8.1. Nhiệm vụ, chức năng trạm mặt đất:
Trạm mặt đất (SES: Satellite Earth Station) là để tiếp nhận các luồng tín hiệu dưới dạng số hay tương tự từ mạng mặt đất hoặc trực tiếp từ các thiết bị đầu cuối của người sử dụng, xử lý nó và phát lên vệ tinh ở tần số và mức công suất thích hợp cho sự hoạt động của vệ tinh. Một trạm mặt đất có thể thu và phát lưu lượng một cách đồng thời hoặc trạm mặt đất chỉ phát hay thu.
8.2 Cấu hình trạm mặt đất:
Một trạm mặt đất có thể truy nhập bộ phát đáp vệ tinh theo nhiều phương pháp khác nhau (FDMA, TDMA, CDMA ...) nên cấu hình từng loại đa truy nhập cũng khác nhau.
Tín hiệu từ mạng mặt đất đưa đến bộ ghép kênh số (TDM) hay ghép tương tự (FDM), đến bộ đa truy nhập để phân luồng rồi tới các bộ điều chế số (PSK) hay điều chế tương tự (FM). Điều chế ở tần số trung gian gọi là trung tần (70±18) MHz hay (140±36) MHz. Sau điều chế là trung tần, tần số trung tần được đưa đến bộ biến đổi tần số đường lên (U/C) để nâng lên tần số bức xạ (RF). Tín hiệu cao tần sau đó đưa đến bộ kếp hợp thành một băng tần chung với nhiều sóng mang và độ rộng băng lớn. Rồi đến bộ khuếch đại công suất để có công suất lớn, gọi là khuếch đại công suất cao (HPA).
Khi thu cả băng tần thu sẽ được anten cảm ứng với mức công suất rất thấp do cự ly thông tin lớn, bởi vậy tín hiệu thu từ anten qua ống dẫn sóng đến bộ lọc phân hướng (D) qua bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) để nâng mức tín hiệu thu lên khoảng 40 dB -60 dB và LNA đặt càng gần anten càng tốt để giảm tạp âm đưa vào hệ thống. LNA sẽ khuếch đại toàn bộ băng tần thu, rồi đưa đến bộ chia phân ra các băng tần con, sau đó đưa tới bộ biến đổi hạ tần (D/C) xuống trung tần (IF). Tiếp đến là đưa tới bộ giải điều chế (DEMOD) để lấy ra tín hiệu băng tần cơ sở, đến thiết bị xử lý tín hiệu, qua thiết bị phân kênh đến thiết bị đầu nối ra mạng mặt đất tới người sử dụng.
8.3 Anten trạm mặt đất:
• Nhiệm vụ anten trạm mặt đất: 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 máy thu.
• Yêu cầu với anten trạm mặt đất: - Hệ số tăng ích và hiệu suất cao.
- Tính hướng cao, búp sóng phụ nhỏ để không gây can nhiễu lên các hệ thống viba khác.
- Đặc tính phân cực tốt để sử dụng các dạng phân cực khác nhau khi sử dụng lại tần số.
- Tạp âm thấp.
1) Anten gương parabol: Gồm một mặt phản xạ parabol làm từ nhôm hoặc hợp kim của nhôm. 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, tâm pha của bộ chiếu xạ trùng với tiêu điểm của gương.
Hình 8.1: Anten gương parabol
Khoảng cách từ điểm F đến đỉnh gương O gọi là tiêu cự f, nếu gương parabol tròn xoay thì đường kính miệng gương L gọi là khẩu độ (aperture).
Theo tính chất gương parabol, các tia sóng xuất phát từ tiêu điểm của gương rồi phản xạ từ mặt gương trở thành các tia sóng song song nhau và tổng đường đi từ tiêu điểm đến mặt phản xạ tới miệng gương là bằng nhau. Như vậy nếu nguồn sơ cấp đặt tại tiêu điểm gương bức xạ sóng cầu thì sau khi phản xạ từ mặt gương sẽ trở thành sóng phẳng. Nên anten parabol có bức xạ đơn hướng, tính hướng hẹp hệ số tăng ích cao.
2) Anten Cassegrain: 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 hai gương trùng nhau tại 𝐹1 như hình bên dưới:
Hình 8.2: Anten hai gương Cassegrain
Đặt bộ chiếu xạ sao cho tâm pha trùng với tiêu điểm của gương phụ ảo hypebol 𝐹2
. Các tia sóng xuất phát từ bộ chiếu xạ (nghĩa là từ tiêu điểm của gương phụ ảo hypebol) phản xạ lần một tại gương phụ hypebol, rồi phản xạ lần hai tại gương chính parabol trở thành các tia sóng song song với nhau, đoạn đường đi đến mặt phẳng song song với miệng gương là hằng số. Nguồn sơ cấp bức xạ sóng cầu sau khi phản xạ từ hai gương sẽ trở thành sóng phẳng.
3) Anten lệch: là anten có bộ chiếu xạ được đặt lệch ra ngoài hướng của các tia phản xạ từ gương parabol. Để tránh gây ra một ‘’miền tối’’ làm giảm hệ số tăng ích, hiệu suất và tăng búp sóng phụ.
Anten lệch được sử dụng khi yêu cầu chất lượng cao để giảm can nhiễu từ các mạng viba trên mặt đất hoặc từ các vệ tinh khác nằm gần nhau trên quỹ đạo.
4) Đặc tính phân cực:
Sóng bức xạ ra từ anten gồm hai thành phần điện trường E và từ trường H, vuông góc với nhau và vuông góc với phương lan truyền. Khi xét phân cực cần xét sự biến thiên của véc tơ cường độ điện trường E. Phân cực được đặt trưng bởi các thông số sau:
- Phương quay véc tơ E: có thể quay theo chiều kim đồng hồ gọi là quay phải, hay ngược chiều kim đồng hồ gọi là quay trái.
- Tỷ số trục (AR: Axial Ratio) : là tỷ số độ dài giữa trục chính và trục phụ của hình elip do véc tơ E trong quá trình biến đổi tạo nên:
𝐴𝑅 = 𝐸𝑚𝑎𝑥/𝐸𝑚𝑖𝑛
+ Nếu 𝐸𝑚𝑎𝑥 = 𝐸𝑚𝑖𝑛 thì AR=1 là sóng phân cực tròn. + Nếu 𝐸𝑚𝑖𝑛 = 0 thì AR=∞ là sóng phân cực thẳng.
+Nếu 𝐸𝑚𝑎𝑥 ≠ 𝐸𝑚𝑖𝑛 thì AR có giá trị bất kỳ là sóng phân cực elip.
Hình 8.4: Tính chất phân cực của sóng điện từ 8.4. Bám vệ tinh:
Trong thực tế vệ tinh địa tĩnh luôn chuyển động theo mọi hướng do tác động của nhiều nguyên nhân như lực hấp dẫn của mặt trời, tác động của lực bức xạ ánh sáng mặt trời và trường hấp dẫn của trái đất, làm cho vệ tinh “trượt” theo các hướng Nam-Bắc và Đông-Tây so với vị trí định trước. Do vậy cần duy trì vệ tinh ở vị trí ban đầu bằng các lệch được 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.
• Các hệ thống điều khiển anten bám vệ tinh:
Hệ thống bám bằng xung đơn (monopulse tracking): Khi hướng thu tín hiệu từ vệ tinh đến đúng hướng thu cực đại của anten (hướng thẳng góc với bộ chiếu xạ), thì trong ống dẫn sóng của bộ tiếp sóng xuất hiện sóng 𝑇𝐸10. Khi hướng thu bị lệch thì trong ống dẫn sóng xuất hiện sóng bậc cao hơn là 𝑇𝐸20 (như hình bên dưới). Pha của sóng 𝑇𝐸20 sẽ
thay đổi phụ thuộc vào hướng của góc lệch từ đó máy thu điều khiển bám sẽ ra lệch phù hợp để quay anten.
Hình 8.5: Các sóng thu được ở các hướng khác nhau
Hệ thống điều khiển bám theo chương trình (program tracking): 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. Số liệu dự đoán vị trí vệ tinh được cài đặt vào phần mềm của máy tính điều khiển, biến đổi thành lệch để điều khiển anten bám theo vệ tinh ở từng thời gian nhất định.
Hệ thống bám từng nấc (steptrac tracking) : Sau khi nhận được tín hiệu điều khiển bám vệ tinh (hay tín hiệu hướng dẫn) phát đi từ vệ tinh ở mức không đổi trong búp sóng toàn cầu. Mức tín hiệu thu được so sánh với mức mẫu quy định, nếu nhỏ hơn giá trị quy định thì anten sẽ được lệch quay về góc ban đầu.
Bám bằng tay (Manual Tracking) : Các anten có kích thước bằng hoặc nhỏ hơn 8m chỉ cần điều chỉnh bằng tay hàng tuần hoặc hàng tháng. Thực hiện bằng cách làm cho các chuyển mạch phù hợp với mô tơ góc phương vị và góc ngẩng.