Bài giảng thông tin vệ tinh

Bài giảng thông tin vệ tinh Bài giảng thông tin vệ tinh dùng cho hệ đào tạo dài hạn. Mời các bạn cùng tham khảo học tập mở mang kiến thức. Vào cuối thể kỉ 19, nhà bác học Nga đã đưa ra các khái niệm cơ bản về tên lửa đẩy dùng nhiên liệu lỏng, ông cũng đưa ra ý tưởng về tên lửa đẩy nhiệt tầng, các tàu vũ trụ có người điều khiển dùng để thăm dò vũ trụ.

Khoa Vô tuyến Điện tử Học viện Kỹ thuật Quân sự

Bμi giảng thông tin vệ tinh

dùng cho hệ đào tạo dài hạn

(45 tiết- dự thảo)

Chương 1: Tổng quan về thông tin vệ tinh (8 tiết)

1.1 Lịch sử phát triển thông tin vệ tinh

♦ Vào cuối thế kỷ 19, nhà bác học Nga Tsiolkovsky (1857-1035) đã đưa ra các khái niệm cơ bản về tên lửa đẩy dùng nhiên liệu lỏng Ông cũng đưa ra ý tưởng về tên lửa đẩy nhiều tầng, các tàu vũ trụ có người điều khiển dùng để thăm dò vũ trụ

♦ Năm 1926 Robert Hutchinson Goddard thử nghiệm thành công tên lửa đẩy dùng nhiên liệu lỏng

♦ Tháng 5 năm 1945 Arthur Clarke nhà vật lý nổi tiếng người Anh đồng thời là tác giả của mô hình viễn tưởng thông tin toàn cầu, đã đưa ra ý tưởng sử dụng một hệ thống gồm 3

vệ tinh địa tĩnh dùng để phát thanh quảng bá trên toàn thế giới

♦ Tháng 10 / 1957 lần đầu tiên trên thế giới, Liên Xô phóng thành công vệ tinh nhân tạo SPUTNIK – 1 Đánh dấu một kỷ nguyên về TTVT

♦ Năm 1958 bức điện đầu tiên được phát qua vệ tinh SCORE của Mỹ, bay ở quỹ đạo thấp

♦ Năm 1964 thành lập tổ chức TTVT quốc tế INTELSAT

♦ Năm 1965 ra đời hệ thống TTVT thương mại đầu tiên INTELSAT-1 với tên gọi Early Bird

♦ Cuối năm 1965 Liên Xô phóng TTVT MOLNYA lên quỹ đạo elíp

♦ Năm 1971 thành lập tổ chức TTVT quốc tế INTERSPUTNIK gồm Liên Xô và 9 nước XHCN

♦ Năm 1972-1976 Canada, Mỹ, Liên Xô và Indonesia sử dụng vệ tinh cho thông tin nội

địa

♦ Năm 1979 thành lập tổ chức thông tin hàng hải quốc tế qua vệ tinh INMARSAT

♦ Năm 1984 Nhật bản đưa vào sử dụng hệ thống truyền hình trực tiếp qua vệ tinh

♦ Năm 1987 Thử nghiệm thành công vệ tinh phục vụ cho thông tin di động qua vệ tinh

♦ Thời kỳ những năm 1999 đến nay, ra đời ý tưởng và hình thành những hệ thống thông tin di động và thông tin băng rộng toàn cầu sử dụng vệ tinh Các hệ thống điển hình như GLOBAL STAR, IRIDIUM, ICO, SKYBRIGDE, TELEDESIC

♣ Một số mốc đánh dấu sự phát triển của hệ thống TTVT ở Việt Nam:

♦ Năm 1980 khánh thành trạm TTVT mặt đất Hoasen-1, nằm trong hệ thống TTVT INTERPUTNIK, được đặt tạo làng Do Lễ – Kim Bảng – Hà Nam Đài Hoasen-1 là sản

phẩm của nhà nước Liên Xô tặng nhân dân Việt Nam và đã kịp thời truyền đi trực tiếp

những hình ảnh về Olimpic 1980 tổ chức tại Liên Xô

♦ Năm 1984 khánh thành trạm mặt đất Hoasen-2 đặt tại Tp HCM

♦ Ngày 24/9/1998 Thủ tướng chính phủ ra quyết định 868/QĐ-TTG về việc thông qua

báo cáo tiền khả thi dự án phóng vệ tinh viễn thông ViNaSAT lên quỹ đạo địa tĩnh do

tổng công ty Bưu chính viễn thông Việt Nam làm chủ đầu tư

♦ Hiện nay mạng lưới thông tin vệ tinh của việt nam đang chỉ sử dụng các trạm mặt đất

như: Đài truyền hình Việt Nam thuê vệ tinh MEASAT và THAICOM-3, đài tiếg nói Việt

Nam thuê vệ tinh PALAPA để phát thanh chương trình quốc tế

1.2 Quỹ đạo của vệ tinh

các vệ tinh trên quỹ đạo được phân biệt bởi các tham số sau đây:

- Dạng của quỹ đạo (tròn hay ellip)

- Độ cao của quỹ đạo so với mặt đất

- Độ nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo so với mặt phẳng xích đạo

Sự chuyển động của vệ tinh vòng quanh trái đất được tuân theo định luật Kepler, đây là

định luật xác định quy luật chuyển động của hành tinh xung quanh mặt trời Như vậy, vệ

tinh quỹ đạo trái đất buộc phải chuyển động theo một quỹ đạo mà mặt phẳng quỹ đạo của

nó đi qua tâm trái đất

• Định luật kepler thứ nhất:

Vệ tinh chuyển động vòng quanh trái đất theo một quỹ đạo Ellip với tâm trái đất

nằm ở một trong hai tiêu điểm của Ellip Điểm xa nhất của quỹ đạo so với tâm trái đất

nằm ở phía của tiêu điểm thứ hai, được gọi là viễn điểm còn điểm gần nhất của quỹ đạo

a

b a

e= 2 ư 2

ý nghĩa:

- Vệ tinh chuyển động theo quỹ đạo tròn hoặc Ellip

- Tâm trái đất nằm 1 trong 2 tiêu điểm của quỹ đạo Ellip

- Nếu là quỹ đạo tròn thì tâm của quỹ đạo trùng với tâm của trái đất

- Khi e = 0, thì quỹ đạo vệ tinh là quỹ đạo tròn

b Định luật kepler thứ hai:

2a

2b

b

Vệ tinh chuyển động theo một quỹ đạo với vận tốc thay đổi sao cho đường nối giữa tâm

trái đất và vệ tinh sẽ quét các diện tích bằng nhau khi vệ tinh chuyển động trong cùng một

thời gian như nhau

Với: T1 = T2 thì S1 = S2

ý nghĩa:

- Vệ tinh chuyển động với vận tốc nhanh hơn

khi gần trái đất và chậm hơn khi xa trái đất

- Vận tốc chuyển động của vệ tinh trên quỹ

đạo tròn là không đổi và được xác định:

Vệ tinh bay ở quỹ đạo tròn có bán kính R sẽ

là một đại lượng không đổi, được xác định khi thực hiện phép lấy cân bằng lực hút và lực

ly tâm

R

mV R

R R

GM

V = = 630 / và chu kỳ là

(s) 10

R V

R

Trong đó:

+ G là hằng số hấp dẫn (6,674.10-8 cm3/gs2)

+ M là khối lượng của trái đất (5,974.1027g)

+ m là khối lượng của quả vệ tinh (g)

+ R là khoảng cách từ tâm trái đất đến vệ tinh (km)

c Định luật kepler thứ ba:

Bình phương của chu kỳ quay tỷ lệ thuận với luỹ thừa bậc ba của bán trục lớn của quỹ

a Quỹ đạo đồng bộ - đĩa tĩnh (GEO - Geostationalry Earth Orbit):

♦ Là quỹ đạo thoả mãn các điều kiện sau:

- Là quỹ đạo đồng bộ với trái đất: có nghĩa là chu kỳ quay bằng chu kỳ quay của trái

đất xung quanh trục Bắc Nam

- Mặt phẳng quỹ đạo năm trong mặt phẳng xích đạo của trái đất: có nghĩa là góc

- Vệ tinh được coi là đứng yên so với trạm mặt đất Do vậy, đây là quĩ đạo lý tưởng

cho các vệ tinh thông tin, nó đảm bảo thông tin ổn định và liên tục suốt 24 giờ trong ngày

- Vùng phủ sóng của vệ tinh lớn, bằng 42,2% bề mặt trái đất

- Các trạm mặt đất ở xa có thể liên lạc trực tiếp và hệ thống 3 quả vệ tinh có thể phủ

sóng toàn cầu

♦ Nhược điểm:

+ Quĩ đạo địa tĩnh là quĩ đạo duy nhất tồn tại trong vũ trụ và được cọ là một tài nguyên

thiên nhiên có hạn Tài nguyên này đang cạn kiệt do số lượng vệ tinh của các nước phóng

lên ngày càng nhiều

+ Không phủ sóng được những vùng có vĩ độ lớn hơn 81,30

+ Chất lượng đường truyền phụ thuộc vào thời tiết

+ Thời gian trễ truyền lan lớn, theo đường ngắn nhất có:

Từ: trạm - vệ tinh - trạm (72.000Km) ≈ 240ms

Từ: trạm - vệ tinh - trạm Hub - vệ tinh - trạm (154.000Km) ≈ 513ms

Từ: trạm - vệ tinh - vệ tinh - trạm (134.000Km) ≈ 447ms

+ Tính bảo mật không cao

+ Suy hao công suất trong truyền sóng lớn (gần 200dB)

♦ ứng dụng: Được sử dụng làm quỹ đạo cho vệ tinh thông tin bảo đảm thông tin cho các

vùng có vĩ độ nhỏ hơn 81,30

b Quĩ đạo Ellip:

♦ Là quỹ đạo thoả mãn các điều kiện sau:

- Mặt phẳng quỹ đạo nghiêng so với mặt phẳng xích đạo 630 26’

- Có viễn điểm = 40.000Km và cận điểm 500Km

Quỹ đạo Ellip

40.000 K

- Vệ tinh quay từ Tây sang Đông

♦ Ưu điểm:

- Phủ sóng đ−ợc các vùng có vĩ độ cao > 81,30

- Góc ngẫng lớn nên giảm đ−ợc tạp âm do mặt đất gây ra

♦ Nh−ợc điểm:

- Mỗi trạm phải có ít nhất 2 an ten và an ten phải có cơ cấu điều chỉnh chùm tia

- Để đảm bảo liên lạc liên tục 24h

thì phải cần nhiều vệ tinh

♦ ứng dụng: Đ−ợc sử dụng làm quỹ đạo cho vệ tinh thông

tin bảo đảm thông tin cho các vùng có vĩ độ lớn hơn 81,30

c Quĩ đạo LEO và MEO:

♦ Là quỹ đạo trong thoả mãn các điều kiện sau:

- Là quỹ đạo có độ cao 500Km < h < 20.000Km

( 500Km < h < 10.000Km là LEO và 10.000Km < h < 20.000Km là MEO)

- Có vận tốc góc nhỏ lớn hơn vận tốc góc của trái đất

- Có chiều quay từ Tây sang Đông

- Để đảm bảo thông tin liên tục trong 24h

và phủ sóng toàn cầu thì cần rất nhiều vệ tinh (Để phủ sóng toàn cầu hệ thống Globalstar cần đến 48 vệ tinh (và 8 vệ tinh dự phòng) các

vệ tinh thông tin bay ở quĩ đạo tròn cách mặt đất 1410km, nghiêng 520, các vệ tinh này

bay trên 8 mặt phẳng quĩ đạo mỗi mặt phẳng có 6 vệ tinh, chu kỳ vệ tinh 114 phút Tập

đoàn Irdium (của Motorola) cần 66 + 6 vệ tinh bay ở quĩ đạo tròn nghiêng 84,60 cách mặt

đất 780km, các vệ tinh bay ở 11 mặt phẳng quĩ đạo, chu kỳ vệ tinh 106 phút)

- Mỗi trạm phải có ít nhất 2 an ten và an ten phải có cơ cấu điều chỉnh chùm tia

- Điều khiển hệ thống TTVT rất phức tạp

- Tuổi thọ của vệ tinh không cao khi bay ở quỹ đạo LEO do thuộc vành đai Ion hoá

♦ ứng dụng: Đ−ợc sử dụng làm quỹ đạo cho vệ tinh thông tin bảo đảm thông tin cho các

trạm mặt đất di động

1.3 Hệ thống thông tin vệ tinh

Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm phần không gian và phần mặt đất

a Phần không gian: bao gồm vệ tinh thông tin và các trạm điều khiển TT&C

(Telemetry, Tracking& Command: đo lường từ xa, bám và lệnh) ở mặt đất Đối với vệ

tinh bao gồm phân hệ thông tin (payload) và các phân hệ phụ trợ cho phân hệ thông tin:

- Phân hệ thông tin bao gồm hệ thống anten thu phát và tất cả các thiết bị điện tử hỗ

trợ truyền dẫn các sóng mang

- Các phân hệ phụ trở gồm:

+ Khung vệ tinh

+ Phân hệ cung cấp năng lượng

+ Phân hệ điều khiển nhiệt độ

+ Phân hệ điều khiển quỹ đạo và tư thế của vệ tinh

+ Phân hệ đẩy

+ Thiết bị TT&C

- Nhiệm vụ phân hệ thông tin:

+ Khuyếch đại sóng mang thu được phục vụ cho việc phát lại trên đường xuống Công

suất sóng mạng tại đầu vào của máy thu vệ tinh nằm trong khoảng 100 pW đến 1 PW

Công suất sóng mang tại đầu ra bộ khuếch đại công suất cao nằm trong khoảng 10 W đến

100 W Do vậy, bộ khuếch đại công suất của bộ phát đáp vệ tinh khoảng 100dB đến

130dB

+ Thay đổi tần số sóng mang để tránh một phần công suất phát đi vào máy thu vệ tinh

Để thực hiện các chức năng trên, vệ tinh hoạt động như một trạm chuyển tiếp đơn

giải Thay đổi tần số trên vệ tinh được thực hiện bằng các bộ đổi tần vệ tinh loại này được

gọi là “Transparent satellite” Nếu các sóng mang được giải điều chế trên vệ tinh, thay đổi

tần số sẽ đạt được bằng cách điều chế các sóng mang mới cho đường xuống Các vệ tinh

loại này được trang bị các bộ xử lý băng gốc và được gọi là “Regenerative satellite”

b Phần mặt đất: bao gồm tất cả các trạm mặt đất, những trạm này thường được nối trực

tiếp hoặc thông qua các mạng mặt đất để đến các thiết bị đầu cuối của người sử dụng

Trạm mặt đất 1

Quỹ đạo

Vệ tinh

Trạm mặt đất 2

• Nhiệu vụ trạm mặt đất phát: Tiếp nhận các tín hiệu từ mạng mặt đất hoặc trực tiếp từ

các thiết bị đầu cuối của người sử dụng, xử lý các tín hiệu này trong trạm mặt đất sau đó

phát tín hiệu này ở tần số và mức độ công suất thích hợp cho sự hoạt động của vệ tinh

• Nhiệu vụ trạm mặt đất thu: Thu các sóng mang trên đường xuống của vệ tinh ở tần số

chọn trước, xử lý tín hiệu này trong trạm để chuyển thành các tín hiệu băng gốc sau đó

cung cấp cho các mạng mặt đất hoặc trực tiếp tới các thiết bị đầu cuối của người sử dụng

• Một trạm mặt đất có thể có khả năng thu và phát lưu lượng một cách đồng thời hoặc

trạm chỉ phát hoặc chỉ thu

1.4 Đa truy nhập trong thông tin vệ tinh

Trong thực tế, một bộ phát đáp có thể phục vụ cùng một lúc nhiều trạm mặt đất khác

nhau Kỹ thuật đa truy nhập là kỹ thuật các trạm mặt đất truy nhập bộ phát đáp vệ tinh,

với yêu cầu sóng VTĐ từ các trạm mặt đất riêng lẻ không can nhiễu lẫn nhau

a Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA):

♦ Các trạm mặt đất sử dụng các tần số sóng mang khác nhau và cùng chung một bộ phát

đáp

♦ Ưu điểm:

- Thủ tục truy nhập đơn giản

- Cấu hình trạm mặt đất đơn giản

♦ Nhược điểm:

- Không linh hoạt thay đổi tuyến

- Hiệu quả thấp khi sử dụng nhiều kênh, dung lượng thấp và chất lượng thấp

b Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA):

♦ Các trạm mặt đất sử dụng cùng một tần số sóng mang và cùng chung một bộ phát đáp

nhưng dựa trên phân chia theo thời gian

- Linh hoạt trong thay đổi tuyến

- Hiệu quả sử dụng tuyến cao ngay cả khi tăng số lượng trạm truy nhập

♦ Nhược điểm: Yêu cầu cầu đồng bộ cụm

c Đa truy nhập phân chia theo m∙ (CDMA):

♦ Các trạm mặt đất sử dụng cùng một tần số sóng mang và cùng chung một bộ phát đáp

nhưng dựa trên phân chia theo mã

♦ Ưu điểm:

- Chịu được tạp nhiễu và méo

- Chịu được sự thay đổi các thông số khác nhau của đường truyền

- Dung lượng cao

- Bảo mật cao

♦ Nhược điểm:

- Độ rộng băng tần truyền dẫn yêu cầu cao

- Hiệu quả sử dụng băng tần kém

CDMA là kỹ thuật đa truy nhập mới và cấch lượng tốt nhất hiện nay!

d Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA)

Việc phủ sóng các vùng khác nhau trên mặt đất và phương pháp sử dụng các phân

cực sóng khác nhau thì với phổ tần giống nhau có thể sử dụng lại vài lần mà can nhiễu bị

hạn chế giữa các người sử dụng

- Phân cực: có các loại phân cực thẳng đứng (VP) và phân cực nằm ngang (HP)

Phân cực tròn có phân cực tròn bên trái (LHCP) và phân cực tròn bên phải (RHCP), có

thể được phát đi cùng tần số từ vệ tinh nhưng với hai phân cực khác nhau mà các trạm mặt

đất thu đúng tín hiệu của trạm mình mà không bị can nhiễu do sử dụng các anten thu có

phân cực khác nhau

- Vệ tinh với việc sử dụng các loại anten khác nhau có kích thước khác nhau, có thể phủ

sóng lên mặt đất với các vùng phủ sóng có diện tích và hình dạng khác nhau Có bốn dạng

phủ sóng cơ bản đó là: phủ sóng toàn cầu, là vùng phủ sóng rộng nhất mà vệ tinh có thể

phủ được; phủ sóng bán cầu là vùng phủ sóng một nửa bán cầu phía đông và phía tây của

quả đất; phủ sóng khu vực là vùng phủ sóng một khu vực khá lớn như bắc Mỹ, châu Âu

hoặc Đông Nam á và vùng phủ sóng “đốm” là vùng phủ sóng với diện tích nhỏ nhất so

với ba vùng trên

Nếu các vùng phủ sóng không chồng lấn lên nhau và năng lượng bức xạ của các búp phụ

phủ sóng lên các vùng khác thấp dưới mức cho phép thì trong mỗi vùng phủ sóng đó có

C

Code Division Multiple Access

Phổ tần số vô tuyến điện là một nguồn tài nguyên thiên nhiên hữu hạn, vì vậy nhất

thiết phải sử dụng nguồn tài nguyên này một cách hợp lí, kinh tế và có hiệu quả

a Cửa sổ tần số vô tuyến điện

Đường truyền của thông tin vệ tinh bị ảnh hưởng chủ yếu do tầng điện ly ở tần số thấp và

do mưa ở tần số cao Dải tần 1GHzữ10GHz ít bị ảnh hưởng bởi tầng điện ly và mưa nên

được gọi là cựa sổ tần số VTĐ và được chỉ ra trong đồ thị sau:

Tuy nhiên, dải tần 1GHzữ10GHz cũng được sử dụng nhiều cho các đường thông tin

vi ba trên mặt đất, do đó sẽ có sự can nhiễu lẫn nhau giữa hai hệ thống Ngoài ra để

mở rông băng thông người ta phải chấp nhận sử dụng cả dải tần ngoài cửa sổ

Sóng mm > 40GHz Liên lạc giữa các vệ tinh

c Phân bổ tần số trong thông tin vệ tinh

- Khu vực I (V1): Bao gồm Châu Âu, Châu Phi, một phần Châu á và Liên bang Nga

Suy hao do tầng

điện ly

Suy hao do mưa

ITU phân chia dải tần theo vùng như bảng sau

1.6 Các loại hình dịch vụ trong trong thông tin vệ tinh

Dự vào đặc điểm của vệ tinh thông ti là có khả năng phát quảng bá trên một vùng địa lý

rất rộng, thông tin vệ tinh đã được sử dụng để thành lập các tuyến thông tin điểm nối

điểm và điểm nối đa tiểm Trên cơ sở các tuyến thông tin trên, thông tin vệ tinh được sử

dụng để cung cấp các dịch vụ cố định và di động Một số loại dịch vụ sau:

a Dịch vụ điện thoại đường dài: cung cấp các tuyến đường trục mà mạng mặt đất chưa

triển khai tới hoặc khi các mạng mặt đất quá tải trong giờ cao điểm và làm tuyến dự

phòng cho các tuyến đường trục mặt đất khi có sự cố

b Dịch vụ viễn thông nông thôn: cung cấp các dịch vụ viễn thông như thoại, fax cho các

vùng xa xôi hẻo lánh, các hải đảo những nơi mà mạng mặt đất chưa tới hoặc xây dựng

không kinh tế

c Mạng dùng riêng: cung cấp các dịch vụ viễn thông như thoại, fax, truyền số liệu cho

các cơ quan nhà nước, các công ty cần đường truyền có độ sẵn sàng cao

d Dịch vụ lưu động: cung cấp các dịch vụ truyền số liệu với tốc độ thấp giữa các đài di

động như xe tải, tàu biển với trung tâm điều hành các đài di động

e Chuyển tiếp chương trình truyền hình và phát thanh: cung cấp đường truyền giữa các

trạm HUB của trung tâm truyền hình đến các trạm phát chuyển tiếp đặt tại các vị trí cách

xa trung tâm

f Truyền hình trực tiếp: cung cấp các kênh truyền hình mà người xem có thể thu trực tiếp

chương trình từ vệ tinh bằng một anten thu có đường kính 60 cm Dịch vụ này khách hàng

trả tiền cước phío hàng tháng tuỳ thuộc vào số kênh

g Dịch vụ băng tần theo yêu cầu: cung cấp các dịch vụ theo yêu cầu của khách hàng như

truyền số liệu tốc độ cao có giao tiếp hoặc không có giao tiếp Dịch vụ này khách hàng trả

tiền theo số lền truyền

h Dịch vụ Internet qua vệ tinh: cung cấp đường truyền dữ liệu tốc độ cao từ nhà cung cấp

dịch vụ Internet (IPS) đến các thuê bao dịch vụ

i Dịch vụ chuẩn đoán bệnh từ xa: cung cấp các dịch vụ tư vấn y tế cho các bệnh viện ở xa

trung tâm y tế và giữa các trung tâm y tế với nhau

j Dịch vụ đào tạo từ xa: cung cấp dịch vụ đào tạo từ xa cho các trung tâm đào tạo

1.7 Phóng vệ tinh, định vị vμ duy trì vệ tinh trên quỹ đạo

a Phóng vệ tinh lên quỹ đạo địa tĩnh

- Dùng tàu con thoi: Loại này được dùng lại nhiều lần, độ tin cậy cao, giá thành đắt Như

tàu con thoi Mỹ, Colombia

- Dùng tên lửa đẩy nhiều tầng: Loại này không sử dụng lại được, giá thành phóng rẻ,

ngày này dùng tên lửa đẩy nhiều tầng đang được sử dụng rộng rãi Như tên lửa Proton (Nga),

Delta (My), Long March (Trung Quốc)

Quá trình phóng vệ tinh lên quỹ đạo phụ thuộc vào loại tên lử đẩy, vị trí địa lý của bãi

phóng và các vấn đề liên quan đến phân hệ thông tin Song phương pháp phóng kinh tế và

quy chuẩn nhất là dự trên quỹ đạo chuyển tiếp Hohmann

- Giai đoạn 1: Dùng tên lửa đẩy nhiều tầng để đưa vệ tinh lên quỹ đạo LEO có độ cao

200Km, V = 7.784m/s

- Giai đoạn 2: Tại điểm nâng của quỹ đạo LEO, dùng tên lửa đẩy nhiều tầng thực hiện

tăng tốc với VPhóng= 10.234m/s để đưa vệ tinh sang quỹ đạo chuyển tiếp Ellip có viễn

điểm thuộc quỹ đạo địa tĩnh (h=35.786 Km) và cận điểm thuộc quỹ đạo LEO

(h=200Km), còn được gọi là quỹ đạo Hohmann

- Giai đoạn 3: Khi vệ tinh chuyển động qua viễn điểm của quỹ đạo Hohmann thì sử

dụng động cơ đẩy viễn điểm đặt trong vệ tinh để đưa vệ tinh về quỹ đạo đĩa tĩnh và về vị

trí của nó

b Đưa vệ tinh vào quỹ đạo đĩa tĩnh: Quá trình định vị vệ tinh bắt đầu khi vệ tinh được

đưa vào quỹ đạo chuyển tiếp bao gồm quá trình đưa vên tinh vào quỹ đạo xích đạo và sau

đó từ từ đưa vệ tinh vào vị trí địa tĩnh của nó Để thực hiện được quá trình này, các động

cơ đẩy viễn điểm APM, các động cơ phản lực của vệ tinh được điều khiển bằng các trung

tâm và các trạm điều khiển đặt tại các vị trí khác nhau của trái đất Các trung tâm điều

khiển thực hiện các chức năng sau:

- Xác định tư thế của vệ tinh

- Tính toán các thông số tối ưu cho quá trình điều khiển vệ tinh từ quỹ đạo Hohmann

sang quỹ đạo tròn

- Xác định các thông số của động cơ hiệu chỉnh hướng của vệ tinh

QĐ

Quỹ đạo LEOh=200Km V=7.784m/s

Quỹ đạo GEO h=35.786Km V=3.075m/s

Quỹ đạo Hohmann h

= 35.786Km h= 200Km C

VPhóng=10.234m/s

VPhóng=10.234m/s

- Giám sát và đo các thông số quỹ đạo của vệ tinh so sánh với trạng thái cuối cùng của vệ

tinh như dự kiến

c Duy trì vệ tinh trên quỹ đạo: các công việc chính được thực hiện trong quá trình duy

trì vệ tinh trên quỹ đạo là:

- Các dao động của vệ tinh xung quanh vị trí quỹ đạo theo hướng Đông Tây, Nam Bắc

phải được duy trì trong khoảng ± 0.10

- Tư thế vệ tinh phải được giám sát và hiệu chỉnh để bảo đảm anten vệ tinh luôn luôn

hướng về các vùng mong muốn của trái đất

Nhiễu vμ tạp âm trong hệ thống tTVT (6 tiết)

2.1 Các nguồn nhiễu trong hệ thống thông tin

Tạp âm do can nhiễu từ các hệ thống khác gây ra các nguồn can nhiễu có thể chia

làm hai loại:

- Can nhiễu do các hệ thống vô tuyến điện chuyển tiếp mặt đất có cùng băng tần:

- Can nhiễu từ các hệ thống vệ tinh khác:

2.2 Tạp âm trong hệ thống thông tin

Tạp âm là tín hiệu không nằm trong nội dung thông tin, tác động lên tín hiệu có

ích Nó làm giảm khả năng khôi phục lại nội dung thông tin của máy thu

Các nguồn tạp âm bao gồm:

- Tạp âm phát ra từ các nguồn tự nhiên trong khu vực đặt anten thu

- Tạp âm tạo ra bởi các linh kiện điện tử trong thiết bị

Các tín hiệu từ các máy phát khác tác động lên máy thu cũng gây nên tạp âm Tạp

âm này được gọi là can nhiễu

Công suất tạp âm nằm trong độ rộng băng của tín hiệu có ích Thường đó là băng

thông của máy thu Một kiểu tạp âm dùng rất nhiều đó là tạp âm trắng là mật độ phổ tạp

âm No (W/Hz) bằng hằng số trong băng tần yêu cầu (hình 2.10)

Công suất tạp âm tương đương N (W) đo được trong độ rộng băng BN (Hz) có giá trị :

G là hệ số khuyếch đại công suất của hệ thống

nhiệt độ vật lý

T = Te

không có tạp âm

đầu vào

T = 0

Hệ thống thực

hệ thống tạp âm tự

do

Công suất tạp âm có giá trị như

nhau

Hình 4.14: Nhiệt tạp âm đầu vào tương đương của hệ thống

nhiệt độ vật lý có thể không phải là T

nguồn tạp âm

nhiệt độ vật lý T

công suất có giá

trị (W):

N = kTB

Hình 4.13: Xác định nhiệt tạp âm của một nguồn tạp âm

ở đây k là hằng số Boltzmann = 1,379 10-23 = - 228,6 dB (W/HzK), T là nhiệt độ của một

điện trở tạo ra giá trị công suất tạp âm như nguồn xem xét (hình 4.13) Công suất tạp âm

có giá trị là công suất tạo ra bởi nguồn có trở kháng phù hợp với nguồn

Nhiệt tạp âm Te của một phần tử 4 cực là nhiệt độ của một điện trở đặt tại đầu vào của

phần tử giả định với tạp âm tự do, tạo ra công suất tạp âm có giá trị như nhau tại đầu ra

của phần tử khi phần tử thực không có nguồn tạp âm ở đầu vào (hình 4.14) Te là tạp âm

bên trong của phần tử bốn cực

Hệ số tạp âm của phần tử bốn cực là tỷ số của tổng công suất tạp âm ở đầu ra của

phần tử trên thanh phần của công suất này sinh ra bởi một nguồn ở đầu vào của phần tử

đó với nhiệt tạp âm bằng nhiệt tạp âm chuẩn To = 290 K

Giả thiết rằng phần tử có hệ số khuếch đại công suất G, độ rộng băng tần B và bị

tác động bởi một nguồn nhiệt tạp âm To; công suất tổng tại đầu ra là Gk(Te+T0)B Giá trị

của công suất này ban đầu từ nguồn là GkT0B Vạy hệ số tạp âm sẽ là:

F = {Gk(Te+T0)B} = (Te+T0)/T0 = 1+Te/T0 (4.40) 2.3 Tạp âm nhiệt vμ các nguồn tạp âm nhiệt

a Nhiệt tạp âm của anten

Một anten thu tạp âm từ các vật thể bức xạ nằm trong đồ thị bức xạ của nó Tạp âm đầu ra

của anten là một hàm của tính hướng , đồ thị bức xạ và trạng thái của môi trường xung

quanh Anten được coi như một nguồn tạp âm đặc trưng bởi nhiệt tạp âm và gọi là nhiệt

tạp âm của anten TA (K)

Nếu gọi Tb(θ,ϕ)là nhiệt độ chiếu sáng của một vật thể bức xạ nằm trong hướng

(θ,ϕ) mà ở hướng đó hệ số tăng ích của anten có giá trị G(θ,ϕ) Nhiệt tạp âm của anten

b Nhiệt tạp âm của bộ suy hao

Một bộ suy hao là một phần tử bốn cực gồm những phần tử thụ động (có thể là các điện

kháng) tất cả có nhiệt độ TF là nhiệt độ xung quanh Nếu LF là suy hao gây ra bởi bộ suy

hao, thì nhiệt tạp âm của bộ suy hao sẽ là:

Te = (LF - 1)TF (K) (4.42) Nếu TF = T0 bằng cách so sánh 4.40 và 4.42 thì hệ số tạp âm của bộ suy hao bằng:

FF = LF

c Nhiệt tạp âm của một thiết bị có nhiều phần tử trong tầng

Giả sử một thiết bị bao gồm một dãy N phần tử bốn cực trong tầng, mỗi phần tử j

có hệ số khuếch đại công suất Gj (j = 1,2,3, N) và nhiệt tạp âm là Tẹj

Nhiệt tạp âm của thiết bị là:

Te = Te1 + Te2/G1 + Te3/G1G2 + + TN/G1G2 GN-1 (K) (4.43)

Hệ số tạp âm nhận được từ (2.19)

F = F1 + (F2 - 1)/G1 + (F3 - 1)/G1G2 + + (FN - 1)/G1G2 GN-1 (4.44)

d Nhiệt tạp âm của máy thu

Xét thiết bị thu chỉ ra trên hình 4.15 gồm một anten nối đến một máy thu qua phide Việc

đấu nối gây mất mát và ở nhiệt độ đo được TF (gần với T0 = 290 K) Gây ra suy hao LFRX

tương ứng với hệ số tăng ích GFRX = 1/LFRX và nhỏ hơn 1 Nhiệt tạp âm của hệ thống sẽ

được quyết định ở hai điểm sau:

- Tại đầu ra anten, trước mất mát đấu nối, nhiệt độ T1

- Tại đầu vào máy thu, sau mất mát, nhiệt độ T2

Nhiệt tạp âm T1 tại đầu ra anten là tổng của nhiệt tạp âm anten TA và nhiệt tạp âm của

phân hệ bao gồm đấu nối và máy thu trong các tầng Nhiệt tạp âm đấu nối cho bởi 4.42

Từ 4.43 nhiệt tạp âm của phân hệ là (LFRX - 1)TF + TR/GFRX. Thêm vào anten, tương tự

như một nguồn tạp âm, Điều đó có được:

T1 = TA + (LFRX - 1)TF + TR/GFRX (K) (4.45) Bây giờ xem xét đầu vào máy thu, tạp âm này bị suy hao bởi một hệ số LFRX Thay

thế GFRX bằng 1/LFRX, nhiệt tạp âm đầu vào máy thu sẽ là:

T2 = T1/LFRX = TA/LFRX + TF(1- 1/LFRX) + TR (K) (4.46)

Nhiệt tạp âm này đưa ra cho việc tính tạp âm tạo ra bởi anten và sự đấu nối đồng

thời với tạp âm máy thu được gọi là nhiệt tạp âm hệ thống Chú ý rằng việc đo lường tạp

âm tại điểm này chỉ phản ánh tạp âm của anten và đấu nối

Tóm lại: tạp âm trong một hệ thống thu được quyết định bởi nhiệt tạp âm tại một điểm đã

cho trong hệ thống, hầu hết thường ở đầu vào máy thu; nhiệt tạp âm này được gọi là nhiệt

tạp âm hệ thống Nó là tổng tại điểm đó, tất cả nhiệt tạp âm tương ứng tạo ra tạp âm phía

trên và tất cả nhiệt tạp âm tương đương đối với tạp âm tạo ra ở phía dưới của của điểm

xem xét

2.4 Tạp âm anten thu

Có hai trường hợp được xem xét:

- Anten vệ tinh (tuyến lên)

- Anten trạm mặt đất (tuyến xuống)

a Anten vệ tinh tuyến lên

Tạp âm nhận được bởi anten là tạp âm từ mặt đất và tạp âm từ không gian bên

ngoài Độ rộng búp sóng của anten vệ tinh bằng hoặc nhỏ hơn góc quan sát từ vệ tinh

nhiệt tạp âm anten cho ở hình 4.16 Phụ thuộc vào tần số và vị trí quỹ đạo của vệ tinh

Khi độ rộng nhỏ hơn ( một búp sóng hẹp) nhiệt độ phụ thuộc vào tần số và vùng phủ

sóng; đất liền bức xạ tạp âm lớn hơn đại dương Thường lấy giá trị tạp âm anten bằng

290 K Nhiệt tạp âm đầu vào bộ khuếch đại tạp âm thấp của vệ tinh bằng:

b Anten trạm mặt đất (tuyến xuống)

Tạp âm gây ra cho anten bao gồm tạp âm từ bầu trời và tạp âm do bức xạ từ mặt

đất

• Trường hợp trời trong ở những tần số lớn hơn 2 GHz ảnh hưởng không

phải vùng ion của khí quyển mà là môi trường hấp thụ, như là một nguồn tạp âm Khi

không xẩy ra các hiện tượng khí tượng (đựơc gọi là bầu trời trong) nhiệt tạp âm anten

bao gồm nhiệt tạp âm của bầu trời và mặt đất xung quanh

trời nằm trong hướng anten có hệ số tăng ích lớn Như vậy ảnh hưởng của tạp âm bầu

anten Hình 4.18 chỉ ra nhiệt tạp âm bầu trời trong như là hàm của tần số và góc ngẩng

[khuyến nghị 720, CCIR]

Bức xạ từ mặt đất ở vùng lân cận trạm gây ra do các búp phụ của anten và một

T

1

Tạp âm này có thể tăng thêm bởi các nguồn riêng lẻ nằm trong khu vực lân cận

Chỉ có mặt trời và mặt trăng được kể đến đối với các trạm mặt đất hướng về vệ

âm sẽ tăng lên khi có các vật thể trên bầu trời nằm thẳng hàng với trạm mặt đất và vệ

tinh Điều kiện đặc biệt này có thể biết trước Để rõ hơn, tại tần số 12 GHz một anten

13 m nhiệt tạp âm tăng lên do mặt trời tại thời gian đó có giá trị bằng 12.000 K Các

mặt trăng tăng lên khoảng 250 K tại 4 GHz [theo khuến nghị 390, CCIR]

Tb.trời/A

Tm.đất

bầu trời

Tmđất

Hình : ảnh hưởng của nhiệt tạp âm lên anten trạm mặt đất

Tbtrời bầu trời

mưa = bộ suy hao T m A mưa

• Trường hợp có mưa Nhiệt tạp âm anten tăng do điều khiện khí tượng như mây

và mưa làm tăng hấp thụ Từ biểu thức 4.45, nhiệt tạp âm anten trở thành:

TA = Tb.trời/Amưa + Tm(1 - 1/Amưa) + Tm.đất (K) (4.54)

- Tần số

- Góc ngẩng

- Điều khiện khí quyển (bầu trời trong hay mưa)

Do vậy, hệ số phẩm chất của một trạm mặt đất cần phải được xác định rõ điều

kiện thực tế về tần số, góc ngẩng, và tình trạng của khí quyển

2.5 Hệ số tạp âm:

- Hệ số tạp âm của mạng 4 cực

Tạp âm sinh ra trong một mạng bốn cực (có thể là bộ khuếch đại hay bộ tiêu hao) thường

được biểu thị bởi hệ số tạp âm F

Hệ số tạp âm của một mạng 4 cực bằng tỷ tín hiệu trên tạp âm ở đầu vào trên tỷ số

tín hiệu trên tạp âm ở đầu ra của mạng

0

0 N S

N S

F = i i

Tuy nhiên khi làm việc với các tín hiệu yếu như trong thông tin vệ tinh thì tạp âm

N thường được biểu thị bởi nhiệt tạp âm tương đương T (K: độ kelvin)

Tất cả các vật thể có nhiệt độ vật lý T (K) sẽ bức xạ ra sóng điện từ, một phần của

bức xạ này nằm trong băng tần viba và sẽ gây ra tạp âm như một nguồn tạp âm Vậy:

Nhiệt tạp âm tương đương là nhiệt độ của một điện trở tương đương sinh ra tạp âm

có công suất như của nguồn tạp âm tạo ra, như minh hoạ trên hình 3.37

Nguồn tạp âm với một nhiệt độ

G1

T1

G2

T2

G3

T3

Hình 3.39: Mạng 4 cực có nhiều tầng

Công suất tạp âm trong một độ rộng băng tần B sẽ là:

N = kTB (W) (3.23) Trong đó k là hằng số Boltzmann:

k = 1,3806 ì 10-23+ W s/K = - 228,60 dBW/Hz.K (3.24)

T là nhiệt độ tuyệt đối (K), B giải thông của tạp âm (Hz)

Với nhiệt độ 290 K trong độ rộng băng 50 MHz công suất tạp âm sẽ lμ:

0,2 ì 10-12

= 0,2pW Một anten có nhiệt độ mặt ngoài là 290 K sẽ thu được công suất tạp

âm 0,2pW trong băng tần 50 MHz

Quan hệ giữa hệ số tạp âm và nhiệt tạ âm của một mạng 4 cực sẽ là:

Nếu nhiệt tạp âm đầu vào là To , mạng 4 cực có hệ số truyền đạt là G, nhiệt tạp âm tương

đương của mạng 4 cực là Te như biểu thị trên hình 3.38 thì:

Si /Ni = Si/kToB, So/No = GSi/Gk(To + Te)B thay vào công thức 3.22 nhận được:

0 0

T

T T

T T B T T Gk

GS

B kT

S

e i

- Hệ số tạp âm của mạng 4 cực mắc nối tiếp

Nếu mạng 4 cực gồm nhiều tầng như chỉ ra trên hình 3.39 thì tạp âm đầu ra sẽ được tính:

Tạp âm do nguồn ngoài tác động vào đầu vào ởđầu ra của mạng 4 cực 3 tầng:

N01 = G1G2G3kT0B Tạp âm của tầng thứ nhất ở đầu ra của mạng, được khuếch đại bởi tầng thứ hai và

ba:

đầu vào

N i =kT o B

nguồn tạp âm Nhiệt độ

To

Máy thu

hệ số k.đại G giải thông B nhiệt tạp âm tương đương

Te

đầu ra

Hình 3.38: hệ số tạp âm và nhiệt

N02 = G2G3 (kTe1G1B) Tạp âm của tầng thứ hai được được khuếch đại bởi tầng thứ ba:

N03 = G3 (kTe2G2B) Tạp âm bản thân tầng thứ ba ở đầu ra của mạng:

N04 = kTe3G3B) Tạp âm tổng ở đầu ra của mạng sẽ là:

N0T = N01 + N02 + N03 + N04

N0T = G1G2G3 kB (T0 + Te1 + Te2/ G1 + Te3/ G1 G2) Nhiệt tạp âm tổng của 3 tầng ở đầu ra của mạng:

TeS = Te1 + Te2/ G1 + Te3/ G1 G2Tổng quát một mạng có n tầng thì nhiệt tạp âm của hệ thống sẽ là:

TeS = Te1 + Te2/ G1 + Te3/ G1 G2 + + Ten/ G1G2 Gn-1 (3.27) Trong đó Te1 n là nhiệt tạp âm tương đương của các tầng 1, 2, 3, n - 1

G1 n là hệ số khuếch đại của mỗi tầng

Từ công thức 3.27 ta có nhận xét là: Tạp âm đầu ra của một mạng 4 cực có nhiều

tầng được quyết định bởi tạp âm của tầng đầu tiên

Phân hệ thu của trạm mặt đất muốn có tạp âm nhỏ thì tầng đầu tiên phải là tầng

khuếch đại tạp âm thấp (LNA) Để giảm mức tạp âm đầu vào của LNA, chúng được đặt

gần anten để giảm tạp âm của đoạn fide tiếp điện từ anten đến LNA

Hệ số phẩm chất của trạm mặt đất được đánh giá bằng tỷ số hệ số tăng ích của

anten thu G trên nhiệt tạp âm của hệ thống TeS (G/TeS) hầu như được quyết định bởi hệ số

tạp âm và hệ số khuếch đại của LNA cùng với hệ số tăng ích của anten Bởi vậy việc sử

dụng một LNA có hệ số tạp âm càng nhỏ càng tốt Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu một số

bộ khuếch đại tạp âm thấp sử dụng các linh kiện khuếch đại khác nhau được sử dụng phổ

biến ở các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ tinh

2.6 Độ nhạy máy thu

a Định nghĩa

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm biểu thị mối quan giữa độ lớn của tín hiệu thu và tạp âm tại đầu

vào máy thu Sau đây ta xem xét một vài tỉ số sau:

- Tỷ số công suất tín hiệu trên công suất tạp âm; Điều này được coi như là bản chất vì

hai độ lớn cùng loại được so sánh với nhau Nó thường được định rõ là công suất của

sóng mang điều chế ký hiệu C trên công suất tạp âm N, được viết C/N

- Thực tế tỷ số công suất tín hiệu trên mật độ phổ tạp âm, được viết C/N0 có đơn vị là Hz

ưu điểm hơn so với với tỷ số C/N vì nó biểu thị cho bất kỳ một độ rộng băng sử dụng

Thực tế thể hiện độ rộng băng tạp âm tương đương BN của máy thu được điều chỉnh đến

độ rộng băng B chiếm bởi sóng mang điều chế

- Tỉ số công suất tín hiệu trên nhiệt tạp âm; tỷ số này nhận được từ C/N0 qua nhân với

C/N0 = [(PTXGTmax/LTLFTX)(1/LFSLA)(GRmax/LRLFRXLPOL)

/[TA/LFRX + TF(1 - 1/LFRX) + TR](1/k) (Hz) (4.47)

Biểu thức này có thể được giải thích như sau:

C/N0 = (EIRP máy phát)(1/mất mát đường truyền)(hệ số tăng ích của máy thu/nhiệt tạp

thu cũng như công suất tín hiệu và mật độ phổ tạp âm được tính tại cùng một điểm

c Hệ số phẩm chất của thiết bị thu

Biểu thức 4.48 của C/N0 đưara ba hệ số:

- Thứ nhất (EIRP) đặc trưng cho thiết bị phát

- Thứ hai (1/L = 1/LFSLA) đặc trưng cho môi trường truyền dẫn

- Thứ ba (hệ số tăng ích máy thu/nhiệt tạp âm) đặc trưng cho thiết bị thu Nó được gọi

là hệ số phẩm chất, hoặc G/T của thiết bị thu

Bằng việc khảo sát 4.47 có thể thấy rằng hệ số phấm chất G/T của thiết bị thu là

hàm của nhiệt tạp âm anten TA và nhiệt tạp âm tương đương TR của may thu Giá trị của

nó sẽ được xác định dưới đây

d Nhiệt tạp âm anten

Có hai trường hợp được xem xét:

- Anten vệ tinh (tuyến lên)

- Anten trạm mặt đất (tuyến xuống)

e Nhiệt tạp âm của máy thu

Hình 4.20 chỉ ra cấu trúc của máy thu áp dụng công thức 4.42 nhiệt tạp âm TR của máy

thu có thể biểu thị:

TR = TLNA + TMX/GLNA + TIF/GLNAGMX (K) (4.55)

Chương 3:(6 tiết)

Kỹ thuật truyền dẫn vμ đa truy nhập

trong thông tin vệ tinh

3.1 Các đặc tính tín hiệu:

- Tín hiệu thoại

Phạm vi tần số mà con người có thể nghe lên tới trên 20KHz, tuy nhiên phổ

của tín hiệu thoại tập trung chủ yếu trong dải 0,3ữ3,4 KHz Do vậy trong hầu hết

các thiết bị viễn thông người ta đã cắt bỏ tần số ngoài dải này mà không gây méo

lớn

Chất lượng của tín hiệu thoại tương tự về lý thuyết được quy định bởi CCITT

(Uỷ ban tư vấn quốc tế về điện thoại điện báo), đó là tỷ số tín hiệu trên tạp âm khi

băng gốc bị gây nhiễu trường hợp tồi nhất, như khi truyền tin trên cự ly dài Tuy

nhiên khi xem xét tín hiệu chuẩn “test tone” thì tạp âm cực đại cho phép trong băng

gốc là 10.000 picowatts

Đặc tính của tiếng nói là có phạm vi biến động lên tới 50dB giữa nói thầm và

la hét Người nói thường hay dừng trong quá trình đàm thoại, trung bình chỉ chiếm

40% thời gian đàm thoại

Việc truyền tín hiệu số được đánh giá qua tye số bít lỗi trên tổng số bít thu

được (BER) Thông thường với một hệ thống được đánh giá là tốt khi thoả mã

- Số liệu

Tín hiệu dữ liệu được chia làm 3 loại:

+ Dữ liệu băng hẹp (narrow): ≤ 300bit/s

+ Dữ liệu băng rộng (wide): > 16 k bit/s Việc phân loại theo tốc độ bít này để phù hợp với các yêu cầu cung cấp của

các phương tiên truyền thông Chất lượng được đánh giá qua BER

- Tín hiệu hình

Để truyền đi hình ảnh người ta thực hiện biến đổi hình ảnh thành các tín hiệu

điện bằng việc quét hình theo một tỷ lệ phù hợp, tuỳ thuộc vào các chuẩn khác

nhau như Mỹ hay Châu âu bao gồm có quét dòng và quét mành

Tín hiệu video được phát đi bao gồm 4 thành phần tách biệt:

+ Âm thanh + Tín hiệu chói (brightness) chứa đựng thông tin + Tín hiệu đồng bộ cho quét dòng và quét mành + Tín hiệu đồng bộ màu

Với các hệ thống 625 dòng Châu Âu (PAM và SECAM) và hệ thống 525

dòng Mỹ (NTSC) thì tín hiệu video tổng hợp chứa các thông tin về màu được điều

tới một sóng mang con tại tần số 3,5MHz hoặc 4,5MHz tuỳ thuộc vào từng hệ

thống

3.2 Mô hình kênh vμ truyền dẫn:

- Mô hình kênh vμ các chỉ tiêu chất lượng

- Bộ biến đổi thực hiện biến đổi thông tin truyền đi (tiếng nói, hình ảnh, vv )

thành một tín hiệu thích hợp với đường truyền, còn được gọi là quá trình điều

chế

- Máy phát sẽ gửi tín hiệu này qua đường truyền dẫn VTĐ hay HTĐ

- Máy thu biến đổi tín hiệu thu được thành tin tức ban đầu của nó, sau đó phân

phát tới nơi nhận tin

- Thông thường tạp âm gây ra do đường truyền dẫn, máy phát, máy thu và bộ

biến đổi nên đã làm cho chất lượng tín hiệu thu thấp hơn tín hiệu đã truyền đi

Trong quá trình điều chế người ta tải thông tin trên một tín hiệu tần số cao để

được một dạng phù hợp với đường truyền dẫn Tín hiệu cao tần này được gọi là

sóng mang Nói chung sóng mang được biểu thị theo công thức

Trong TTVT thì thường sử dụng hệ thống điều chế FM theo kiểu điều chế

tương tự và sử dụng hệ thống điều chế PSK theo kiểu điều chế số

Hệ thống FM có ưu điểm là sử dụng hiệu quả phổ tần còn hệ thống PSK có

tỷ số lỗi nhỏ hơn so với các hệ thống điều chế khác khi cùng tỷ số C/N

Đường truyền (VTĐ HTĐ)

Máy thu

Bộ biến

đổi

Nơi nhận tin

Nguồn tạp âm Hình : Cấu trúc mô hình của hệ thông thông tin

Điều chế

Hình : Các hệ thông điều chế khác nhau

Điều chế tương tự

Thay đổi biên độ (A)

Thay đổi pha (θ) Thay đổi tần số (fc)

Phổ sóng AM

Sóng mang Băng tần thấp Băng tần cao

mV e /2

mVe/2

(fe-fm) fe (fe+fm)

Hình : Dạng sóng điều biên

+ Hệ thống điều chế biên độ: làm thay đổi biên độ sóng mang tỷ lệ với điện

áp (dòng điện) của tín hiệu truyền đi

+ Hệ thống điều tần làm thay đổi tần số sóng mang tỷ lệ với điện áp (dòng

điện) của tín hiệu truyền đi Theo lý thuyết, phổ của nó bao gồm vô số các sóng ở

băng tần rộng

+ điều chế pha: rất giống với điều tần, điều pha thực hiện với một tín hiệu

điều chế đ−a qua một mạch vi phân cho ra cùng kết quả nh− điều tần thực hiện bởi

tín hiệu điều chế ban đầu Điều tần và điều pha đôi khi đ−ợc gọi là điều góc

- Truyền dẫn số

+ Khoá dịch biên ASK: Trong truyền dẫn tín hiệu số, ASK lamd thay đổi

biên độ của sóng mang theo tín hiệu cần truyền đi Khi tín hiệu đ−ợc truyền đi là

+ Khoá dịch tần FSK: Làm thay đổi tần số của sóng mang theo tín hiệu số

cần truyền đi, khi truyền dẫn một tín hiệu nhị phân, tần số sóng mang thay đổi

+ Khoá dịch pha nhị phân BPSK: Làm thay đổi góc pha θ trong phương trình

“1” và “0”

+ Khoá dịch pha cầu phương QPSK: Sử dụng 4 trạng thái pha được dùng để

đạt hiệu quả sử dụng tần số cao hơn so với hệ thống BPSK Tín hiệu truyền đi được

biến đổi từ nối tiếp sang song song, hai song smang khác pha nhau π/2 được điều

chế hai tín hiệu nhị phân trên và chúng được kết hợp lại với nhau thành tín hiệu ra

Tốc đọ tín hiệu trong đường truyền dẫn bằng ẵ tốc độ chuỗi đầu vào Quá trình giải

điều chế QPSK được coi là hai quá trình giải điều chế BPSK độc lập Hai tín hiệu

băng gốc I(t) và Q(t) là kết quả so pha tín hiệu thu được với hai sóng mang chuẩn

+ Các đặc tính lỗi mã hoá: Kết quả sau tách sóng đồng bộ được đánh giá qua

hàm lỗi

+ Kỹ thuật động bộ: bao gồm đồng bộ mạng, đồng bộ bit và đồng bộ khung

• Đồng bộ bit: Tái tạo và gửi tín hiệu thu được bằng cách sử dụng một tín hiệu

đồng bộ tái sinh từ các tín hiệu thu được ở phía thu để tái tạo các vị trí bit giống

nhau ở cả phía phát và thu

• Đồng bộ khung: được thực hiện ở hệ thống thông tin ghép kênh theo thời gian,

các xung đồng bộ khung phải chỉ ra chính xác điểm bắt đầu của một khung được

chèn vào chuỗi xung phát ra và phía thu xác định thời điểm đóng mở các cổng phân

kênh theo các xung đồng bộ kênh này; thứ tự đấu nối và định thời các thông tin

được thiết lập giống nhau ở cả hướng thu và phát

• Đồng bộ mạng: để tạo được tần số đồng bộ như nhau trên toàn bộ mạng

truyền dẫn

+ Sửa lỗi mã: Không thể tránh được tạp âm gây ra các lỗi mã trong TTVT vì các

trạm mặt đất thu được các tín hiệu cực kỳ yếu Có hai cách sửa lỗi cơ bản

• Sửa lỗi hướng đi FEC, chỉ có phía thu xác định các vị trí lỗi ở số liệu thu được

và thực hiện sửa nó Phù hợp với đường truyền tín hiệu thoại và truyền hình vì

chúng đòi truyền dẫn thời gian thực

Mã khối dùng để sửa lỗi hướng đi: ví dụ xét mã khối Hamming k=3, N=7, mã

này có chiều dài 7 bit trong đó có 4 bit tin và 3 bit mã, khả năng sử lỗi là một lỗi

bản lỗi để xác đị được chính xác bit sai và sửa, do là mã khối nhị phân nên việc sửa

được thực hiện bằng cách đảo ngược bit bị sai (0->1 hoặc 1->0)

thống các thanh ghi dịch tuyến tính có số trạng thái hữu hạn Cho số lượng thanh ghi dịch

là L, mỗi thanh ghi dịch có k ô nhớ và đầu ra bộ mã xoắn có n hàm đại số tuyến tính Tốc

độ mã là R = k/n, số ô nhớ của bộ ghi dịch là Lìk và tham số L còn gọi là chiều dài ràng

buộc của mã xoắn.

V1 sai đung sai

V2 sai sai sai

V3 sai sai đung

V4 đung sai sai

V5 sai đung đung

V6 đung sai đung

V7 đung đung sai

23

001

010 101

3)B

• Yêu cầu phát lại tự động ARQ, phía thu chỉ phát hiện ra các lỗi và yêu cầu

bên phát phát lại đoạn số liệu Phù hợp với đường truyền số liệu vì không cần thiết

phải truyền dẫn trong thời gian thực

3.3 Đa truy nhập trong thông tin vệ tinh:

Là kỹ thuật các trạm mặt đất truy nhập bộ phát đáp vệ tinh, với yêu cầu sóng

VTĐ từ các trạm mặt đất riêng lẻ không can nhiễu lẫn nhau Có các kỹ thuật truy

nhập thường được sử dụng trong TTVT như FDMA, TDMA, CDMA, SDMA, truy

nhập gói (Packet) và truy nhập ngẫu nhiên

1.3.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA):

♦ Các trạm mặt đất sử dụng các tần số sóng mang khác nhau và cùng chung một

bộ phát đáp

♦ Ưu điểm:

- Thủ tục truy nhập đơn giản

- Cấu hình trạm mặt đất đơn giản

♦ Nhược điểm:

- Không linh hoạt thay đổi tuyến

- Hiệu quả thấp khi sử dụng nhiều kênh, dung lượng thấp và chất lượng thấp

1.3.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA):

Trong TDMA một số trạm mặt đất dùng chung một bộ phát đáp vệ tinh bằng cách

phân chia khoảng thơì gian Mỗi trạm mặt đất được ấn định một khe thời gian và chỉ

được phát tín hiệu của chúng trong khe đó gọi là “cụm” Tập hợp tất cả các cụm ấn

định cho một số trạm mặt đất tạo thành một khoảng thời gian gọi là khung TDMA

Mỗi trạm mặt đất phát tín hiệu có có cùng

tần số sóng mang f0 và chiếm toàn bộ băng tần

của bộ phát đáp vệ tinh Vì các khe thời gian

khác nhau được ấn định cho tất cả các trạm mặt

đất nên chỉ có tín hiệu từ một trạm mặt đất

chiếm bộ phát đáp vệ tinh tại thời gian cho

phép và không bao giờ xẩy ra trường hợp tín

hiệu từ hai trạm mặt đất chiếm bộ phát đáp vệ

tinh trong cùng thời gian

Độ lâu của một khe thời gian ấn định cho

một trạm mặt đất được xác định trước tuỳ theo

yêu cầu lưu lượng của trạm đó Mỗi trạm mặt đất phát tín hiệu của nó trong khe ấn định

cho nó trong tất cả các khung TDMA Vì vậy, các tín hiệu phát đi từ mỗi trạm mặt đất

nằm trong mỗi cụm có chu kỳ đúng bằng chu kỳ phát khung TDMA Các cụm trong một

khung TDMA được ấn định sao cho không chồng lấn lên nhau, như chỉ ra trên hình 5.3

f

t

ABCD

A

Thời gian

1 khung

Một bộ phát đáp

Mạng TDMA bao gồm các trạm lưu lượng và ít nhất là một trạm chuẩn Các cụm phát

đi từ trạm lưu lượng gọi là cụm lưu lượng Số liệu lưu lượng được phát bởi cụm lưu lượng

Trạm chuẩn phát một cụm đặc biệt theo chu kỳ gọi là “cụm chuẩn” Cụm chuẩn cung cấp

chuẩn định thời cho các khung TDMA có chu kỳ bằng một khung TDMA Trạm lưu

lượng phát cụm lưu lượng và điều khiển định thời phát cụm luôn luôn theo cụm chuẩn,

như chỉ ra trên hình 5.4

Mỗi trạm lưu lượng phát các cụm lưu lượng trong khe thời gian được ấn định ở vệ tinh,

định thời phát cụm được điều khiển bởi cụm chuẩn, cụm chuẩn được sử dụng như là

chuẩn định thời

ở vệ tinh, cụm chuẩn và các cụm lưu lượng được sắp đặt theo thứ tự cố định để không

chồng lên nhau trong mỗi khung TDMA Mỗi trạm lưu lượng thu các cụm này và lấy ra

cụm lưu lượng chứa các tín hiệu có địa chỉ đến trạm lưu lượng đó’

Trong TDMA sử dụng tín hiệu số vì các tín hiệu số dễ biến đổi thành chuỗi các

cụm và dễ dàng điều khiển định thời phát và thu Vì vậy, các tín hiệu tương tự như tín

hiệu thoại trước hết được biến đổi thành tín hiệu số bằng mã hoá PCM Sau đó tín hiệu

thoại PCM và các tín hiệu số gốc như số liệu được ghép kênh phân chia theo thời gian

(TDM) Tín hiệu số đã ghép được biến đổi thành dạng cụm Sau đó đưa vào điều chế siêu

cao tần với kỹ thuật điều chế thường được sử dụng là biến đổi pha (khoá dịch pha: PSK)

Tóm lại phương pháp truyền dẫn tín hiệu trong TDMA là : điều xung mã - ghép kênh

phân chia theo thời gian - khoá dịch pha - đa truy nhập phân chia theo thời gian (PCM -

TDM - PSK - TDMA)

Vì trong PCM tần số lấy mẫu là 8 kHz nên độ dài khung của tín hiệu PCM là

125μs Trong TDMA, độ dài khung TDMA bằng bội số của độ dài khung TDMA hay

Khung TDMA và “cụm”

cùng tần số F

Trạm chuẩn Khung

5.1.2 Ưu điểm của TDMA

Thông tin vệ tinh với kỹ thuật TDMA có các ưu điểm so với FDMA như sau:

1/ Sử dụng hiệu quả công suất vệ tinh

Trong FDMA khi nhiều sóng mang đồng thời được khuếch đại chung bằng một

HPA thì sẽ gây ra nhiễu điều chế Để giảm nhỏ nhất nhiễu xuyên điều chế ta phải lùi

công suất ra một “độ lùi” khá lớn từ 6 dB đến 10 dB so với công suất ra cực đại Vì vậy

công suất HPA không được tận dụng hết

Còn trong TDMA số sóng mang trong một bộ phát đáp luôn luôn bằng một vì vậy

có thể cho HPA làm việc với công suất ra cực đại mà không có nhiễu xuyên điều chế

2/ Tính linh hoạt trong khai thác khi thay đổi nhu cầu lưu lượng Trong FDMA khi

thay đổi kênh đòi hỏi phải thay đổi phần cứng của thiết bị Trong TDMA, độ dài và vị trí

các cụm được xác định theo quan hệ về yêu cầu lưu lượng của mỗi trạm mặt đất Khi thay

đổi ấn định kênh trong TDMA cần thay đổi độ dàivà vị trí các cụm Trong trường hợp

này, không cần phải thay thế hoặc sửa đổi các thiết bị thông tin của trạm mặt đất mà chỉ

cần điều khiển bằng phần mềm

3/ Một ưu điểm khác của TDMA là có thể tăng dung lượng truyền dẫn lớn bằng

cách chọn kỹ thuật nội suy tiếng nói số (DSI) DSI là kỹ thuật mà các kênh vệ tinh được

ấn định cho người sử dụng chỉ khi có tín hiệu thoại truyền dẫn, thay vào các kênh vệ tinh

cố định ấn định cho từng cá nhân riêng biệt DSI có thể cung cấp kênh trên mặt đất gấp

hai lần so với số kênh vệ tinh có Đối với các tín hiệu thoại đã được số hoá, ta có thể dễ

dàng thực hiện nội suy tiếng nói vì thế dễ dàng áp dụng DSI trong TDMA Sự kết hợp

TDMA và DSI cho phép tăng dung lượng truyền dẫn lên ba hoặc bốn lần so với dung

lượng truyền dẫn FDMA

4/ Dễ dàng thực hiện đấu nối với các mạng mặt đất, Có khả năng tương thích tuyệt

vời với các mạng thông tin số và dễ dàng đấu nôi với mạng thông tin mặt đất mà hệ thống

số đang ngày càng phát triển

5.1.3: Nguyên lý đồng bộ cụm:

Trong TDMA các cụm được phát đi từ các trạm lưu lựơng phải được điều khiển

sao cho chúng được sắp xếp đúng vào khe thời gian đã được ấn định ở vệ tinh Việc điều

khiển định thời này được gọi là đồng bộ cụm

Như ta đã biết khoảng cách giữa vệ tinh và trạm mặt đất luôn luôn thay đổi vì

vậy thời gian cần thiết truyền một cụm lưu lượng từ trạm mặt đất đến vệ tinh thay đổi

liên tục Ngoài ra trạm chuẩn và các trạm lưu lượng có các đồng hồ riêng với các tần

số khác nhau vì vậy định thời phát cụm giữa các trạm là khác nhau, nếu không có

đồng bộ cụm thì các cụm được phát đi sẽ lệch khỏi thời gian được ấn định ở vệ tinh,

các cụm sẽ chồng lấn lên nhau ở vệ tinh, thông tin sẽ bị mất

cụm lưu lượng cụm chuẩn

trạm lưu lượng

trạm chuẩn

Đồng bộ vòng kín trực tiếp

trạm chuẩn trạm chuẩn

trạm lưu lượng

cụm chuẩn cụm lưu

Đồng bộ vòng kín hồi tiếp

Vị trí của khe thời gian ấn định cho một cụm phát đi từ một trạm lưu lượng được

xác định bằng vị trí tương đối của cụm đó so với cụm chuẩn Định thời phát cụm cần phải

được điều khiển theo chu kỳ lấy cụm chuẩn làm chuẩn định thời

Có ba phương pháp đồng bộ cụm để điều khiển vị trí tương đối của các cụm lưu

lượng so với cụm chuẩn: đồng bộ vòng kín trực tiếp, đồng bộ vòng kín hồi tiếp và đồng

bộ vòng mở

1/ Đồng bộ vòng kín trực tiếp

Đồng bộ vòng kín trực tiếp áp dụng cho hoạt động với vùng phủ sóng toàn cầu ở

đó mỗi trạm lưu lượng có thể luôn luôn thu được các cụm xuất phát từ trạm qua vệ tinh

Trạm lưu lượng thu cả cụm chuẩn và cụm lưu lượng của chính nó Khoảng thời gian giữa

hai cụm này được đo theo chu kỳ tại trạm lưu lượng.để phát hiện lỗi trong khoảng thời

gian bằng việc so sánh chúng với giá trị danh định đã cho Định thời phát cụm được đưa

ra hoặcbị trễ để bù cho lỗi phát hiện Bằng cách này cụm lưu lượng có thể được giữ ở vị

trí chính xác trong các khung TDMA

2/ Đồng bộ vòng kín hồi tiếp được áp dụng cho hoạt động của búp sóng “dấu in”, ỏ

đây mỗi trạm lưu lượng không thể thu được cụm khởi đầu từ trạm phát đi qua vệ tinh

Trạm lưu lượng không thể đo khoảng thời gian giữa cụm chuẩn và cụm phát đi từ trạm đó

vì trạm chuẩn đặt trong vùng đối diện, nằm trong vùng phủ sóng của búp “dấu in” khác

Trạm chuẩn gửi trở lại các kết quả đo tới trạm lưu lượng Trạm lưu lượng phát điều khiển

định thời phát cụm để bù lỗi so với vị trí danh định Việc bù trừ dựa trên kết quả đo được

ở trạm chuẩn gửi trả lại cho trạm lưu lượng Phương pháp đồng bộ này cũng có thể áp

dụng cho hoạtđộng đối với búp sóng toàn cầu

3/ Đồng bộ vòng mở: định thời phát cụm được xác định bằng cách bổ sung một

lượng trễ phù hợp vào định thời thu cụm chuẩn Lượng trễ này nhận được nhờ việc tính

toán dựa trên việc đo khoảng cách giữa mỗi trạm mặt đất và vệ tinh Mỗi trạm lưu lượng

thu cụm chuẩn và phát cụm của nó sau một độ trễ ước lượng tính từ định thời thu cụm

chuẩn Đòng bộ vòng mở có thể áp dụng cho cả búp “dấu in” và búp sóng toàn cầu và

đơn giản hơn so với các phương pháp đồng bộ cụm khác Tuy hiên lỗi vị trí giữa các cụm

trong đồng bộ vòng mở có thể lớn hơn

trạm lưu

Đồng bộ vòng mở

3.3 Khung TDMA và các khuôn dạng cụm

3.3.1: Khuôn dạng khung và khung TDMA chung trong một nhóm

Cấu trúc của khuôn dạng của khung TDMA sử dụng trong hệ thống Intelsat

Độ dài khung là 2 ms Một khung TDMA chứa 2 cụm chuẩn (RB1 và RB 2) và

một số cụm lưu lượng RB1 hoặc RB 2 hoạt động như cụm chuẩn sơ cấp, cụm chuẩn còn

lại là cụm chuẩn thứ cấp Số liệu điều khiển phát đi bởi cụm chuẩn để đồng bộ cụm và

điều khiển hệ thống được thực hiện bởi đa khung

Một đa khung gồm 16 khung TDMA liên tiếp có độ dài bằng 32 ms Các từ duy

nhất riêng biệt gọi là dấu đa khung được sử dụng cho các cụm trong khung 0, là khung

đầu tiên của đa khung Các dấu đa khung này được sử dụng để nhận biết khung 0 và chỉ

thị khởi đầu của đa khung

Cụm

chuần

1: RB1

Cụm chuần 2: RB2

Cụm lưu lượng 1 TB1

Cụm lưu lượng n TBn

Cụm chuần 1: RB1

Cụm chuần 2: RB2

2 ms

• • • • Dạng khung TDMA sử dụng trong hệ thống Intelsat

nhất riêng biệt gọi là

dấu đa khung

Một nhóm bộ phát đáp được đồng bộ với một nhóm khác để nhảy bộ phát đáp

Nhóm này được gọi là một nhóm các bộ phát đáp đồng bộ Hình 5.19 chỉ ra quan hệ định

thời giữa một khung TDMA chung trong nhóm và các cụm chuẩn của mỗi bộ phát đáp

đồng bộ trong nhóm đó

Khung TDMA được xác định duy nhất cho các bộ phát đáp trong nhóm bằng

cách tạo ra khởi đầu chính xác tất cả các khung giống như một khung khác Một bộ phát

đáp được chon làm bộ phát đáp chuẩn định thời RB 1 của bộ phát đáp này xác định khởi

đầu khung TDMA TRT là “bộ phát đáp chuẩn định thời” và SOF là “khởi đầu của khung

TDMA” cho tất cả các bộ phát đáp trong nhóm Việc xác định vị trí cụm trong nhóm dựa

vào SOF Tất cả các bộ phát đáp trong nhóm có thể thiết lập định thời chung bằng cách

xác định khởi đầu của khung TDMA cho tất cả các bộ phát đáp

Biểu đồ thời gian cụm quy định khoảng thời gian giữa RB1và SOF, và khoảng thời

gian giữa RB2 và SOF cho mỗi bộ phát đáp Một trong hai trạm chuẩn phát RB1 và ttrạm

chuẩn kia phát RB2 tại định thời danh định cho tất cả các bộ phát đáp trong nhóm

Các cụm chuẩn này bảo đảm các trạm lưu lượng với một chuẩn định thời để thực

hiện đồng bộ cụm RB1 phải đứng trước RB2 trong mỗi khung nhưng RB2 không phải

luôn luôn đặt ngay sau RB1 Một hoặc nhiều cụm lưu lượng có thể được xen vào giữa

RB1 và RB2 Cũng có trường hợp trong các bộ phát đáp loại trừ TRT, có một hoặc nhiều

cụm lưu lượng được đặt giữa SOF và RB1 Trong hệ thống TDMA Intelsat, đồng bộ

khung được thiết lập bằng việc xác định một khung TDMA chung cho một nhóm các bộ

phát đáp đồng bộ Hơn nữa, trong cùng một nhóm, đồng bộ đa khung cũng được thiết lập

sao cho các dấu đa khung phải xuất hiện trong cùng một khung TDMA ở tất cả các bộ

phát đáp Bằng cách thiết lập đồng bộ khung và đa khung theo phương pháp này, nhảy

bước phát đáp có thể được thực hiện Nghĩa là các trạm lưu lượng và trạm chuẩn có thể

phát các cụm kế tiếp nhau tới một số bộ phát đáp sử dụng một đầu cuối TDMA và cũng

theo cách tương tự có thể thu các cụm từ một số bộ phát đáp

1.3.3 Đa truy nhập phân chia theo m∙ (CDMA):

♦ Các trạm mặt đất sử dụng cùng một tần số sóng mang và cùng chung một bộ

phát đáp nhưng dựa trên phân chia theo mã

♦ Ưu điểm:

- Chịu được tạp nhiễu và méo

- Chịu được sự thay đổi các thông số khác nhau của đường truyền

- Dung lượng cao

- Bảo mật cao

♦ Nhược điểm:

- Độ rộng băng tần truyền dẫn yêu cầu cao

- Hiệu quả sử dụng băng tần kém

CDMA là kỹ thuật đa truy nhập mới và chất lượng tốt nhất hiện nay!

DNI: tín hiệu số không có nội suy DSI: tín hiệu số có nội suy

Số liệu

Các kênh vệ tinh Cụm con

Các mẫu PCM Một kênh

vệ tinh

1 2 3 4 5 6 7 8 Một mẫu

127 kênh DSI

Số cụm con cực đại : 8

Cấu trúc phân cấp của cụm lưu lượng