a. Bộ khuếch đại tạp âm thấp (Low Noise Amplifiers - LNA)
LNA là bộ khuếch đại tạp âm thấp, băng thông rộng, và tín hiệu vệ tinh nhận được ở anten thu rất nhỏ nên LNA là một kỹ thuật rất quan trọng trong hệ thống thông tin vệ tinh và được sử dụng ngay tần đầu của trạm thu mặt đất, nó làm những nhiệm vụ sau đây:
- Phối hợp tốt với đường truyền từ anten để mất mát tại LNA là nhỏ nhất. - Cung cấp bộ khuếch đại với hệ số khuếch đại cao, cùng với hệ số khuếch đại của anten làm hệ thống có hệ số G/T cao. Hơn nữa sự khuếch đại này còn phải đủ để khắc phục được mất mát trên đường truyền và vượt qua nhiễu gây ra do chính LNA.
- Làm nhiệm vụ chuyển tiếp giữa tín hiệu từ ống dẫn sóng của anten đến cáp đồng trục.
- TEM dẫn đến thiết bị thu.
b. Nhiệt tạp âm
Trong hệ thống máy thu của thông tin vệ tinh, tạp âm sinh ra trong bộ khuếch đại của máy thu chủ yếu là nhiệt tạp âm.
Tạp âm sinh ra trong một máy thu thường được biểu thị bằng hệ số tạp âm, được định nghĩa như sau:
F = S/N ở đầu vào bộ khuếch đại = Si/Ni
S/N ở đầu ra bộ khuếch đại S0/N0
Hình 2.10. Hệ số tạp âm
Tuy nhiên khi làm việc với các tín hiệu yếu như trong trường hợp thông tin vệ tinh, thì nhiệt tạp âm được sử dụng thay thế cho hệ số tạp âm (F).
Nhiệt tạp âm là nhiệt của một điện trở gây ra một tạp âm tương đương, sinh ra do bộ khuếch đại. Nói cách khác công suất tạp âm (Pn) sinh ra do một điện trở, được biểu thị:
Pn = kTB (2.2)
Ở đây: k là hằng số Bolzơman (1,38x 10–23J/oK).
Máy thu
T là nhiệt độ tuyệt đối (273 +0C) và B là độ rộng băng.
Biểu thức trên biểu thị giá trị tạp âm sinh ra do bộ khuếch đại.
c. Các loại khuếch đại tạp âm
Có ba loại khuếch đại tạp âm thấp: Một là khuếch đại thông số, hai loại khác dùng GaAs-FET hoặc HEMT làm thiết bị khuếch đại [3].
Khuếch đại thông số
Hoạt động: Khi một tín hiệu kích thích đặt lên một điôt biến dung (một diot có điện dung thay đổi theo thiên áp đặt vào), các thông số mạch điện của nó thay đổi và tạo ra điện trở âm, do đó khuếch đại tín hiệu vào. Vì vậy, từ sự biến đổi điện dung của diot biến dung do tín hiệu kích thích được dùng cho khuếch đại, việc giảm điện trở nội của diot biến dung mắc nối tiếp với điện dung sẽ tạo ra các đặc tính tạp âm thấp.
Bộ khuếch đại này ngày nay ít được sử dụng vì: - Cần có mạch tạo ra tín hiệu kích thích.
- Băng tần hẹp, độ tin cậy không cao.
- Khó điều chỉnh và không phù hợp với sản xuất hàng loạt vì sử dụng ống dẫn sóng.
- Bất lợi về bảo trì và bảo dưỡng.
Khuếch đại dùng GaAs- FET
Khuếch đại dùng GaAs- FET là bộ khuếch đại nhiễu thấp co hệ số tạp âm khoảng 1,2 – 2dB. Transistor hiệu ứng trường dùng loại bán dẫn hợp chất giữa Ga và As. Bộ khuếch đại này được sử dụng rộng rãi ở tần số cao với các đặc tính băng tần rộng, có hệ số khuếch đại và độ tin cậy cao.
Khuếch đại dùng HEMT(High Electron Mobility Transistor)
Transistor có độ linh động điện tử cao (HEMT) sử dụng tiếp giáp pha trộn giữa GaAs và AlGaAs, giữa dải dẫn của AlGaAs có một sai khác năng lượng, dải này được kích thích thoại n, còn GaAs không được kích thích. Vì vậy hình thành một lớp giàu điện tử trong AlGaAs gần bề mặt tiếp giáp với GaAs. Khi
đặt một điện vào lớp điện tử này, các điện tử sẽ chuyển động với độ linh hoạt rất cao và chúng không chịu sự tán xạ bất kỳ của các “nguyên tử cho” của vật liệu sinh chúng. HEMT có các đặc tính tạp âm thấp tốt hơn so với GaAs- FET.
Các đặc tính nổi bật của HEMT như băng tần rộng, kích thước nhỏ, giá thành thấp, dễ bảo quản và thuận lợi cho sản xuất hàng loạt. Boeir vậy nó được sử dụng rộng rãi. Bộ khuếch đại này làm việc ổn định ở nhiệt đọ phòng nhưng khi chúng được làm lạnh nhằm để cải thiện hơn nữa các đặc tính tạp âm thấp của chúng.
Bảng 2.2. So sánh các bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA)
LNA GaAs-FET HEMT
Điều kiện làm việc Nhiệt độ phòng Làm lạnh Làm lạnh Băng tần Băng 4GHz Xấp xỉ 55 0K Xấp xỉ 450K Xấp xỉ 520K Băng 12GHz 1800K hoặc thấp hơn Xấp xỉ 1200K Xấp xỉ 1200K Băng 20GHz 300 0K 2000K hoặc thấp hơn Xấp xỉ 160 0K Tính năng Tạp âm thấp Băng tần rộng Kích thước nhỏ Tạp âm thấp Kích thước vô cùng nhỏ 2.2.4. Anten trạm mặt đất a. Nhiệm vụ anten trạm mặt đất
Trong thông tin vệ tinh, anten trạm mặt đất đóng vai trò quan trọng. Nhiệm vụ chung của anten là biến năng lượng cao tần của máy phát thành sóng điện từ bức xạ về phía anten thu của vệ tinh ở phần phát và thu sóng điện từ trên đường xuống đưa vào đầu vào máy thu.
Các yêu cầu đối với anten trạm mặt đất theo khuyến nghị 390 của CCIR (CCIR rep - 390) là:
- Hệ số tăng ích và hiệu suất cao.
- Tính hướng cao, búp phụ nhỏ để không gây can nhiễu lên các hệ thống vi ba khác.
- Đặc tính phân cực tốt để sử dụng các dạng phân cực khác nhau khi sử dụng lại tần số.
- Tạp âm thấp, phải giảm tạp âm xuống mức thấp nhất có thể được. Mức tạp âm của anten phụ thuộc vào nhiều yếu tố như góc tà, vị trí đặt, hướng và cấu tạo anten. Để đạt được các yêu cầu trên, trạm mặt đất thường sử dụng các loại anten mặt phản xạ còn gọi là anten gương.
Anten gương parabol
Nguyên lý cấu tạo gồm một mặt phản xạ cong theo đường cong parabol, làm bằng các vật liệu có hệ số phản xạ cao (Rpx≈1), thường bằng nhôm hay hợp kim của nhôm, mặt phản xạ phải nhẵn để sóng phản xạ không bị tán xạ. Tại tiêu điểm của gương parabol đặt một nguồn bức xạ sơ cấp (thường là một anten loa: feed horn) gọi là bộ chiếu xạ, sao cho tâm pha của bộ chiếu xạ trùng với tiêu điểm của gương, như chỉ ra trên hình .
Hình 2.11. Anten gương parabol
Anten gương parabol có cấu tạo đơn giản nhất và giá thành thấp nhất trong các anten dùng ở các trạm mặt đất trong thông tin vệ tinh. Nó có nhược
phức tạp, cồng kềnh, cùng với bộ chiếu xạ sẽ chắn đi một phần sóng phản xạ từ gương, gây ra hiệu ứng che tối làm méo đồ thị tính hướng, tăng búp phụ và làm giảm hiệu suất của anten. Fiđơ tiếp sóng cho bộ chiếu xạ dài gây nên tổn hao và tạp âm lớn. Do đó anten gương parabol được sử dụng ở chủ yếu ở các trạm thu và các trạm nhỏ, dung lượng thấp.
Anten hai gương (anten Cassegrain)
Nguyên lý cấu tạo gồm hai gương, một gương chính với đường kính lớn là gương parabol, một gương phụ nhỏ là gương hypebol, được đặt sao cho tiêu điểm của hai gương trùng nhau tại tiêu điểm gương phụ.
Anten hai gương có tác dụng như anten một gương parabol, nhưng nó có ưu điểm là kích thước theo hướng trục quang ngắn hơn so với anten gương parabol, bộ chiếu xạ đặt gần đỉnh gương parabol hơn nên giá đỡ nó đơn giản hơn và fide tiếp sóng sẽ ngắn hơn do đó tổn hao và tạp âm sẽ nhỏ hơn. Bởi vậy anten cassegrain được sử dụng phổ biến cho trạm mặt đất thông thường và với các anten có kích thước trung bình và lớn.
Anten lệch
a. Anten parabol lệch b. Anten Cassegrain lệch Hình 2.12. Các anten lệch
Các anten một gương parabol và anten hai gương cassegrain có nhược điểm chung là bộ chiếu xạ hay gương phụ đặt thẳng hàng với đỉnh gương làm chắn một bộ phận các tia sóng phản xạ từ gương chính parabol gây ra một “miền tối” phía sau gương làm giảm hệ số tăng ích, hiệu suất và tăng búp phụ.
Để khắc phục nhược điểm này người ta sử dụng anten lệch nghĩa là bộ chiếu xạ được đặt ra ngoài hướng của các tia phản xạ từ gương parabol.
Các anten lệch được sử dụng trong trường hợp yêu cầu chất lượng cao như cần phải giảm can nhiễu từ các mạng viba trên mặt đất, hoặc từ vệ tinh khác nằm gần nhau trên quỹ đạo.
2.2.5. Hệ thống anten bám vệ tinh
Khi ta quan sát vệ tinh địa tĩnh từ một điểm cố định trên mặt đất thì thấy nó đứng yên nhưng trong thực tế nó luôn luôn chuyển động theo mọi hướng do tác động của nhiều nguyên nhân khác nhau như lực hấp dẫn của mặt trời, mặt trăng và các hành tinh khác, tác động của lực bức xạ ánh sáng mặt trời và lực hấp dẫn của quả đất làm cho vệ tinh trượt theo các hướng Nam-Bắc, Đông-Tây so với vị trí định trước, giới hạn cho phép là ± 0.10.
Hàng năm, mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh nghiêng đi một góc khoảng 0.90
theo hướng Bắc-Nam so với mặt phẳng xích đạo.
Hình 2.13. Sự nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo địa tĩnh
Việc duy trì vệ tinh ở vị trí ban đầu, với chu kỳ hiệu chỉnh được thực hiện bởi lệnh phát đi từ trạm đo lường từ xa, bám, điều khiển và giám sát TTC&M (Telemetry, Tracking, Control and Monitoring) đặt trên mặt đất. Vùng cho phép vệ tinh dao động trong đó mà không cần điều chỉnh vị trí vệ tinh gọi là cửa sổ giữ trạm. Kích thước cửa sổ cho phép vệ tinh chuyển động
Bắc
Nam
Quỹ đạo bị nghiêng Quỹ đạo địa tĩnh đúng
góc ở tâm quỹ đạo là 0.10, theo độ cao thấp là 0.0010, tương ứng với độ dài các cạnh cửa sổ là 75km và 85km theo độ cao [1].
Hình 2.14. Cửa sổ cho phép vệ tinh chuyển động tự do
Do sự chuyển động của vệ tinh nên với các anten trạm mặt đất có búp sóng hẹp thì khi vệ tinh chuyển động lệch khỏi hướng thu cực đại mức thu sẽ bị giảm xuống đáng kể. Để bảo đảm mức thu tốt anten trạm mặt đất phải có hệ thống điều khiển bám theo vệ tinh.
Các hệ thống tự động điều khiển anten bám vệ tinh:
- Bám bằng xung đơn (Monopulse Tracking): Hệ thống này luôn xác định tâm búp sóng anten có hướng đúng vào hướng vệ tinh hay không để điều khiển hướng của anten. Hệ thống này sử dụng bốn loa bức xạ, mỗi loa bức xạ có hướng búp sóng hơi khác với hướng búp sóng chính để lấy tín hiệu báo lỗi.
- Hệ thống bám từng nấc (Steptrac Tracking): Nguyên lý của hệ thống bám từng nấc là sau khi nhận được tín hiệu điều khiển bám vệ tinh phát đi từ vệ tinh ở mức không đổi trong búp sóng toàn cầu, mức tín hiệu thu được so sánh với mức mẫu được quy định, nếu nhỏ hơn một giá trị quy định nào đó thì anten sẽ được lệnh quay một góc ban đầu. Bằng cách so sánh mức tín hiệu thu trước và sau khi di chuyển, hướng di chuyển tiếp theo được quyết định. Tóm lại hệ thống này dịch chuyển nhẹ vị trí anten ở các khoảng thời gian nhất định để điều chỉnh sao cho mức tín hiệu thu là cực đại.
Ưu điểm của hệ thống này là khắc phục nhược điểm của hệ thống bám theo xung đơn là bộ phận mô tơ quay anten không làm việc liên tục nên ít bị hỏng. Còn nhược điểm là ít khi anten hướng đúng cực đại vào vệ tinh do hệ thống chỉ làm việc khi mức thu giảm đến một giá trị quy định.
- Hệ thống điều khiển bám theo chương trình: Khi các vệ tinh quỹ đạo nghiêng xuất hiện thì hệ thống bám theo chương trình được đưa ra. Anten được điều khiển bởi máy tính dựa trên số liệu dự đoán các vị trí vệ tinh do INTELSAT cung cấp cho mỗi vệ tinh và các trạm mặt đất có liên quan theo một chu kỳ nhất định là hai tuần một lần. Số liệu dự đoán vị trí vệ tinh được cài đặt vào phần mềm của máy tính điều khiển từ đó biến đổi thành các lệnh để điều khiển anten bám theo vệ tinh ở từng thời gian nhất định.
- Bám bằng tay (Manual Tracking): Chỉ những anten có đường kính lớn là cần thiết phải có hệ thống bám tự động, khi đường kính anten giảm thì yêu cầu này không cần thiết. Trong thực tế đối với các anten có kích thước bằng hoặc nhỏ hơn 8m thì bám tự động là không cần thiết mà chỉ cần điều chỉnh bằng tay hàng tuần hoặc hàng tháng bởi vì độ rộng búp sóng anten lớn. Điều chỉnh này có thể thực hiện bằng cách làm cho các chuyển mạch phù hợp với mô tơ góc phương vị và góc ngẩng hoặc dùng biện pháp cơ khí để quay trực tiếp anten. Biện pháp này dùng để dự phòng cho các loại điều khiển trên.
2.3. Kết luận chương
Trong chương này đã nêu rõ về cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh gồm hai phần là phần không gian và phần mặt đất.
Mỗi thành phần đóng một vai trò nhất định trong hệ thống thông tin qua vệ tinh. Thiếu một bộ phận thì hệ thống không thể hoạt động. Qua chương này chúng ta đã nắm bắt được chức năng các phân hệ của phần không gian và phần mặt đất. Tuy nhiên ở chương này vẫn chưa giải quyết được vấn đề là làm giảm tải trọng của trạm vệ tinh để làm giảm giá thành cũng như tăng được hiệu quả sử dụng trong đó.
Chương 3
THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN VỆ TINH 3.1. Giới thiệu chung
Tuyến thông tin vệ tinh là đường nối liền mặt đất- không gian- mặt đất gồm nhiều thành phần khác nhau như bộ phát đáp vệ tinh, đường truyền dẫn, máy thu phát trạm mặt đất. Tại mỗi phần, chất lượng của tuyến bị giảm ở một mức độ nào đó do tạp âm sinh ra trong phần đó. CCIR (Uỷ ban tư vấn về thông tin vô tuyến quốc tế) đưa ra một tiêu chuẩn liên quan đến công suất tạp âm cho phép đối với việc truyền dẫn các tín hiệu thoại và truyền hình trong dịch vụ vệ tinh cố định. Một điểm quan trọng nữa là khi thiết kế đường truyền sao cho đạt hiệu quả cao nhất nghĩa là chất lượng tuyến cao nhưng giá thành phù hợp.
Các chỉ tiêu sẵn sàng[2]
Một tuyến thông tin vệ tinh cố định xem là không sẵn sàng nếu như một trong các điệu kiện sau tồn tại ở thiết bị thu đầu cuối vô tuyến
- 0,2% của năm trong trường hợp hỏng hóc (thời gian ngừng trệ dịch vụ phải < 18giờ/năm)
- 0,2% của tháng bất kỳ nếu dịch vụ bị trừng trệ do truyền sóng - Trong truyền dẫn số BER vượt quá 10-3
Mục đích chính của việc thiết kế là thiết lập tỷ số C/N theo yêu cầu tại đầu vào máy thu. Vì vậy trọng tâm của chương này là tính toán các thông số được lựa chọn kỹ lưỡng để nhận được tỷ số C/N để đầu vào máy thu đạt yêu cầu, từ đó kiểm tra xem tuyến đạt chất lượng so với yêu cầu hay không.
Đối với hệ thống số từ tỷ số C/N ta tính toán tỷ số Eb/N0 xem có đạt yêu cầu hay không.
Qua đó, dựa vào các thông số tính được để lựa chọn các cấu hình cần thiết cho việc thiết lập trạm mặt đất trong thông tin vệ tinh.
3.2. Các tham số cần cho tính toán
• Cấu hình trạm mặt đất cần chọn chủ yếu là các tham số:
- Loại anten (đường kính, hiệu suất, hệ số phẩm chất, nhiệt độ tạp âm). - Công suất máy phát.
• Việc tính toán sẽ dựa trên một số giả thiết cho trước như:
- Chất lượng tín hiệu yêu cầu. - Các tham số suy hao.
- Hệ số dự trữ.
• Các tham số sử dụng trong tính toán thiết kế có thể phân chia theo thành phần hệ thống liên quan như: