Nghiên cứu công nghệ thông tin vệ tinh đi sâu tính toán đường truyền vệ tinh vinasat 1

LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em nhận đƣợc nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy cơ, gia đình bạn bè Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS.PHẠM VĂN PHƢỚC ngƣời tận tình hƣớng dẫn, bảo em suốt trình làm đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo trƣờng Đại học Hàng Hải Việt Nam nói chung, thầy ngành Điện Tử Viễn Thơng nói riêng dạy dỗ cho em kiến thức môn đại cƣơng nhƣ mơn chun ngành, giúp em có đƣợc sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình học tập Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè, tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt trình học tập hồn thành đồ án tốt nghiệp Hải Phòng, ngày 15 tháng 10 năm 2015 Sinh Viên Thực Hiện Trần Đức Hiếu i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đồ án “Nghiên cứu công nghệ thông tin vệ tinh Đi sâu tính tốn đƣờng truyền vệ tinh VINASAT I.” kết nghiên cứu thân dƣới hƣớng dẫn giáo viên hƣớng dẫn TS.Phạm Văn Phƣớc Tồn kiến thức đƣợc trích lƣợc từ tài liệu đƣợc liệt kê đầy đủ chi tiết Cá nhân tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm có sai phạm quyền tác giả Ngƣời làm cam đoan Trần Đức Hiếu ii MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN vi DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG :TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 Lịch sử phát triển hệ thống vệ tinh 1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh 1.2.1 Phân đoạn không gian 1.2.2 Phân đoạn mặt đất 1.3 Một số đặc điểm thông tin vệ tinh 1.4 Các dạng quỹ đạo vệ tinh 10 1.4.1 Quỹ đạo tròn 10 1.4.2 Quỹ đạo elip 11 1.4.3 Quỹ đạo đồng mặt trời 11 1.5 Các băng tần cho thông tin vệ tinh 11 1.5.1 Cửa sổ tần số vô tuyến điện 12 1.5.2 Bảng phân chia băng tần 13 CHƢƠNG 2: KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VỆ TINH 17 2.1 Các kỹ thuật ghép kênh sử dụng thông tin vệ tinh 17 2.1.1 Phƣơng pháp ghép kênh FDM 17 2.1.2 Phƣơng pháp ghép kênh TDM 18 2.2 Các phƣơng pháp điều chế thông tin vệ tinh 20 2.2.1 Phƣơng pháp điều chế FM 21 2.2.2 Phƣơng pháp điều chế BPSK 22 iii 2.2.3 Phƣơng pháp điều chế QPSK 24 2.2.4 Phƣơng pháp điều chế DPSK 26 2.2.5 Kĩ thuật MCPC VÀ SCPC 27 2.3 Kỹ thuật đa truy nhập thông tin vệ tinh 28 2.3.1 Tổng quan 28 2.3.2 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access) 28 2.3.3Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) 30 2.3.4 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA - Code Division Multiple Access) hay đa truy nhập trải phổ (SSMA - spread spectrum Multiple Access ) 31 Chƣơng III:Tính tốn đƣờng truyền vệ tinh VINASAT I 34 3.1 Thông tin tổng quan vệ tinh VINASAT I 34 3.2 Phân tích đƣờng truyền tuyến lên 35 3.2.1 Hệ số tăng ích anten (G-Gain) 35 3.2.2 Công suất xạ đẳng hƣớng tƣơng đƣơng EIRP 36 3.2.3 Các tham số 36 3.3 Phân tích đƣờng truyền tuyến xuống 38 3.3.1 Nhiệt tạp âm 38 3.3.2 Nhiệt độ tạp âm anten 39 3.3.3 Nhiệt độ tạp âm hệ thống 41 3.3.4 Hệ số phẩm chất G/T 42 3.3.5 Tỷ số công suất sóng mang tạp âm C/N 42 3.3.6 Tổng tỷ số sóng mang tạp âm C/TTotal 43 3.4 Các suy hao ảnh hƣởng tới chất lƣợng truyền dẫn 44 3.4.1 Suy hao không gian tự 44 3.4.2 Suy hao tầng đối lƣu 45 3.4.3 Suy hao tầng điện ly 45 3.4.4 Suy hao mƣa 45 iv 3.4.5 Suy hao tƣợng khí hậu khác 46 3.4.6 Sự phân cực 47 3.4.7 Suy hao đặt anten chƣa 49 3.4.8 Suy hao thiết bị phát/thu 49 3.4.9 Trễ truyền dẫn 49 3.5Tính tốn đƣờng truyền vệ tinh VINASAT I 50 3.5.1 Tính tốn tuyến lên 50 3.5.2 Tính tốn tuyến xuống 52 3.5.3 Mơ hình vật lý đƣờng truyền vệ tinh 54 KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 v MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN BER CDMA Bit Error rate Code Division Multiple C/I Access to noise Carrier C/No C/No C/T C/T DVB-S2 Eb/No Tỷ lệ lỗi bit Đa nhập cập phân chia theo mã Tỷ số cơng suất sóng mang tín hiệu hữu ích nhiễu Tỷ số cơng suất sóng mang mật độ phổ tạp âm Tỷ số cơng suất sóng mang nhiệt tạp âm hệ thống Digital Video Broadcasting Truyền hình số qua vệ tinh hệ thứ Satellite Second Generation Eb/No Năng lƣợng bit mật độ phổ tạp âm EIRP Equivalent isotropic radiated power Công suất xạ đẳng hƣớng tƣơng đƣơng FDMA Đa nhập cập phân chia theo tần số G anten Frequency Division Multiple Access Antenna Gain G/T G/T Hệ số phẩm chất GEO GEO-stationary earth orbits Quỹ đạo địa tĩnh HEO Highly elliptical orbit Quỹ đạo elip cao HPA High Power Amplifier Bộ khuyếch đại công suất lớn ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet ITU LEO International Tổ chức viễn thông quốc tế Telecommunication Union Low earth orbits Quỹ đạo mặt đất tầm thấp LNA Low Noise Amplifier Bộ khuyếch đại tạp âm thấp PCM Pulse Code Modulation Điêu biên mã xung PSK Phase shift keying Khóa dịch pha MEO Medium Earth orbit Quỹ đạo vệ tinh tầm trung MCPC Multi Chanel per Carrier Đa kênh sóng mang NOC Network Operations Center Trung tâm điều hành mạng SES Satellite Earth Station Hệ số tăng ích anten Trạm thơng tin vệ tinh mặt đất vi SCPC Single Chanel per Carrier Đơn kênh sóng mang SFD Saturated Flux Density Mật độ thơng lƣợng bão hòa TDMA Time Division Multiple Access TTVT Đa nhập cập phân chia theo thời gian Thông tin vệ tinh VNPT Viet Nam Post and Telecommunications Group Tập đồn bƣu viễn thơng Việt VSAT Very small aperture terminal Đầu cuối có độ nhỏ VTI Vietnam Telecom International Công ty Viễn Thông Quốc tế Nam vii DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Tên bảng Trang 1.1 Các tham số vệ tinh băng tần C 13 1.2 Các tham số trạm mặt đất băng tần C 14 1.3 Các tham số vệ tinh băng tần Ku 14 1.4 Các tham số trạm mặt đất băng tần Ku điển hình 15 1.5 Các tham số vệ tinh băng tần Ka 16 1.6 Các tham số trạm mặt đất băng tần Ka 16 3.1 Sự suy giảm khí theo tần số 47 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hình Tên hình Trang 1.1 Cấu trúc hệ thống TTVT 1.2 Phân đoạn mặt đất 1.3 Các dạng quỹ đạo vệ tinh 10 1.4 Sự phụ thuộc hấp thụ khí vào tần số 12 2.1 Minh họa ghép kênh FDM cho kênh thoại 18 2.2 Hệ thống ghép kênh TDM cho tín hiệu thoại 19 2.3 Sơ đồ phương pháp điều chế BPSK 23 2.4 Sơ đồ khối hệ thống điều chế QPSK 25 2.5 Dạng tín hiệu điều chế QPSK 25 2.6 Giản đồ pha điều chế QPSK 25 2.7 Sơ đồ mạch điều chế DPSK 26 2.8 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA 28 2.9 Đa truy nhập theo thời gian 30 3.1 3.2 Cấu trúc tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh VINASAT I Mơ hình vật lý đường truyền vệ tinh ix 35 54 LỜI MỞ ĐẦU Trong thập kỷ qua, với phát triển khoa học , cơng nghệ ngành viễn thơng có phát triển vƣợt bậc, đáp ứng nhu cầu trao đổi thơng tin góp phần khơng nhỏ cơng xây dựng định hƣớng phát triển xã hội loài ngƣời Chúng ta sống kỷ nguyên bùng nổ thông tin, việc trao đổi thông tin diễn khắp nơi giới với yêu cầu nhanh chóng xác Đối với thơng tin quốc tế, thông tin vệ tinh cung cấp đƣờng thông tin dung lƣợng lớn, tầm liên lạc xảy diện rộng thơng tin vệ tinh thể tính ƣu việt mặt kinh tế.Việt Nam khơng đứng ngồi xu đó, thực tế bốn năm ( từ năm 2008-2012) Việt Nam đƣa vào hoạt động hai vệ tinh Vinasat-1 Vinasat Để hiểu rõ hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm công nghệ thông tin, công nghệ thiết bị, liên lạc qua hệ thống thông tin vệ tinh từ xây dựng tuyến liên lạc phù hợp, đƣợc giúp đỡ thầy giáo hƣớng dẫn, em thực đề tài : Nghiên cứu công nghệ thơng tin vệ tinh Đi sâu tính tốn đƣờng truyền vệ tinh VINASAT I Phần nội dung đề tài đƣợc phân bố gồm chƣơng: Chƣơng1 :Tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh Chƣơng2 :Kỹ thuật cơng nghệ thơng tinh vệ tinh Chƣơng 3: Tính toán đƣờng truyền vệ tinh VINASAT I Đƣợc hƣớng dẫn tận tình thầy cơ, em cố gắng vận dụng kiến thức học để hoàn thành đồ án, nhƣng thời gian kiến thức hạn chế, hẳn đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong đƣợc góp ý, bảo, đóng góp thầy bạn PRx = 10log100 – 200 = -180 (dBW) = -150 (dBm) Với công suất nhỏ nhƣ máy thu khó thu đƣợc tín hiệu, để có đƣợc cơng suất đầu vào máy thu khoảng -70 dBm ta phải sử dụng anten phát thu có hệ số tăng ích lớn Nếu hệ số tăng ích anten trạm mặt đất G R = 50dB anten thu vệ tinh có hệ số tăng ích GT = 30 dB Ngồi suy hao khơng gian tự do, thực tế có suy hao khác, khơng lớn suy hao khơng gian tự nhƣng tính tốn cần phải kể đến 3.4.2 Suy hao tầng đối lưu Tầng đối lƣu lớp khí nằm sát mặt đất lên đến độ cao (10km15km) (theo quy định tầng đối lƣu tiêu chuẩn), bao gồm chất khí hấp thụ sóng gây suy hao nhƣ nƣớc, Oxy, Ozon, Cacbonic Suy hao phụ thuộc nhiều vào tần số góc ngẩng anten đáng kể tần số công tác từ 10GHz trở lên, nghĩa công tác băng Ku (14/12GHz) hay băng Ka (30/20GHz) Anten có góc ngẩng lớn suy hao tầng đối lƣu 48 nhỏ, đƣờng truyền sóng tầng đối lƣu ngắn Tại tần số 21GHz 60GHz có suy hao cực đại, cộng hƣởng hấp thụ phân tử nƣớc Oxy 3.4.3 Suy hao tầng điện ly Tầng điện ly lớp khí nằm độ cao khoảng 60 km đến 400 km, bị ion hóa mạnh nên lớp khí độ cao bao gồm chủ yếu điện tử tự do, ion âm dƣơng nên đƣợc gọi tầng điện ly Sự hấp thụ sóng tầng điện ly giảm tần số tăng, tần số 600 MHz hấp thụ khơng đáng kể 3.4.4 Suy hao mưa Suy hao điều kiện thời tiết nhƣ mây, mƣa, sƣơng mù, suy hao phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ cƣờng độ mƣa hay sƣơng mù, vào tần số, vào chiều dài quãng đƣờng sóng mƣa, chiều dài phụ thuộc vào góc 45 ngẩng anten Khi góc ngẩng tăng, suy hao giảm, với góc ngẩng anten khoảng 400 trở lên suy hao khơng đáng kể, lúc suy hao mƣa khoảng 0,6 dB, suy hao sƣơng mù khoảng 0,2dB, suy hao chất khí nhỏ bỏ qua Nói chung tần số cƣờng độ mƣa tăng suy hao tăng nhanh, đặc biệt khoảng tần số từ 10GHz đến 100GHz Nhƣ nói trên, giá trị suy hao mƣa Lmƣa đƣợc xác định giá trị hệ số suy hao cụ thể γR (dB/km) chiều dài đoạn đƣờng thực tế sóng mƣa lmƣa Nhƣ ta có : Lmƣa = lmƣa γR [3-22] Giá trị γR phụ thuộc vào tần số cƣờng độ mƣa R p (mm/h) Các giá trị điển hình suy hao mƣa vƣợt 0.01% năm trung bình (với R 0.01 ~ 30-50 mm/h) khoảng 0.1 dB GHz; từ 5÷10 dB 12 GHz; từ 10÷20 dB 20 GHz từ 25÷40 dB 30 GHz le chiều dài thực tế sóng qua vùng mƣa (km), phụ thuộc vào góc ngẩng anten, độ cao anten đƣợc xác định theo công thức le= (hm-hs)/sinE (km) với hm độ cao mƣa (km), theo khuyến nghị 564 CCIR vĩ độ từ 00 đến 560 lấy hm = 3 0.028 (km) hs độ cao anten trạm mặt đất so với mực nƣớc biển (km) E góc ngẩng anten (độ) 3.4.5 Suy hao tượng khí hậu khác Suy hao chất khí khí phụ thuộc vào tần số, góc ngẩng, độ cao đặt trạm nồng độ nƣớc Nó khơng đáng kể tần số nhỏ 10 GHz không vƣợt 1-2 dB tần số 22 GHz ( tần số tƣơng ứng với dải hấp thụ nƣớc) với độ ẩm trung bình khí góc ngẩng lớn 10 46 Bảng3.1 dƣới mơ tả suy giảm khí theo tần số : Độ Suy hao khí quyển(dB/km) Tần số (GHz) 0.25