêu thụ nhỏ, khoảng 30 ữ 50mA Trong phần cần phải nói rõ thêm phân cực tuyến tính phân cực quay tròn Nh biết cờng độ trờng chạy anten (thờng dòng điện) SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 73 Đồ án tốt nghiệp Tổng quan thông tin vệ tinh thay đổi tạo điện từ trờng chạy xung quanh Nếu anten đặt thẳng góc với bề mặt trái đất, đờng sức điện trờng thẳng góc với mặt đất, gọi phân cực đứng Khi đờng sức điện trờng biến đổi giữ nguyên vị phân cực tròn đợc tạo cách phát hai đờng phân cực tuyến trực giao nhng lệch pha góc 900 Tuỳ theo cực góc lệch pha để tạo chiều quay phải hay trái 7.3 Trụ đỡ anten Chảo anten phải đợc định vị thẳng đứng bệ bê tông chắn cần phải tính thêm trọng lợng tăng lên gặp gió mạnh bão lớn Với sức gió 40m/s (144Km/h) làm tăng trọng lợng chảo lên 100Kg Trụ đỡ anten đợc làm thép ống dày có pha kẽm không gỉ Đờng kính chiều cao ống phụ thuộc vào đờng kính chảo theo bảng sau: Bảng 7.6 Sự phụ thuộc chiều cao đờng kính trụ đỡ vào đờng kính anten Đờng kính chảo 0,9m 3m Đờng kính ống 0,5cm 1,4cm Chiều cao ống 0,6m 1,2m Trụ phải có thiết bị chống sét tiếp đất cho phép khoảng Có thể làm hệ thống dây đất riêng dây đồng hay nhôm có đờng kính 3mm Phần chôn sâu dới đất 10cm vỉ sắt dày hay khoanh dây đồng có diện tích khoảng 1,2m Đặt nơi ẩm ớt hay có nớc, chảo đặt nhà cao tầng hàn vào cột ống nớc sắt pha kẽm nối với trụ sắt chôn xuống đất SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 74 Đồ án tốt nghiệp Tổng quan thông tin vệ tinh Chơng 8: Phân tích anten gardiner 8.1 Thông số kỹ thuật anten Gardiner đợc dùng Đài phát truyền hình Hải Phòng Anten Gardiner Trung Quốc sản xuất với thống số kỹ thuật nh sau: + Đờng kính chảo D = 3,5m + Tần số đầu vào f = (3,4 ữ 4,2) GHz + Hiệu suất = 0,65 + Hệ số tăng ích G = 65 dB + Nhiệt độ tạp âm T = 170K Anten đợc dùng để thu băng C, thu chơng trình Trung Quốc nh: CCTV4, CCtV5, CCTV9 từ vệ tinh ASIASAT 3S 8.2 Sơ đồ khối LNB anten BPF RF input IF AMP 3rd stage LNA IF output DC input 10MHZ input X5 PLO MULT Bias CKT P/D Hình 8.1 Sơ đồ khối LNB anten Giải thích khối: RF input Cao tần từ vệ tinh vào anten rd Stage LNA Ba khối khuếch đại tạp âm thấp BPF Bộ trộn tần IF AMP Bộ khuếch đại trung tần MULT Bộ nhân PLO Bộ tạo dao động khuếch đại dao động P/D Lấy tín hiệu hồi tiếp Bias CKT Tạo tín hiệu chuẩn 8.3 Sơ đồ nguyên lý LNA anten GARDINER SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 75 Đồ án tốt nghiệp Tổng quan thông tin vệ tinh Hình 8.2 Sơ đồ mạch LNA Một sơ đồ mạch khuếch đại LNA có dạng nh hình 4.47 Mạch LNA bao gồm cặp cascoded vi sai với tải cảm kháng để điều chỉnh đầu khuếch đại tới tần số 5GHz Sự suy giảm cảm kháng sinh Lsp Lsn tạo trở kháng đầu vào phức, trở kháng đợc phối hợp với trở kháng nguồn 50W mạch phối hợp nằm chip SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 76 Đồ án tốt nghiệp Tổng quan thông tin vệ tinh Tài liệu THAM KHảO Thông tin vệ tinh : NXB Bu Điện-2002 Hệ thống viễn thông :Thái Hồng Nhị_Phạm Minh Việt Truyền hình số có nén Multimedia: Nguyễn Kim Sách Một số tạp chí bu viễn thông SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 77 Đồ án tốt nghiệp Tổng quan thông tin vệ tinh Mục lục Phần I: thông tin vệ tinh Chơng 1: hệ thống thông tin vệ tinh .1 1.1 Tổng quan 1.2 Đặc tính tần số thông tin vệ tinh 13 Hình1.6 Sự tăng tạp âm ma 13 Chơng 2: hệ thống điều chế truyền dẫn thông tin vệ tinh 14 2.1 Điều chế 14 2.2 Phân loại điều chế 14 2.4 Điều chế số 18 2.5 Điều chế xung mã 20 2.6 Hệ thống kênh truyền vệ tinh 24 2.7 Kỹ thuật đồng truyền dẫn thông tin vệ tinh 27 2.8 Kỹ thuật đồng TDMA .27 Chơng Trạm mặt đất 30 3.1 Tổ chức trạm 30 3.2 Công nghệ quan trọng trạm mặt đất 30 3.3 Công nghệ máy phát .31 3.5 Công nghệ anten trạm mặt đất .39 Chơng 4: vệ tinh thông tin 43 4.1 Tải nhiệm vụ (Payload) 43 4.2 Thân vệ tinh 47 4.3 Quá trình phóng vệ tinh 51 Phần 2: Truyền hình vệ tinh 56 Chơng 5: Các phơng thức truyền hình vệ tinh 56 5.1 Truyền hình trực tiếp DBS (Direct Broadcating Satellite) 56 5.2 Truyền hình qua TVRO (Television Receive Only) .56 Chơng 6: Các hệ truyền hình .56 6.1 Hệ NTSC (Mỹ) .56 6.2 Hệ SECAM (Pháp Nga) 57 6.3 Hệ PAL (Đức) 57 6.4 Họ truyền hình component MAC(Media Acess Control) 58 6.5 Biến đổi số tín hiệu video 62 6.6 Biến đổi tơng tự sang số ADC(Analog Digital Converter) 63 6.7 Biến đổi số tơng tự DAC(Digital Analog Converter) 64 7.1 Sơ đồ khối 66 7.2 Anten phễu thu sóng 67 7.3 Trụ đỡ anten 74 Chơng 8: Phân tích anten gardiner 75 8.1 Thông số kỹ thuật anten Gardiner đợc dùng Đài phát truyền hình Hải Phòng .75 8.2 Sơ đồ khối LNB anten .75 75 8.3 Sơ đồ nguyên lý LNA anten GARDINER 75 SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 78 Đồ án tốt nghiệp SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Tổng quan thông tin vệ tinh Trang 79 [...]... nhiên ở phía vệ tinh, bức xạ hớng tới mặt đất nên có ảnh hởng nhiệt tạp âm của mặt đất với vệ tinh là 2500K ữ 3000K SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 12 Đồ án tốt nghiệp Tổng quan về thông tin vệ tinh Hình1.6 Sự tăng tạp âm do ma SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 13 Đồ án tốt nghiệp Tổng quan về thông tin vệ tinh Chơng 2: hệ thống điều chế và truyền dẫn trong thông tin vệ tinh 2.1 Điều chế Điều chế là chuyển... trờng và phơng thức truyền tin sao cho nội dung tin tức không thay đổi * Mục đích của điều chế: + Điều chế tín hiệu phù hợp với môi trờng thông tin để tăng khả năng chống nhiễu và giảm suy hao trên đờng truyền + Để tăng khả năng ghép đợc nhiều kênh thông tin trên một môi trờng truyền (tăng hiệu suất kênh truyền) + Giải điều chế là quá trình ngợc với quá trình điều chế tín hiệu Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống. .. đợc sử dụng cho thông tin vệ tinh Hệ số tăng ích anten + Trong khí quyển cần phải tính đến ảnh hởng của không khí, hơi nớc 100 nhng với tần số 30GHz có thể bỏ qua, vì thế chúng ta cần tận dụng và ma, triệt 50 để trong thông tin vệ tinh 30 20 10 5 1 SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 11 Đồ án tốt nghiệp Tổng quan về thông tin vệ tinh Hình 1.5 Cửa sổ vô tuyến + Từ đồ thị ta thấy sóng truyền trong khoảng tần... const và biên độ A(t) biến đổi tỷ lệ với tín hiệu tin tức thì gọi là điều chế góc (FM, PM) a) Điều chế biên độ (AM) Điều chế là phơng pháp làm biên độ sóng mang thay đổi theo tín hiệu thông tin cần truyền Dạng sóng nh sau: SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 15 Đồ án tốt nghiệp Tổng quan về thông tin vệ tinh Hình 2.2 Đồ thị biểu diễn sóng AM Hình 2.3 Phổ của sóng mang b) Điều chế góc Khác với điều chế biên... tính trong đó góc pha đợc cố định còn biên độ thì biến đổi, điều chế góc sẽ cố định về biên độ và thay đổi góc pha một cách tỷ lệ với tín hiệu của bản tin Điều chế góc còn đợc gọi là điều chế hàm số mũ không tuyến tính và sóng điều chế trở thành dạng hàm số mũ khi sóng đợc điều chế trở thành kiểu SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 16 Đồ án tốt nghiệp Tổng quan về thông tin vệ tinh định pha Có hai kiểu điều. .. Thanh Tâm Điều chế tần số Điều chế pha Điều chế biên độ Điều chế song biên Điều chế đơn biên Trang 14 Đồ án tốt nghiệp PAM: Pulse Amplitude Modulation PFM: Pulse Frequency Modulation PPM: Pulse phase Modulation PWM: Pulse width Modulation ASK: Amplication Shift Key FSK: Frequency Shift Key PSK: Phase Shift Key PCM: Pulse Code Modulation Tổng quan về thông tin vệ tinh Điều chế biên độ của xung Điều chế tần... Nhợc điểm: Điều chế PSK mạch điều và giải điều chế phức tạp hơn nhiều so với FSK Xác suất giải điều chế bị sai nhiều hơn so với FSK Đợc sử dụng trong các thiết bị chuyên dụng 2.5 Điều chế xung mã a) Điều chế PCM (Pulse Code Modulation) + PCM đợc đặc trng bởi ba quá trình đó là: -Lấy mẫu -Lợng tử hóa -Mã hóa SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 20 Đồ án tốt nghiệp Tổng quan về thông tin vệ tinh Xung điều biên... công suất cao Để bù vào suy hao truyền lớn trong thông tin vệ tinh, đầu ra máy phát cần có công suất càng lớn càng tốt, do vậy trạm mặt đất phải sử dụng bộ khuếch đại công suất cao HPA (High 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... Tuy nhiên BW tăng và phức tạp khi thiết kế + Quá tải độ dốc: Khi < : Tín hiệu kè không kịp sinh quá tải độ dốc nên tín hiệu bị méo dạng Khắc phục: giảm Ts và giảm Step (h) và chọn: f in = fs.h 2 Vm Băng thông tối thiểu cho phép BW = .Vm.fin/h 2.6 Hệ thống kênh truyền của vệ tinh SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 24 Đồ án tốt nghiệp Tổng quan về thông tin vệ tinh a Đa truy nhập của vệ tinh Đa truy nhập... từ các hệ thống khác, nó cũng tạo ra ít nhiễu tới các hệ thống khác Tuy nhiên hệ thống này cần độ rộng băng tần lớn và gây ra tạp âm nhiễu lẫn nhau khi nhiều trạm dùng chung một bộ phát đáp, vì thế dẫn tới dung lợng truyền dẫn trên bộ phát đáp rất nhỏ SV: Nguyễn Thị Thanh Tâm Trang 26 Đồ án tốt nghiệp Tổng quan về thông tin vệ tinh Bảng 2.3 Bảng tính năng của các hệ thống đa truy nhập Hệ thống FDMA