2.2.4.1. Khái niệm
Một trạm mặt đất bao giờ cũng phải có bộ khuếch đại công suất. Chức năng cơ bản của một bộ khuếch đại công suất (Power Amplifier - PA) đối với một trạm mặt đất là dùng để nâng cao công suất của tín hiệu tạo bởi các thiết bị thông tin mặt
đất tới mức công suất đủ lớn sao cho bằng một anten có hệ số tăng ích hiệu dụng đã biết thì tín hiệu sóng mang có thể truyền đến được vệ tinh với mức EIRP đạt yêu cầu. So với hệ thống thông tin vệ tinh do khảng cách chuyển tiếp dài khoảng 36000Km nên một trạm mặt đất lớn phát với công suất khoảng vài trăm W đến vài chục KW.
48
Hai loại HPA thường gặp nhất trong các trạm mặt đất là bộ khuếch đại công suất Klytron (KPA) và bộ khuếch đại đèn sóng chạy TWTA (Travelling Wave Tube Amplifier). Ngoài ra hiện nay người ta đang dần dần sử dụng rộng rãi bộ khuếch đại công suất bán dẫn SSPA (Solid State PA). Trong các loại này thì TWTA là bộ
khuếch đại có công suất lớn dải rộng, KPA có công suất lớn dải hẹp còn SSPA có công suất nhỏ và dải rộng.
2.2.4.2. Bộ khuếch đại công suất Klytron (KPA)
Ta hãy xét những đặc điểm cơ bản của một bộ Klytron tiêu chuẩn đa hốc cộng hưởng (thông thường là gồm 5 hốc cho một bộ khuếch đại công suất 3 KW). Nó gồm một súng điện tử dùng để bắn ra chùm electron đi xuyên qua các khe hở
của các hốc và những ống kim loại hình trụ gọi là các ống trượt (Dript Tubes) đặt giữa các khe hốc. Trong bộ khuếch đại này, tín hiệu cao tần có công suất thấp được
đưa vào bộ cộng hưởng thứ nhất gọi là hốc hội tụ (Buncher cavity). Tín hiệu này sẽ
tạo ra các dòng điện chảy trong những thành hốc làm xuất hiện một điện trường xuyên ngang khe Buncher. Điện trường này lại được dùng để điều tiết tốc độ của chùm tia điện tử. Sau khi ra khỏi khe Buncher các electron tiếp tục bay qua hốc cộng hưởng trung gian và hốc thoát (còn gọi là hốc đón hay Catcher) để tới Collector. Hốc Catcher sẽ tạo ra rất nhiều dòng điện dao động tại các vách của nó
để nâng cao được năng lượng của sóng cao tần phát nếu như kích thước của hốc chuẩn xác để cộng hưởng đúng tần số của sóng. Các hốc cộng hưởng trung gian (thường ở vị trí thứ hai và thứ ba) có vai trò hỗ trợ nhằm tạo ra khả năng khuếch đại lớn và nâng cao mức công suất bão hoà. Chùm electron khi bay qua các hốc cộng hưởng và các ống trượt phải được làm hẹp lại để nâng cao cường độ của chùm tia. Việc này được thực hiện bằng các thiết bị hội tụ (Focusing) gồm các thành phần từ
49
Hình 2. 13 :Cấu trúc bộ KPA
KPA là thiết bị khuếch đại công suất lớn dải hẹp. Độ rộng dải thông của nó thường vào khoảng dưới 100 MHz và hệ số tăng ích trong khoảng từ 35÷50 dB. Ví dụ như khi KPA làm việc ở băng C (5,925 - 6,425 GHz) trong hệ thống INTELSAT thì ứng với công suất ra 1000 W, hệ số tăng ích của KPA là 35 dB và dải thông rộng 40 MHz. Đối với băng Ku (14 - 14,5 GHz), khi công suất ra là 1500 W thì hệ số
khuếch đại của KPA=40 và độ rộng dải thông là 100 MHz. Tần số làm việc của bộ
khuếch đại công suất Klytron có thểđiều chỉnh được bằng việc thay đổi kích cỡ của các hốc cộng hưởng thông qua các núm vặn Tunning để nó cộng hưởng đúng tần số
mà ta mong muốn.
2.2.4.3. Bộ khuếch đại đèn sóng chạy (TWTA)
Bộ khuếch đại công suất sóng chạy (TWTA) là một bộ khuếch đại dải rộng với hệ số tăng ích thông thường từ 25dB ÷ 50 dB. Hiệu suất của TWTA nói chung phụ thuộc vào từng băng tần nhưng thường có giá trị khoảng 20% ÷ 40% trong đó hiệu suất 20% là phổ biến hơn.
Nguyên lý làm việc của TWTA là sử dụng một chùm electron được hội tụ
bằng từ trường tương tác với một cơ cấu sóng chậm (Slow Wave Structure). Tốc độ
của luồng electron được điều chỉnh sao cho nó gần như ngang bằng với vận tốc pha của sóng điện từ chảy dọc theo cuộn dây xoắn. Trong những điều kiện như thế, sẽ
50
xảy ra một sự tác động qua lại rất mạnh mẽ giữa chùm tia điện tử và sóng điện từ
trong cuộn dây làm cho năng lượng của sóng được tăng lên. Cơ cấu sóng chậm
được đặt giữa súng điện tử và collector mang điện thế dương. Hình dáng và cấu trúc của chúng có thể rất đa dạng, ví dụ như dạng ống tròn bằng đá hay bằng điện môi, dạng vòng, dạng thỏi hoặc dạng xoắn... Trên hình 2.14 là sơđồ một đèn sóng chạy sử dụng cơ cấu làm chậm hình xoắn (Helix).
Hình 2. 14 :Cấu trúc bộ TWTA
2.2.4.4. Bộ khuếch đại công suất bán dẫn (SSPA)
Bộ SSPA là thiết bị sử dụng công nghệ bán dẫn chế tạo các FET công suất. Những bộ SSPA đặc biệt dùng GaAsFET hiện nay đều có khả năng thay thế TWTA trong những ứng dụng cần công suất nhỏ. Vì dùng bán dẫn cho nên SSPA nhỏ gọn và tiết kiệm năng lượng hơn TWTA khá nhiều, do đó nó rất thích hợp cho các trạm mặt đất hiện đại cũng như cho vệ tinh. Mức công suất ra tiêu chuẩn của SSPA nằm trong khoảng 2.5 Watts ở băng 14/11 GHz và 10 Watts ở băng 6/4 GHz. Hệ số tăng ích của nó vào khoảng 57.0 dB trên mọi tần số thuộc băng tần 5.9 đến 6.4 GHZ và có điểm bão hòa tại mức công suất vào -16 dBm.
Tuy nhiên hiện nay SSPA vẫn ít được dùng vì khả năng công suất còn thấp, chế tạo rất phức tạp và giá thành lại quá cao nhiều khi còn đắt hơn cả TWTA. Giá của thiết bị này vào thời điểm năm 1987 là khoảng từ 2000 đến 4000 US Dollars tuỳ thuộc vào băng tần và công suất ra.
51
2.2.4.5 Các đặc tính của bộ khuếch đại công suất 2.2.4.5.1 Tính phi tuyến
Hình 2. 15 : Đặc tuyến công suất
Hình 2.15 cho chúng ta thấy tính chất phi tuyến của các bộ khuếch đại công suất cao HPA. Khi công suất vào PIN tăng thì công suất ra POUT tăng không tuyến tính theo PIN, đường đồ thị
POUT = f(PIN) là một đường cong. Khi PIN tăng đến một giá trị PSAT thì POUT
đạt đến bão hoà (Saturation) và bắt
đầu giảm đi nếu PIN tiếp tục tăng.
Mỗi Transponder thường có một bộ HPA. Khi một Transponder mang nhiều sóng mang thì bộ HPA phải làm việc đồng thời với nhiều tần số.
2.2.4.5.2. Các phương pháp bù tuyến tính cho HPA
Trong mục trên ta thấy các bộ HPA có đặc tuyến công suất không tuyến tính. Khi HPA làm việc gần tới điểm bão hòa thì nó sẽ làm méo dạng tín hiệu nghiêm trọng do các thành phần xuyên điều chế lúc này có năng lượng khá cao. Hiện tại không có biện pháp chế tạo nào cho phép khắc phục nhược điểm này của các bộ
HPA. Do đó để giảm méo người ta bắt buộc phải hạ thấp điểm làm việc hay tạo ra một lượng dự phòng đầu vào (IBO - input back-off), mặc dù điều đó sẽ làm giảm công suất ra, hệ số khuếch đại, hiệu quả sử dụng và gia tăng giá thành. Lượng dự
phòng đầu vào IBO được tính bằng tỉ số PIN/PSAT. Nó vào khoảng từ -6 đến -7 dB
đối với các bộ TWTA
Một phương pháp khắc phục nữa đó là dùng bộ bù tuyến tính (Linearizer) để
52
ra. Đối với một bộ TWTA công suất 3 KW, nếu sử dụng bộ bù tuyến tính sẽ làm cho méo thứ tự 3 có thể đạt tới 30 dB so với 21 dB khi không sử dụng kỹ thuật này. Tuy nhiên khi sử dụng bộ Linearizer này người ta phải chịu thêm các phiền phức trong quá trình kiểm tra và điều chỉnh. Hơn nữa bộ bù này còn gây thêm các tạp âm
đấu nối và do đó có thể làm giảm hiệu suất của HPA.
2.2.4.5.3. Tạp âm đầu vào (Spurious Signal)
Vì HPA là các bộ khuếch đại công suất cho nên ta thấy ý nghĩa của việc phải hạn chế tạp âm tại đầu vào của nó. Nếu không, tạp âm được HPA khuếch đại với độ
tăng ích như tín hiệu sẽ có mức công suất lớn làm suy giảm nghiêm trọng tỉ số C/N của sóng mang. Tạp âm đầu vào bao gồm tạp âm trong dải tín hiệu và tạp âm đầu nối của HPA. KPA có hệ số tạp âm xấp xỉ 35dB còn đối với TWTA giá trị này lớn hơn một chút khoảng 40 dB.
2.2.4.6. Điều chế số
Điều chế tín hiệu là biến đổi tin tức cần truyền sang một dạng năng lượng mới có quy luật biến đổi theo tin tức và thích hợp với môi trường truyền dẫn. Quá trình điều chế là quá trình dùng tín hiệu tin tức để thay đổi một hay nhiều thông số
của phương tiện mang tin. Phương tiện mang tin trong thông tin vệ tinh thường là sóng điện từ cao tần (RF). Việc điều chế phải đảm bảo sao cho tín hiệu ít bị can nhiễu nhất khi sóng mang đi qua môi trường trung gian.
Kỹ thuật điều chế số dựa trên cơ sở dùng các biện pháp tải các dòng bít tin tức lên sóng mang. Tín hiệu ở băng gốc bao giờ cũng là tín hiệu tương tự nên chúng phải được chuyển thành tín hiệu số nhờ phương thức PCM (Pulse Code Modulation) trước khi đem điều chế. Kỹ thuật điều chế số được sử dụng trong thông tin vệ tinh thường là điều chế dịch mức pha PSK (Phase Shift Keying) bởi vì nó có ưu điểm là đường bao sóng mang là hằng số và so với kỹ thuật điều chế
khóa dịch tần FSK (Frequency Shift Keying) thì PSK có hiệu suất phổ tốt hơn (tức số bit/s được truyền trong một đơn vị độ rộng dải tần vô tuyến). Ưu điểm của kỹ
53
hiệu tương tự, ít bị can nhiễu của môi trường và dễ kết hợp với các quá trình xử lý như: mã hoá, bảo mật, chống lỗi, sửa lỗi.
Các loại điều chế PSK thường gặp :
+ Loại điều chế hai trạng thái (M = 2): Khóa dịch pha nhị phân BPSK (Binary Phase Shift Keying).
+ Loại điều chế bốn trạng thái (M = 4): Khóa dịch pha cầu phương QPSK (Quadrature Phase Shift Keying).
+ Loại điều chế tám trạng thái (M = 8): 8-PSK
+ Loại điều chế 16 trạng thái (M = 16): 16-PSK; 16QAM + Loại điều chế 32 trạng thái (M = 32): 32-PSK.
Các dịch vụ trong thông tin vệ tinh
Các băng tần số được phân định cho các dịch vụ thông tin vệ tinh khác nhau, mặc dù một số dịch vụ nhất định có thể được phân định những băng tần khác nhau tại các vùng khác nhau. Một số các dịch vụđược cung cấp qua vệ tinh như:
- Dịch vụ vệ tinh cốđịnh - Dịch vụ vệ tinh quảng bá - Dịch vụ vệ tinh di động - Dịch vụ vệ tinh dẫn đường - Dịch vụ vệ tinh khí tượng
Có rất nhiều phân vùng con trong từng phân vùng dịch vụ lớn này. Chẳng hạn như dịch vụ vệ tinh cố định cung cấp các kết nối cho các mạng điện thoại hiện có cũng nhưđể truyền tín hiệu truyền hình tới các công ty truyền hình cáp để tiếp tục phân phối qua các hệ thống cáp.
54
Hình 2. 16 : Một số dịch vụ vệ tinh
Dịch vụ vệ tinh quảng bá chủ yếu được sử dụng để phát quảng bá tín hiệu đến từng hộ gia đình, đôi khi còn được gọi là Dịch vụ vệ tinh quảng bá trực tiếp DBS hoặc là Dịch vụ trực tiếp tới gia đình DTH.
Các dịch vụ vệ tinh di động sẽ bao gồm dịch vụ di động mặt đất, di động trong hàng hải và di động trong hàng không.
Dịch vụ vệ tinh dẫn đường bao gồm dịch vụ định vị toàn cầu và các vệ tinh chuyên dùng cho khí tượng thường được sử dụng cho tìm kiếm và cứu nạn.
55
CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾĐƯỜNG TRUYỀN TRONG HỆ THỐNGTHÔNG TIN VỆ TINH VINASAT -1.
3.1. Cơ sở lý thuyết tính toán
Các loại hình kết nối được đề cập đến trong chương này bao gồm:
- Đường lên: tuyến từ trạm mặt đất tới vệ tinh - Đường xuống: tuyến từ vệ tinh xuống trạm mặt đất
- Vệ tinh: tuyến kết nối trực tiếp với vệ tinh Vinasat-1, anten được hướng chuẩn đến vệ tinh Vinasat-1.
Đường lên và đường xuống bao gồm các sóng mang cao tần được điều chế, còn
đối với tuyến kết nối trực tiếp giữa các vệ tinh có thể sử dụng sóng cao tần hoặc quang học. Sóng mang cao tần được điều chế bởi tín hiệu băng gốc chuyên chở
thông tin dùng cho mục đích thông tin liên lạc. Tuyến kết nối giữa các người dùng
đầu cuối đòi hỏi một đường lên và một đường xuống, và cũng có thể cần thêm một hoặc vài kết nối liên vệ tinh.
Hiệu suất của mỗi tuyến con sẽ ảnh hưởng tới hiệu suất chung của tuyến tổng kết nối giữa các đầu cuối và sẽ quyết định đến chất lượng dịch vụ (QoS) của toàn tuyến đó, đăc biệt ảnh hưởng đến tỷ lệ lỗi bit (BER) đối với truyền thông số.
Hình 3.1 minh họa các phần tử cấu thành nên một tuyến thông tin vệ tinh. Thiết bị phát bao gồm một máy phát Tx được kết nối qua phi-đơ tới anten phát với
độ tăng ích GT theo hướng thu. Công suất bức xạPT của thiết bị phát theo hướng thu và hiệu suất của thiết bị phát được đánh giá bởi tham số EIRP:
56
Trên tuyến, công suất bức xạ sẽ chịu ảnh hưởng bởi tổn thất tuyến L.
Các thiết bị thu bao gồm anten thu với độ tăng ích GR theo hướng phát, nối qua phi-đơ tới máy thu Rx. Tại đầu vào máy thu, công suất của sóng mang điều chế
là C và tất cả các nguồn nhiễu trên tuyến sẽ tạo thành tạp âm nhiệt hệ thống T. Tạp âm nhiệt hệ thống này sẽ quyết định đến mật độ phổ công suất tạp âm N0, và do đó hiệu suất tuyến C/N0 có thể tính toán được tại đầu vào máy thu. Hiệu suất máy thu
được xác định bởi hệ số phẩm chất G/T với G là độ tăng ích tổng cộng thiết bị thu.
Mục đích của phần này là xác định tỷ số tín hiệu trên tạp âm tại đầu vào máy thu. Tỉ số này phụ thuộc vào các đặc tính của máy phát, môi trường truyền dẫn và máy thu. Tuyến lên và tuyến xuống trước tiên được xem xét một cách riêng biệt. Sau đó sẽ xác lập biểu thức cho tỉ số tín hiệu trên tạp âm của một tuyến hoàn chỉnh giữa hai trạm mặt đất.
3.2. Phân tích đường truyền hướng phát 3.2.1. Hệ số tăng ích anten G (Gain) 3.2.1. Hệ số tăng ích anten G (Gain)
Hệ số tăng ích của anten là một thông số quan trọng, quyết định không những chất lượng của anten mà cả chất lượng và quy mô trạm mặt đất. Hệ số tăng ích GT của anten nói lên việc tập trung công suất bức xạ của máy phát cung cấp cho anten vào búp sóng hẹp của anten.
Hệ số tăng ích của anten trên một hướng α là tỉ số công suất phát (hoặc thu) trên mỗi đơn vị góc mở của nó theo hướng α chia cho công suất phát (hoặc thu) trên mỗi đơn vị góc mở của một anten vô hướng có cùng công suất:
G = 4π.Ae.η/λ2 (3.1)
Trong đó: Ae là diện tích hiệu dụng của anten, λ là bước sóng làm việc, η là hiệu suất của anten.
57
Biểu thức này cho thấy: khi nhìn từđầu phát, khả năng tập trung sóng vô tuyến điện là vào một hướng xác định, khác với trường hợp sóng bức xạ đồng đều theo mọi hướng.
Trong trường hợp anten gương tròn với đường kính D[m]: Ae = πD2/4 thay vào (3.1) ta có:
G = η(πD/ λ)2 = η(πDf/ c)2 (3.2) Hoặc tính theo dB:
GdBi = 10log η + 20log f + 20 log D + 20.4dB (3.3) Trong đó:
- η là hiệu suất của anten - D [m] là đường kính anten - f [GHz] là tần số làm việc
- 20.4dB là hằng sốđược tính từ 20log (1*109*π/c).
Vậy hệ số tăng ích của anten tỉ lệ với bình phương đường kính anten (D) và bình phương tần số làm việc (f). Điều đó có ý nghĩa là, tần số càng cao và đường