Để đảm bảo cho liên lạc không bị gián đoạn do các sự cố nguồn gây ra, trạm mặt đất phải được cung cấp bằng nguồn điện không bao giờ bị ngắt UPS (Uninterupted Power Supply). UPS cung cấp nguồn với độ ổn định cho phép, đủ công suất cho toàn bộ các thiết bị trong trạm.
Để đảm bảo các yêu cầu trên, bộ nguồn UPS phải được dự phòng và bản thân nó là một thiết bị có thể điều khiển được về mọi mặt. Khi mất điện lưới thì nguồn ắcquy được rung lên rồi ổn định và cấp nguồn cho hệ thống.
Các thiết bị điện tử trong trạm đều bắt buộc làm việc trong điều kiện môi trường tốt đó là nhiệt độ 200C với độ ẩm dưới 45% để đảm bảo an toàn, duy trì tuổi thọ cũng như chất lượng thông tin.
2.3. Kỹ thuật trạng mặt đất. 2.3.1. Hệ thống anten.
2.3.1.1. Đặc tính, yêu cầu của anten trạm mặt đất
Để thu được những sóng yếu đến từ vệ tinh và có thể phát đi các sóng có công suất đủ mạnh lên vệ tinh, anten cần có một số đặc tính sau:
+ Độ lợi đẳng hướng và hiệu suất cao để đảm bảo tỉ số C/N
+ Độ định hướng cao dọc theo trục của anten và nhỏ ở các hướng khác (búp phụ nhỏ) để không can nhiễu vào các hệ thống khác (vệ tinh, mặt đất).
Ví dụ: Độ rộng nửa công suất (-3dB Beamwidth) cho tuyến lên của anten phải đủ hẹp để không làm nhiễu vào các vệ tinh lân cận (được đặt cách nó 2o trên quỹ đạo địa tĩnh) và tuyến xuống cũng phải hẹp để không nhận tín hiệu từ hai hay nhiều vệ tinh lân cận mô tả trên hình 2.5:
Hình 2.5. Độ rộng búp sóng anten trạm mặt đất θ3dB ≤ 1,6O.
Đối với anten parabol thì độ rộng búp xạ không (BWFN) gấp 2.5 lần độ rộng -3dB. Giả sử hai vệ tinh lân cận nằm ở hai trục bức xạ không thì BWFN = 4O suy ra θ3dBmax ≤ 1,6O
+ Đặc tính phân cực tốt: Phân biệt cao giữa các phân cực vuông góc.
-3dB Geosynchronous orbit Main lobe Sidelobes Null Null 1.60 20 20 40
+ Tạp âm thấp: Giảm tạp âm để đảm bảo tỉ số G/T theo yêu cầu.
2.3.1.2. Phân loại anten
Có nhiều loại anten khác nhau có thể sử dụng ở trạm mặt đất. Tuỳ theo tiêu chuẩn từng loại trạm mà đường kính của anten thu – phát trạm mặt đất thông thường có đường kính từ 0.6 ÷ 30 m.
Có 3 loại anten hình 2.6 thường dùng trong truyền hình vệ tinh, đó là: + Anten có phễu đặt tại tiêu điểm (Prime Focus Antenna)
+ Anten có phễu đặt lệch trục (Offset – Fed Antenna) + Anten hai mặt phản xạ (Cassegrain Antenna)
Hình 2.6: Các loại anten dùng trong truyền hình vệ tinh 2.3.1.3. Các thông số của anten parabol đối xứng
- Kích thước và cấu trúc của antenna:
Kích thước và cấu trúc của antenna quan hệ đến đặc tính độ lợi, hiệu suất … Cấu trúc của anten parabol được mô tả ở hình 2.7
Hình 2.7: Cấu trúc của anten parabol đối xứng
Sub-relector Feed horn Parabolic Antenna (Focal Feed) Cassegrain Antenna Offset Parabolic Antenna main-relector Offset Gregorian Antenna
Ta có quan hệ: f = x D 16 2 [m] (2.1) Trong đó: D là đường kính chảo parabol = 2y
x là bề sâu lòng chảo, được tính từ tâm đến mặt chảo
f là tiêu cự chảo, được tính từ tâm chảo đến tiêu điểm của nó.
- Hiệu suất của anten:
Hiệu suất của chảo còn bị chi phối bởi tỉ số f/D (focal/diameter). Nếu tỉ số này nhỏ (0.3), tức chảo sâu (chảo sâu nhất có tỉ số f/D = 0.25) thì chiều dài tiêu cự nhỏ nên đòi hỏi Feedhorn có góc mở chùm sóng (beamwidth) rộng hơn và búp phụ nhỏ, ít gây tạp nhiễu nhưng làm giảm độ lợi. Còn tỉ số f/D lớn thì tiêu cự dài, yêu cầu Feedhorn có góc mở chùm sóng hẹp, độ lợi tăng nhưng búp phụ lớn, làm tăng tạp nhiễu. Tỉ số f/D thường được chọn từ 0.33 - 0.6. Đối với anten đối xứng, f/D từ 0,3 – 0,45.
Thường gặp nhất là: f/D = 0.4
Hình 2.8: Tín hiệu phản xạ trên bề mặt anten
Hình 2.8 là cường độ tín hiệu tiêu biểu phân bố trên mặt phản xạ của chảo liên quan đến góc mở của Feedhorn.
Hình 2.9: Quan hệ giữa mức năng lượng ở rìa chảo và tỉ số f/D. - Nhiệt độ nhiễu của anten (TA):
Nhiệt độ nhiễu của anten (TA) phụ thuộc vào 3 yếu tố chính: + Tần số hoạt động
+ Góc ngẩng
+ Điều kiện trời trong hay trời mưa
+ Nhiễu từ nhiệt độ môi trường, thường là 293OK (do Feedhorn hướng về trái đất).
+ Nhiệt độ nhiễu anten, thông thường từ 30O - 50 OK (TSKY + TGROUND). TA ảnh hưởng đến hệ số phẩm chất trạm mặt đất G/T.
- Độ lợi anten:
Độ lợi của anten là tỉ số của công suất phát xạ (hay công suất nhận) trên đơn vị góc khối của một anten phát xạ (hay nhận) định hướng và một anten đẳng hướng có cùng công suất. Gmax = 42 λ π .Aeff (2.2) Với c = λ.f = 3.108 [m/s] f [Hz] là tần số của sóng điện từ anten tròn có diện tích bề mặt là : A = 4 2 D
π Suy ra diện tích bề mặt hiệu dụng là:
η : hiệu suất của anten Thay tất cả vào (2.2) được: Gmax = η.( λ πD )2 = η.( c Df π )2 (2.3) biểu diễn theo dBi cách li (dB above isotropic antenna):
Gmax[dBi] = 10lg{η.( λ πD )2} = 10lg{η.( c Df π )2} (2.4) Mẫu bức xạ (Radiation Pattern) anten parabol được chỉ ra ở hình 2.10.
Hình 2.10. Góc bức xạ của anten, beam width 3dB - Độ rộng búp hướng antenna:
Tham số độ rộng búp hướng (Beamwidth) anten biểu thị khả năng định hướng (Directivity) của anten vô tuyến. Người ta thường sử dụng búp hướng –3dB để chỉ hướng có độ lợi giảm 50% so với giá trị cực đại (góc nửa công suất). Giá trị này phụ thuộc vào tỉ số bước sóng công tác và đường kính của anten (λ/D).
θ−3dB = 70( λ/D) = 70.(c/fD) [degree]
(2.5)
Ở hướng lệch α (từ o - θ−3dB/2) so với hướng chính, độ lợi cho bởi: Gα[dB] = Gmax – 12(α/θ−3dB)
Từ (2.3) và (2.5) suy ra quan hệ giữa độ lợi và độ rộng búp hướng, quan hệ này độc lập với tần số: Gmax = η.( c Df π )2 = η.( dB 3 70 − θ π )2 (2.6)
Nếu chọn giá trị η = 0,6; thường η = từ 0,5 đến 0,7, ta có : Gmax = 2 3 ) ( 29000 dB − θ Do đó có: Gmax[dBi] = 44,6 – 20lgθ−3dB (2.7) θ−3dB = ( max, /20) 10 170 dBi G [Degree] (2.8)
Kết luận: Mối quan hệ giữa G, D và θ−3dB của anten parabol đối xứng được mô
tả theo hình 2.14 dưới đây : Chú ý f tính bằng GHz. Bước 1 là tính: θ-3dB = 20 ) lg 10 8 , 46 ( [ 10 η + −G [degree] (2.9) Bước 2 là tính: G = 46,8 – 20lg θ-3dB + 10lgη [dBi] (2.10) Bước 3 là tính: D = 20 ) lg 10 lg 20 4 , 20 ( [ 10 η − − − f G [m] (2.11) Bước 4 là tính: G = 20,4 + 20lgD + 20lgf +20lgη [dBi] (2.12) Bước 5 là tính: D = dB f. 3 94 , 20 − θ [m] (2.13) Bước 6 là tính: θ-3dB = 20f.,D94 [degree] (2.14)
Hình 2.11. Mô tả quan hệ G, D và θ−3dB của anten parabol đối xứng
Bảng 2.10 quan hệ giữa độ lợi và đường kính khác nhau ở hiệu suất tiêu chuẩn η = 0.6 1 Hệ số khuếch đại anten G[dB] Đường kính anten [m] Búp hướng anten θ3dB [độ] 2 3 6 5 4
Bảng 2.1: Độ lợi anten với các đường kính khác nhau ở những băng tần chính.
- Hệ số sóng đứng:
Nguyên nhân phát sinh sóng đứng là do có một số tia sóng phản xạ ở rìa chảo (front-end) chênh lệch về khoảng cách với chùm sóng chính ở tâm chảo khi tập trung về tiêu điểm. Thời gian chênh lệch đó làm sai pha, gây nên sóng đứng (VSWR).
Ngoài ra, sóng đứng còn do lòng chảo gồ ghề, méo mó và do giá đỡ phễu gây nên. Tỉ số VSWR cho phép không vượt quá 2:1, giá trị cho phép là 1,5:1 hay nhỏ hơn.
2.3.2. Dải thông
Dải thông RF là khả năng của bộ biến đổi để bao phủ băng RF hoạt động, phát
(hoặc thu) bằng cách hiệu chỉnh tần số dao động nội LO để bao phủ đầy đủ dải thông RF (khoảng 575 MHz).
Dải thông IF phụ thuộc vào tần số IF được lựa chọn. Nếu tần số IF là 70 MHz thì dải thông là 36 MHz, còn nếu tần số IF là 140 MHz thì dải thông sẽ là 72 MHz. Với kiểu biến đổi này, tất cả sóng mang của một bộ phát đáp có thể được biến đổi lên hoặc xuống. Theo cách thức đó mỗi sóng mang sẽ khác với tần số trung tâm cho nên tần số sóng mang sẽ được điều chỉnh và mang tới modem.
2.3.3. Kỹ thuật trong truyền dẫn2.3.3.1. Kỹ thuật đồng bộ: 2.3.3.1. Kỹ thuật đồng bộ:
Đồng bộ có nghĩa là tạo tần số đồng hồ để xác định vị trí bắt đầu và kết thúc của tin tức bao gồm:
DIAME TER
ANTENNA GAIN [ dB ], Efficiency η = 60%
2GHz 4GHz 6GH z 11G Hz 14GH z 20GH z 30GH z 1 24.2 30.22 33.7 39.00 41.4 44.19 47.7 2 30.2 36.23 39.7 45.02 47.1 50.21 53.7 4 36.2 42.25 45.7 51.04 53.1 56.23 59.7 6 39.7 45.77 49.3 54.56 56.7 59.75 63.3 8 42.2 48.27 51.7 57.06 59.1 62.25 65.7 10 44.2 50.01 53.7 59.00 61.1 64.19 67.7 15 47.7 53.73 57.2 62.52 64.6 67.71 71.67
- Đồng bộ bit: phát đi các bit đồng bộ, bên thu sẽ tái tạo lại tín hiệu đồng hồ từ các tín hiệu thu được để tạo ra các vị trí giống nhau ở cả phía phát và thu.
- Đồng bộ khung: ở hệ thống TDMA sẽ có nhiều kênh thông tin sử dụng một đường, nên phái xác định rõ ràng thứ tự các thông tin cho việc ghét kênh và phân kênh. Các xung đồng bộ có chức năng chỉ ra điểm đẩu của một khung được phát đi, đồng thời chỉ rõ thời điểm đóng mở các cổng phân kênh
Thứ tự phân kênh, nghét kênh định thời các thông tin được thiếp lập giống nhau ở cả hướng thu và phát. Quá trình này được gọi là đồng bộ khung.
Đồng bộ mạng: để tạo tần số đồng bộ như nhau trên toàn bộ mạng truyền dẫn.
2.3.3.2. Sửa lỗi mã:
- Do tín hiệu nơi thu cực kỳ bé nên lỗi mà do tạp âm gây ra là không thể tranh khỏi.
- Có hai cách sử mã:
+ FEC (Forward Error Correction) dùng đẻư sửa lỗi tại bên thu, trong đố chỉ có bên thu kiểm tra và xác định vị trí lỗi và sửa số liệu bị lỗi.
+ ARQ (Automatic Repeat Request) là loại yêu cầu phát lại tự động, trong đó phía thu chỉ phát hiện lỗi và yêu cầu phía phát lại số liệu.
- Điện thoại và TV sử dụng FEC vì nó đòi hỏi thời gian thực, còn ARQ sử dụng trong truyền số liệu vì nó khônh cần thiết truyền dẫn theo thời gian thực.
2.3.3. Các thiết bị truyền dẫn số trên mặt đất
Truyền dẫn số liên quan đến các tuyến thông tin vô tuyến mà các đầu cuối khách hàng của chúng tạo ra các tín hiệu số. Nhưng cũng có thể phát các tín hiệu gốc tương tự trong dạng số. Mặc dù sự lựa chọn này hàm ý một sự gia tăng băng tần gốc, nhưng nó cũng cho phép các tín hiệu từ các nguồn khác nhau được phát đi trên cùng một kênh vệ tinh và tuyến thông tin vệ tinh được kết nối vào mạng số đa dịch vụ tích hợp. Điều này hàm ý sử dụng các kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM).
Hình 2.12: Các thành phần của một chuỗi truyền dẫn số qua vệ tinh. 2.3.3.1. Số hoá tín hiệu tương tự
Số hoá tín hiệu tương tự gồm 3 giai đoạn: lấy mẫu, lượng tử hóa, mã hóa nguồn.
- Lấy mẫu:
Việc lấy mẫu phải được thực hiện tại một tần số Fs ít nhất bằng hai lần tần số cực đại fmax của phổ tín hiệu tương tự. Tín hiệu tại đầu ra bộ lấy mẫu là một dãy xung điều biên (PAM). Đối với tiếng nói trên một kênh thoại, fmax = 3400 Hz và Fs=8KHz. Đối với chương trình phát thanh fmax=15KHz và Fs=32KHz.
- Lượng tử hoá:
Sau đó, mỗi mẫu được lượng tử hoá thành một số lượng xác định M mức rời rạc. Quá trình lượng tử hoá sẽ tạo ra một sai lỗi được mô tả như tạp âm lượng tử hoá. Lượng tử hoá có thể đồng nhất hoặc không đồng nhất tuỳ theo bước lượng tử hoá; bước này có thể độc lập hoặc là một hàm số của giá trị mẫu. Trong trường hợp lượng tử hoá không đồng nhất, có thể chấp nhận sử dụng luật lượng tử hoá cho phân cấp biên độ của các mẫu nhằm duy trì một tỷ số tín hiệu trên tạp âm lượng tử hoá không đổi cho tất cả các biên độ mẫu. Hoạt động này được gọi là nén. Đối với các mẫu của tiếng nói, hiện nay có hai luật nén được sử dụng đó là nén theo “quy luật A” và “quy luật µ”.
Nguồi số
Nguồi ttự
Bộ
TDM Mã hóa số liệu Mã hoa kênh Xáo trộn
Bộ mã hóa Giải điều chế Giải mã khóa số liệu Điền chếsố Tốc độ bit Rb (bit/s) Tốc độ bit R c (bit/s) Tốc độ bit R (baud) Bộ xáo trộn Giải mã kênh Giải điều chế TDM Tốc độ bit Rb (bit/s) Tốc độ bit Rb (bit/s) Ngườ i dùng
- Mã hoá nguồn:
Các mẫu lượng tử hoá có một số lượng M mức, các mức đó có thể được đại diện bởi một bảng ký tự xác định của một tín hiệu sẽ được phát đi trên tuyến. Hoạt động này được gọi là mã hoá nguồn (PCM) nhằm phân biệt nó với mã hoá kênh và nhiệm vụ chính là chống lỗi truyền dẫn. Phần tử thông thường của bảng ký tự này là tín hiệu nhị phân và do vậy nó nhất thiết phải phát đi m = log2M bit cho mỗi mẫu và đó là tốc độ bit: Rq = Fslog2M
Ví dụ: đối với điện thoại, nếu M=28=256 thì cần có 8 bit cho một mẫu. Với Fs=8KHz, tốc độ bit sẽ là Rq=64Kbps. Đối với một chương trình phát thanh mã hoá nguồn có nén được sử dụng sẽ cung cấp một tốc độ bit là 384Kbps. Các kỹ thuật khác nhau sẽ được sử dụng để giảm tốc độ bit. Các kỹ thuật này lợi dụng sự dư thừa hiện diện giữa các mẫu kế tiếp nhau. Theo cách này một tốc độ bit Rb ≤ Rq có thể đạt được và đó là tốc độ thông tin cần được phát. Các kỹ thuật này còn được gọi là mã hoá tốc độ thấp (LRE – Low Rate Encoding). Chúng có thể áp dụng cho tiếng nói và hình ảnh. Đối với điện thoại, thiết bị thông dụng nhất sử dụng mã hoá vi phân thích ứng (ADPCM – Adaptive Differential PCM) cung cấp một giá trị Rq=32Kbps.
2.3.3.2. Thiết bị bảo mật (Encryption)
Thiết bị bảo mật được sử dụng khi muốn ngăn chặn việc khai thác, hoặc can thiệp vào các tin tức được phát của những người dùng không được phép. Nó là phép thực hiện một phép thuật giải theo từng bit theo thời gian thực trên dòng nhị phân. Tập trung các tham số dùng để xác định phép biến đổi được gọi là “khoá”. Mặc dù việc sử dụng thiết bị bảo mật thường liên quan đến thông tin quân sự, song các hệ thống vệ tinh thương mại cũng đang được ngày càng nhiều khách hàng đề nghị có các tuyến được bảo mật, đặc biệt là các mạng thương mại và quản trị. Trong thực tế, do vùng bao phủ vệ tinh rất rộng và có thể truy nhập tới các vệ tinh đó bằng các trạm nhỏ, cho nên việc nghe nén và ngụy tạo tin tức là rất cao.
Hình 2.13 Minh hoạ nguyên lý truyền dẫn bảo mật. Các khối bảo mật và giải bảo mật hoạt động với một chìa khoá do các khối tạo khoá cung cấp. Việc có được một chìa khoá chung hàm ý một phương pháp an toàn cho phân phối khóa.
GVHD: Th.s Nguyễn Đình LuyệnKhối mã hóa Kẻ xâm nhập Khối giải mã khóaSVTH: Nguyễn Văn Đầy
Kênh vệ tinh Văn bản Văn bản mã hóa Văn bản rõ
Hình 2.13: Nguyên lý truyền dẫn bảo mật
Bảo mật bao gồm hai khía cạnh:
- Khía cạnh bảo mật: tránh không để những người không được phép khai thác tin tức.
- Khía cạnh xác thực: cung cấp việc bảo vệ không cho kẻ thâm nhập có bất kỳ sự thay đổi tin tức nào.
Hai kỹ thuật được sử dụng trong thiết bị bảo mật là: