Thiết kế trạm anten vệ tinh tự động quay bám trong thông tin vệ tinh

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - LÊ THỊ HUYỀN TRANG THIẾT KẾ TRẠM ANTEN VỆ TINH TỰ ĐỘNG QUAY BÁM TRONG THÔNG TIN VỆ TINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) HÀ NỘI - 2020 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - LÊ THỊ HUYỀN TRANG THIẾT KẾ TRẠM ANTEN VỆ TINH TỰ ĐỘNG QUAY BÁM TRONG THÔNG TIN VỆ TINH Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 8.52.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN NGỌC MINH HÀ NỘI - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác, tài liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ Tác giả luận văn Lê Thị Huyền Trang LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập, nghiên cứu hoàn thiện luận văn đề tài “Thiết kế trạm anten vệ tinh tự động quay bám thông tin vệ tinh” tác giả nhận quan tâm, giúp đỡ tận tình q thầy cơ, anh chị bạn Em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Ngọc Minh trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ, dạy bảo, động viên tạo điều kiện thuận lợi cho em q trình học tập hồn thành luận văn Và để có kiến thức ngày hôm nay, cho phép em gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quý thầy cô Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng thời gian qua truyền đạt cho em kiến thức quý báu Xin trân trọng cảm ơn! MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT .iv DANH MỤC BẢNG VII DANH MỤC HÌNH VẼ VIII LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 Cấu trúc tổng quát 1.2 Đặc điểm thông tin vệ tinh .4 1.3 Băng tần thông tin vệ tinh 1.4 Phương pháp đa truy nhập thông tin vệ tinh 1.4.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) .6 1.4.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) 1.4.3 Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA) .7 1.4.4 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA ) 1.5 Phân hệ thông tin vệ tinh CHƯƠNG TRẠM MẶT ĐẤT TRONG THÔNG TIN VỆ TINH 10 2.1 Tổng quan trạm mặt đất 10 2.2 Anten trạm mặt đất .11 2.2.1 Các loại anten trạm mặt đất .11 2.2.2 Hệ thống bám vệ tinh .13 2.2.3 Hệ số tăng ích anten 14 2.2.4 Góc độ rộng búp sóng 15 2.3 Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) 15 2.3.1 Giới thiệu 15 2.3.2 Các loại khuếch đại tạp âm thấp LNA 16 2.4 Bộ đổi tần (FC) 16 2.3.1 Giới thiệu 16 2.4.2 Các đổi tần kép 17 2.4 Bộ dao động nội 18 2.5 Bộ khuếch đại công suất cao (HPA) 18 2.5.1 Giới thiệu 18 2.5.2 Phân loại khuếch đại công suất cao 18 2.5.3 Cấu hình khuếch đại cơng suất cao 19 2.6 Kỹ thuật điều chế giải điều chế tín hiệu 19 2.6.1 Giới thiệu 19 2.6.2 Kỹ thuật điều chế tần số (FM) 20 2.6.3 Kỹ thuật giải điều chế sóng mang điều tần (FM) .21 2.6.4 Điều chế số .21 2.6.5 Kỹ thuật giải điều chế sóng mang PSK 22 2.7 Kỹ thuật đa truy nhập 22 2.7.1 Các vấn đề lưu lượng 22 2.7.2 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) .24 2.7.3 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) 28 2.7.4 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) .32 2.8 Các thiết bị truyền dẫn số trạm mặt đất .36 2.8.1 Số hố tín hiệu tương tự 37 2.8.2 Thiết bị ghép kênh phân chia theo thời gian TDM 38 2.8.3 Thiết bị bảo mật (Encryption) 39 2.8.4 Bộ mã hoá kênh (Channel Encoder) 40 2.8.5 Bộ tiêu tán lượng .40 CHƯƠNG XÂY DỰNG VÀ TÍNH TỐN CẤU HÌNH TRẠM ANTEN VỆ TINH TỰ ĐỘNG QUAY BÁM TRONG THÔNG TIN VỆ TINH 42 3.1 Giới thiệu chung 42 3.2 Lựa chọn Antena 42 3.3 Bộ chuyển đổi đường lên khuyếch đại công suất (HPA) 45 3.4 Bộ chuyển đổi đường xuống khuyếch tạp âm thấp (LNB) .55 3.4.1 Xác định hệ số phản xạ đầu vào đầu .56 3.4.2 Mạch tương đương Thevenin 57 3.4.3 Độ khuếch đại công suất 61 3.4.4 Độ lợi công suất chuyển đổi 63 3.4.5 Độ khếch đại công suất khả dụng 65 3.4.6 Độ khuếch đại công suất 65 3.4.7 Độ lợi phía 67 3.5 Modem vệ tinh 68 3.5.1 Newtec Elevation Series EL478 68 3.5.2 COMTECH CDM625A Advanced 69 3.5.3 Comtech EFData CDM570 69 3.5.4 Datum PSM-500L .69 3.5.5 Modem Hughes HX 280 70 3.6 Đo đạc tính tốn .70 KẾT LUẬN .75 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO .76 DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ viết Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt tắt AM BPSK C/N A Amplitude Modulation B Binary PSK C Carrier/noise CDMA Code Division Multiple Access CCIR CONSULTATIVE COMMITTEE ON INTERNATIONAL RADIO Điều chế biên độ Khóa chuyển pha nhị phân Tỷ số sóng mang nhiễu Đa truy nhập phân chia theo mã Ủy ban tư vấn quôc tế radio D D/C DS DSSS DE-PSK EIRP Down/Convertor Direct Sequence Direct Sequence Spead Spectrum Different Encode PSK E Equivalent Isotropic Radiated Bộ đổi tần tuyến xuống Trải phổ trực tiếp Trải phổ trực tiếp Điều chế chuyển pha vi sai Công suất phát xạ đẳng hướng Power tương đương F FDMA Frequency division multiple access FH FHSS FC Frequency Hoppping Freqency Hopping Spead Spectrum Frequency Converter G Gali - Arsenic (GaAs-FET GaAs– FET Đa truy nhập phân chia theo tần số Nhảy tần Trải phổ nhảy tần Bộ đổi tần Khuếch đại dùng Transistor trường loại bán dẫn hỗn tạp H HP Horizontal Polariation Phân cực ngang HPA Bộ khuếch đại công suất lớn IF High Power Amplifie I Inermediate Freqency IBS Inbuilding System INMARS Trung tần Hệ thống viễn thông tòa nhà Internation Maritime Satellite Tổ chức vệ tinh hàng hải quốc Organisation tế INTELSA Internation Telecommunications Tổ chức vệ tinh quốc tế thông T tin SCPC Satellite Organisation L Low Noise Amplifier Left Hand circular Polariation Local Oscillator P Pseudorandom number Pulse Code Modulation Phase Shift Keying Q Qudrature Qudrature Phase Shift Keying R Radio Freqency Right Hand circular Polariation S Single Channel Per Carrier SDMA Space-division multiple access SES Satellite Earth Station T Transmit Antenna Time division multiple access AT LNA LHCP LO PN PCM PSK QAM QPSK RF RHCP TA TDMA Bộ khuếch đại tạp âm thấp Phân cực tròn bên trái Tần số dao động nội Mã tạp âm ngẫu nhiên Điều chế xung mã Khóa chuyển pha Điều chế cầu phương Khóa chuyển pha cầu phương Tần số vơ uyến Phân cực trịn bên phải Một kênh sóng mang Đa truy nhập phân chia theo không gian Trạm vệ tinh mặt đất Anten phát Đa truy nhập phân chia theo lượng tối đa tương đương với điều chỉnh Do đó, mức tăng cơng suất khả dụng Hình 3.36: Độ khuếch đại, nguồn điều chỉnh PL tối đa Độ khuếch đại công suất khả dụng mức tăng tối đa có từ đầu cho trở kháng nguồn định, chức trở kháng nguồn Do đó, mức tăng cơng suất khả dụng thể xuống cấp mức tăng trở kháng nguồn cố định Dựa khái niệm đối xứng cho tải cố định, trở kháng nguồn điều chỉnh để cung cấp công suất tối đa cho tải Hìn 3.19, tỷ lệ cơng suất đầu vào so với công suất tải gọi mức tăng công suất Sử dụng sơ đồ đơn giản hóa, mức tăng cơng suất định nghĩa Độ lợi công suất, tiêu xuống cấp mức tăng tải cố định chọn, thường sử dụng thiết kế Ba mức tăng cơng suất trước biểu thị theo tham số S hai cổng hệ số phản xạ nguồn tải trở kháng mặt phẳng thiết bị Điều thảo luận thêm phần 3.4.4 Độ lợi công suất chuyển đổi Hình 3.37: Biểu diễn mạch nguyên lý đơn giản khuếch đại Hình 3.19 cho thấy lần biểu diễn sơ đồ đơn giản hóa khuếch đại Trong Hình 3.19, mạch cổng nhìn từ tải biểu diễn mạch tương đương Thevenin bao gồm thiết bị hoạt động mạch đầu vào, áp dụng mối quan hệ cơng suất phát triển trước công thức (3.23) (3.25) Ở mặt phẳng đầu thiết bị, hệ số phản xạ Thevenin (3.28) Điện áp phản xạ Thevenin điện áp phản xạ xuất trở kháng tham chiếu Zo tải thay Zo Từ Hình 3.21, đưa phương trình (3.29) (3.29) Hình 3.38: Mạch khai thác tương đương Thevenin mặt phẳng tải Lưu ý a2 = Áp dụng phương trình (3.20), a1 cho (3.30) Do đó, từ phương trình (3.30), điện áp phản xạ Thevenin hiển thị phương trình (3.31) (3.31) Do đó, mạch tương đương nhìn thấy từ tải biểu diễn Hình 3.17 Áp dụng phương trình (3.22), cơng suất cung cấp cho tải tính theo phương trình (3.32) (3.32) Do công suất khả dụng từ nguồn giống công thức (3.23), nên mức tăng công suất chuyển đổi biểu thị (3.33) Độ lợi chuyển đổi phương trình (3.33) lấy từ mặt phẳng đầu thiết bị, lấy mặt phẳng đầu vào thiết bị Độ lợi chuyển đổi dẫn xuất biểu thị (3.34) Mặc dù phương trình (3.34) khác với phương trình (3.33), phương trình (3.34) giống phương trình (3.33) 3.4.5 Độ khếch đại công suất khả dụng Mức tăng công suất khả dụng định nghĩa tỷ lệ công suất khả dụng đầu vào thiết bị so với công suất khả dụng đầu Hình 3.21 lần cho thấy làm để đạt mức tăng công suất khả dụng, thực cách sử dụng mức tăng cơng suất chuyển đổi có nguồn gốc trước Hình 3.39: Mạch tính độ khuếch đại công suất khả dụng Công suất khả dụng đầu công suất trở kháng tải liên hợp khớp với Γout, Hình 3.21 Điều kiện Sau đó, mức tăng cơng suất khả dụng đạt cách thay vào mức tăng chuyển đổi phương trình (3.33) Do đó, mức tăng cơng suất khả dụng đưa theo phương trình (3.35) (3.35) 3.4.6 Độ khuếch đại công suất Pin nguồn phân phối đến đầu vào thiết bị hiển thị Hình 3.22 đưa theo phương trình (3.36) Hình 3.40: Mạch tính tốn độ khuếch đại (3.36) Sử dụng phương trình (3.20), kết phương trình (3.37)) (3.37)) Ngồi ra, a1 a2 Hình 3.23 cho (3.38) (3.39) Thay a1 a2 phương trình (3.38) (3.39) vào b2 cho (3.40) Sau đó, b2 tính (3.41) Do đó, cơng suất cung cấp cho tải đưa theo (3.42) Do đó, dựa định nghĩa mức tăng công suất, tỷ lệ công suất đầu vào so với công suất cung cấp cho tải đưa theo (3.43) 3.4.7 Độ lợi phía Nói chung, thiết bị hoạt động có số phản hồi Tuy nhiên, thường đưa cách thêm mạch phản hồi thích hợp Trong trường hợp này, khơng có phản hồi từ đầu đến đầu vào Điều kiện sau cho đơn phương Dẫn tới độ lợi gọi mức tăng Mason, U biểu thị phương trình (3.34) Vì mức tăng Mason mức tăng đo sau thiết bị hoạt động hoàn toàn ổn định cách loại bỏ phản hồi, nên coi mức tăng thực thiết bị hoạt động Do đó, sử dụng làm tiêu chí để xác định xem thiết bị đo tần số tùy ý hoạt động hay thụ động (3.44) (3.45) Do , đại diện cho phản hồi từ đầu đến đầu vào, thường nhỏ 1, nên biểu thức gần đơn phương cho mức tăng chuyển đổi thường sử dụng thiết kế khuếch đại đánh giá thiết bị hoạt động Để có mức tăng cơng suất chuyển đổi phía, thay vào phương trình (3.35) Trong trường hợp này, , mức tăng cơng suất chuyển đổi biểu thị (3.46) Khi hệ số phản xạ đầu vào đầu Hình 3.24, hệ số liên hợp khớp với (ΓS = (Γin) *, ΓL = (Γout) *), mức tăng tối đa đạt mức tăng đơn phương tối đa, tối đa hiển thị (3.47) Việc tính tốn mức tăng đơn phương phương trình (3.45) đơn giản so với tính tốn cho mức tăng khác thường sử dụng để đánh giá mức tăng tối đa thiết bị hoạt động khơng có sẵn máy tính Hình 3.41: Đội lợi phía 3.5 Modem vệ tinh Có nhiều loại modem vệ tinh có hỗ trợ giao tiếp Ethernet, đồng thời hỗ trợ dải tần phù hợp cho trạm BTS chuyên dụng Tiêu biểu thiết bị sau: 3.5.1 Newtec Elevation Series EL478 Newtec EL478 modem vệ tinh tiên tiến tối ưu hóa cho ứng dụng IP tốc độ cao qua vệ tinh tuân thủ tiêu chuẩn DVB-S2 Là sản phẩm IP thực, modem thực chức xử lý IP lọc gói, định tuyến đóng gói Để đạt tốc độ lên tới 160 Mbps, hỗ trợ tham số điều chế đóng gói nhanh hiệu băng thông 3.5.2 COMTECH CDM625A Advanced Modem vệ tinh tiên tiến CDM-625A xây dựng dựa cung cấp modem vệ tinh hiệu đáng tin cậy Với hỗ trợ cho sửa lỗi chuyển tiếp VersaFEC (FEC), DoubleTalk, nén băng thơng Carrier-in-Carrier mang tính cách mạng, triển khai bổ sung xử lý gói nâng cao, CDM-625A cung cấp tiết kiệm đáng kể điều kiện Sự kết hợp công nghệ tiên tiến cho phép tối ưu hóa đa chiều, cho phép người dùng liên lạc vệ tinh: 3.5.3 Comtech EFData CDM570 Comtech EFData CDM570 modem vệ tinh cung cấp hiệu suất tính linh hoạt ngành gói 1RU với mức giá cạnh tranh Tốc độ liệu từ 2,4kbps đến 10Mbps; Các loại điều chế: BPSK, QPSK, OQPSK, 8PSK, 8QAM (được cấp sáng chế) 16QAM, TPC… 3.5.4 Datum PSM-500L Datum Systems cung cấp modem vệ tinh linh hoạt hiệu Modem vệ tinh L-Band hiệu suất cao, PSM-500L độ trễ thấp tối ưu hóa tồn lượng / băng thông Giao diện chuẩn: RS232, RS422, V35, V36, EIA-530, Kích thước đa khối FlexLDPC & Tốc độ mã , Phạm vi tốc độ liệu: 1,2 Kbps đến 29,5Mbps, băng tần L (950 đến 1.900 MHz bước 1Hz), BPSK / QPSK / OQPSK / 8PSK / 8QAM / 16QAM 3.5.5 Modem Hughes HX 280 ModemHX280 Hughes tích hợp điều chế (hướng phát), giải điều chế (hướng thu),với kiểu điều chế QPSK tương đương, có khả thay đổi tốc độ hướng phát 256 Kbps đến Mbps, có tính điều khiển giám sát từ xa… 3.6 Đo đạc tính tốn Chương trình thiết kế Labview có lưu đồ thuật tốn sau: Hình 3.42: Lưu đồ thuật toán Labview [7] Khối Input chứa liệu nhận được biểu diễn dạng số phức Luồng liệu đưa qua lọc Bandpass lọc thơng dải nhằm thu hẹp tín hiệu tần số sóng mang Dữ liệu đưa vào Labview thơng qua cable với tốc độ lấy mẫu 2MS/s tính tốn điều khiển thơng qua chương trình thiết kế Labview Sau xây dựng chương trình điều khiển thiết bị đưa vào để mơ thử nghiệm Hình 3.43: Phổ cơng suất truyền đạt antena Công suất cài đặt mức tối đa, kết mô cho công suất đầu 120mW [7] Hình 3.44: Phổ cơng suất tín hiệu nhận thiết bị đầu cuối USRP với công suất truyền 20,8dBm, cơng suất nhận -16dBm Q trình mô cho antenna thu xoay từ 900 đến 1200 từ 900 đến 600 Ngồi cơng suất truyền thay đổi từ thiết bị chủ động điều chỉnh hướng xoay phù hợp Bảng 3.5: Đo kiểm DOA (direction of arrival) tín hiệu sử dụng USRP [7] Sai số đo đạc DOA Tính tốn DOA với cơng suất nhận khác Hình 3.45: Phổ cơng suất tín hiệu nhận thiết bị đầu cuối USRP [7] KẾT LUẬN Nội dung luận văn trình bày cách tổng quan hệ thống thơng tin, kỹ thuật trạm mặt đất Các phương pháp truy nhập thơng tin vệ tinh, phân tích ưu nhược điểm phương pháp đa truy nhập thông tin vệ tinh Kỹ thuật trạm mặt đất, loại anten thơng tin vệ tinh, modem vệ tinh Ngồi ra, luận văn phân tích đánh giá thiết kế chuyển đổi đường lên khuyếch đại công suất tính tốn thơng số thuật chuyển đổi đường xuống khuyếch tạp âm thấp anten tạm anten thu phát quan trọng Từ tính tốn thiết kế cấu hình trạm anten vệ tinh tự động quay bám hiệu phù hợp với nhu cầu sử dụng chi phí đầu tư Hướng nghiên cứu luận văn tập trung vào nghiên cứu kỹ thuật, thuật toán quay bám anten mơ tính tốn trạm anten cụ thể để đánh giá hiệu tính trạm anten vệ tinh tự động quay bám thông tin vệ tinh DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng việt [1] PGS.TS Thái Hồng Nhị “Hệ thống thông tin vê tinh”, tập 1, tập Nhà xuất Bưu Điện, 2008 [2] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng “Bài giảng thông tin vệ tinh”, HVBCVT, năm 2007 [3] Phạm Công Hùng (2009), Bài giảng thông tin vệ tinh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [4] Nguyễn Trung Tấn, Bài giảng thông tin vệ tinh, trung tâm kỹ thuật viễn thông, Nxb Học viện quân Tài liệu tiếng anh [5] Anil K Maini and Varsha Agrawal, Satellite Technoloogy Principles and Applications, John Wiley and Sons, LTđ, 2011 Tài liệu Internet [6] https://datasheetspdf.com>TGF2023-01 [7] https://www.ntnu.edu/documents/0e25e078a2a89233032a45841afef9b702c0.pdf [8] https:// www.vinsat.com.vn/Home [9] https://wwww digsiat.in/antenna-control [10] http://www.viasat.com/isr-data-links [11] https://www.satnms.com ... động quay bám vệ tinh Đây hệ thống anten có định hướng tự động bám vệ tinh di chuyển đảm bảo liên lạc Chính em chọn đề tài tài ? ?Thiết kế trạm anten vệ tinh tự động quay bám thông tin vệ tinh? ?? Nội... quan hệ thống thông tin vệ tinh Chương 2: Trạm mạt đất thông tin vệ tinh Chương 3: Xây dựng tính tốn cấu hình trạm anten tự động quay bám vệ tinh CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 Cấu... điểm thông tin vệ tinh Thông tin vệ tinh hệ thống truyền dẫn vô tuyến, sử dụng vệ tinh để chuyển tiếp tín hiệu đến trạm mặt đất Vì trạm chuyển tiếp vệ tinh có độ cao lớn nên thơng tin vệ tinh