2.2.1. Giới thiệu
Tớn hiệu thu từ vệ tinh về rất yếu, thường khoảng -150 dBW trờn nền tạp õm lớn, vỡ vậy bộ khuếch đại tạp õm thấp LNA cú một vai trũ rất quan trọng trong trạm mặt đất để vừa khuếch đại tớn hiệu lờn vừa khụng làm giảm chất lượng tớn hiệu. Cỏc yờu cầu kỹ thuật đối với bộ khuếch đại tạp õm thấp:
- Bộ LNA cú ảnh hưởng quan trọng đến hệ số phẩm chất G/T của trạm mặt đất vỡ bộ LNA đúng vai trũ quyết định tạo nờn nhiệt độ tạp õm hệ thống, bởi lẽ nú là tầng khuếch đại đầu tiờn trong tuyến thu. Một trạm mặt đất thụng tin vệ tinh tiờu chuẩn A phải cú hệ số G/T ≥ 35 dB/K thỡ hệ số khuếch đại của anten trạm mặt đất phải đạt G=59 dB và nhiệt độ tạp õm LNA là TLNA < 200 K.
- Mức đầu ra tớn hiệu phải nhỏ hơn mức bóo hoà của bộ khuếch đại tối thiểu là 20 dB nhằm giảm tối đa cỏc thành phần nhiễu điều chế tương hỗ trong LNA.
- Băng tần của LNA phải đủ rộng để cú thể bao phủ băng tần cụng tỏc của vệ tinh. Vị trớ lắp đặt LNA càng gần đầu thu càng cú lợi về mức tớn hiệu vỡ giảm tạp õm và suy hao do giảm được chiều dài ống dẫn súng.
2.2.2. Cỏc loại khuếch đại tạp õm thấp LNA
Khuếch đại GaAs–FET: khuếch đại dựng Transistor trường loại bỏn dẫn hỗn tạp Gali – Arsenic (GaAs-FET) được sử dụng rộng rói ở vựng tần số cao với đặc tớnh băng tần rộng, hệ số khuếch đại và độ tin cậy cao.
Khuếch đại thụng số: nguyờn tắc hoạt động của nú khi một tớn hiệu kớch thớch đặt lờn một điốt điện dung, cỏc thụng số mạch điện của nú thay đổi và tạo ra một điện trở õm, do đú khuếch đại tớn hiệu vào. Như vậy, từ sự biến đổi điện dung của điốt do tớn hiệu kớch thớch được dựng cho khuếch đại. Việc giảm điện trở nội của điốt sẽ tạo ra cỏc đặc tớnh tạp õm thấp.
Bộ khuếch đại thụng số cú một số hạn chế so với bộ khuếch đại GaAs-FET như sau:
- Cần cú một mạch tạo ra tớn hiệu kớch thớch.
- Khú điều chỉnh và khụng phự hợp với việc sản xuất hàng loạt. - Băng tần hẹp, bất lợi về độ tin cậy và bảo dưỡng.
Khuếch đại HEMT (Transistor cú độ linh động điện tử cao) gần đõy đó được đưa vào sử dụng trong thực tế. Lợi dụng hiệu ứng chất khớ điện tử hai chiều với độ linh động cao phự hợp đối với khuếch đại tạp õm thấp tớn hiệu tần số
cao. Ưu điểm của nú là băng thụng rộng, kớch thước nhỏ, dễ bảo dưỡng và thuận lợi cho sản xuất hàng loạt.
2.3. BỘĐỔI TẦN (FC: Frequency Converter) 2.3.1. Giới thiệu
Cỏc trạm mặt đất vệ tinh thụng tin thực hiện nhiệm vụ thu tớn hiệu cao tần RF từ vệ tinh và phỏt lại tớn hiệu cao tần RF lờn vệ tinh, nờn chỳng phải sử dụng cỏc bộ đổi tần tuyến lờn U/C (Up - Convertor) và đổi tần tuyến xuống D/C (Down - Convertor). Khi thực hiện nhiệm vụ thu tớn hiệu cao tần, sử dụng bộ đổi tần tuyến xuống D/C để biến đổi tớn hiệu cao tần RF thu từ vệ tinh thành tớn hiệu trung tần IF. Sử dụng bộ đổi tần lờn khi thực hiện nhiệm vụ phỏt tớn hiệu cao tần lờn vệ tinh để biến đổi tớn hiệu trung tần IF thành tớn hiệu cao tần RF.
Nguyờn lý của bộ đổi tần là dựng thiết bị trộn (Mixer) để trộn tớn hiệu vào với tớn hiệu dao động nội.
Yờu cầu đối với bộ đổi tần là:
Bộ dao động nội phải cú tần số ổn định rất cao vỡ nú quyết định đặc tớnh biờn độ và pha của tớn hiệu ra.
Độ rộng băng tần của bộ đổi tần phụ thuộc vào tần số trung tần IF đến hoặc tự nú cung cấp.
2.3.2. Cỏc bộđổi tần kộp
Thành phần chớnh của bộ đổi tần tuyến lờn U/C và bộ đổi tần tuyến xuống D/C gồm:
- Một bộ lọc RF. - Hai bộ trộn tầng.
- Hai bộ dao động nội: một tần số cố định và tần số khỏc thỡ thay đổi. - Bộ khuếch đại IF, cú thể tự động điều khiển hệ số khuếch đại. - Bộ lọc IF.
- Bộ cõn bằng trễ nhúm.
Đặc điểm chớnh của bộ đổi tần tuyến lờn U/C và bộ đổi tần tuyến xuống D/C được liệt kờ dưới đõy:
2.3.2.1. Dải thụng
Dải thụng RF là khả năng của bộ biến đổi để bao phủ băng RF hoạt động, phỏt (hoặc thu) bằng cỏch hiệu chỉnh tần số dao động nội LO để bao phủ đầy đủ dải thụng RF (khoảng 575 MHz).
Dải thụng IF phụ thuộc vào tần số IF được lựa chọn. Nếu tần số IF là 70 MHz thỡ dải thụng là 36 MHz, cũn nếu tần số IF là 140 MHz thỡ dải thụng sẽ là 72 MHz. Với kiểu biến đổi này, tất cả súng mang của một bộ phỏt đỏp cú thể được biến đổi lờn hoặc xuống. Theo cỏch thức đú mỗi súng mang sẽ khỏc với tần số trung tõm cho nờn tần số súng mang sẽ được điều chỉnh và mang tới modem.
2.3.2.2. Sự thay đổi tần số
Tần số phải được thay đổi theo sự thay đổi trong kế hoạch tần số khi lưu lượng tăng hoặc khi thay đổi một vệ tinh mới. Cho nờn, cỏc bộ đổi tần lờn và xuống cú thể sẵn sàng được hiệu chỉnh vượt quỏ tần số của toàn bộ dải thụng RF. Bộ dao động nội tạo ra cỏc tần số khỏc nhau được sử dụng để đỏp ứng cỏc nhu cầu thay đổi tần số. Sự linh động tần số là quan trọng bởi tớnh hữu ớch của cỏc bộ đổi tần kộp U/C và D/C mà khụng cần thiết phải điều chỉnh cỏc bộ lọc.
2.3.2.3. Bộ cõn bằng
Biờn độ tần số phỏt đỏp và độ trễ nhúm của đoạn thu và phỏt của cỏc trạm mặt đất được cõn bằng trong cỏc đoạn IF tương ứng của chỳng. (Độ trễ nhúm cỏc bộ phỏt đỏp của vệ tinh thường được cõn bằng trong đoạn IF của bộ đổi U/C).
2.3.2.4. Phõn đoạn tuyến tớnh.
Trong cỏc hệ thống IDR, IBS và SCPC số lượng cỏc súng mang là tần số được biến đổi bằng một bộ biến đổi U/C hoặc D/C và sự thay đổi qua lại giữa cỏc súng mang cú thể xảy ra. Trong đoạn phỏt, nú thực sự cần thiết để giữ sự thay đổi khụng muốn đú sinh ra cỏc phần nhỏ khụng đỏng kể vào trong HPA. Cho nờn, bộ đổi tần tuyến lờn U/C được cần đến để tốt cho phõn đoạn tuyến tớnh.
2.3.2.5. Dung sai của tần số súng mang.
Dung sai tần số RF cho truyền dẫn của cỏc súng mang IDR, IBS và SCPC/QPSK trong hệ thống INTELSAT đựơc chỉ định như:
IDR: ± 0.025R…Hz. (nhưng luụn nhỏ hơn ±3.5 KHz). IBS: ± 0.025R…Hz. (nhưng luụn nhỏ hơn ±10 KHz).
Trong đú: R là tốc đụn truyễn dẫn súng mang (bps).
SCPC là lớn hơn rất nhiều: ±250 Hz
2.3.3. Bộ dao động nội
Cỏc bộ dao động nội được sử dụng trong cỏc bộ đổi tần cú thể được điều khiển bởi một dao động thạch anh hoặc một bộ tổ hợp tần số. Trong trường hợp đầu tiờn, sự thay thế tần số cần đến sự thay thế của tinh thể thạch anh hoặc sự chuyển mạch của nhiều tinh thể thạch anh với nhau. Trong trường hợp thứ hai, sự thay đổi tần số cú thể
được thực hiện rất đơn giản bởi một bỏnh xe thay đổi tần số hoặc thậm chớ dựng điều khiển từ xa.
Cỏc bộ dao động nội phải cú đặc tớnh là tần số tạp õm thấp tại cỏc tần số tớn hiệu dải tần cơ sở để tuõn theo cỏc yờu cầu chung trong thiết bị tạp õm trạm mặt đất. Cần phải chỳ ý cả cỏc yờu cầu của tần số tạp õm thấp và cỏc yờu cầu về sự ổn định tần số đặc biệt khú khăn trong trường hợp thu và truyền dẫn số. Tinh thể thạch anh hoạt động ở mức độ cao để điều khiển cỏc bộ dao động hoặc cỏc bộ tổ hợp tần số phải được sử dụng trong trường hợp này.
2.4. BỘ KHUẾCH ĐẠI CễNG SUẤT CAO (HPA - High Power Amplifier) 2.4.1. Giới thiệu 2.4.1. Giới thiệu
Để bự vào suy hao truyền súng lớn trong thụng tin vệ tinh, đầu ra mỏy phỏt cần phải cú cụng suất càng lớn càng tốt, do vậy ở trạm mặt đất sử dụng bộ khuếch đại cụng suất cao HPA. Chức năng cơ bản của một bộ khuếch đại cụng suất cao HPA trong một trạm mặt đất là khuếch đại cỏc súng mang cao tần RF ở mức thấp được cung cấp bởi cỏc thiết bị truyền thụng mặt đất phỏt thành mức cụng suất đủ cao để đưa ra anten phỏt lờn vệ tinh. Trong cỏc hệ thống vụ tuyến trờn mặt đất, khoảng cỏch giữa cỏc trạm chuyển tiếp chỉ vài chục km nờn cụng suất ra mỏy phỏt khoảng 10 W. So với hệ thống thụng tin vệ tinh do khoảng cỏch chuyển tiếp dài khoảng 36000 km nờn một trạm mặt đất lớn phỏt với cụng suất khoảng vài trăm W đến vài chục KW.
2.4.2. Phõn loại cỏc bộ khuếch đại cụng suất cao
Cỏc đốn súng chạy (TWT), Klystron (KLY), transistor hiệu ứng trường (FET) hiện cú trờn thị trường cú thể dựng trong bộ khuếch đại cụng suất cao tuỳ theo cụng suất ra của mỏy phỏt và băng tần.
Vỡ đốn súng chạy (TWT) cú băng tần rộng, cú thể phủ tất cả cỏc băng tần phõn định cho truyền dẫn, điều đú cú lợi cho việc sử dụng nhiều súng mang hơn được chỉ ra ở Hỡnh 2.4.a.
Mặc dự, Klystron (KLY) cú độ rộng băng tần tương đối hẹp, tần số khuếch đại cú thể điều chỉnh đến bất kỳ giỏ trị nào trong khoảng tần số phõn định cho truyền dẫn thường cú thể chọn 5 ữ 10 kờnh trong một bộ điều hưởng.
Transistor hiệu ứng trường được sử dụng ở trạm dung lượng thấp, khi cụng suất ra nhỏ. Núi chung để cú cụng suất cao người ta đấu song song một số transistor với nhau.
2.4.3. Cấu hỡnh của bộ khuếch đại cụng suất cao
Mỏy phỏt cụng suất cao gồm cú một bộ khuếch đại trung tần IF, một bộ đổi tần lờn U/C và một bộ khuếch đại cụng suất cao HPA. Bộ khuếch đại trung tần IF khuếch đại tớn hiệu từ bộ điều chế đưa tới, tần số trung tần sau đú được biến đổi lờn tần số súng cực ngắn nhờ bộ đổi tần. Sau đú, tớn hiệu được bộ khuếch đại cụng suất cao khuếch đại lờn mức cụng suất yờu cầu để đưa ra anten phỏt phỏt lờn vệ tinh.
Mặc dự cấu hỡnh của một mỏy phỏt cụng suất cao được quyết định bởi loại và số súng mang, nhưng núi chung được thực hiện một trong hai cỏch sau:
a- Một mỏy phỏt khuếch đại đồng thời nhiều súng mang (Hỡnh 2.4.a.)
Trong trường hợp này cần phải thoả món cỏc yờu cầu sau: Độ rộng băng đủ rộng để khuếch đại một súng mang với bất kỳ tần số nào và cụng suất ra cú độ dự trữ đủ sao cho mộo do điều chế phỏt sinh từ sự khuếch đại đồng thời của nhiều tớn hiệu ở dưới mức quy định. Mặc dự cấu hỡnh này sẽ đắt khi số súng mang nhỏ, nhưng thường thuận lợi cho khai thỏc.
b- Mỗi súng mang được khuếch đại riờng bằng một bộ khuếch đại cụng suất cao
(Hỡnh 2.4.b.)
Trong trường hợp này mỗi bộ khuếch đại khụng yờu cầu phải cú băng tần rộng, chỉ cần đủ rộng để điều chỉnh tần số khuếch đại đối với mỗi súng mang cho trước. Cấu hỡnh này thớch hợp khi số súng mang ớt.
C O B I N E R C O M B I N E R U/C MOD U/C MOD U/C MOD MOD HPA HPA MOD HPA U/C MOD U/C U/C HPA
a-Khi sử dụng một HPA b-Khi sử dụng nhiều HPA
Hỡnh 2.4. Cấu hỡnh của bộ khuếch đại cụng suất cao 2.5. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU 2.5.1. Giới thiệu
Điều chế tớn hiệu là biến đổi tin tức cần truyền sang một dạng năng lượng mới cú quy luật biến đổi theo tin tức và thớch hợp với mụi trường truyền dẫn. Quỏ trỡnh điều chế là quỏ trỡnh dựng tớn hiệu tin tức để thay đổi một hay nhiều thụng số của phương tiện mang tin. Phương tiện mang tin trong thụng tin vệ tinh thường là súng điện từ cao tần (RF). Việc điều chế phải đảm bảo sao cho tớn hiệu ớt bị can nhiễu nhất khi súng mang đi qua mụi trường trung gian.
Người ta phõn biệt hai loại điều chế đú là điều chế tương tự cho cỏc tớn hiệu tương tự và điều chế số cho cỏc tớn hiệu số. Đối với tớn hiệu tương tự thỡ kiểu điều chế thường dựng trong thụng tin vệ tinh là điều tần FM (dựng cho thoại, số liệu và truyền hỡnh). Cỏc phương phỏp điều biờn AM và điều biờn pha QAM (điều chế cầu phương) rất ớt dựng bởi khoảng cỏch truyền dẫn rất lớn của tuyến vệ tinh cựng với cỏc tạp õm đường truyền sẽ làm cho biờn độ súng mang bị thay đổi rất mạnh gõy nhiều khú khăn cho quỏ trỡnh giải điều chế. Cũn cỏc kỹ thuật điều chế số dựa trờn cơ sở dựng cỏc biện phỏp tải cỏc dũng bớt tin tức lờn súng mang. Tớn hiệu ở băng gốc bao giờ cũng là tớn hiệu tương tự nờn chỳng phải được chuyển thành tớn hiệu số nhờ phương thức PCM (Pulse Code Modulation) trước khi đem điều chế. Kỹ thuật điều chế số được sử dụng trong thụng tin vệ tinh thường là điều chế dịch mức pha PSK (Phase Shift Keying) và điều chế dịch mức pha vi sai DE-PSK (Different Encode PSK). Ưu điểm của kỹ thuật điều chế số là nú khai thỏc được cỏc mặt mạnh của tớn hiệu số so với tớn hiệu tương tự, ớt bị can nhiễu của mụi trường và dễ kết hợp với cỏc quỏ trỡnh xử lý như: mó hoỏ, bảo mật, chống lỗi, sửa lỗi… Núi chung, nguyờn tắc của việc điều chế tớn hiệu số và tớn hiệu tương tự là giống nhau.
2.5.2. Kỹ thuật điều chế tần số (FM)
Nguyờn lý của kỹ thuật điều chế tần số (FM): giả sử v(t) là điện ỏp đại diện cho tớn hiệu điều chế và fc là tần số súng mang thụng thường. Điều chế tần số (điều tần) kết hợp sự lệch tần số (di tần) của súng mang ∆F(t) = f(t) – fc (độ lệch này tỷ lệ thuận với v(t)), với điện ỏp v(t) ta cú:
∆F(t) = f(t) – fc =kFM.v(t) (Hz) Trong đú: - kFM (Hz/V) đặc trưng cho bộ điều chế.
- f(t) (Hz) là tần số tớn hiệu cần điều chế.
Như vậy, sự biến đổi biờn độ của điện thế v(t) đặc trưng cho tin tức cần truyền đi đó được tải lờn súng mang theo hàm ∆F(t). Khi truyền súng sang trạm thu, bộ giải điều chế sẽ căn cứ vào đại lượng ∆F(t) để khụi phục tin tức ban đầu.
2.5.3. Kỹ thuật giải điều chế súng mang điều tần (FM)
Nguyờn lý của kỹ thuật giải điều chế súng mang (FM): súng mang tại đầu vào bộ giải điều chế cú một tỷ số tớn hiệu trờn tạp õm (C/N0)T. Bộ giải điều chế nhận biết độ di tần tức thời ∆F(t) của súng mang và khụi phục một điện ỏp u(t) sao cho:
u(t) = σFM.∆F(t) (V) trong đú σFM (V/Hz) đặc trưng cho bộ giải điều chế.
2.5.4. Điều chế số
Hỡnh 2.5. trỡnh bày nguyờn lý của một bộ điều chế. Nú bao gồm: - Một bộ tao ký tự.
- Một bộ tạo tớn hiệu (súng mang) tần số vụ tuyến. Bộ tạo ký tự kờnh thứ m Bộ mó hoỏ Bộ tạo tớn hiệu kờnh M Số liệu vào M = 2m Tớn hiệu kờnh Bộ giải điều chế Hỡnh 2.5. Nguyờn lý của một bộđiều chế số
Bộ tạo ký tự tạo ra cỏc ký tự với M trạng thỏi, trong đú M=2m, từ m bit liờn tiếp của dũng nhị phõn đầu vào. Bộ mó hoỏ thiết lập một sự tương ứng giữa M trạng thỏi của cỏc ký hiệu này và M trạng thỏi cú thể cú của súng mang phỏt. Cú hai loại mó hoỏ thụng dụng:
- Mó hoỏ trực tiếp - một trạng thỏi của ký tự xỏc định một trạng thỏi của súng mang. - Mó hoỏ chuyển tiếp (mó hoỏ vi sai) - một trạng thỏi của ký tự xỏc định một chuyển
tiếp giữa hai trạng thỏi kế tiếp nhau của súng mang.
Điều chế pha (khúa dịch pha PSK – Phase Shift Keying) đặc biệt thớch hợp đối với cỏc tuyến vệ tinh. Trong thực tế nú sử dụng lợi thế của một đường bao khụng đổi nờn nú cung cấp hiệu quả phổ tốt hơn.
2.5.5. Kỹ thuật giải điều chế súng mang PSK
Vai trũ của bộ giải điều chế là nhận biết pha (hoặc sự dịch pha) của súng mang