Thiết kế kênh truyền hình số vệ tinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI  LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ KÊNH TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH NGUYỄN TIẾN LONG HÀ NỘI 2006 MỤC LỤC  NỘI DUNG TRANG Trang đầu Lời cảm ơn Mục lục Các chữ viết tắt MỞ ĐẦU Chương 1- TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 - TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1.1 - Định nghĩa, phân loại 1.1.2 - Ưu điểm thơng tin liên lạc qua vệ tinh 1.2 - CẤU HÌNH KHÁI QUÁT CỦA MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN 1.2.1- Cấu trúc vệ tinh 1.2.2 - Trạm mặt đất 1.3 - TẦN SỐ LÀM VIỆC VÀ BĂNG THÔNG CỦA THÔNG TIN VỆ TINH 1.3.1 - Cửa sổ vô tuyến 1.3.2 - Phân định băng tần 1.4 - CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN TRÊN TUYẾN THƠNG TIN 1.4.1 - Các mức cơng suất 1.4.2 - Các loại suy hao 1.4.3 - Nhiễu tuyến thơng tin 15 1.4.4 - Tỉ lệ tín hiệu nhiễu đầu vào decoder 21 1.4.5 - Tỉ số lượng bit/mật độ nhiễu Eb/N O 21 Chương 2- PHÂN TÍCH HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH 22 2.1 - HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ QUA VỆ TINH 22 2.1.1 - Thực tiễn truyền hình số chuẩn DVB-S 22 2.1.2 - Kỹ thuật đa truy cập qua vệ tinh 23 2.2 - CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH 28 2.2.1 - Điều tần FM (frequency modulation) 28 2.2.2 - Mã hoá kênh (Channel encoding) 31 2.2.3 - Điều chế số ( Digital Modulation ) 31 2.2.4 - Hiệu suất phổ (spectral efficiency ) Г 32 2.2.5 - Chất lượng giải điều chế 33 2.2.6 - Giải mã sửa lỗi 35 2.2.7 - Tính tốn tốc độ liệu có ích so với dải thơng vệ tinh 38 2.2.8 - Hệ số phản xạ Г 40 2.2.9 - Hệ số sóng đứng – VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) 40 2.2.10 - Return loss 40 2.2.11 -Tổn hao không phối hợp trở kháng (Mismatch loss) 41 2.2.12 - Nén tần số ảnh (Image Rejection) 41 2.2.13 - Tạp âm méo xuyên điều chế vệ tinh 42 2.2.14 - Mức cơng suất tín hiệu vào 44 R R 2.2.15 - Dãy tốc độ symbol khoảng tần số ngõ vào 2.2.16 - Nhiệt độ nhiễu tương đương T R , hệ số nhiễu 2.2.17 - Băng thông IF2 2.2.18 - Mức công suất dao động ngõ vào Low-band 2.2.19 - Điểm ngăn hài bậc 2.2.20 - Mức audio 2.3 - HỆ THỐNG ANTEN 2.3.1 - Đặc tính , yêu cầu anten trạm mặt đất 2.3.2 - Phân loại anten 2.3.3 - Các thông số anten parabol đối xứng 2.3.4 - Phễu thu sóng 2.3.5 - Vị trí anten Chương - XỬ LÝ TÍN HIỆU AUDIO, VIDEO TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH 3.1 - AUDIO SỐ 3.1.1 - Tổng quan 3.1.2 - Các nguồn tín hiệu audio số 3.1.3 - Nén tín hiệu chuẩn MPEG – cho Audio số 3.1.4 - Sơ đồ khối nén MPEG 3.1.5 - Sơ đồ khối giải nén MPEG 3.2 - VIDEO SỐ 3.2.1 - Các hệ truyền hình màu giới 3.2.2 - Tiêu chuẩn composite số 3.2.3 - Tiêu chuẩn Component số 3.2.4 - Chuẩn nén MPEG-2 cho video số 3.2.5 - Quá trình giải nén MPEG-2 3.2.6 - Ứng dụng chuẩn nén MPEG-2 3.2.7 - MPEG-2 Profiles, Levels, and Layer 3.2.8 - Tốc độ mã hóa MPEG-2 3.3 - TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH SỐ 3.3.1 - Phân tán lượng (Energy dispersion) 3.3.2 - FEC (Forward Error Correction) 3.4 - ĐIỀU CHẾ SỐ QPSK 3.4.1 - Sơ đồ khối 3.4.2 - Băng thông tín hiệu QPSK 3.4.3 - Phổ tín hiệu QPSK 3.4.4 - Mạch giải điều chế QPSK 3.5 - BĂNG THƠNG VÀ DỊCH TẦN Chương - TÍNH TỐN KÊNH TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH 4.1 - CHUẨN BỊ CHO TUYẾN TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH 4.1.1 - Phần Vệ tinh 4.1.2 - Trạm mặt đất 4.2 - THIẾT KẾ TUYẾN TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH VINASAT 97 O E 4.2.1 - Vị trí đặt trạm mặt đất 4.2.2 - Tính tuyến lên 4.2.3 - Tính tuyến xuống R R P P 44 44 44 45 45 45 45 45 46 46 50 50 53 53 53 53 56 59 60 60 60 62 67 71 77 78 84 85 86 87 89 92 92 94 94 95 97 98 98 98 101 101 101 102 103 4.2.4 - Tính tuyến tổng 4.2.5 - Thiết kế tính tốn tuyến lên băng Ku 4.2.6 - Thiết kế tính tốn tuyến xuống băng Ku 4.2.7 - Tính tuyến tổng C trạm Hà nội 4.3 - TÍNH KÊNH TRUYỀN DẪN 4.4 - CHỌN MÁY THU VÀ MÁY PHÁT 4.5 - ĐẶT VỆ TINH LÊN QUỸ ĐẠO KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO KEY WORD PHỤ LỤC 104 107 111 114 116 116 117 118 119 120 PL1 LỜI MỞ ĐẦU  Trong thời đại ngày nay, thời đại công nghệ thông tin liên lạc, thiết bị hệ thống mạng phát triển giờ, ngày Hệ thống viễn thơng nói chung hệ thống truyền hình nói riêng đã, phát triển vũ bão Truyền hình từ kỹ thuật tương tự, đen trắng mặt đất bước qua kỷ nguyên số, màu, độ phân giải cao ứng dụng truyền dẫn cáp, vơ tuyến mặt đất, vệ tinh Thế giới có nhiều chuẩn, hệ thống , nhằm giải hoàn cảnh , đặc điểm , nhu cầu riêng nước Truyền hình số vệ tinh nước phát triển đến mức hồn thiện khơng ngừng cải tiến nhằm nâng cao chất lượng dung lượng kênh Truyền hình số vệ tinh Việt Nam bước đầu có ứng dụng phát triển dừng mức độ thuê kênh tính thời điểm Cơng nghệ truyền hình số vệ tinh Thế giới có nhiều chuẩn, hệ thống việc chọn theo hệ thống chuẩn để ứng dụng cho quốc gia điều đáng quan tâm nhà ứng dụng chuyên ngành Việc thiết kế kênh truyền hình số qua vệ tinh điều mẻ với nhà chuyên môn nước ta Nếu xét toàn diện từ thiết kế tính tốn đến cơng nghệ chế tạo cho hệ thống truyền hình số vệ tinh riêng Việt Nam cơng trình phức tạp Nhưng xét phương diện thiết kế tính tốn, chọn thiết bị mua nước lắp ráp thi công điều khả thi Trong khuôn khổ nội dung luận văn này, tác giả chủ yếu thiết kế hệ thống kênh truyền hình số qua vệ tinh Ứng dụng cơng nghệ chuẩn châu Âu, từ lựa chọn thiết bị cho yêu cầu cụ thể hệ thống Dựa vào hệ thống truyền hình số vệ tinh có sẵn, theo tài liệu huấn luyện chuyên gia nước ngoài, tác giả tổng hợp , biên soạn tính tốn ứng dụng cho hệ thống dùng đài truyền hình tỉnh hay thành phố Trong q trình tính toán thiết kế đề cập việc chọn lựa tốt cho tiêu giải pháp khắc phục hạn chế thường gặp Tuy nội dung luận văn có tính thực tiễn cao khơng tránh khỏi thiếu sót trình độ tác giả thời gian có hạn Xin thầy giáo đồng nghiệp góp ý bảo để nội dung luận văn thực có ích Xin chân thành cảm ơn TP.Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng năm 2006 Nguyễn Tiến Long Chương 1- TỔNG QUAN HỆ THỐNG THỐNG TIN VỆ TINH Chương 1- TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 - ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1.1 - Định nghĩa, phân loại + Một vệ tinh có khả thu phát sóng vơ tuyến điện phóng vào vũ trụ ta gọi vệ tinh thông tin Khi vệ tinh khuếch đại sóng vơ tuyến điện nhận từ trạm mặt đất phát lại sóng vơ tuyến điện đến trạm mặt đất khác Do vệ tinh chuyển động khác quan sát từ mặt đất, phụ thuộc vào quỹ đạo bay vệ tinh, vệ tinh phân vệ tinh quỹ đạo thấp vệ tinh địa tĩnh +Vệ tinh quỹ đạo thấp ( hình 1.1 ) vệ tinh nhìn từ mặt đất chuyển động liên tục, thời gian vệ tinh chuyển động vòng quỹ đạo khác với chu kỳ quay trái đất xung quanh trục Các quỹ đạo thấp có hình ellipse gồm : - LEOs (Low- Earth Orbits) độ cao 750 - 1500 km - MEOs (Medium – Earth Orbits) độ cao 10000 - 20000 km - Ngồi cịn có quỹ đạo cực, HEO + Ưu điểm hệ thống thơng tin dùng quỹ đạo : - Giảm thời gian trễ - Có thể thơng tin đến nơi trái đất LEOs ứng dụng nhiều dịch vụ thông tin di động, MEOs cạnh tranh với LEOs, hệ thống định vị tồn cầu GPS ( Global Position System) ví dụ ứng dụng MEOs + Vệ tinh địa tĩnh ( Geostationary Orbits – GEOs) vệ tinh phóng lên quỹ đạo trịn nằm mặt phẳng đường xích đạo cách trái đất 35786 km, vệ tinh loại bay xung quanh đất vòng 24 Do chu kỳ bay vệ tinh trùng chu kỳ quay đất xung quanh trục theo hướng từ tây sang đông, vệ tinh dường đứng yên quan sát từ mặt đất Mặc dù sử dụng rộng rãi thông tin vệ tinh vệ tinh đặt GEO có số khuyết điểm : Khó bao phủ vùng cực Khó đặt quỹ đạo Góc ngẩng tương đối thấp vĩ độ cao Thời gian trễ lớn ( thời gian tín hiệu gần 0.25s ) - Có ba loại hình thơng tin liên lạc qua vệ tinh : Dịch vụ cố định (FSS –Fixed Satellite Service): VSAT + GSO Dịch vụ quảng bá (BSS– Broadcast Satellite Service): TVRO,SMATV,Radio Dịch vụ di động (MSS – Mobile Satellite Services): SNG, LEO, MEO … 1.1.2 - Ưu điểm thơng tin liên lạc qua vệ tinh - Vùng phủ sóng rộng : vệ tinh đặt cách xa trái đất - Dung lượng thông tin lớn : sử dụng tần số cao nên băng tần rộng áp dụng biện pháp tiết kiệm khoảng tần số (FDMA, TDMA, CDMA …) - Độ tin cậy chất lượng thông tin cao : tuyến thơng tin có ba trạm, vệ tinh đóng vai trị trạm lặp, cịn hai trạm đầu cuối mặt đất nên xác suất hư hỏng tuyến thấp - Tính linh hoạt hiệu kinh tế : hệ thống thông tin thiết lập nhanh chóng GVHD TS Nguyễn Vũ Sơn SVTH Nguyễn Tiến Long Chương 1- TỔNG QUAN HỆ THỐNG THỐNG TIN VỆ TINH điều kiện trạm mặt đất cách xa Đặc biệt hiệu kinh tế cao thông tin cự li lớn, thông tin xuyên lục địa - Đa dạng loại hình dịch vụ : Dịch vụ thoại, Fax, Telex cố định Dịch vụ phát thanh, truyền hình quảng bá Dịch vụ thơng tin di động qua vệ tinh Dịch vụ VSAT, Inmarsat Hình 1.1 : Vệ tinh quỹ đạo thấp Hình 1.2 : Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh Vệ tinh địa tĩnh bảo đảm thơng tin ổn định liên tục so với vệ tinh quỹ đạo thấp, nên sử dụng truyền hình Nếu ba vệ tinh địa tĩnh đặt cách đường xích đạo hình 1.2 thiết lập thơng tin hầu hết vùng đất cách chuyển tiếp qua vệ tinh Điều cho phép xây dựng mạng thông tin tồn cầu Hình 1.3 : Hệ thống thơng tin vệ tinh GVHD TS Nguyễn Vũ Sơn SVTH Nguyễn Tiến Long Chương 1- TỔNG QUAN HỆ THỐNG THỐNG TIN VỆ TINH 1.2 - CẤU HÌNH KHÁI QUÁT CỦA MỘT HỆ THỐNG THƠNG TIN Hệ thống thơng tin vệ tinh ( hình 1.3 ) gồm có: Một vệ tinh địa tĩnh Các trạm mặt đất Đường hướng từ trạm phát mặt đất đến vệ tinh gọi tuyến lên Đường hướng từ vệ tinh đến trạm thu mặt đất gọi tuyến xuống 1.2.1 - Cấu trúc vệ tinh : Hình 1.4 mơ tả vệ tinh bao gồm: - Vệ tinh nhân tạo chứa máy thu phát hình, điều khiển bay - Anten định hướng cho mặt đất, góc tỏa sóng anten chọn cho sóng bao trùm vùng cần phủ mặt đất (cả nước vùng lục địa) - Nguồn lượng cung cấp cho vệ tinh hoạt động chủ yếu dùng pin mặt trời Hình 1.4 : Cấu trúc vệ tinh Hình 1.5 – Sơ đồ khối chức vệ tinh GVHD TS Nguyễn Vũ Sơn SVTH Nguyễn Tiến Long Chương 1- TỔNG QUAN HỆ THỐNG THỐNG TIN VỆ TINH - Hoạt động vệ tinh ( hình 1.5 ): Đầu tiên anten nhận tín hiệu tuyến lên, lọc bỏ dãy tần số không mong muốn, khuếch đại nâng cơng suất tín hiệu lên tín hiệu dịch xuống dãy tần phù hợp với dãy tần tuyến xuống Tiếp theo khuếch đại, mạng lưới phân kênh tách kênh riêng lẻ để xử lý : cân bằng, khuếch đại, lọc… tất kênh sau kết hợp lại truyền xuống Hình 1.6 – Sơ đồ khối chức trạm mặt đất 1.2.2 - Trạm mặt đất Phần mặt đất ( hình 1.6 ) hay cịn gọi trạm thu, phát mặt đất, viết tắt SES (Satellite Earth Station) Có nhiều loại trạm mặt đất khác sử dụng, tùy thuộc vào kiểu dịch vụ liên lạc qua vệ tinh Ví dụ trạm cố định di động, thu, phát hai, mục đích sử dụng để truyền thơng tin liệu, thoại truyền hình Hệ thống thiết bị trạm mặt đất bao gồm : antenna, thiết bị phát thiết bị thu siêu cao, biến đổi tuyến lên tuyến xuống, hệ thống xử lý tín hiệu, hệ thống thiết bị băng tần bản, hệ thống giám sát - Tín hiệu băng tần ( Base Band ) trạm mặt đất chia làm hai loại : Tín hiệu thoại, Telex, liệu dạng tương tự hay số đưa đến lấy từ trung tâm bảo trì trung kế quốc tế ITMC (International Trunk Maintenance Center) đấu nối đến trạm mặt đất hệ thống cáp đồng trục cáp sợi quang Tín hiệu hình đưa đến trạm mặt đất từ Studio truyền hình ( phát hình thu hình ) cáp đồng trục cáp sợi quang - Hệ thống anten : Đường kính anten thu, phát trạm mặt đất thông thường từ 0.6 - 30 m tuỳ theo tiêu chuẩn loại trạm Anten hệ thống khí vững giữ, đảm bảo đỡ anten điều kiện mưa to gió lớn chí động đất Hệ thống anten đấu nối trực tiếp với khuếch đại tạp âm thấp LNA khuếch đại công suất lớn HPA hệ thống ống dẫn sóng Để ngăn cách tín hiệu cơng suất phát tín hiệu thu khơng lẫn sang ( dùng chung antenna ) người ta dùng lọc thu phát siêu cao ( Diplexer ) - Hệ thống thu tín hiệu : Tín hiệu SHF thu từ antenna khuếch đại lên nhờ LNA, sau qua chia cao GVHD TS Nguyễn Vũ Sơn SVTH Nguyễn Tiến Long Chương 1- TỔNG QUAN HỆ THỐNG THỐNG TIN VỆ TINH tần vào biến đổi xuống (Down Converter) để đổi từ tần số RF xuống trung tần IF, qua giải điều chế để thu lại tín hiệu băng tần ( Base Band ) Tín hiệu xử lý giải nén, sửa lỗi ( Redundancy ), giải nhấn (De-emphasis), triệt tiếng dội (Echo-Cancellation) sau tín hiệu thoại hay truyền hình phân kênh để truy xuất dễ dàng theo tần số sóng mang chuẩn - Hệ thống phát tín hiệu : Tín hiệu băng tần dồn kênh (Mux), sau qua xử lý tín hiệu, điều chế, tổng hợp tần số, đổi tần cho kênh riêng lẻ sau qua khuếch đại cơng suất lớn truyền qua Diplexer, Feeder xạ antenna Ngoài cịn có hệ thống bám vệ tinh (Tracking), hệ thống giám sát, cấp nguồn Các thiết bị điện tử trạm bắt buộc làm việc môi trường thích hợp, nhiệt độ 20 C với độ ẩm 70% để đảm bảo an tồn, trì tuổi thọ chất lượng thông tin 1.3 - TẦN SỐ LÀM VIỆC VÀ BĂNG THÔNG CỦA THÔNG TIN VỆ TINH P P Hình 1.7 – Sự suy giảm sóng vơ tuyến khơng gian 1.3.1 - Cửa sổ vơ tuyến Hình 1.7 cho thấy sóng điện từ tần số thấp bị hấp thụ lượng mạnh truyền qua tầng điện li ( đặc biệt mây từ ) tần số cao ( lớn 10Ghz ) bị suy hao đáng kể truyền qua lớp khí ( mây mù đặc biệt mưa ) Chỉ có dải tần từ 1-10 GHz có suy hao tương đối thấp nên chọn sử dụng thông tin vệ tinh, ta gọi khoảng tần số cửa sổ vô tuyến ( Radio Window ) Liên đồn thơng tin quốc tế ITU chia giới làm khu vực : Khu vực : Châu Âu, Châu Phi, Liên bang Nga nước đông Âu cũ Khu vục : Châu Mỹ Khu vực : Châu Á Châu đại dương 1.3.2 - Phân định băng tần Bảng 1.1 1.2 cho ta thấy phân định băng tần thông tin vệ tinh dịch vụ ứng dụng Ví dụ: Băng S ( uplink 2.GHz - downlink 1.GHz ) sử dụng cho di động Băng C, Ku sử dụng nhiều vùng, dùng cho thông tin cố định truyền hình DBS, DTH GVHD TS Nguyễn Vũ Sơn SVTH Nguyễn Tiến Long Chương - TÍNH TỐN KÊNH TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH (P ) (P ) IBO = (4.15) i i SATU Trong : Pi1 = PRX : Cơng suất đầu vào phát đáp làm việc với sóng mang (Pi ) SATU : Công suất đầu vào bão hồ (saturation) để có cơng suất đầu phát đáp cực đại P TX MAX phát đáp làm việc trạng thái bão hoà + Vậy đầu back-off : R R RP P R R R R R (P ) (P ) O OBO = (4.16) O SATU Trong đó: P O = PTX : Cơng suất đầu phát đáp làm việc với sóng mang (PO ) SATU : Công suất đầu bão hồ (saturtion) 4.2.4.2 - Độ lợi cơng suất vệ tinh R RP R P RP R P R R R Hình 4.13 - Đặc tính chuyển đổi cơng suất phát đáp vệ tinh (hoạt động với sóng mang đơn) Khi lặp (Transponder) khơng tuyến tính, độ lợi công suất vệ tinh G SL phụ thuộc vào điểm làm việc Độ lợi bão hoà lặp (G SATU ) SL xác định : R (G SATU ) SL = R R R R (P ) (P ) R R R R R O SATU i SATU (4.17) Độ lợi công suất ngõ điểm làm việc G SL lặp có giá trị : (P ) = (P ) O i G SL = R R ( ) ( ) R O SATU i SATU OBO P IBO P R OBO (G SATU ) SL IBO = R R R (4.18) R 4.4.4.3 - Quan hệ độ lợi, EIRP mật độ thông lượng công suất bão hoà + EIRP bão hoà hoạt động sóng mang đơn (EIRP SATU ) SL : (P ) GT max [W] PTX GT max = LT LFTX LT LFTX R (EIRP SATU ) SL = R R R R O SATU R R R (4.19) + Mật độ thơng lượng lặp bão hồ (Φ SATU ) SL xác định theo (1.6): 4π (Pi )SATU LFRX LR LPOL PR = Ahd λU2 GR max R (Φ SATU ) SL = R R R R R R R (4.20) Thay (4.20),(4.19) vào (4.17) có: (G SATU ) SL = R R R R (P ) (P ) O SATU i SATU = 4π (EIRPSATU )LT LFTX LFRX LR LPOL GT maxGR max (Φ SATU )SL (4.21) Lưu ý: (P O ) SATU = PTX : Cơng suất đầu bão hịa (Pi ) SATU = PRX : Công suất đầu vào bão hòa phát đáp làm việc với sóng mang GVHD TS Nguyễn Vũ Sơn 105 SVTH Nguyễn Tiến Long R RP R RP P P R R R R R R R R Chương - TÍNH TỐN KÊNH TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH IBO biểu diễn dạng mật độ thông lượng công suất (Φ) SL mật độ thơng lượng cơng suất bão hồ (Φ SATU ) SL lặp: R (P ) (P ) R R R R IBO = = i i R SATU 4.2.4.4 - Thông số tuyến tổng (Φ )SL (Φ SATU )SL (4.22) Hình 4.14 - Tuyến tổng Hình 4.14 mơ tả tuyến tổng Tùy theo khuếch đại công suất vệ tinh (HPA) làm việc đoạn đặc tuyến khuếch đại nào, mà có tính chất khác Nếu làm việc đoạn đặc tuyến thẳng công suất nhỏ công suất cực đại khuếch đại (P T < P Tmax ), tạp âm nhiễu điều chế bỏ qua, hệ số khuếch đại G SL số Công suất dẫn máy phát vệ tinh bao gồm: sóng mang tạp âm đầu vào khuếch đại Nếu HPA làm việc vùng bão hồ, cơng suất có ích khuếch đại bị giới hạn Công suất bao gồm sóng mang, tạp âm đầu vào khuếch đại sản phẩm nhiễu điều chế Hệ số khuếch đại công suất phụ thuộc vào điểm làm việc Cơng suất sóng mang đầu vào LNA vệ tinh C U khuếch đại phát đáp vệ tinh khuếch đại với hệ số khuếch đại G SL Được anten phát vệ tinh xạ mặt đất với hệ số độ lợi G T anten thu ES thu với G S suy hao truyền sóng tuyến xuống L D + Như công suất nhận đầu vào LNA trạm mặt đất : R R R R R R R R R R R R R R R R C D = G.C U = R Ở đây, G = R R R GSLGT GRCU LD LFTX LFRX [W] (4.23) GSLGT GR LD LFTX LFRX (4.24) Là toàn hệ số khuếch đại mát công suất từ đầu vào LNA vệ tinh đến đầu vào LNA trạm thu mặt đất + Công suất tạp âm tổng đường lên đường xuống N OT Gồm tạp âm đường lên cộng với tạp âm đường xuống phát đáp vệ tinh khuếch đại : R N OT = G.N OU + N OD = R R GVHD TS Nguyễn Vũ Sơn R R R R N OU GSLGT GR + N OD LD LFTX LFRX R 106 R R (4.25) SVTH Nguyễn Tiến Long Chương - TÍNH TỐN KÊNH TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH Vậy C C hay toàn tuyến đến đầu vào LNA trạm thu mặt đất : kT NO  C  G.CU C   =   =  N O T  kT T GN OU + N OD [Hz] (4.26) Nghịch đảo (4.26) có: −1  C  N N N GN OU + N OD   = OT = = −1OU + OD CD CD CD G CD  N O T [1/Hz] (4.27) Với G -1 C D : Cơng suất tín hiệu đầu vào máy thu satellite P P R R −1 Do đó,  C  N OU =   Thay vào (4.27) −1 G CD  N O U −1 −1  C  + Cho ta:   =  N O T  C  Trong :   =  N O U −1  C   C    +   [Hz -1 ] (4.28)  N O U  NO  D (Pi1 ) = IBO.(Pi1 )SATU = IBO Pi1 SATU IBO  C  [Hz] N  (NO )U (NO )U (GSATU )SL (N O )U  O  DSATU  C   C    = OBO.(EIRP SATU ) SL  G  = OBO   [Hz] LD  T  SL k  NO  D  N O  DSATU  C   C  + Khi trời mưa: Thay   (4.9)   (4.14)  N O U  NO  D P P ( ) R R R R Như độ dư dự trữ M trời :  C   C  G M =   -   = (Arain) U + (Arain) D + Δ (4.29) T  N O T  N O Train Để có dự trữ M u cầu EIRP tăng, có nghĩa cơng suất phát tăng 4.2.5 - Thiết kế tính tốn tuyến lên băng Ku 4.2.5.1 - Trạm Ku Hà Nội trời Cho số liệu ban đầu trạm mặt đất: - Công suất phát P TX = 200W = 23dBw - Tần số công tác (trung tâm băng Ku): fU = 14 GHz - Đường kính anten D = 3m, hiệu suất anten η = 0,6 - Lỗi bám vệ tinh α T = 0,1 O - Suy hao feeder LFTX = 0,5 dB - Có khoảng cách trạm Hà Nội vệ tinh từ (4.2): s = 36374,81919 Km - Có khoảng cách trạm TP.Hồ Chí Minh vệ tinh từ (4.2’): s = 35995,795 Km - Suy hao khí L A = 0,3dB Thông số vệ tinh: - Búp sóng anten θ 3dB = O - Hiệu suất anten η = 0,55 Đường kính thu D=1,8m - Hệ số tạp âm thu, F = 3dB - Suy hao anten máy thu L FRX = 1dB - Nhiệt độ nhiễu dây dẫn, đầu nối T F = 290 O K - Nhiệt độ nhiễu anten T A = 290 O K Áp dụng (4.6) tính EIRP ES trạm phát R R R R R R R R R P R R P R R R R R P P R R R R R R GVHD TS Nguyễn Vũ Sơn P R P P P R 107 SVTH Nguyễn Tiến Long Chương - TÍNH TỐN KÊNH TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH  P  G  EIRP ES = (P T G αT ) ES =  TX   T  [W] Tính theo dB có  LFTX  ES  LT  ES EIRP ES [dBw] = P TX [dBw] + G T [dBi] - LFTX [dB] – LT [dB] P TX = 200W = 10lg2 + 20dBw = 10x0,3 + 20 = 23dBw Dùng (2.36) tính G T , thay D = 3; η = 0,6; fU = 14 GHz vào ta có R R R R R R R R R R R R R R R R R R (4.30) R R R R R R  π × × 14 × 109   = 0,6x(π.140) = 116066,5478 = 50,64dBi c × 10   70λ 70C = Sử dụng (1.15) (1.17) tính suy hao LT thay θ 3dB = có D Df πDfU G T = η.( R R )2 = 0,6  P P P R P R  0,1 × × 14 × 109  α α Df  =12x0,04 = 0,48 [dB] L T = 12( T )2 = 12  T U  = 12x  × × 70 10 θ 3dB  70C    R R P P Suy hao feeder L FTX = 0,5[dB] gần suy hao lệch hướng phát LT Thay tất vào (4.30) có EIRP ES [dBw] = 23[dBw] + 50,64[dBi] – 0,5[dB] – 0,48[dB] = 72,66 dBw Áp dụng (1.9) (1.19) tính suy hao tuyến lên LU thay LFS : R R R R R R R R  4π × 36374,82 × 10 × 14 × 10 4πsfU  )2 =   =  λ × 108  C   L U = LFS L A = 206,6 + 0,3 = 206,9 dB Tính (4.5) theo dB: 4πs LFS = ( R R R R P R R P R R R   = 4,550x10 20 = 206,6dB có:  P PR R R  C  G  1   [dBw]= (EIRP ES ) [dBw]+   [dB]+  αR  [dB O K -1 ]+ [dB.Hz O K] k  L U  TR  SL  N O U R R P P P P P P (4.31) Trong hệ số phẩm chất vệ tinh (Độ nhạy) tính từ (4.7), tính theo:  GαT   TR   =  SL  GR       LR  SL  LFRX  1    =  SL  T  SL Sử dụng (2.36) tính G R R   GR    LR LFRX LPOL  TA + T 1 −  + T F  R LFRX  LFRX  [O K-1 ] (4.32) P P P P R  π × 1,8 × 14 × 109   = 38301,96076 = 45,83 dBi ) = 0,55  G R = η.( c × 108   πDf R R P P Giả sử vệ tinh nằm rìa phủ sóng anten trạm phát , có: αR = R θ3dB R = 1O P P αR ) = 12   = dB θ 3dB 2 Theo (1.16), tính suy hao L R : LR = 12( R R R R P P Áp dụng (1.18) tính suy hao : LPOL = 20 lg(cosσ) = 20lg(cos1 O ) = -0,0013 [dB] Suy hao nhỏ, bỏ qua Dùng (1.34), tính T R : Theo bảng 1.4 có F = 3dB, nên: T R = (F – 1)T O = (10 0,3 -1).290 O K = 288,6 O K Thay giá trị tính vào (4.32): R R R  GαT   TR   =  SL R R P P R R R P P P P P P  290   G    = 45,83 – – - 10lg  0,1 + 2901 − 0,1  + 288,6 =  T  SL  10  10  GVHD TS Nguyễn Vũ Sơn 108 SVTH Nguyễn Tiến Long Chương - TÍNH TỐN KÊNH TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH G -1   = 41,83 - 10lg578,6 = 41,83 – 27,62 = 14,2 dBK  T  SL P Thay giá trị tính k = -228,6[dB/Hz OK] vào (4.31): P P  C    = 72,66dBw-206,9dB+14,2dBO K -1 +228,6 dB/Hz O K = 102,56 dBHz N  O U P P P P P P Hình 4.15 tóm tắt mức tuyến lên Hình 4.15 - Các mức tuyến lên Hà nội (số liệu mẫu số trời mưa) C U = P U = 72,66 – 206,9 + 42,83 – = - 92,41dB N OU = - 194,97 dB Trên hình 4.8 chọn mức thu vệ tinh 10 pW tương đương -110dBw Khi trời có mức dự trữ 110 – 92,41 = 17,59 dB Như độ dư công suất dự trữ 17,59 dB 4.2.5.2 - Trạm Ku Hà Nội trời mưa Khi truyền sóng tuyến lên bị mưa sóng điện từ bị hấp thụ lượng, bị biến đổi phân cực hạt mưa tác động, thân mưa xạ siêu cao làm nhiễu tín hiệu hữu ích nhiệt độ nước mưa cộng thêm nhiệt độ tạp âm đường truyền Suy hao mưa Việt Nam băng Ku điều kiện góc ngẩng 50 theo kết tính sở số liệu mưa Việt Nam 13dB + Như suy hao đường truyền tuyến lên : L Urain = L A[dB] + LFS [dB] + Lrain[dB] = 0.3[dB] + 206.6[dB] + 13[dB] = 219.9[dB] Để an toàn cho phép trạm phát cơng suất bão hịa mưa 400W tương đương 26,02 dB EIRP ESrain [dBw] = 72,66 + 3,02 = 75,68dBw R R R R R R P R R R R R R P R R  C    = 75,68dBw-219,9dB+14,2dB O K -1 +228,6 dB/Hz O K = 98,58 dBHz   N O Urain P P P P P P C U = P U = 75,68 – 219,9 + 42,83 – = - 102,39dB N OU = - 200,97 dB.Trên hình 4.8 chọn mức thu vệ tinh 10 pW tương đương 110dBw Như độ dự trữ 110 - 102,39 = 7,61dBw Khi vệ tinh chỉnh AGC cần độ dự trữ cỡ 3dBw đủ.Trời mưa bão chỉnh AGC hết mức GVHD TS Nguyễn Vũ Sơn 109 SVTH Nguyễn Tiến Long R R R R R R Chương - TÍNH TỐN KÊNH TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH 4.2.5.3 - Trạm Ku TP.Hồ Chí Minh trời Cách tính trạm Hà Nội, khác vài thông số: LFS R  4π × 35995,795 × 103 × 14 × 109   4πsfU   = 4,456x10 18 = 186,49dB có: =( ) =  =  λ × 10  C    4πs R 2 P P P PR R L U = LFS L A = 186,49 + 0,3 = 186,79 dB => R R R R R R  C    = 72,66dBw-186,79dB+14,2dBO K-1 +228,6 dB/Hz O K = 128,67 dBHz  N O U P P P P P P C U = P U = 72,66 – 186,79 + 42,83 – = - 72,3dB N OU = - 200,97 dB Khi trời có mức dự trữ 110 – 92,21 = 17,79 dB Như độ dư cơng suất dự trữ 17,79 dB Hình 4.16 Chỉ mức tuyến lên TP.Hồ Chí Minh R R R R R R Hình 4.16 - Các mức tuyến lên TP.HCM (số liệu mẫu số trời mưa) 4.2.5.4 - Trạm Ku TP.Hồ Chí Minh trời mưa + Tính Lrain (Arain) áp dụng mục 1.4.2.5: - Tính độ cao mưa hR (Km), theo (1.21) h R = + 0.028 = 3,028 Km 0 < υ (EIRP SL ) = 83dBw + R R (EIRP SATU ) SL = R R R R R R R 218,54 -25 - 228,6 = 47,94dBw Theo (4.19) có: (P ) GT max = (P O 1) SATU + 30 – - = 47,94 dB PTX GT max = LT LFTX LT LFTX O SATU R RP P R R Vậy (P O ) SATU = 19,94dB (98,62W) Theo (4.16) OBO = R RP P R R (P ) (P ) O O SATU nên công suất đầu phát đáp làm việc với sóng mang P O = P TX = -7 + 19,94 = 12,94dBw tức 19,68W trời 98,62W mưa Tính đường kính anten thu mặt đất từ R RP P R R  π × D × × 109   = D x1052,762726 = 31dB = 1258,925412 G R = η.( ) = 0,6  c × 10   D R ES = 1,195830153 = 1,94m Chọn D R ES = 2m πDf D R R R P P P R P R R Tính đường kính anten phát vệ tinh  π × D × × 109  G T = η.( ) = 0,55   = D x965,0279859 = 1000 c × 10   D T SL = 1,036239378 = 1,018m Chọn D T SL = 1,2m πDf D R R R P P P R R Áp dụng (4.20) tính (Φ SATU ) SL = R GVHD TS Nguyễn Vũ Sơn R R R P R 4π (Pi )SATU LFRX LR LPOL PR = = -80 dBw/m2 Ahd λU GR max P 115 SVTH Nguyễn Tiến Long Chương - TÍNH TỐN KÊNH TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH => (P i ) SATU = -80 +20 + 10lg(0,05)2 – 10lg4π-1-1-1 = -63 - 26 - 11= -100dBw R RP P R (P ) (P ) R P Mà theo (4.22) IBO = i i SATU = P (Φ )SL = -8 => (P ) = -8 – 100 = -108dBw i (Φ SATU )SL R RP P C Urain = P RX - M Rrain = -110 + = -107dBw: Công suất vào đầu thu vệ tinh P R = P RX + LFRX = -107 + = -106dBw Thỏa giả thiết R R R R R R R R R R R R  C  G    = 20 - = 19 dB ;  = 80 +3 = 83dB  LR  SL  N O Urain  C  G  1   = (EIRP SATU ) ES    αR  = (EIRP SATU ) ES -219,9 + 10 + 228,6 =  L U  TR  SL k  N O Urain R R R R R R R R 83dB => (EIRP SATU ) ES = 83 + 219,9 – 10 – 228,6 = 64,3dB R R R R  P  G  Mà (EIRP SATU ) ES =  TX   T  = P TX +40 – 0,5– 0,5 = 64,3dB  LFTX  ES  LT  ES P TXmax = 64,3 – 40 +1 = 25,3dB tức 338,84 W P TX = P TXmax – = 25,3 – = 17,3dB tức 53,70 W Nghĩa trời , trạm phát lên công suất 53,70 W Khi mưa công suất tăng đến 338,84 W Tính đường kính anten phát mặt đất từ R R R R R R R R R R R R  π × D × × 109   = D x2368,716134= 10000 G R = η.( ) = 0,6   c × 10   D R ES = 4,221696241 = 2,055m Chọn D R ES = 2,2m πDf D R R R P P P R P R R Tính đường kính anten thu vệ tinh  π × D × × 109   = D x2171,323123 = 100 G T = η.( ) = 0,55   c × 10   D T SL = 0,04605486808 = 0,22m Chọn D T SL = 0,5m πDf D R R R P P P R R P R 4.3 - TÍNH KÊNH TRUYỀN DẪN  C  Với    N O  Drain  C  =    N O Urain = 83dBw Chọn FEC = 3/4 QPSK Với băng thông transponder 36MHz theo (2.16) có (C/N ) = (Eb/N ) Rb Để đảm bảo BEP = 10 -6 , từ bảng 2.5 có (Eb/N ) T 6,2dB, tương ứng có độ lợi giải mã 4.3 dB, suy giảm giải điều chế khơng hồn hảo 1.5 dB; Nên: (Eb/N ) = 6,2 dB + 1,5 dB = 7,7 dB : (C/N ) = (Eb/N ).Rb = 7,7 dB x Rb = 83 dB [Hz] Suy Rb = 83 – 7,7 = 75,3dB tức 33,88442Mb/s Đây tốc độ bít cho MCPC Với tiêu chuẩn thiết kế này, hệ thống phục vụ dịch vụ truyền hình số Nếu trung bình chương trình có tốc độ bít 3,38Mb/s ghép 10 chương trình 4.4 - CHỌN MÁY THU VÀ MÁY PHÁT 4.4.1 - Máy thu R P R R R P R R R R R R R R R R GVHD TS Nguyễn Vũ Sơn 116 SVTH Nguyễn Tiến Long Chương - TÍNH TỐN KÊNH TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH Chọn đầu thu Tandberg TT-1260 cho vệ tinh trạm thu mặt đất Các thông số ngõ vào tham khảo phụ lục từ PL12 4.4.2 - Máy phát Chọn máy phát Vertex Tripoint Global ( www.tripointglobal.com ) Xem phụ lục từ trang PL21 27TU U27T 4.5 - ĐẶT VỆ TINH LÊN QUỸ ĐẠO Chọn cách phóng vệ tinh hình 4.3 để đặt vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh - Thuê nước sản xuất thiết bị - Thuê phóng vệ tinh - Hoặc hợp tác sản xuất Nhận xét: + Suy hao tuyến truyền hình số vệ tinh giá trị thay đổi theo mùa, theo năm tháng Tuy lấy giá trị dự phịng tất nhiên khơng q lớn, lấy lớn q ảnh hưởng đến phân bố lượng tuyến + Hạn chế lượng vệ tinh cách dồn tiêu trạm mặt đất, trạm mặt đất phát lượng lớn gây xuyên nhiễu vệ tinh  C  vệ tinh cận kề Do cần thỏa tỉ số    N O  Drain  C  =    N O Urain = 80dBw độ dư dự trữ cỡ 3dB Hệ thống cần tự động điều chỉnh để thỏa tiêu + Tuổi thọ vệ tinh phụ thuộc nhiều yếu tố nguồn cung cấp quan trọng Nên tiết kiệm lượng cho vệ tinh giải pháp điều khiển mềm dẻo tối ưu có độ dự trữ cao 200% + Hệ thống kiểm soát, điều khiển vệ tinh cần xác có độ tin cậy cao GVHD TS Nguyễn Vũ Sơn 117 SVTH Nguyễn Tiến Long Luận văn thạc sĩ khoa học: TÍNH TỐN KÊNH TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết Bản đồ án tóm tắt sở lý thuyết thiết kế kênh truyền hình số vệ tinh Đây ngành mẻ nước ta Các thiết bị ta sử dụng hầu hết mua nước Hiện VTV ( Đài Truyền hình Việt Nam) HTV ( Đài Truyền hình Thành phố Hồ Chí Minh thuê vệ tinh Thái Lan Malaysia ( xem phụ lục từ trang PL26), thiết bị nhập tồn Các thơng số trạm HTV thực tế gần giống với giả thiết thiết kế đồ án Bản thân tác giả tốt nghiệp Đại học Kỹ thuật Thông tin Liên lạc Hà Nội năm 1981,đã khai thác hệ thống truyền hình vệ tinh HTV 10 năm kinh nghiệm, nên mạnh dạn làm đề tài luận án tốt nghiệp tính tốn thiết kế kênh truyền hình số vệ tinh Thực tiễn truyền hình vệ tinh thực phát triển mạnh mẽ giới tương lai gần xẩy nước ta Do để có lý thuyết hồn chỉnh, quy chuẩn thiết kế cịn phải đo đạc tính tốn chi li, có thơng số suy hao cần phải thống kê nhiều trạm nhiều vệ tinh Tuy đồ án giải vài điểm sau: Một là: Chọn tọa độ đặt vệ tinh địa tĩnh Hai là: Cho số cụ thể tính suy hao mưa Hà nội (13dB) TP.Hồ Chí Minh (17,3dB) Ba là: Thiết kế tuyến truyền hình cụ thể cho Ku-Band C-Band hai cách Tuyến tổng tuyến lẻ Bốn là: Cho tiêu C/N O, M, C U, C D thơng số thực tế Năm là: Tính tốn thiết kế phù hợp thơng số thiết bị thu phát vệ tinh Đài Truyền hình Thành phố Hồ Chí Minh Kết luận kiến nghị Muốn phủ sóng địa hình phức tạp nhiều đồi núi, rừng rậm nhiều dân cư thưa thớt phạm vi rộng, giải pháp truyền hình số qua vệ tinh thật cần thiết mang tính kinh tế cao Vấn đề sửa dụng vệ tinh địa tĩnh nhằm truyền dẫn phát chương trình truyền hình trung tâm truyền hình cho việc thu truyền hình trực tiếp gia đình Việt Nam cần thiết Cùng với xu hướng này, vấn đề nghiên cứu hoạt động hệ thống truyền hình số qua vệ tinh (việc tính tốn tuyến thơng tin, điều khiển vệ tinh) cần thiết Nhờ phát triển kỹ thuật nén tín hiệu số, ghép kênh dịng tín hiệu số kỹ thuật phát xạ mà người ta truyền nhiều chương trình tuyến thơng tin, biết hệ thống MCPC Chất lượng tuyến thông tin phụ thuộc vào yếu tố khách quan chủ quan ảnh hưởng môi trường truyền chẳng hạn hấp thụ tầng khí quyển, tổn hao nước, mưa… ảnh hưởng công suất phát, với hệ số phẩm chất trạm mặt đất, vệ tinh Do phần đưa đề tài mang tính lý thuyết thiết kế hệ thống, chưa đưa thông số kỹ thuật tối ưu, chưa tổ chức khai thác tối ưu chương trình vệ tinh cụ thể đó, chưa cấu trúc chi tiết hệ thống Hướng phát triển đề tài sử dụng phần mềm lập trình tin học để viết chương trình mơ việc tính tốn tuyến điều khiển setup chương trình Kiến nghị có hệ thống truyền hình riêng Việt Nam để nghiên cứu cơng nghệ truyền hình vệ tinh R GVHD TS Nguyễn Vũ Sơn R R R R R 118 SVTH Nguyễn Tiến Long Luận văn thạc sĩ khoa học: TÍNH TỐN KÊNH TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH TÀI LIỆU THAM KHẢO  [1] - Nguyễn Tiến Long (2001), Bài giảng Thiết bị nghe nhìn 1,2, Trường Đại học Bán cơng Tôn Đức Thắng,Trường Đại học Dân lập Kỹ thuật Công nghệ TP.Hồ Chí Minh [2] - Trần Đình Lương (1994),Thơng tin vệ tinh, NXB KH&KT, Tổng cục Bưu điện [3] - Nguyễn Kim Sách (1995),Truyền hình Số HDTV, NXB KH&KT,Hà Nội [4] - Đỗ Hoàng Tiến - Vũ Đức Lý (2000), Truyền hình Số , NXB KH&KT, Hà Nội [5] - Trần Dũng Trình (2001), Thiết bị thu tín hiệu truyền hình số có nén ghép kênh vệ tinh, NXB KH&KT, Hà Nội [6] - Hội thảo (2003), Harris DVB , Đài Truyền hình TP.Hồ Chí Minh [7] - Hội thảo (2004), Measat Satellite Communications , Đài Truyền hình TP.Hồ Chí Minh, [8] - Hội thảo (2004), Rohde & Schwarz DVB, Đài Truyền hình TP.Hồ Chí Minh [9] - Thaicom Satellite System Seminar (1998), Shinawatra Satellite Public Co Ltd [10] - Television by Satellite Seminar, November 1998, Melbourne, Australia [11] - Robert G.Winch (2004),Telecommunication Transmission System, www.dvb.org [12] - REFERENCE GUIDE (2004),TT1260 Contribution Receiver, TANDBERG Television [13] - REFERENCE GUIDE (2001),STANDARD ALTEIA [14] - REFERENCE GUIDE (2001),TEXTRONIX [15] - www.lyngsat.com 28TU U28 T GVHD TS Nguyễn Vũ Sơn 119 SVTH Nguyễn Tiến Long ... Chương - TÍNH TỐN KÊNH TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH 4.1 - CHUẨN BỊ CHO TUYẾN TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH 4.1.1 - Phần Vệ tinh 4.1.2 - Trạm mặt đất 4.2 - THIẾT KẾ TUYẾN TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH VINASAT 97 O... chuyên ngành Việc thiết kế kênh truyền hình số qua vệ tinh điều mẻ với nhà chuyên môn nước ta Nếu xét tồn diện từ thiết kế tính tốn đến cơng nghệ chế tạo cho hệ thống truyền hình số vệ tinh riêng Việt... thuộc vào quỹ đạo bay vệ tinh, vệ tinh phân vệ tinh quỹ đạo thấp vệ tinh địa tĩnh +Vệ tinh quỹ đạo thấp ( hình 1.1 ) vệ tinh nhìn từ mặt đất chuyển động liên tục, thời gian vệ tinh chuyển động vòng