Yêu cầu ựối với anten trong TTVT
Anten là thiết bị quan trọng nhất trong TTVT, ựặc biệt là với trạm mặt ựất, nó chiếm tới 50% giá thành trạm và thậm chắ còn hơn thế. Bản thân anten quyết ựịnh cấu hình và hoạt ựộng khai thác của trạm mặt ựất cũng như của vệ tinh thông tin. Vì thế, ựể ựảm bảo chất lượng thông tin anten trong TTVT phải ựáp ứng các yêu cầu sau:
- Hệ số ựịnh hướng cao: Hệ số ựịnh hướng của anten ựược tắnh theo công thức sau: G= η λ π . 4 2 A (1-10) Trong ựó:
A- Diện tắch hiệu dụng của anten (m) λ- Bước sóng công tác (m)
η- Hiệu suất anten.
G= η λ π . 2 D (1-11) Tắnh theo dB: G= 20log(πD/λ).η
Tắnh ựịnh hướng của anten ựược ựặc trưng bởi ựộ rộng búp sóng 3 dB của búp sóng chắnh. Với anten Parabol nó ựược tắnh theo công thức sau với D(m) là ựường kắnh anten, là λ bước sóng công tác hoặc f(Ghz) tần số công tác:
D f D . 21 . 70 2 1 = = Φ λ ( độ ) (1-12)
- Tạp âm nhỏ: Tạp âm anten ựược ựánh giá qua nhiệt tạp âm anten, ta ựã xét ở mục (1.2.). Nhiệt tạp âm nhỏ sẽ góp phần ựảm bảo tỷ số G/T theo yêu cầụ
- đặc tắnh phân cực tốt: Anten cần có tắnh phân cực tốt ựể việc sử dụng lại tần số một cách hiệu quả bằng cách ghép các sóng phân cực ngang và ựứng thành phân cực vuông góc hoặc thành các sóng phân cực tròn trái và tròn phảị
- Góc quay và ựộ chắnh xác cơ khắ cao: Intelsat qui ựịnh anten trạm mặt ựất phải có khả năng quay tối thiểu 100 cho cả góc phương vị và góc ngẩng xung quanh ựường thẳng tưởng tượng nối từ trạm mặt ựất tới vệ tinh thông tin. Ngày nay, các anten có thể quay 3600, tức là quan sát toàn bộ bầu trời, với các cơ cấu cơ khắ gọn nhẹ nhưng chắc chắn. Ngoài ra, ựể ựạt tắnh ựịnh hướng và hiệu suất cao thì các mặt phản xạ chắnh, phụ phải có ựộ chắnh xác bề mặt cao ựồng thời anten phải có ựộ chắc chắn cơ học cao ựể tránh các tác ựộng bên ngoài như gió, bão, ựộng ựấtẦ
- Hiệu suất anten cao: Với công nghệ chế tạo hiện nay, hiệu suất anten Parabol có thể ựạt 50%- 70%. Các yếu tố ảnh hưởng ựến hiệu suất anten Parabol như sau:
+ Tổn hao mặt phản xạ chắnh do mất mát công suất ra mép ngoài mặt phản xạ chắnh làm hiệu suất anten giảm.
+ Tổn hao mặt phản xạ phụ gây ra cho bức xạ sơ cấp từ Feedhorn bị mất mát một phần công suất ra mép ngoài mặt phản xạ phụ làm giảm hiệu suất anten.
+ Tổn hao mặt phản xạ phụ gây ra bởi mặt phản xạ phụ và các thanh ựỡ mặt phản xạ phụ.
+ Tổn hao gây ra do sự không bằng phẳng của bề mặt phản xạ chắnh, phụ.
Các loại anten dùng trong trạm mặt ựất:
Trong SES thường sử dụng một số loại anten, mỗi anten có một mặt phản xạ chắnh và nguồn bức xạ ựặt ở tiêu ựiểm của parabol nên sóng bức xạ từ mặt parabol sẽ là sóng phẳng (các tia sóng song song với nhau).
- Anten parabol có sơ cấp ựặt ở tiêu ựiểm: Anten loại này có cấu tạo ựơn giản và giá thành thấp nhất. Nó ựược dùng chủ yếu ở các trạm thu (không phát) và các trạm nhỏ có dung lượng thấp. Tuy nhiên, hệ số ựịnh hướng và búp sóng phụ không tốt. Nhược ựiểm nữa là cáp ựầu nối từ loa thu phát ựến máy phát và máy thu dài làm tăng suy hao và nhiệt tạp âm hệ thống.
- Anten lệch (bù): Anten lệch có bộ phận phide, gương phản xạ phụ ựược ựặt ở vị trắ lệch một ắt so với hướng trục của gương phản xạ chắnh ựể các bộ phận phide và gương phản xạ nhỏ không chặn ựường ựi của tia sóng. Do ựó, búp sóng phụ giảm và hệ số ựịnh hướng tăng lên so với anten cassgrain. Có 2 loại anten lệch: Anten parabol lệch và anten Gregorian có hình dạng và các ựặc tắnh mô tả ở hình 1.7.
- Anten Cassegrain: Hiện nay hầu hết các trạm mặt ựất loại A ựều dùng anten cassegrain dạng tiêu chuẩn, ựược mô tả như hình 1.7.
Hình 1.7. Anten cassegrain
Hệ thống bức xạ của anten gồm: mặt phản xạ chắnh là một gương parabol có tiêu ựiểm là O1. Mặt phản xạ phụ là một gương Hypebol. Feedhorn (loa cấp ựiện) có tâm pha tương ựương là O2 và nối ựến Duplexer. Tham số chủ yếu của anten ựược xác ựịnh như sau:
= 2 cot 4 1 θ g D F (1-13)
Ưu ựiểm của anten cassegrain là: suy hao sóng chỉ xảy ra ở mặt gương phản xạ phụ theo phương truyền sóng nên hiệu suất anten cao và biên ựộ búp sóng phụ nhỏ, nhiệt tạp âm nhỏ.
Thiết bị bám vệ tinh
Mặc dù vệ tinh ựược ựặt trên quĩ ựạo ựịa tĩnh, coi như ựứng yên so với trái ựất nhưng trên thực tế do sức hút trái ựất, mặt trăng, mặt trời nên vị trắ và ựộ nghiêng của nó trên quĩ ựạo bị thay ựổị để ựảm bảo chất lượng TTVT, anten trạm mặt ựất phải hướng ựúng vào vệ tinh. Hiện nay có 4 phương pháp bám vệ tinh ựược dùng như sau:
- Phương pháp bám theo kiểu xung ựơn: Phương pháp này dựa trên cơ sở thu và quan sát các kiểu sóng ựứng làm việc trong các feedhorn phụ ựặt xung quanh feedhorn chắnh. Tách các kiểu sóng ựang làm việc dựa vào thiết bị
Gương phụ
phân tắch ựể xác ựịnh mức ựộ lệch hướng của anten trạm mặt ựất với vệ tinh. Phương pháp này có ựộ chắnh xác cao nhưng hệ thống bám phải làm việc liên tục làm cho kết cấu cơ khắ của anten chóng bị mài mòn và vì thế ắt ựược dùng trong thông tin vệ tinh thương mạị
- Phương pháp bám theo kiểu từng nấc: Theo nguyên lý bám này thì vệ tinh phát xuống mặt ựất tắn hiệu dẫn ựường (Beacon) có các tần số thường dùng: 3947,5; 3948; 3952; 3953,5 (MHz). Trong ựó 2 tần số thường dùng trong hoạt ựộng thông thường là 3947,5 và 3953,5 (MHz), còn 2 tần số khác dùng khi phóng vệ tinh hoặc là ựưa vệ tinh vào ựúng vị trắ quĩ ựạo, thiết bị bám vệ tinh sẽ giám sát tắn hiệu beacon của vệ tinh tại những khoảng thời gian nhất ựịnh, thiết bị sẽ lấy mẫu ở một số thời ựiểm trong cửa sổ. Mức ựiện của các mẫu sẽ ựược ựem so sánh ựể xác ựịnh xem vệ tinh có ựúng trọng tâm cửa sổ không. Bộ ựiều khiển sẽ ra lệnh cho anten quay ựúng về hướng có mức beacon lớn nhất và trong trường hợp tắn hiệu beacon bất ngờ tụt xuống dưới mức chuẩn ựã ựịnh thì thiết bị bám sẽ ựược khởi ựộng lại ngay lập tức. Theo phương pháp này, anten trạm mặt ựất không phải liên tục ựược ựiều khiển ựể bám theo vệ tinh như kiểu bám xung ựơn nên ựỡ tốn năng lượng và ắt làm mòn các kết cấu cơ khắ nhưng ắt chắnh xác hơn, phương pháp bám vệ tinh này ựang ựược sử dụng phổ biến trong TTVT thương mạị (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Phương pháp bám vệ tinh theo chương trình: Phương pháp này dựa trên số liệu thiên văn của các vị trắ quĩ ựạo vệ tinh ựược ựoán trước do Intelsat cung cấp cho các trạm mặt ựất. Các số liệu này thường ựược thông báo trước 2 tuần. Nó ựược phần mềm xử lý và ựưa ra các tắn hiệu ựiều khiển anten bám vệ tinh. Phương pháp này thắch hợp và không cần có các thiết bị xử lý tắn hiệu beacon và không cần có các thiết bị xử lý tắn hiệu kèm theo nên kinh tế hơn các phương pháp khác.
- Phương pháp bám vệ tinh kiểu nhân công: Phương pháp này chỉ thực hiện ở các trạm mặt ựất nhỏ vì anten ở ựấy có búp sóng lớn nên anten chỉ cần
ựiều chỉnh hàng tuần hàng tháng theo kiểu bật ựiện cho các mô tơ chạy hoặc chỉnh bằng tay trong các lần bảo dưỡng ựịnh kỳ.
1.3.3. Bộ khuếch ựại tạp âm nhỏ LNA
Bảng 1.1. Các loại LNA
LNA Khuếch ựại
tham số
GaAs FET HEMT
điều kiện làm việc Làm lạnh khắ Heli Làm lạnh nhiệt ựiện Không làm lạnh nhiệt ựộ trong phòng Làm lạnh nhiệt ựiện Làm lạnh nhiệt ựiện Băng 4GHz Xấp xỉ 15K Xấp xỉ 32K Xấp xỉ 55K Xấp xỉ 45K Xấp xỉ 52K Băng 12GHz --- 90K hoặc thấp hơn 180K hoặc thấp hơn Xấp xỉ 120K Xấp xỉ 120K Băng tần Băng 20GHz --- 220K hoặc thấp hơn 300K hoặc thấp hơn 200K hoặc thấp hơn Xấp xỉ 160K
Bảo dưỡng Khó Vừa Dễ Vừa Dễ
Tắnh năng Tạp âm thấp, băng tần rộng
Chất lượng gần bằng khuếch ựại tham số, kắch thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, giá thành thấp. Tạp âm thấp, kắch thước vô cùng nhỏ, giá thành thấp.
Tắnh hiệu thu về từ vệ tinh rất yếụ Vì thế chất lượng tắn hiệu rất kém, quá thấp về mức tắn hiệu và lớn về tạp âm. để ựảm bảo chất lượng thông tin, cần phải giảm tạp âm trong tầng khuếch ựạị Vì vậy, các bộ khuếch ựại dải rộng (500MHz) phải ựược chế tạo sao cho tạp âm nội thấp và không làm tăng nhiệt tạp âm hệ thống, ựảm bảo tỉ số tắn/tạp. Bộ khuếch ựại ựó là gọi là bộ khuếch ựại tạp âm nhỏ - LNẠ Hiện nay có 3 loại bộ khuếch ựại tạp âm nhỏ ựược dùng là: Bộ khuếch ựại tham số, bộ khuếch ựại dùng GaAs FET và bộ khuếch ựại dùng HEMT. Trong ựó phổ biến nhất là các bộ khuếch ựại tham số.
1.3.4.Bộ khuếch ựại công suất lớn HPA
Bảng 1.2. So sánh các bộ khuếch ựại công suất lớn Loại
HPA Tham số
Loại Klistron Loại TWT Loại FET
Thiết bị sử dụng ựể khuếch ựại Klistron TWT FET Công suất ra Lớn Lớn Nhỏ Kắch thước Lớn Trung bình Nhỏ
Băng tần Vài chục MHz Vài trăm MHz Vài trăm MHz
Trọng lượng Lớn Trung bình Nhỏ
Làm lạnh Làm lạnh bằng không khắ khi công suất tới vài KW Làm lạnh bằng nước khi công suất ra khoảng 10KW.
Làm lạnh không khắ khi công suất lên ựến vài KW
Làm lạnh bằng nước khi công suất ra khoảng 10KW.
Làm lạnh
bằng không khắ tự nhiên
để khuếch ựại tắn hiệu ựủ mức công suất ựể ựưa ra anten phát lên vệ tinh các trạm mặt ựất thường sử dụng các bộ khuếch ựại công suất lớn HPA có công suất từ vài chục W ựến vài KW tùy theo dung lượng thông tin của trạm mặt ựất. Phụ thuộc vào công suất ra và băng tần sử dụng, các bộ khuếch ựại công suất thường dùng hiện nay là: đèn sóng chạy TWTA; ựèn Klistron; tranzitor trường FET. So sánh 3 loại bộ khuếch ựại công suất trên chỉ ra ở bảng 1-2.
1.4. đa truy nhập trong thông tin vệ tinh TTVT
Kỹ thuật sử dụng chung một bộ phát ựáp vệ tinh cho nhiều trạm mặt ựất và tăng hiệu quả sử dụng bộ phát ựáp ựến cực ựại gọi là ựa truy nhập. Trong thực tế ựa truy nhập ựược chia làm 2 quan ựiểm: Ghép sóng mang trong một bộ phát ựáp và phân phối kênh.
- Theo quan ựiểm ghép sóng mang trong một bộ phát ựáp vệ tinh, ựa truy nhập ựược chia làm 3 loại sau:
+ đa truy nhập theo tần số - FDMA: ở ựây băng tần bộ phát ựáp ựược chia làm nhiều băng tần con và ấn ựịnh cho mỗi trạm mặt ựất ựể thu, phát tắn hiệu với bộ phát ựáp vệ tinh. Phương pháp này cho phép các trạm mặt ựất thu, phát tắn hiệu với bộ phát ựáp trên vệ tinh bằng băng tần con ựã dành riêng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ đa truy nhập theo thời gian TDMA: Ở ựây, người ta phân chia thời gian sử dụng băng tần bộ phát ựáp vệ tinh cho các trạm mặt ựất. Phương pháp này cho phép các trạm mặt ựất sử dụng toàn bộ băng tần bộ phát ựáp trong khe thời gian dành cho nó.
+ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA: Với phương pháp này người ta ấn ựịnh một sóng mang trải phổ có chuối giả ngẫu nhiên riêng biệt cho mỗi trạm mặt ựất ựể các trạm ựó thu, phát tắn hiệu với bộ phát ựáp vệ tinh. - Theo quan ựiểm phân phối kênh, ựa truy nhập ựược chia làm 2 loại sau:
+ đa truy nhập phân phối trước FAMA: Ở ựây, các kênh vệ tinh ựược phân bố cố ựịnh cho các trạm mặt ựất, bất chấp có hay không có các cuộc gọi phát ựị
+ đa truy nhập phân phối theo yêu cầu DAMA: Ở ựây, các kênh vệ tinh ựược sắp xếp lại mỗi khi có yêu cầu thiết lập kênh ựưa ra từ các trạm mặt ựất có liên quan. Tức là, kênh thông tin chỉ ựược thiết lập giữa hai trạm mặt ựất trong thời gian chúng liên lạc với nhaụ
1.4.1.đa truy nhập theo tần số FDMA
đa truy nhập theo tần số FDMA là phương pháp cổ ựiển nhất nhưng cũng là phương pháp ựược sử dụng rộng rãi nhất trong TTVT. Theo phương pháp nàỵ Băng tần của bộ phát ựáp vệ tinh ựược chia thành nhiều băng tần con gọi là khe tần số, ựộ rộng khe tần số tuy thuộc vào yêu cầu của từng trạm mặt ựất.
Hình 1.8. Nguyên lý ghép kênh FDMA Hệ thống FDMA có nhược ựiểm là:
- Không có sự linh hoạt trong trường hợp cần thay ựổi cấu hình như: Tăng số trạm, thay ựổi tần số làm việc hoặc dung lượng của một trạm. - Khi số trạm truy nhập tăng lên (tức là số sóng mang tăng lên) thì công suất vệ tinh giảm ựể làm giảm ảnh hưởng của hiện tượng xuyên ựiều chế do vậy dung lượng của hệ thống giảm.
- Phải khống chế công suất của các trạm mặt ựất ựể công suất sóng mang ựầu vào vệ tinh là như nhaụ
1.4.2. đa truy nhập theo thời gian (TDMA)
đa truy nhập theo thời gian TDMA là phương pháp cho phép nhiều sóng mang trạm mặt ựất dùng chung một bộ phát ựáp vệ tinh nhưng tại các thời ựiểm khác nhau, tại một thời ựiểm chỉ có một trạm mặt ựất sử dụng bộ phát ựáp, nói cách khác là các trạm mặt ựất luân phiên nhau truy nhập vệ tinh. Muốn vậy, hệ thống TDMA phải ựịnh ra một khung thời gian gọi là khung TDMA, khung này ựược chia thành các khoảng thời gian nhỏ gọi là khe thời gian và thông tin của mỗi trạm mặt ựất chỉ ựược truyền ựi trong khe thời gian ựược ấn ựịnh cho trạm mặt ựất ựó. Trong hệ thống TDMA, các trạm mặt ựất tuần tự gửi thông tin ựi dưới dạng các cụm tắn hiệu (burst: là một cụm tắn hiệu số ựã ựược ựiều chế hoặc chưa ựược ựiều chế) vì thế TDMA chỉ phù hợp với thông tin dạng số. Hình 1.9 mô tả nguyên lý TDMẠ
Hình 1.9. Nguyên lý TDMẠ
để các burst tắn hiệu từ các trạm mặt ựất truyền ựi một cách tuần tự thì cần phải có sự phối hợp ựồng bộ giữa các trạm mặt ựất với nhaụ để làm ựiều ựó, người ta sử dụng một số bắt ựặc biệt làm nhiệm vụ ựồng bộ gọi là các bắt tham chiếu, các khối bắt ựồng bộ này ựược trạm ựiều khiển trung tâm tạo ra và
mặt ựất lần lượt phát ựi các tắn hiệu của mình. Hết một lượt tới các khối bắt tham chiếu tiếp theọ Khoảng cách giữa các khối bắt tham chiếu gọi là một khung. Một khung bao gồm các bắt tham chiếu ựể ựồng bộ và các bắt tắn hiệu có ắch. Các trạm mặt ựất căn cứ vào khối bắt tham chiếu ựể xác ựịnh vị trắ của các bắt tắn hiệu của mình trong khung. Cũng giống như FDMA, trong TDMA khi chia thời gian ra thành các khe thời gian con thì cũng cần các khe thời gian ựể bảo vệ, các khe này gọi là khe thời gian bảo vệ, các khe bảo vệ này nhằm tránh việc va chạm dữ liệu ở các khe khác nhau ở phần phát và ựể tạo thuận lợi cho việc phân tách khe thời gian ở phắa thụ
Hệ thống TDMA có ưu ựiểm là:
Tất cả các trạm mặt ựất ựều thu và phát trên cùng một tần số do vậy không cần phải khống chế công suất phát của trạm mặt ựất.
-Tại mỗi thời ựiểm, bộ phát ựáp vệ tinh chỉ khuếch ựại một sóng mang