Tổng quan về thông tin vệ tinh

TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH

MỤC LỤC

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH1.1. Sự ra đời của các hệ thống thông tin vệ tinh1.2. Quá trình phát triển1.3. Đặc điểm của thông tin vệ tinh 1.4. Các dạng quỹ đạo của vệ tinh1.5. Cấu trúc một hệ thống thông tin vệ tinh 1.6. Các phương pháp đa truy nhập đến vệ tinh 1.6.1. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA 1.6.2. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA 1.6.3. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

CHƯƠNG II :SÓNG VÔ TUYẾN ĐIỆN2.1 . Tần số và các đặc tính của sóng vô tuyến điện trong thông tin vệ tinh 2.2 . Phân cực sóng 2.2.1. Định nghĩa 2.2.2. Sóng phân cực elip 2.2.3. Sóng phân cực tròn 2.2.4. Sóng phân cực thẳng 2.3. Sự truyền lan sóng vô tuyến điện2.3.1. Khái niệm về sự truyền lan sóng vô tuyến trong thông tin vệ tinh2.3.2. Tổn hao trong không gian tự do2.3.3. Cửa sổ vô tuyến2.3.4. Tạp âm trong truyền lan sóng vô tuyến2.3.5. Sự giảm khả năng tách biệt phân cực chéo do mưa2.3.6. EIRP : Đặc trưng khả năng phát2.3.7. G/T : Đặc trưng độ nhạy máy thu2.3.8. Sự nhiễu loạn do các sóng can nhiễu

CHƯƠNG III : KỸ THUẬT TRẠM MẶT ĐẤT3.1 . Công nghệ và đặc tính của anten3.1.1. Yêu cầu chất lượng đối với anten thông tin vệ tinh3.1.2. Phân loại anten3.1.3. Hệ thống anten bám vệ tinh3.1.4. Các đặc tính về điện3.2 . Công nghệ máy phát

GVHD: Th.S LÊ THỊ CẨM HÀ Page 1


3.3. Công nghệ máy thu

CHƯƠNG IV : TRẠM VỆ TINH4.1. Cấu hình trạm vệ tinh với một bộ phát đáp đơn giản4.2. Phân bố dải tần của bộ phát đáp4.3. Các mạng vệ tinh nhiều chùm4.3.1.Ưu điểm củavệ tinh nhiều chùm4.3.2. Liên kết giữa các vùng bao phủ4.3.3. Các tuyến nối liên vệ tinh4.4. Các mạng vệ tinh tái tạo

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH.



1.1 Sự ra đời của các hệ thống thông tin vệ tinhThông tin vô tuyến qua vệ tinh là thành tựu nghiên cứu trong lĩnh vực truyền thông và

mục tiêu của nó là gia tăng về mặt cự ly và dung lượng với chi phí thấp.kết hợp sử dụng hai kĩ thuật tên lửa và vi ba đã mở ra kỷ nguyên thông tin vệ tinh.

Dịch vụ được cung cấp theo cách này bổ sung một cách hữu ich cho các dich vụ mà trước đó độc nhất chỉ do các mạng ở dưới đất cung cấp, sử dụng vô tuyến và cáp.

Kỉ nguyên vũ trụ được bắt đầu vào năm 1957 với việc phóng vệ tinh nhân tao đầu tiên ( vệ tinh Sputnik của Liên Xô cũ). Những năm tiếp theo các vệ tinh khác cũng lần lượt được phóng như SCORE phát quảng bá (năm 1958), vệ tinh phản xạ ECHO(1960), các vệ tinh chuyển tiếp băng rộng TELSTAR và RELAY (1962) và vệ tinh địa tĩnh đầu tiên là SYNCOM (1963)

Trong năm 1965 vệ tinh địa tỉnh thương mại đầu tiên INTELSAT-1 đánh đấu sự mở đầu cho hàng loạt các vệ tinh INTELSAT. Cùng năm đó, Liên Xô cũ cũng đã phóng vệ tinh truyền thông đầu tiên trong loạt vệ tinh truyền thông MOLNYA.

1.2 Quá trình phát triển

Các hệ thống thông tin vệ tinh đầu tiên cung cấp dung lượng thấp với giá tương đối cao như vệ tinh INTELSAT-1 nặng 68kg khi phóng, có dung lượng 480 kênh thoai với giá 32 500 USD một kênh trong một năm. Giá thành này cao là do chi phí phóng, kết hợp với giá vệ tinh có tính đến tuổi thọ vệ tinh ngắn (1 năm rưỡi) và dung lượng thấp.

Việc giảm giá là kết quả của nhiều nổ lực, những nỗ lực đó đã dẫn đến việc tạo ra các tên lửa phóng có khả năng đưa các vệ tinh ngày càng nặng hơn lên quỹ đạo(3750kg khi phóng vệ tinh INTELSAT-VI). Ngoài ra kĩ thuật viba ngày càng phát triển đã tạo điều kiện thực hiện các anten nhiều búp song có khả năng tạo biên hình mà búp song của chúng hoàn toàn thích ứng với hình dạng lục địa, cho phép tái sử dụng cùng một băng tần giữa các búp song và kết hợp sử dụng các bộ khuếch đại truyền dẫn công suất cao hơn. Dung lượng vệ tinh tăng lên dẫn đến giảm giá thành mỗi kênh thoại (80 00 kênh trên INTELSAT-VI có giá thuê mỗi kênh là 380USD).

Ngoài việc giảm chi phí truyền thông, đặc điểm nổi bậc nhất là tính đa dạng của các dịch vụ mà hệ thống thông tin vệ tinh cung cấp vào diện bao phủ như vệ tinh INTELSAT-1 cho phép thiết lập các trạm ở hai bên bờ Đại Tây Dương như kết nối được với nhau. Khi kích thước và công suất của các vệ tinh càng tăng lên thì càng cho phép giảm kích thước của các trạm mặt đất và do vậy giảm giá thành của chúng, dẫn đến tăng số lượng các trạm mặt đất. do đó có thể khai thác một tính năng khác của vệ tinh, đó là khả năng thu thập hoặc phát quảng bá các tín hiệu từ hoặc tới một số địa điểm. thay vì phatt các tín hiệu từ điểm này đến điểm khác, bây giờ có thể phát từ một máy duy nhất tới rất nhiều máy thu phân bố trong một vùng rộng lớn hoặc ngược lại có thể phát từ nhiều



trạm tới một trạm trung tâm duy nhất. vì vậy, các mạng truyền số liệu đa điểm, các mạng quảng bá qua vệ tinh và các mạng thu thập dư liệu. có thể phát quảng bá tới các máy phát chuyển tiếp hoặc trực tiếp tới khách hàng các nhân. Các mạng này hoạt động với các tram mặt đất nhỏ có anten đường kinh từ 0,6 đến 3,5m

1.3 Đặc điểm của thông tin vệ tinh

Thông tin vệ tinh tuy ra đời muộn nhưng được phát triển nhanh nhóng bởi vì nó có nhiều lợi thế so với các hệ thống truyền thông khác, đó là:

Vùng phủ song rộng, chỉ cần ba vệt inh là có thể phủ song toàn cầu. Thiết bị phát song của hệ thống thông tin vệ tinh chỉ cần công suất nhỏ Việc lắp đặt hoặc di chuyển một hệ thống thông tin vệ tinh trên mặt đất tương đối

nhanh chóng và không phụ thuộc vào cấu hình mạng cũng như hệ thống truyền dẫn. Hệ thống thông tin vệ tinh có thể phục vụ nhiều dịch vụ khác nhau như viễn thông

thoại và phi thoại, thăm dò địa chất, truyền hình ảnh, quan sát mục tiêu, nghiên cứu khí tượng, phục vụ quốc phòng an ninh…

Thông tin vệ tinh rất ổn định. Đã có nhiều trường hợp bão to, động đất mạnh làm cho các phương tiện truyền thông khác mất tác dụng chỉ còn duy nhất thông tin vệ tinh hoạt động.

Các thiết bị đặt trên vệ tinh có thể tận dụng năng lượng mặt trời để cung cấp điện hầu như ngày lẫn đêm.

Tuy vậy thông tin vệ tinh cũng có một số nhược điểm đó là: Kinh phí ban đầu để phóng một vệ tinh vào quỹ đạo khá lớn. Bức xạ của sóng vô tuyến trong thông tin vệ tinh bị tổn hao lớn trong môi trường

truyền sóng.1.4 Các dạng quỹ đạo của vệ tinh

Quỹ đạo của vệ tinh là hành trình của vệ tinh trong không gian mà trong đó vệ tinh được cân bằng bởi hai lực đối nhau. Hai lực đó là lực hấp dẫn của trái đất và lực ly tâm được hình thành do độ cong của hành trình vệ tinh. Quỹ đạo vệ tinh có 3 thông số quan trọng đó là: khoảng cách từ vệ tinh đến mặt đất, hình dạng và góc nghiêng so với mặt bình độ. Một thông số chung của nó là mặt phẳng chuyển động của vệ tinh phải đi qua tâm trái đất. quỹ đạo của vệ tinh nằm trên một mặt phẳng có thể là hình tròn hoặc hình elip. Nếu quỹ đạo là hình tròn thì tâm của quỹ đạo tròn trùng với tâm của trái đất.



Nếu quỹ đạo là hình elip thì có một đầu nằm xa trái đất nhất gọi là viễn điểm ( apogee) và đầu gần trái đất nhất gọi là cận điểm (perigee )

Quỹ đạo thông dụng hiện nay của vệ tinh là những dạng quỹ đạo sau đây

1.4.1. Các quỹ đạo hình elip.

Loại quỹ đạo này đảm bảo phủ sóng các vùng vĩ độ cao dưới một góc ngẩng lớn. góc ngẩng lớn là đặc biệt cần thiết trong những ứng dụng như

- Giảm thiểu việc chặn các tia do sự che khuất vệ tinh của các cao ốc và cây cối- Việc bám vệ tinh được dễ dàng hơn.- Giảm bớt được tạm âm mà anten trạm mặt đất thu nhận do can nhiễu từ các hệ

thống thông tin vô tuyến dưới mắt đất.



1.4.2 Các quỹ đạo tròn.

1. Quỹ đạo cực.

Vệ tinh có quỹ đạo tròn và có độ cao khoảng vài trăm đến ngìn km với mặt phẳng quỹ đạo chứa trục quay của trái đất, loại quỹ đạo này đảm bảo rằng vệ tinh có thể đi qua các vùng của trái đất. người sữ dụng loại quỹ đạo này cho các vệ tinh quan sát (observation satellite) như vệ tinh SPOT và phủ sóng toàn cầu như chum vệ tinh IRIDUM (gồm 77 vệ tinh).

2. Quỹ đạo nghiêng

Khi măt phẳng quỹ đạo không chứa trục quay trái đất và cũng không vuông góc với trục của nó. Một số vệ tinh được tổ chức thành chum vệ tinh có quỹ đạo dạng tròn nay, ở độ cao thấp (cỡ 1000km) có khả năng phủ sóng toàn cầu trực tiếp đến người sữ dụng như ( GLOBAL STAR, LEOSAT …).

3. Quỹ đạo xích đạo.

Quỹ đạo này nằm trong mặt phẳng xích đạo của trái đất và các vệ tinh trên quỹ đạo này được gọi là vệ tinh địa tĩnh (GEO- geostationary sarellite). Độ cao quỹ đạo là 35 768km. vệ tinh trong trường hợp này xuất hiện như một điểm cố định trên bầu trời với vùng phủ sóng của vệ tinh là 43% diện tích của bề mặt trái đất. ba vệ tinh vệ tĩnh trong trường hợp này có thể phủ sóng toàn cầu.

Việc lựa chọn quỹ đạo nào trong thực tế còn phụ thuộc vào các ứng dụng cụ thể, độ can nhiễu mà hệ thống có thể chấp nhận được.

Để vệ tinh có thể giữ nguyên vị trí của mình tong quỹ đạo đã được xác định, người ta sử dụng một trong hai kĩ thuật ổn định đó là ổn định quay hoặc ổn định ba trục.

1.5 Cấu trúc một hệ thống thông tin vệ tinh.

Cấu trúc của một hệ thống thông tin vệ tinh gồm hai phần: phần không gian ( space segment) và phần mặt đất ( ground segment). Hình 1-3 mô tả cấu trúc tổng quát của một hệ thống thông tin vệ tinh.



1.5.1 Phần không gian

Phần không gian bao gồm vệ tinh cùng các thiết bị đặt trong vệ tinh và hệ thống các trang thiết bị đặt trên mặt đất để kiểm tra, theo dõi và điều khiển vệ tinh (các hệ thống bám, đo đạc và điều khiển). bản thân vệ tinh bao gồm phần tải( payload) và phần nền ( platform). Phần tải bao gồm các anten thu/phát và tất cả các thiết bị điện tử phục vụ cho việc truyền dẫn các sóng mang. Phần nền bao gồm tất cả các hệ thống phục vụ cho phần tải hoạt động. ví dụ như: cấu trúc vỏ và khung, nguồn cung cấp điện, điều khiển nhiệt độ, điều khiển hướng và quỹ đạo, thiết bị đẩy, bám, đo đạc … .

Các sóng vô tuyến được truyền từ trạm mặt đất lên vệ tinh được gọi là tuyến lên (uplink ). Vệ tinh lại truyền các sóng vô tuyến sau khi đã biến đỗi tần số và khuếch đại tới các trạm thu vệ tinh đặt trên mặt đất và được gọi là tuyến xuống (downlink).

Chất lượng của một liên lạc qua sóng vô tuyến đó được xác định bởi thông số sóng mang trên tạp âm (C/N). chất lượng của tổng thể tuyến liên lạc từ trạm mặt đất này đến trạm mặt đất khác được quyết định bởi chất lượng của tuyến lên và tuyến xuống trong đó bao gồm cả kĩ thuật điều chế và mã hóa được sữ dụng.



Trong mỗi vệ tinh được đặt một số bộ phát đáp ( transponder) để thu tín hiệu từ tuyến lên, biến đổi tần số, khuếch đại công suất và truyền trở lại trên tuyến xuống.

Hình 1.4 Sơ đồ khối chức năng của bộ phát đáp đơn giản

Hình 1.4 mô tả sơ đồ khối chức năng của một bộ phát đáp đơn gian, ở đây không có nhiệm vụ giải điều chế tín hiệu thu được và cũng không xữ lý tín hiệu. nó chỉ đóng vai trò như bộ chuyển đổi xuống có hệ số khuếch đại công suất lớn. bộ khuếch đại công suất trong bộ phát đáp thường dùng 2 loại: khuếch đại dùng đèn sóng chạy( TWTA- Traveling Wave Tube Amplifier) và khuếch đại dùng bán dẫn transistor (SSPA – Solid State Power Amplifier). Công suất bão hòa tại đầu ra của TWTA thường là từ 20W đến 200W và của SSPA thường là từ 20W đến 40W. trong các vệ tinh loại mới được trang bị các bộ phát đáp đa chum tia( multibeam satellite transponder ) và các bộ phát đáp tái sinh ( regrative transponder ). Do hạn chế về kích thước và trọng lượng cho nên các anten thu phát của bộ phát đáp thường có kích thước nhỏ và do đó độ tăng ích của anten trong trường hợp này bị giới hạn.

Vệ tinh trong trường hợp này hình thành một điểm trung chuyển tín hiệu giữa các trạm mặt đất và được xem như một điểm nút của mạng với 2 chức năng chính sau đây:

Khuếch đại các sóng mang thu được từ tuyến lên để sử dụng cho việc truyền dẫn lại trên tuyến xuống. công suất sóng mang tại đầu vào của máy thu vệ tinh có yêu cầu từ 100pW tới 1nW, còn công suất tại đầu ra của bộ khuếch đại công suất phát cho tuyến xuống có yêu cầu từ 10W đến 100W. như vậy độ tăng ích của anten của bộ phát đáp vệ tinh có yêu cầu từ 100dB đến 130dB. Sóng mang trong băng tần được bức xạ đến các vùng phủ sóng trên bề mặt trái ddaatd với các mức EIRP tương ứng.



Thay đổi tần số sóng mang (giữa thu và phát) nhằm tránh hiện tượng một phần công suất phát tác động trở lại phía đầu thu. Khả năng lọc của các bộ lọc đầu vào đối với tần số tuyến xuống kết hợp với độ tăng ích thấp của anten, giữa đầu ra phát và đầu vào thu cần đảm bảo sự cách biệt khoảng 150dB.

Tuy nhiên khi xem xét một vệ tinh cụ thể thì có thể có một số chức năng khác. Ví dụ, đối với vệ tinh có nhiều búp sóng hoặc búp sóng quét thì bộ phát đáp vệ tinh phải có khả năng tạo tuyến sóng mang đến các vùng phủ sóng yêu cầu. trong trường hợp đối với vệ tinh tái sinh thì bộ phát đáp còn them chức năng đều chế và giải điều chế.

Phần tải (payload) của vệ tinh truyền thông được đặc trưng bởi các thông số kĩ thuật trong từng băng tần công tác như sau:

Băng tần công tác Số lượng bộ phát đáp Độ rộng dãi thông của mỗi bộ phát đáp. Phân cực của tín hiệu đường lên và đường xuống. Công suất bức xạ tương đương đẳng hướng (EIRP) hoặc mật độ thông lượng công

suất tạo ra tại biên của vùng phủ sóng phục vụ. Mật độ thông lượng công suất bão hòa tại anten thu của vệ tinh (SPD- Saturation

Power Density). Hệ số phẩm chất G/T của máy thu vệ tinh tại biên của vùng phủ sóng hoặc giá trị

cực đại. Vùng phủ sóng. Công suất đầu ra của bộ công suất phát. Cấu hình dự phòng cho máy thu và bộ khuếch đại công suất cao.1.5.2 Phần mặt đất

Phần mặt đất bao gồm tất cả các trạm mặt đất và chúng thường được nối với các thiết bị của người sử dụng thông qua các mạng mặt đất hoặc trong trường hợp sử dụng trạm VSAT ( Very Small Aperture Terminal ) thì có thể liên lạc trực tiếp tới thiết bị đầu cuối của người người sử dụng. các trạm mặt đất được phân loại tùy thuộc vào kích cỡ trạm và loại hình thông tin được truyền cũng như xử lý ( thoại, hình ảnh hoặc dữ liệu). có thể có các trạm mặt đất vừa thu vừa phát nhưng cũng có trạm mặt đất chỉ làm nhiệm vụ thu ( trạm TVRO – Television Receiver Only). Các trạm mặt đất lớn được trang bị anten có đường kính 30m – 40m, trong khi đó các trạm mặt loại nhỏ chỉ dùng anten đường kính 60cm hoặc thậm chí có thể nhỏ hơn ( các trạm di động, các máy cầm tay) . hình 1-4b mô tả một mặt đất đơn giản bao gồm cả thu và phát.



Hình 1-4b Cấu hình của một trạm mặt đất

Đối với một trạm mặt đất cỡ lớn, do độ rộng của búp sóng chính của anten rất hẹp cho nên trạm mặt đất phải cần phải có các thiết bị bám vệ tinh để đảm bảo chất lượng đường truyền ( trục anten hướng đúng vệ tinh). Với các trạm mặt đất cỡ nhỏ do độ búp sóng của anten khá lớn cho nên trong trường hợp này không cần thiết phải có các thiết bị bám sát vệ tinh.

Trong thực tế một bộ phát đáp của vệ tinh có thể phục vụ cùng một lúc nhiều trạm mặt đất khác nhau. Đó là nhờ vào phương pháp đa truy nhập. kĩ thuật mà trạm mặt đất dùng để truy nhập bộ phát đáp vệ tinh đó là FDMA, TDMA, CDMA.

1.6 Đa truy nhập

Trong các hệ thống thông tin vệ tinh kĩ thuật đa truy nhập là một phương pháp để cho nhiều trạm sử dụng chung một bộ phát đáp. Hiện nay có 3 phương pháp chính được dùng đó là:

1.6.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số ( FDMA – Frequency Division Multiple Access).

Phương pháp này được sử dụng rộng rãi nhất. với hệ thống này mỗi trạm mặt đất phát một sóng mang có tần số sóng mang khác với tần số sóng mang của các trạm khác.



Mỗi sóng mang được phân cách với sóng mang khác bằng những băng tần bảo vệ thích hợp, sao cho chúng không chồng lấn lên nhau ( hinh 1-5)

Hình 1-5: Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)

FDMA có thể được sử dụng cho bất kì hệ thống điều chế nào: điều chế tương tự hoặc điều chế số. một trạm mặt đất thu chọn lựa các tín hiệu nó cần thông tin bằng một bộ lọc băng thông.

Phương pháp này cho phép tất cả các trạm truyền dẫn liên tục, nó có ưu điểm không cần thiết điều khiển định thời đồng bộ và thiết bị sử dụng khá đơn giản, hiệu quả sử dụng công suất vệ tinh của nó cũng không thấp. tuy nhiên phương pháp này thiếu linh hoạt trong việc thay đổi cách phân bố kênh.

1.6.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA – Time Division Multiple Access)

Là hệ thống trong đó các trạm mặt đất dùng chung một bộ phát đáp trên cơ sở phân chia theo thời gian. Để làm được điều này cần sử dụng một sóng mang điều chế số. hệ thống TDMA thường định ra một khung trong miền thời gian gọi là khung TDMA: khung này được phân chia ra và mỗi một khoảng chia được phân cho từng trạm.

Mỗi một trạm phát sóng mang của nó trong một khoảng thời gian ngắn đã được phân (khe thời gian) trong khung thời gian. Cần để ra một khoảng thời gian trống ( thời gian bảo vệ) giữa 2 khe thời gian cạnh nhau sao cho các sóng mang phát từ nhiều trạm không chồng lên nhau trong bộ phát đáp ( hình 1-6)



Hình 1-6: Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)

Mỗi trạm thu sẽ tách ra những phần sóng mang của chính nó dựa trên cơ sở phân chia theo thời gian trong nhưng tín hiệu nhận được. hệ thông TDMA có thể sử dụng tốt nhất công suất vệ tinh và có thể dể dàng thay đổi được dung lượng truyền tải nên hệ thống này có ưu điểm là linh hoạt trong việc chấp nhận thay đổi trong thiết lập tuyến.

1.6.3 Đa truy nhập phân chia theo mã ( CDMA – Code Division Multiple Access)

Với đa truy nhập phân chia theo mã ( CDMA ) các trạm của mạng phát liên tục và cùng phát trên một băng tần như nhau của kênh. Nhưng các sóng mang này trước đó đã được điều chế bằng một mẫu bit đặc biệt quy định cho mỗi trạm mặt đất trước khi phát tín hiệu điều chế. Do đó ở loại đa truy nhập này ngay cả khi có nhiều tín hiệu điều chế được đưa vào bộ phát đáp, thì trạm mặt đất thu có thể tách tín hiệu từ các tín hiệu khác bằng cách sử dụng một mẫu bít đặc biệt để thực hiện quá trình giải điều chế.

Các tín hiệu từ tất cả các trạm đều có cùng một vị trí trong bộ phát đáp cả về thời gian lẫn tần số. ở phía thu thực hiện quá trình trải phổ ngược sử dụng mã giống như mã trải phổ sử dụng ở phía phát và lấy ra tín hiệu ban đầu. Điều này cho phép chỉ thu các tín hiệu mong muốn ngay cả khi các sóng mang trải phổ với các mã khác đến cung thời gian ( hình 1-7)



Hình 1-7 Đa truy nhập phân chia theo mã ( CDMA )

Ưu điểm của hệ thống CDMA là hoạt động đơn giản, do nó không đòi hỏi bất kì sự đồng bộ truyền dẫn nào giữa các trạm. đồng bộ duy nhất là đồng bộ của máy thu với chuổi của sóng mang thu được. kĩ thuật này đạt hiệu quả trong việc chống lại sự can nhiễu từ hệ thống khác và can nhiễu do hiện tượng đa đường truyền. Nhược điểm là hiệu suất thấp.

Bảng 1-1 tóm tắc ưu điểm và nhược điểm của các hệ thống đa truy nhập khác nhau

Hệ thống Ưu điểm Nhược điểm Nhận xet

FDMA

-Thủ tục nhập đơn giản

-Cấu hình phương tiện trạm mặt đất đơn giản

-Thiếu linh hoạt trong thay đổi thiết lập tuyến.

-Hiệu quả thấp khi số sóng mang tăng

-Dễ dàng ứng dụng việc phân phối theo yêu cầu

TDMA

-Hiệu quả sử dụng tuyến cao thậm chí khi tăng số các trạm truy nhập

-Linh hoạt cao trong việc thay đổi thiết lập tuyến.

-Yêu cầu đồng bộ cụm.

-Công suất phát cần thiết của trạm mặt đất cao

-Có thể ứng dụng SS-TDMA nếu có thể

CDMA

-Chịu được nhiễu và méo.

-Chịu sự thay đổi các thông số khác nhau của đường truyền

-Bảo mật tiềng nói cao

Hiệu quả sử dụng băng tần kém.

-Yêu cầu đường truyền với băng tần lớn

-Phù hợp với các hệ thống có các trạm nhỏ



Ngoài ra còn có thể sử dụng một trong các kĩ thuật sau:

1. Chế độ đa truy nhập gán cố định (FAMA- Fixed Assigned Multiple Access)2. Chế độ đa truy nhập gán theo nhu cầu (DAMA – Demand Assigned Multiple

Access)3. Đa truy nhập phân chia theo thời gian chuyển mạch vệ tinh ( SS-TDMA)

Với đa truy nhập gán cố định, các kênh vệ tinh được phân bố cố định cho tất cả các trạm mặt đất khác nhau, bất chấp có hay không có các cuộc gọi phát đi, còn đa truy nhập gán theo nhu cầu thì các kênh vệ tinh được sắp xếp lại mỗi khi có yêu cầu thiết lập kênh từ các trạm mặt đất có liên quan.

Với các vệ tinh SS-TDMA các anten chùn hẹp khác nhau được chuyển mạch tại thời điểm thích ứng trong chu kì khung TDMA để hướng các chùm phát và thu theo hướng mong muốn.



CHƯƠNG 2 : SÓNG VÔ TUYẾN ĐIỆN

2.1 Tần số và các đặc tính của sóng vô tuyến điện trong thông tin vệ tinh

2.1.1 Sóng vô tuyến và tần số

Sóng vô tuyến là một bộ phận của sóng điện từ và giống như sóng ánh sáng, tia hồng ngoại, tia X… . Sự khác nhau giưa chúng chỉ là tần số. Sóng vô tuyến được quy định là những sóng điện từ có tần số nhỏ hơn 3000GHz. Các sóng có tần số từ 3kHz đến 270GHz được phân định cho nhiều mục đích khác nhau. Các tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh hiện nay nằm trong khoảng 1GHz đến 30GHz.

2.1.2 Các tần số sử dụng cho thông tin vệ tinh cố định.

a. Băng C ( Băng 6/4GHZ)

Tần số phát cho đường lên từ 5,925GHz đến 6,425GHz và cho đường xuống từ 3,7GHz đến 4,2GHz. Băng tần này suy hao rất ít do mưa và trước đây đã sử dụng cho các hệ thống vi ba dưới mặt đất. do đó sự phát triển của thiết bị đã ở một mức tiên tiến, nó được sử dụng cho các hệ thống vệ tinh khu vực và nội địa.

b. Băng Ku ( Các băng 14/12 và 14/11 GHz)

Tần số phát cho đường lên từ 14GHz đến 14,5GHz và cho đường xuống từ 12,25 GHz đến 12,75GHz hoặc 10,95GHz đến 11,7GHz. Băng này đã được sử dụng rộng rãi tiếp sau băng C cho viễn thông công cộng. Nó được ưu dùng hơn cho thông tin nội địa và thông tin giữa các công ty, do tần số cao nên cho phép các trạm mặt đất sử dụng được các anten có kích thước nhỏ để liên lạc.

c. Băng Ka ( 30/20GHz)

Băng Ka lần đầu được sử dụng cho một kênh thông tin thương mại qua vệ tinh thông tin “SAKURA” của Nhật Bản. Ưu điểm của thông tin vệ tinh sử dụng băng tần này là cho phép sử dụng các trạm mặt đất nhỏ và không gây nhiễu với các hệ thống vi ba trên mặt đất. Tuy nhiên băng tần này bị suy hao lớn do mưa.

2.2 Phân cực sóng

2.2.1 Định nghĩa.

Sóng bức xạ bởi anten bao gồm các thành phần điện trường và từ trường. Hai thành phần này trực giao với nhau và vuông góc với phương truyền sóng, chúng biến đổi theo tần số của sóng. Phân cực của sóng được xác định bởi hướng điện trường. Sóng điện



từ phẳng có các dạng phân cực như : phân cực elip, phân cực tròn, phân cực thẳng ( hình 2)

Hình 2 Phân cực sóng

2.2.2 Phân cực elip.

Trong quá trình truyền sóng nếu đầu cuối vectơ cường độ điện trường của sóng vach nên một hình elip trong không gian thì sóng gọi là phân cực elip.

2.2.3 Phân cực tròn

Trong quá trình truyền sóng nếu vectơ cường độ điện trường của nó vẽ nên một vòng tròn thì sóng gọi là phân cực tròn. Nếu nhìn theo chiều truyền sóng, vectơ điện trường quay theo chiều kim đồng hồ thì ta có phân cực tròn quay phải, trong trường hợp vectơ điện trường quay ngược chiều kim đồng hồ ta gọi là sóng phân cực tròn quay traid.

2.2.4 Phân cực thẳng.

Sóng vectơ cường độ điện trường luôn hướng song song theo một đường thẳng trong quá trình truyền sóng gọi là sóng phân cực thẳng hay phân cực tuyến tính. Tùy theo hướng của vectơ điện trường ta có phân cực ngang hoặc phân cực đứng.

2.3 Sự lan truyền sóng vô tuyến điện.



2.3.1 Khái niệm về sự lan truyền song vô tuyến trong thông tin vệ tinh.

Có những vấn đề khác nhau liên quan tới sự lan truyền sóng vô tuyến trong thông tin vệ tinh vì việc phát và thu sóng thực hiện giữa một trạm mặt đất và một vệ tinh thông tin ở một cự li khá xa (35687km). Vấn đề lớn nhất là tổn hao khi truyên giữa trạm mặt đất và vệ tinh. Có thể nói rằng công nghệ thông tin vệ tinh luôn luôn được cải tiến để khắc phục được tổn hao lan truyền. Ngoài tổn hao truyền lan ra. Sóng vô tuyến sử dụng trong thông tin vệ tinh còn chịu ảnh hưởng của các tác động như tổn hao do hấp thu của tầng điện li, khí quyển và mưa cũng như tạp âm gây ra từ bên ngoài bởi tầng điện ly, khí quyển, mưa và mặt đất.

2.3.2 Tổn hao trong không gian tự do

Trong thông tin vệ tinh, sóng vô tuyến đi qua khoảng không vũ trụ (gần như chân không). Trong một môi trường như vậy, có rất ít các chất có thể suy hao sóng hoặc làm lệch hướng lan truyền của nó. Sự suy hao sóng gây ra chỉ do sự khuếch đại tự nhiên của nó. Môi trường như vậy được gọi là không gian tự do. Khi sóng vô tuyến truyền trong không gian tự do có suy hao được tính theo công thức:

Ltd= ¿)2

Trong đó d[km]: chiều dài của một tuyến lên hay xuống.

λ[m]: bước sóng công tác

Ltd[dB]: suy hao trong không gian tự do.

Từ biểu thức trên ta thấy rằng tổn hao trong không gian tự do tỉ lệ bình phương với khoảng cách lan truyền sóng.

Trong thông tin vệ tinh, vì hầu hết sự lan truyền song xảy ra trong không gian là chân không, do đó tổn hao truyền sóng có thể coi như bằng tổn hao không gian tự do. Tuy nhiên khoảng cách truyền sóng là rất lớn nên gây ra tổn hao rất lớn ( khoảng 200dB với tần số khoảng 6GHz). Vì vậy nên cần sử dụng các máy phát công suất lớn và máy thu có độ nhạy cao cũng như anten thu và phát có hệ số tăng ích lớn.

2.3.3 Cửa sổ vô tuyến.

Trong một số trường hợp, các sóng vô tuyến truyền đến hay đi từ các vệ tinh thông tin, ngoài ra còn chịu sự ảnh hưởng của tầng điện ly và khí quyển đến tổn hao lan truyên do cự li xa.



Sóng truyền đi từ vệ tinh và trạm mặt đất bị ảnh hưởng bởi tầng điện li khi tần số thấp và bị ảnh hưởng do mưa khi tần số cao. Đồ thị hình 2-1 chỉ ra đặc tính tần số suy hao do tầng điện ly và do mưa

Hình 2-1 Cửa sổ vô tuyến.

Từ đồ thị này ta thấy các tần số nằm ở khoảng giưa 1GHz và 10GHz thì suy hao do tầng điện ly và mưa là không đáng kể, do vậy băng tần này được gọi là “cửa sổ vô tuyến”.Nếu ta sử dụng tần số nằm trong khoảng này thì tổn hao lan truyền gần như bằng tổn hao trong không gian tự do, vì vậy cho phép thiết lập các kênh thông tin vệ tinh ổn định.

2.3.4 Tạp âm trong lan truyền song vô tuyến.

Các chất khí của khí quyển và mưa không chỉ hấp thụ sóng mà còn là các nguồn bức xạ tạp âm nhiệt. Tạp âm do các chất khí trong khí quyển ảnh hưởng không nhiều đến sự lan truyền sóng so với suy hao, lớn hơn do tạp âm gây ra do mưa. Vì vậy khi thuyết kế các kênh thông tin, ngoài việc giảm suy hao sóng phải tính thêm tạp âm do mưa. Hình 2-2 chỉ ra tạp âm do mưa.



Hình 2-2 Tăng tạp âm do mưa.

Cũng có tạp âm mặt đất phát sinh trong khi lan truyến sóng. Đây là tạp âm nhiệt gây ra bởi trái đất, nhiệt tạp âm gần như nhiệt độ của trái đất. Nhiệt độ tạp ân mặt đất khoảng 250oK đến 300oK và ảnh hưởng chủ yếu đến trạm vệ tinh.

2.3.5 Sự giảm khả năng tách biệt phân cực chéo do mưa.

Trường điện từ của sóng có hướng giao đông khác nhau: hai sóng có điện trường vuông góc với nhau đôi khi kết hợp lại thành một và tạo ra một sóng “phân cực chéo”. Một sóng như vậy có thể dùng một anten để tách ra các sóng riêng biệt. Tuy nhiên, khi sóng đi qua mưa, hình dẹp của các hạt mưa đôi khi làm nghiêng phân cực chéo, do đó sinh ra các thành phần vuông góc hỗn hợp trên thành phần mong muốn được gọi là “ sự tách biệt phân cực chéo”.

2.3.6 EIRP: Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (đặc trưng khả năng phát).

Tích số giữa hệ số tăng ích của anten và công suất máy phát cung cấp cho anten gọi là công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) đây là thông số cơ bản biểu thị khả năng của một trạm phát.

PEIRP=PT . GT

2.3.7 G/T : Đặc trưng độ nhạy máy thu.

1. Tạp âm nhiệt máy thu.



Mặc dù tạp âm trong thông tin vệ tinh do nhiều nguồn tạo ra, nhưng công suất của nó vô cùng nhỏ. Tạp âm nhiệt được dùng làm đơn cị để biểu thị công suất nhỏ như thế. Nếu dùng tạp âm nhiệt (T) thì công suất tạp âm ( P) có biểu thức:

P=kTB (W)

Trong đó :

k- Hằng số Boltzmann (k=1,38x10-23 J/oK.

B- Độ rộng băng thông (Hz).

T- Nhiệt độ tuyệt đối.

Các nguồn tạp âm trong thông tin vệ tinh có thể được phân loại như sau:

-Tạp âm do anten thu được.

+ Tạp âm từ vũ trụ

+ Tạp âm khí quyển

+ Tạp âm do một búp sóng phụ

+ Tạp âm do mưa

-Tạp âm do tổn hao của hệ thống tiếp sóng ( nhiệt tạp âm tăng khoảng 7 oK trên tổn hao 0,1dB)

-Tạp âm máy thu

Trong số các loại tạp âm do anten thu được thì tạp âm vũ trụ gây ra chỉ vài độ K, hầu như không đáng kể. Tạp âm khí quyển tăng đặc biệt ở băng sóng milimet là nguyên nhân chủ yếu gây ra tạp âm vũ trụ trong thời tiết tốt. Tạp âm do mưa tăng theo cường độ mưa.

Tạp âm từ một búp sóng phụ là do anten thu tiếp nhận bằng búp sóng phụ một lượng tạp âm từ mặt đất và khí quyển. Giá trị tạp âm này phụ thuộc vào góc ngẩng và tần số.

Tạp âm từ hệ thông tiếp sóng, sinh ra do tổn hao ở hệ thống tiếp sóng. Vì tổn hao này không những làm suy giảm tín hiệu đầu vào, mà còn sinh ra tạp âm, do đó máy thu đặt càng gần anten càng tốt để giảm tổn hao và tạp âm.



2. G/T (Hệ số phẩm chất của thiết bị thu)

Tỉ số của hệ số tăng ích trên tổng tạp âm nhiệt được kí hiệu là G/T và tỉ số này biểu thị cho chất lượng độ nhạy của trạm thu. G/T được dùng như một hệ số chất lượng cho toàn bộ hệ thống thu bao gồm cả anten. Đơn vị sử dụng là dBm/oK.

2.3.8 Sự nhiễu loạn do các sóng can nhiễu

Hầu hết các băng tần ấn định cho thông tin vô tuyến vũ trụ thì cũng được ấn định cho thông tin vô tuyến trên mặt đất do đó có 4 loại can nhiễu giữa các hệ thống có thể xảy ra:

- Một vệ tinh can nhiễu với một trạm vệ tinh mặt đất.- Một trạm vệ tinh mặt đất can nhiễu với một vệ tinh.- Một trạm truyền thông mặt đất can nhiễu với một vệ tinh.- Một trạm truyền thông mặt đất can nhiễu với một trạm vệ tinh mặt đất. Hình 2-3 mô tả các dạng can nhiễu



Hình 2-3 Can nhiễu từ các vệ tinh khác và hệ thống vi ba trên mặt đất.Nhằm để giảm bớt sự can nhiễu có thể xảy ra. Các tổ chức đưa ra các khuyến nghị

sau: Hạn chế mật độ thông lượng năng lượng tạo ra trên mặt đất của vệ tinh. Hạn chế EIRP phát từ các trạm truyền thông trên mặt đất theo hướng về quỹ đạo

vệ tinh địa tĩnh. Hạn chế góc ngẩng nhỏ nhất của anten trạm vệ tinh mặt đất.



CHƯƠNG 3: KĨ THUẬT TRẠM MẶT ĐẤT

3.1 Công nghệ và đặc tính của anten.3.1.1 Yêu cầu chất lượng đối với thông tin vệ tinh

Để thu được những sóng yếu đến từ vệ tinh và phát đi các sóng có công suất đủ mạnh lên vệ tinh, anten cần có một số đặc tính sau:

1. Hệ số tăng ích cao và hiệu suất cao.

Mặt dù hệ số tăng ích của anten tỉ lệ thuận với diện tích của nó, nhưng tùy thuộc vào tính kinh tế vad tính thuận tiện khi khai thác mà ta chọn loại anten vừa có hệ số tăng ích cao mà diện tích càng nhỏ càng tốt.

2. Hướng tính cao và búp sóng phụ nhỏ

Anten dùng trong thông tin vệ tinh cần phải có tính định hướng cao, búp sóng phụ nhỏ để chúng không can nhiễu vào các hệ thống thông tin khác.

3. Đặc tính phân cực tốt.

Anten cần phải có tính phân cực tốt để sử dụng tần số một cách hiệu quả bằng cách ghép các sóng phân cực ngang và đứng thành phân cực vuông góc hoặc thành các phân cực tròn quay trái và quay phải trong phân cực tròn.

4. Tạp âm thấp.3.1.2 Phân loại anten

Hình 3-1 trình bày hình dạng các loại anten hay được sử dụng trong thông tin vệ tinh. Mỗi anten có một bộ phản xạ chính parabol và được thiết kế sao cho nguồn bức xạ đặt tại tiêu điểm của parabol để sóng bức xạ từ mặt parabol là sóng phẳng.

Tên Anten parabol có nguồn bức xạ sơ cấp đặt tại tiêu điểm chính

Anten CasegrainAnten

parabol lệchAnten

Gregorlan lệch

Hình dạng

Mặt phản xạ Mặt phản xạ



chính chínhHình 3-1 Các loại anten trạm mặt đất

1. Anten parabol có nguồn bức xạ sơ cấp đặt tại tiêu điểm.

Đây là loại anten có cấu trúc đơn giản nhất. Nó được dùng chủ yếu ở các trạm chỉ thu và các trạm nhỏ với dung lượng thấp. Vì hiệu quả hệ số tăng ích thấp búp sóng phụ không được tốt và các cáp nối từ loa tiếp sóng đến máy phát bị dài.

2. Anten Cassegrain

Đây là loại có thêm bộ phận phản xạ phụ vào bộ phản xạ chính, hệ số tăng ích của anten được nâng cao và đặc tính búp sóng phụ cũng được cải thiện chút ít. Anten được sử dụng cho các trạm bình thường, có quy mô trung bình. Cáp nối giữa máy phát và loa tiếp sóng ngắn hơn.

3. Anten lệch

Anten lệch có bộ phận tiếp sóng, một mặt phản xạ phụ được đặt ở vị trí lệch một ít so với hướng trục của mặt phản xạ để các bộ phận tiếp sóng và mặt phản xạ nhỏ không chặn đường đi của sóng. Do đó búp sóng phụ được cải thiện rất lớn dẫn đến hệ số tăng ích lớn hơn. Ngoài anten lệch một mặt phản xạ còn có hai loại anten khác thuộc loại nay: Một là loại Gregorian lệch có mặt phản xạ phụ dạng elip, hai là loại Gregorian lệch với mặt phản xạ phụ có dạng hyperbol. Các anten này có hiệu quả đặc biệt khi cần thiết giãm can nhiễu từ các kênh thông tin viba trên mặt đất hoặc trên các vệ tinh khác ở các vị trí kề nhau trên quỷ đạo.

3.1.3 Hệ thống anten bám vệ tinh.

Ngay cả vệ tinh ở quỷ đạo địa tĩnh, vị trí của chúng cũng luôn thay đổi khoảng ±0,1o theo các hướng đông tây nam bắc. Do vậy cần điều khiển anten trạm mặt đất để bám theo vệ tinh. Các loại hệ thống anten bám vệ tinh:

- Hệ thông xung đơn: Hệ thống này luôn xác định tâm búp sóng anten có hướng đúng vào vệ tinh hay không để điều khiển hướng của anten. Hệ thông này sử dụng bốn loa bức xạ, mỗi loa bức xạ có hướng búp sóng hơi khác với hướng búp sóng chính để lấy ra tín hiệu báo lỗi.

- Hệ thống bám từng nấc: Hệ thống này dịch chuyển nhẹ vị trí anten ở các khoảng thời gian nhất định để điều chỉnh sao cho mức tín hiệu thu là cực đại.

- Hệ thống điều khiển theo chương trình: Hệ thống này điều khiển anten dựa trên thông tin quỷ đạo dự đoán trước liên quan đến vệ tinh.



3.1.4 Các đặc tính về điện.1. Hệ số tăng ích.

Hệ số tăng ích của một anten là tỷ số giữa mật độ công suất bức xạ (hoặc thu) của anten ở một hướng đã cho và tại một điểm trên hướng ấy trên mật độ công suất bức xạ (hoặc thu) của anten vô hướng cũng tại hướng và điểm trên khi hai anten có công suất cấp cho anten là như nhau. Hệ số tăng ích cực đại ở hướng bức xạ cực đại có giá trị cho bởi công thức:

Gmax = 4 πλ2 Aη (3-1)

Ở đây λ: là bước sóng = c/f

c: là vận tốc ánh sáng = 3x108 m/s

f: là tần số sóng điện từ.

A: là diện tích bề mặt = π D2

4

D: là đường kính anten gương parabol có mặt phản xạ tròn.

η: hiệu suất toàn bộ của anten là do một số tham số tính đến quy luật chiếu xạ, mất mát do sự tràn, bề mặt phản xạ xấu… . Thông thường có giá trị bằng 0,55 đến 0,75.

Vì vậy:

Gmax = η( πDλ )

2

= η( πDfc )

2

(3-2)

Biểu thị ở dạnh dB

Gmax [dB] = 10logη( πDλ )

2

= 10log η( πDfc )

2

(3-3)

2. Đồ thị bức xạ.

Đồ thị bức xạ biểu thị các thay đổi giá trị của hệ số tăng ích theo các hướng khác nhau. Với anten có mặt phản xạ tròn thì đồ thị có dạng đối xứng và tròn xoay được biểu thị trong hệ tọa độ cực (hình 3-2a) hay tọa độ Đê-Các (hình 3-2b). Búp sóng chính có hướng cực đại và dạng các búp sóng phụ



Hình 3-2 Đồ thị bức xạ anten

a. Độ rộng bức sóng

Độ rộng của búp sóng chính được biểu thị bằng góc hợp bởi hai hướng mà ở đó hệ số tăng ích giảm đi một nữa so với hệ số tăng ích ở hướng cực đại được mô tả như ở hình 3-2a. Độ rộng búp sóng này còn được gọi là độ rộng búp sóng nữa công suất hay độ rộng búp sóng 3dB. Độ rộng búp sóng 3dB liên quan tới tỉ số λ /D bởi một hệ số có giá trị phụ thuộc vào luật chiếu xạ. Đối với một anten parabol thông thường, độ rộng búp sóng 3dB được xác định:

θ3 dB = 70 λD = 70 c

fD (độ) (3-4)

Với biểu thức trên ta thấy độ rộng búp sóng 3dB giảm tỉ lệ nghịch với tần số và đường kính anten

Điểm ở hướng α so với trục ( hướng cực đại) thì hệ số tăng ích được tính bằng:

G(α)dB = Gmax - 12( αθ3 dB )

2

(dB) (3-5)

Công thức này chỉ đúng với góc đủ nhỏ 0≤ α ≤ θ3dB

Từ công thức (3-2) và (3-4) ta có mối quan hệ giữa hệ số tăng ích cực đại được biểu diển như (hình3-3).



Hình 3-3 Hệ số anten ở hướng bức xạ cực đại là hàm của độ rộng góc 3dB

- Đặc tính búp sóng phụ:

Nếu giảm búp sóng phụ càng nhiều càng tốt để tránh can nhiễu với hệ thống khác. Theo khuyến nghị của CCIR cho các anten có D/λ > 100, hệ số tăng ích của búp sóng phụ phải nhỏ hơn các hệ số tăng ích sau tương ứng với góc hợp bởi trục chính Φ:

10 < Φ < 480 Gs =32 – 25logΦ (dB)

Φ > 480 Gs = 10dB

Các anten lệch có các đặc tính búp sóng phụ rất tốt, vì không có sự cả trở của mặt phản xạ phản xạ phụ và các thanh đỡ, chúng được sử dụng khi có yêu cầu nghiêm ngặt giảm can nhiễu trong thiết kế mạch.

3.2 CÔNG NGHỆ MÁY PHÁT.

3.2.1 Máy phát công suất cao.

Để bù vào tổn hao truyền sóng lớn trong thông tin vệ tinh, đầu ra máy phát cần phải có công suất càng lớn càng tốt, do vậy ở trạm mặt đất sử dụng bộ khuếch đại công suất cao (HPA). Trong các hệ thống vô tuyến trên mặt đất, khoảng cách giữa các trạm chuyển tiếp chỉ vài chục km nên công suất máy phát nhỏ (khoảng 10W) còn đối với



thông tin vệ tinh do khoảng cách chuyển tiếp dài (36 000km) nên máy phát ở trạm mặt đất phải có công suất lớn khoảng vài trăm W đến hàng KW.

3.2.2 Phân loại các bộ khuếch đại công suất cao

Các đèn sóng chạy (TWT), Klystron (KLY), transistor hiệu ứng trường (FET) được dùng trong bộ khuếch đại công suất cao. Tùy theo công suất ra của máy phát và băng tần công tác mà sử dụng loại khuếch đại nào cho thích hợp

Bảng 3-1 : So sánh các bộ khuếch đại công suất cao.

HPA

Tham số

Loại KLY Loại TWT Loại FET

Công suất ra Lớn Lớn NhỏKích thước Lớn Trung bình NhỏTrọng lượng Lớn Trung bình NhỏBăng tần Vài chục MHz Vài trăm MHz Vài trăm MHzLàm lạnh -Làm lạnh bằng

không khí khi công suất tới vài kW

-Làm lạnh bằng nước khi công suất ra khoảng 10kW

-Làm lạnh bằng không khí khi công suất tới vài kW

-Làm lạnh bằng nước khi công suất ra khoảng 10kW

-Làm lạnh bằng không khí tự nhiên.

Điện áp cung cấp Trung bình Cao Thấp

Đèn sóng chạy (TWT) có băng tần khuếch đại rộng, có thể phủ được tất cả các băng tần phân định cho truyền dẫn, điều đó có lợi cho việc sử dụng nhiều sóng mang hơn.

Còn đối với đèn Klystron (KLY) có độ rộng băng tần khuếch đại tương đối hẹp, nhưng tần số khuếch đại có thể điều chỉnh đến bất kì giá nào trong khoảng tần số phân định cho truyền dẫn.

Transistor hiệu ứng trường (FET) được sử dụng ở tramj dung lượng thấp, công suất ra nhỏ. Để đạt được công suất cao hơn người ta đấu song song các transistor lại với nhau.

3.2.3 Cấu hình.

Cấu hình của một trạm mặt đất được mô tả ở hình 1-4b, ta thấy máy phát công suất cao gồm có một bộ khuếch đại trung tần, bộ chuyển đổi tần lên và một bộ khuếch đại công suất cao. Bộ khuếch đại trung tần khuếch đại tín hiệu từ bộ điều chế đưa tới, tần số



trung tân sau đó được biến đổi lên tần số cực ngắn nhờ bộ đổi tần, sau đó tín hiệu được bộ khuếch đại tần số cao khuếch đại lên đến mức yêu cầu để phát lên vệ tinh.

Cấu hình của máy phát công suất cao được quyết định bởi loại sóng mang và số lượng sóng mang, nhưng nhìn chung có hai dạng thường được thực hiện sau:

1. Một máy phát khuếch đại đồng thời nhiều sóng mang (hình 3-4)

U/C: bộ nâng tầnMOD: bộ điều chế.Hình 3-4 cấu hình của bộ khuếch đại công suất cao sử dụng một HPA.Với cấu hình này cần thỏa mãn các yêu cầu sau:- Độ rộng băng đủ rộng để khuếch đại một sóng mang với bất kì tần số nào.- Công suất ra có độ dự trữ đủ sao cho méo do điều chế phát sinh từ sự khuếch đại

đồng thời của nhiều tín hiệu ở dưới mức quy định.

Cấu hình này thuận lợi trong khai thác.

2. Mỗi sóng mang được khuếch đại riêng bằng một bộ khuếch đại công suất cao ( hình3-5)

Hình 3-5 Cấu hình của bộ khuếch đại công suất cao sử dụng nhiều bộ khuếch đại



Với cấu hình này mỗi bộ khuếch đại không yêu cầu phải có băng tần rộng để điều chỉnh tần số khuếch đại đối với mỗi sóng mang cho trước. Cấu hình này phù hợp với trạm có ít sóng mang.

3.2.4 Méo do xuyên điều chế.

Bộ khuếch đại công suất cao là bộ khuếch đại tuyến tính nhưng nó sẽ trở thành phi tuyến khi khuếch đại ở vùng bảo hòa. Lúc đó điện áp đầu ra không tỉ lệ với điệp áp đầu vào. Bởi vậy khi nhiều sóng mang được khuếch đại đồng thời thì sẽ phát sinh các tạp âm. Hình 3-6 minh họa vấn đề trên, khi khuếch đại đồng thời ba tín hiệu vào có tần số là f 1, f2,f3 thì ở đầu ra ngoài 3 tín hiệu cơ bản trên còn có các tín hiệu khác co tần số (2f1-f2), (f1+f2-f3), (f1-f2+f3), (2f2-f1), (f2+f3-f1).

Hình 3-6 Méo do xuyên điều chế.

Do đó đối với một bộ khuếch đại công suất cao, khi khuếch đại nhiều sóng mang đồng thời thì điểm làm việc của bộ khuếch đại phải được chọn sao cho mức đầu ra thấp hơn mức bảo hòa khoảng 6 đến 10 dB, nhằm mục đích để triệt tiêu các tín hiệu tạp, điểm làm việc đó được gọi là điểm lùi (back-off).

Ngoài ra còn có một phương pháp khác để triệt tiêu nhiễu xuyên điều chế được gọi là “ tuyến tính hóa”. Phương pháp này là người ta chèn vào tầng trước một mạch điện có đặc tuyến bù với đặc tuyến của bộ khuếch đại để cải thiện tuyến tính toàn bộ. hình 3-7 minh họa phương pháp trên.



3.3 Công nghệ máy thu

3.3.1 Cấu trúc trạm thu

Cấu trúc trạm thu được mô tả như ở hình 1-4b thiết bị gồm có: Anten, khối thu tạp âm thấp, khối giải điều chế và thiết bị đa truy nhập.

Trong khối thu tạp âm thấp gồm có: Bộ khuếch đại tạp âm thấp, bộ đổi tần xuống, bộ dao động, bộ khuếch đại trung tần.

3.3.1 Khuếch đại tạp âm thấp

Sóng bức xạ từ vệ tinh đến anten với công suất cực kì nhỏ, sau khi được anten khuếch đại nhưng ở mức đó vẫn chưa đủ để thực hiện giải điều chế do đó cần phải khuếch đại chúng lên một mức đủ lớn và tỉ số S/N phải đạt ở ngưỡng cho phép, do đó đòi hỏi tầng khuếch đại này phải có hệ số tạp âm nhiệt nhỏ, vì đây là tầng khuếch đại đầu tiên. Hiện nay có hai loại khuếch đại tạp âm thấp thường dùng là khuếch đại dùng GaAs-FET, khuếch đại dùng HEMT.

1. khuếch đại dùng GaAs-FET

khuếch đại dùng GaAs-FET là bộ khuếch đại nhiễu thấp có hệ số tạp âm khoảng 1,2 đến 2dB. Transistor hiệu ứng trường dùng loại bán dẫn hợp chất giữa Gali và Asenic. Bộ khuếch đại này được sử dụng rộng rãi ở tần số cao với các đặc tính băng tần rộng, có hệ số khuếch đại và độ tin cậy cao.

2. khuếch đại dùng HEMT (High Electron Mobility Transistor)

Transistor có độ linh động điện tử cao (HEMT) sử dụng tiếp giáp pha trộn giữa GaAs và AlGaAs (hình 3-8), giữa dải dẫn của AlGaAs có một sai khác năng lượng, dải này được kích thích loại n, còn GaAs không được kích thích. Vì vậy hình thành một lớp giàu điện tử trong AlGaAs gần bề mặt tiếp giáp với GaAs. Khi đặt một điện trường vào



lớp giàu điện tử này, các điện tử sẽ chuyển động với độ linh hoạt rất cao vì chúng không chịu tán xạ bất kì của các “ nguyên tử cho” của vật liệu sinh ra chúng. HEMT có các đặc tính tạp âm thấp tốt hơn so với GaAs-FET.

Các đặc tính nỗi bật của HEMT như băng tần rộng, kích thước nhỏ, giá thành thấp, dể bảo quản và thuận lợi cho sản xuất hàng loạt, bởi vậy nó được sử dụng rộng rãi. Bộ khuếch đại này làm việc ổn định ở nhiệt độ phòng nhưng có khi chúng được làm lạnh nhằm để cải thiện hơn nữa các đặc tính tạp âm thấp của chúng.

Bảng 3-2 So sánh các bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA)





CHƯƠNG IV TRẠM VỆ TINH

4.1 cấu hình trạm vệ tinh với một bộ phát đáp đơn giản.

Tín hiệu từ trạm phát mặt đất truyền lan đến anten thu của vệ tinh được anten khuếch đại lên rồi qua mạch lọc thông dải để loại bỏ các tín hiệu ngoài dải tần công tác của bộ phát đáp, tiếp đến tín hiệu được khuếch đại đủ lớn để thực hiện đổi tần, yêu cầu của tầng khuếch đại này là hệ số tạp âm thấp (LNA). Tần số tín hiệu này trộn với tần số dao động nội tạo ra các tần số khác, các tần số đó được đưa qua mạch lọc thông dải để lấy ra tần số cần thiết (tần số phát xuống). tín hiệu sau khi qua bộ lọc được đưa vào mạch khuếch đại công suất cao (HPA) khuếch đại tín hiệu đến mức thiết kế rồi đưa đến anten bức xạ xuống trạm mặt đất. linh kiện khuếch đại tầng này cũng thường dùng đèn sóng chạy (TWT) hoặc transistor hiệu ứng trường FET.

4.2 Phân bố dải tần số của bộ phát đáp.

Băng tân phân bổ cho bộ phát đáp vệ tinh có thể từ vài trăm MHz đến vài GHz. Băng tần này thường được chia thành các băng tần con ( theo phân định của ITU). Hầu hết các bộ phát đáp thường được thiết kế với dải thông 36MHz, 54MHZ hoặc 72MHz, trong đó dải thông 36MHZ là chuẩn được dùng phổ biến cho dịch vụ truyền hình băng C(6/4GHz). Hiện nay một số loại bộ phát đáp có xử lý tín hiệu đã được đưa vào sử dụng và như vậy có thể cải thiện được chất lượng lỗi (đối với truyền hình số). trong quỷ đạo địa tĩnh, mỗi vệ tinh được đặt ở một vị trí tọa độ xác định và làm việc với một băng tần xác định. Ví dụ, trong băng tần C(6/4GHz) vệ tinh được sử dụng một phân định phổ rộng là 500MHz. như vậy vệ tinh có thể đặt 24 bộ phát đáp liền kề nhau và mỗi bộ phát đáp sử dụng dải thông 36MHz trong dải thông phân định500MHz. có thể thực hiện được điều đó bằng cách bố trí 12 bộ phát đáp làm việc với tín hiệu sóng bức xạ phân cực đứng và 12



bộ phát đáp làm việc với phân cực ngang. Hình 4-2 mô tả sự bố trí 12 kênh cực đứng và 12 kênh phân cực ngang trong dải thông phân định là 500MHz.

Các vệ tinh loại này chủ yếu chuyển tiếp cho tín hiệu hình. Để các vệ tinh địa tĩnh không gây nhiễu lẫn nhau thường phải đặt tọa độ cách 20 cho vệ tinh băng C, cách nhau 30 cho băng Ku.

4.3 Các mạng vệ tinh nhiều chùm

Các mạng vệ tinh một chùm tia có thể cung cấp một vùng bao phủ toàn bộ khu vực trái đất mà có thể nhìn thấy vệ tinh và do vậy có thể thiết lập được các tuyến liên lạc cự li xa. Nhưng trong trường hợp này độ tăng ích của anten bị giới hạn bởi góc mở của chùm tia.

Đối với vệ tinh cung cấp vùng bao phủ chỉ gồm một phần của trái đất ( một vùng hoặc một quốc gia) nhờ một chùm tia hẹp. thì độ tăng ích anten được cao hơn nhờ sự giảm góc mở của chùm tia anten



4.3.1 Ưu điểm của vệ tinh nhiều chùm.- Khi thay đổi từ một vệ tinh có vung bao phủ toàn cầu sang một vệ tinh nhiều chùm

thì cho phép tiết kiệm được kích thước trạm mặt đất dẫn tới giảm giá thành trạm mặt đất.- Cho phép tái sử dụng tần số.

Tái sử dụng tần số là việc sử dụng nhiều lần cùng một dải tần theo một cách thức sao cho làm gia tăng tổng dung lượng của mạng mà không làm gia tăng dải tần được phân phối. trong vệ tinh một chùm việc tái sử dụng tần số nhờ vào phân cực trực giao, còn trong vệ tinh nhiều chùm tính cách biệt của hướng tính anten có thể được khai thác để tái sử dụng cùng một dải tần trong các chùm khác nhau.

Trong trường hợp tái sử dụng tần số nhờ phân cực trực giao, dải thông B chỉ được sử dụng hai lần. trong trường hợp tái sử dụng nhờ tách góc, dải tần B có thể được tái sử dụng cho bao nhiêu luồng cũng được nếu mức can nhiễu cho phép.

Về mặt lý thuyết một vệ tinh có M chùm, dải tần B, kết hợp hai kiểu tái sử dụng tần số nói trên thì hệ số tái sử dụng tần số là 2M.

4.3.2 Liên kết giữa các cùng bao phủ

Một hệ thống vệ tinh đa chùm phải đặt ở vị trí để liên kết tất cả các trạm mặt đất của mạng do vậy phải cung cấp việc đấu nối qua lại giữa các vùng phủ sóng. Khi sử dụng bộ phát đáp thông thường có ba kĩ thuật liên kết các vùng phủ sóng:

- Liên kết bằng bước nhảy bộ phát đáp.



- Liên kết băng chuyển mạch trên vệ tinh.- Liên kết bằng quét chùm.1. Liên kết bằng bước nhảy bộ phát đáp.

Băng tần phân phối cho hệ thống được chia thành số băng tần con bằng với số chum. Một chùm các bộ lọc trên vệ tinh sẽ phân cách các sóng mang theo băng tần con mà chúng chiếm. đầu ra mỗi bộ lọc được kết nối tới anten của chùm đích qua một bộ phát đáp. Nhất thiết phải sử dụng một số lượng bộ lọc và bộ phát đáp ít nhất cũng bằng bình phương của số lượng các chùm. Hình 4-4 minh họa khái niệm này cho một ví dụ với hai chùm. Với kiểu liên kết nay, các trạm mặt đất phải có khả năng phát và thu trên nhiều tần số và nhiều phân cực nhằm nhảy từ bộ phát đáp này sang bộ phát đáp khác.

2. Liên kết nhờ bước nhảy của bộ phát đáp.

Nguyên lý chuyển mạch trên vệ tinh được minh họa trong hình 4-5.



Phần tải bao gồm một ma trận chuyển mạch có thể được lập trình có số đầu vào và đầu ra bằng với số chùm. Ma trận này kết nối mỗi chùm thu với mỗi chùm phát như một máy thu và một máy phát. Số lượng các bộ chuyển tiếp do vậy bằng số chùm. Khối điều khiển phân bố kết hợp với ma trận này để thiết lập chuổi trạng thái kết nối giữa mỗi đầu vào với các đầu ra trong thời gian một khung theo cách thức là các sóng mang tới vệ tinh trong mỗi chùm sẽ được định tuyến tới các chùm đích. Do việc liên kết giữa hai chùm là tuần hoàn, cho nên các trạm phải lưu trữ lưu lượng từ các thuê bao và phát nó đi dưới dạng các khối bit khi việc liên kết giữa các chùm được thực hiện. do vậy trên thực tế, kĩ thuật này chỉ có thể được sử dụng với truyền dẫn số và truy nhập kiểu TDMA.

3. Liên kết nhờ quét chùm

Mỗi khu vực phủ sóng được chiếu rọi định kì bởi một chùm anten mà việc định hướng nó được điêuu khiển bởi một mạng, tạo chùm là một phần của hệ thống anten phụ đặt trên vệ tinh. Các trạm của vùng phát hoặc thu các khối của chúng khi cùng được một chùm chiếu rọi. khi không có bộ nhớ trên vệ tinh, ít nhất có hai chùm được cần đến tại một thời điểm xác định. Một để thiết lập tuyến lên và một để thiết lập tuyến xuống. thời gian chiếu rọi tỉ lệ với lượng tải cần vận chuyển giữa hai vùng. Hình 4-6 minh họa cho khái niệm này.



4.3.3 Các tuyến nối liên vệ tinh.

Các tuyến nối liên vệ tinh (ISL – Intersatellite Links) có thể được xem như các chùm đặc biệt của các vệ tinh đa chùm. Các chùm trong trường hợp này không phải hướng tới trái đất mà hướng tới các vệ tinh khác. Có ba loại tuyến nối liên vệ tinh:

- Các tuyến nối giữa các vệ tinh quỹ đao địa tĩnh và quỹ đạo thấp.- Các tuyến nối giữa các vệ tinh địa tĩnh- Các tuyến nối giữa các vệ tinh quỹ đạo thấp.1. Các tuyến nối giữa các vệ tinh địa tĩnh với vệ tinh quỷ đạo thấp.

Kiểu tuyến nối này có nhiệm vụ thiết lập một trạm chuyển tiếp cố định qua một vệ tinh địa tĩnh giữa một hoặc nhiều trạm và một nhóm các vệ tinh chuyển động trên một quỹ đạo thấp. vì những lí do kinh tế, chính trị, người ta không lắp đặt một mạng các trạm mặt đất quá lớn để tại mỗi thời điểm ít nhất có một trạm mặt đất nhìn thấy vệ tinh đi qua. Do vậy một vệ tinh địa tĩnh được sử dụng để được nhìn thấy thường xuyên và đồng thời từ các trạm mặt đất và từ các vệ tinh quỹ đạo thấp. chúng được sử dụng để chuyển tiếp thông tin.

2. Các tuyến nối giữa các vệ tinh địa tĩnh

Một tuyến nối liên vệ tinh kết hợp với một cấu hình trạm mặt đất phù hợp làm gia tăng dung lượng của một hệ thống mà không phải đầu tư lớn cho phần mặt đất.

Một tuyến nối liên vệ tinh địa tĩnh cho phép các trạm mặt đất của hai mạng được liên kết và do vậy mở rộng vùng phủ sóng của hệ thống.



Các tuyến nối cự ly xa qua một vệ tinh duy nhất dẫn tới góc ngẫng của trạm mặt đất nhỏ dể bị can nhiễu. nếu tuyến nối này đi qua hai vệ tinh địa tĩnh nối với nhau bằng một tuyến nối liên vệ tinh thì góc ngẫng tăng lên .

Hình 4-7 trình bày thiết kế của một mạng toàn cầu dựa trên 9 vệ tinh địa tĩnh STAR. 9 vệ tinh này thiết lập nên một cơ sở để truyền thông toàn cầu và một tập hợp các vệ tinh cục bộ được kết nối với chúng qua các tuyến nối liên vệ tinh khu vực.

3. Các tuyến nối giữa các vệ tinh quỹ đạo thấp.

Với những lợi thế của các vệ tinh quỹ đạo thấp và sự tắc nghẽn các quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh càng ngày càng gia tăng đã dẫn tới sự phát triển tiếp theo của các vệ tinh quỹ đạo thấp. các nhược điểm của một vệ tinh quỹ đạo thấp (như độ dài thời gian truyền thông hạn chế và vùng phủ sóng tương đối hẹp) có thể được giảm đi trong một mạng chứa một số lượng lớn các vệ tinh được liên kết với nhau bằng các tuyến nối liên vệ tinh và được trang bị cơ chế chuyển mạch giữa các chùm. Như mạng IRIDIUM dùng cho dịch vụ thông tin cá nhân thuộc mạng tế bào toàn cầu. Hệ thống này kết hợp một chùm 77 vệ tinh.

4.4 Các mạng vệ tinh tái tạo4.4.1 Bộ phát đáp tái tạo

Hình 4-8 mô tả cấu trúc một bộ phát đáp tái tạo.



4.4.2 Đặc điểm bộ phát đáp tái tạo.

Với đặc điểm có sẳn các số nhị phân trên bộ phát đáp nên tạo điều kiện xử lý các số đó trước khi phát lại. vì vậy vệ tinh tái tạo có các đặc tính sau:

- Cho phép chuyển mạch giữa các anten thu và phát không còn là chuyển mạch tần số vô tuyến mà là chuyển mạch tại băng tần gốc. Do đó ma trận chuyển mạch tần số vô tuyến được thay thế bằng bộ nhớ, tiếp sau đó là ghép kênh các số nhị phân được lưu trữ trước khi truyền dẫn trên các tuyến xuông khác nhau. Điều này cho phép các trạm mặt đất phát đi toàn bộ thông tin của chúng theo cùng một khối bit và do vậy chỉ phát đi một khối bit duy nhất cho mỗi khung. Số lượng khối bit cho mỗi khung giảm xuống và hiệu quả của khung tăng lên

- Cho phép chuyển đổi tốc độ giữa tuyến lên và tuyến xuống. nhờ giải điều chế trên vệ tinh, các số nhị phân của lưu lượng giữa các mạng được thu theo các sóng mang có các tốc độ khác nhau có thể được chuyển mạch tại băng tần gốc và được kết hợp lại truocs khi phát tới các tuyến xuống khác nhau phù hợp với nơi đến của chúng và không phụ thuộc vào dung lượng của sóng mang. Hình 4-8 minh họa cho vấn đề này.



- Thay thế các vệ tinh đa chùm bằng các vệ tinh đơn chùm, chùm này quét lần lượt các khu vực khác nhau của vùng phục vụ. tập hợp các khu vực được chùm tia quét đến hình thành vùng phủ sóng của hệ thống. khi chùm này nằm tại một khu vực quét nào đó, thì thông tin dành sẳn cho các trạm trong khu vực đó sẽ được tách ra khỏi bộ nhớ trên vệ tinh và được phát đi trong dạng ghép kênh. Đồng thời các trạm trong khu vực đó phát cả thông tin dành cho tất cả các trạm khác của mạng tới vệ tinh. Các thông tin này được lưu trữ trong bộ nhớ trên vệ tinh để phát đi sau đó tại thời điểm khi chùm đi qua vùng đích (hình 4-10)



Nhằm tạo thuận tiện cho việc lắp đặt cac trạm mặt đất giá thành thấp, sử dụng vệ tinh tái tạo với đường lên dùng phương pháp đa truy nhập FDMA còn đường xuống dung kĩ thuật TDM. Với giải pháp này cho phép bộ phát đáp làm việc ở chế độ bảo hòa dẫn đến EIRP cực đại và hệ số và hệ số phẩm chất G/T của trạm mặt đất có thể được giảm đi. Giải pháp này được mô tả ở hình 4-11.




Documents

Tổng quan về thông tin vệ tinh