Đồ án Môn Công Nghệ Vệ Tinh Khảo sát hệ thống thông tin vệ tinh

Ứng dụng của vệ tinh nhân tạo Vệ tinh nhân tạo được sử dụng rất rộng rải trong các ứng dụng sau đây: - Dự báo thời tiết Trong việc thông tin liên lạc, vệ tinh nhân tạo được dùng để truyề

Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin

MỤC LỤC

xa thông qua các phương tiện truyền thông như điện thoại hay truyền hình quốc tế

Trước khi đề cập đến nội dung của đề tài thì ta dễ dàng nhận thấy bất cứ một vấn đề gì thì cũng luôn có hai mặt của nó đó là hai mặt ưu và khuyết điểm Hai hệ thống thông tin viễn thông nói trên cũng không nằm ngoài quy luật đó

Đối với hệ thông thông tin hữu tuyến thì nói chung chi phí lắp đặt thấp, có tính bảo mật cao, ít bị nhiễu trong đường truyền, Tuy nhiên vấn đề sử dụng thì không được thuận tiện cho lắm vì mỗi thiết bị đều phải nối vào đường dây, do đó vấn đề truyền tín hiệu đi xa khá là phức tạp nhất là các đường truyền xuyên lục địa

Còn đối với hệ thống thông tin vô tuyến thì nó đã khắc phục được nhược điểm của hệ thống thông tin hữu tuyến và đó chính là ưu điểm tuyệt vời của nó đó chính là vấn đề truyền tin xuyên lục địa Và dĩ nhiên nó cũng có các nhược điểm như bị suy hao nhiều trên đường truyền, chi phí lắp đặt cao,

Ở nước ta thì hệ thống thông tin hữu tuyến nhìn chung cũng đã có từ lâu còn hệ thống thông tin vô tuyến thì mới phát triển trong những năm gần đây và cũng còn là mới mẻ đốivới rất nhiều người Để giao lưu với thế giới thì lĩnh vực này hiện nay đang được quan tâm đầu tư phát triển mạnh mẽ

II Ứng dụng của vệ tinh nhân tạo

Vệ tinh nhân tạo được sử dụng rất rộng rải trong các ứng dụng sau đây:

- Dự báo thời tiết

Trong việc thông tin liên lạc, vệ tinh nhân tạo được dùng để truyền hình ảnh Để lắp đặt mạng điện thoại ta cần kết nối đường dây giữa các switch (ở đây có thể là dây điện thoại) Có thể kết nối giữa các vùng nông thôn, liên lạc trên đất liền, thông tin liên lạc trên biển và nhiều ứng dụng khác nữa Nhiều nhóm mạng dùng vệ tinh nhân tạo cho việc trao đổi thông tin nội bộ với nhau

Ngoài ra vệ tinh cũng được dùng để gửi thông tin liên lạc giữa các khu vực khác nhau (trên mặt đất , trên không trung hay dưới mặt nước) Ví dụ: hệ thống khu vực toàn cầu (GPS) dùng 24 vệ tinh nhân tạo liên tục phát sóng, trả về những thông số tại vị trí của nó Người dùng là người nhận GPS Người dùng GPS tính toán các thông số giới hạn của riêng nó (kinh độ, vĩ độ, độ cao

so với mặt biển) dựa trên dữ liệu nhận được từ vệ tinh nhân tạo

Sự giám sát vệ tinh nhân tạo thông qua các máy quay phim Những vệ tinh nhân tạo liên tục giám sát kẻ địch của lãnh thổ và gửi dữ liệu phim đến trạm ở mặt đất Sự giám sát vệ tinh nhân tạo được dùng ở nhiều nước để giữ hoạt động thông tin liên lạc giữa các quốc gia

Vệ tinh nhân tạo được dùng rộng rải cho các ứng dụng cho thông tin liên lạc , phát thanh truyền hình , việc giám sát, nghành hàng hải, dự báo thời tiết, nghiên cứu khí quyển, điều khiển từ xa

và thám hiểm không gian

III Kiến trúc của hệ thống thông tin vệ tinh

1 Hệ thống thông tin vệ tinh hoạt động trong hai cấu hình: lưới và sao.

a Trong cấu hình mắt lưới, hai thiết bị đầucuối vệ tinh liên lạc trực tiếp với nhau Một trạm từ xa có thể giao tiếp trực tiếpvới một trạm từ xa

b Trong cấu hình ngôi sao, sẽ có một ga trung tâm (gọi là một hub), và các trạm

từ xa thông qua hub này Các cấu hình sao là cấu hình sử dụng rộng rãi nhất vì hiệu quả chi phí của nó, và chúng ta sẽ nghiên cứu các chi tiết của hệ thống thông tin vệ tinh dựa trên cấu hình ngôi sao trong chương này Hai từ xa các trạm giao tiếp thông qua một nhà ga trung tâm hoặc hub

- Đoạn không gian :

Các phân đoạn không gian bao gồm các vệ tinh, trong đó có ba hệ thống chính: (a) hệ thống nhiên liệu, (b) vệ tinh và hệ thống điều khiển từ xa, và (c) transponders Hệ thống nhiên liệu có trách nhiệm làm vệ tinh chạy trong nhiều năm Nó có các tấm năng lượng mặt trời, tạo ra năng lượng cần thiết cho hoạt động của vệ tinh Các vệ tinh và hệ thống điều khiển từ xa được sử dụng

để gửi lệnh đến các vệ tinh cũng như để gửi các trạng thái của các hệ thống trên tàu đến các trạm mặt đất Transponder là hệ thống giao thông, hoạt động như một chuyển tiếp trên bầu trời Các transponder nhận được tín hiệu từ các trạm mặt đất, khuếch đại chúng, và sau đó gửi chúng tới các trạm mặt đất Việc tiếp nhận và truyền tải được thực hiện tại hai tần số khác nhau

Transponder cần phải làm bản dịch tần số cần thiết

- Đoạn mặt bằng :

Phân đoạn mặt đất bao gồm một số các trạm Earth Trong một mạng cấu hình star, sẽ có một

ga trung tâm gọi là hub và một số trạm từ xa Mỗi trạm từ xa sẽ có một thiết bị đầu cuối rất nhỏ (VSAT), một ăng-ten trong khoảng 0,5 mét đến 1,5 mét Cùng với các ăng-ten sẽ có một đơn vị ngoài trời (ODU), trong đó có các phần cứng vô tuyến để nhận được tín hiệu và khuếch đại nó Các tín hiệu radio được gửi tới một đơn vị trong (IDU), và thực hiện việc xử lý baseband cần thiết IDU được kết nối với một hệ thống kết thúc, như một máy tính, mạng LAN, hoặc PBX

Các nhà ga trung tâm bao gồm một ăng-ten lớn (4,5 mét đến 11 mét) cùng với tất cả các thiết

bị điện tử liên quan để xử lý một số lượng lớn các VSATs Các trạm trung tâm cũng sẽ có một Trung tâm Quản lý mạng (NCC) mà tất cả các chức năng quản lý, chẳng hạn như cấu hình các trạm từ xa, giữ một cơ sở dữ liệu của các trạm từ xa, theo dõi sức khỏe của điều khiển từ xa, phân tích lưu lượng,… Trách nhiệm chính của NCC là phân công các kênh cần thiết để điều khiển từ xa khác nhau dựa trên yêu cầu

Lưu ý: Các nhà ga trung tâm hoặc trung tâm bao gồm một ăng-ten lớn và điện tử liên quan

để xử lý một số lượng lớn các VSATs Các trung tâm điều khiển mạng (NCC) tại các trung tâm chịu trách nhiệm về tất cả các chức năng quản lý để kiểm soát mạng lưới vệ tinh

Các đường dẫn thông tin từ một trạm mặt đất đến vệ tinh được gọi là đường lên Các liên kết thông tin liên lạc từ vệ tinh tới trạm mặt đất được gọi là đường xuống Tần số riêng biệt được sử dụng cho đường lên và đường xuống Khi một truyền dữ liệu từ xa bằng cách sử dụng một tần số

uplink, các vệ tinh transponder nhận tín hiệu, khuyếch đại, chuyển đổi tín hiệu với tần số đường xuống, và phát lại nó Bởi vì tín hiệu đã đi gần 36.000 km trong mỗi hướng, các tín hiệu nhận được qua vệ tinh cũng như từ xa là rất yếu Ngay sau khi tín hiệu được nhận, nó đã được khuếch đại trước khi chế biến tiếp.

Vệ tinh truyền thông đang đóng ở 36.000 km trên bề mặt của trái đất, trong quỹ đạo địa tĩnh Hai tần số riêng biệt được sử dụng cho đường lên và đường xuống

Phân định tần số:

Việc phân định tần số được thực hiện theo điều lệ vô tuyến ở mỗi khu vực của ITU ITU chialàm 3 khu vực

- Khu vực 1 gồm: Châu Âu, Châu Phi, Liên bang Xô Viết cũ và các nước Đông Âu

- Khu vực 2 gồm: Các nước Nam và Bắc Mỹ

- Khu vực 3 gồm: Châu Á và Châu Đại Dương

Ba băng tần số sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin vệ tinh là băng tần C, băng tần

Ku, và băng tần Ka Các tần số cao hơn, nhỏ hơn sẽ tương ứng với kích thước ăng ten Tuy nhiên, ảnh hưởng của mưa lớn hơn ở tần số cao hơn

Các giá trị băng tần khác nhau hoạt động là:

· Băng tần C: đường lên (uplink) khoảng 6GHz, đường xuống (downlink) khoảng

4GHz) Dùng ở các hệ thống InterSat, thông tin liên lạc nội địa

· Băng tần Ku: uplink khoảng 14GHz ; downlink 11/12GHz (10,7-11,25 GHz,

12,2-12,75 GHz Dúng lien lạc giũa các công ty

· Băng tần Ka: với tần số uplink là 30GHz và downlink là 20GHz, được sử dụng cho

các ứng dụng phát sóng Phát sóng vệ tinh trực tiếp, trong đó phát sóng các chương trình

video trực tiếp đến nhà (mà không cần phải phân phối thông qua mạng truyền hình cáp) hoạt động trong băng tần 17/12GHz, với bằng tần uplink là 17,3-18,1GHz, và downlink

là 11,7-2,2GHz

Bởi vì tần số hoạt động cao hơn trong băng tần Ku, kích thước ăng ten sẽ nhỏ hơn nhiều so với ăng-ten băng tần C Tuy nhiên, ảnh hưởng của mưa lớn trong Ku nhiều hơn trong C Trong nhiều năm, chỉ có băng tần C được sử dụng cho thông tin vệ tinh Với những tiến bộ trong các thành phần vô tuyến chẳng hạn như các bộ khuếch đại, bộ lọc, modem, và như vậy, ảnh hưởng của mưa trên băng tần Ku có thể được vô hiệu hóa bằng cách khuếch đại Hiện nay, băng tần Ku được sử dụng rộng rãi trong giao tiếp

- Vấn đề trong thông tin vệ tinh

Sự hấp dẫn chính của thông tin vệ tinh là nó cung cấp phương tiện truyền thông đển bất kỳ phần nào trên trái đất, vệ tinh không nhạy cảm với khoảng cách Tuy nhiên, những vấn đề liên quan đến vệ tinh là:

- Trễ đường truyền: Trong một mạng sao, sự chậm trễ tổng số từ một VSAT đến VSAT

khác là gần 0,5 giây nếu VSAT có để giao tiếp thông hub này Đây là loại trễ không thể chấp nhận đặc biệt đối với liên lạc thoại, bởi vì nó tạo ra tiếng vang và âm thanh chồng lên nhau Trễ đường truyền cũng gây ra vấn đề cho nhiều giao thức truyền thông dữ liệu như TCP/IP Các giao thức đặc biệt cần phải được thiết kế cho các mạng truyền thông dữliệu có sử dụng vệ tinh

Nếu các VSAT giao tiếp trực tiếp với VSAT khác, sự chậm trễ truyền dẫn là gần 0,25 giây Chúng tôi sẽ thảo luận về kỹ thuật đa truy nhập có điều kiện giao tiếp trực tiếp từ một VSAT đếnVSAT khác

- Băng thông thấp: Khi so sánh với các phương tiện truyền thông trên mặt đất, đặc biệt là

cáp quang, băng thông được hỗ trợ bởi các vệ tinh ít hơn nhiều Mặc dù hiện nay băng thông cung cấp cho vệ tinh nhiều hơn so với các vệ tinh của thập niên 1970 và thập niên

1980, băng thông là thứ không thể so sánh với băng thông cáp quang

- Tiếng ồn: kênh truyền hình vệ tinh bị ảnh hưởng bởi mưa, rối loạn khí quyển, vv Kết

quả là, hiệu suất của các liên kết vệ tinh nói chung rất hiếm so với các liên kết trên mặt đất Nếu dữ liệu nhận được có lỗi, dữ liệu đã được truyền lại bởi người gửi Để giảm truyền lại, chuyển tiếp sửa sai (FEC) được thực hiện

cả các dữ liệu từ các điều khiển từ xa và quảng bá chúng đi Tất cả các điều khiển từ xa

sẽ nhận được các dữ liệu và dữ liệu điều khiển từ xa, điều này có nghĩa là sẽ giải mã dữ liệu, các phần còn lại của điều khiển từ xa sẽ bỏ qua các dữ liệu Mỗi việc điều khiển từ

xa sẽ truyền tải trong chế độ TDMA trong các khe thời gian dành cho nó Một khe cắm tín hiệu có sẵn cho mỗi điều khiển từ xa để thực hiện một yêu cầu cho một khe cắm đường truyền ở chế độ TDMA Cơ chế này rất hữu ích nếu mạng có một số lượng lớn cácđiều khiển từ xa và lưu lượng dữ liệu chủ yếu là từ trạm trung tâm đến các điều khiển từ

xa Nếu giao tiếp trực tiếp từ một điều khiển từ xa này đến một điều khiển từ xa khác được yêu cầu thì ta sẽ sử dụng kỹ thuật đa truy cập, kỹ thuật này được nói đến trong phầndưới đây Các mạng lưới VSAT hoạt động trong kiến trúc hình sao sử dụng cơ chế truy cập TDM/TDMA Hub ghép dữ liệu từ tất cả các điều khiển từ xa và quảng bá chúng đi Các trạm từ xa dung các khe TDMA để gởi dữ liệu đi

b Đa truy cập theo tần số FMDA

Đây là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất Trong hệ thống này, mỗi trạm mặt đất

có dùng riêng một tần số phát không trùng với các trạm khác sao cho khoảng cách tần số giữa các trạm không bị trùng lên nhau

Phương pháp này thiếu tính linh hoạt trong việc thay đổi cách phân phối kênh Nguyên nhân các kênh truyền dẫn được phân chia theo tần số quy định, khi muốn tăng số kênh bắt buộc phải giảm nhỏ băng thông nghĩa là thay đổi bộ lọc dãi đối với trạm thu Đồng thời phương pháp này tốn kém kênh truyền

c Đa truy cập theo thời gian TMDA

Trong TDMA, tất cả các việc truyền dữ liệu đều sử dụng cùng tần số để truyền ở mỗi việc truyền dữ liệu sẽ có một modem gửi Việc truyền dữ liệu sẽ truyền dữ liệu của mình như một tia trong khe thời gian mà nó được gán Việc phân bổ khe thời gian được thực hiện bởi trung tâm diều khiển mạng

Các khuông dạng khung hiển thị trong hình dưới mỗi khe thời gian sẽ có cùng một khuông dạng như đã nói Tín hiệu từ trung tâm điều khiển mạng được gởi vào từ điều khiển (control work) Các điều khiển từ xa có được thông tin từ việc phân bổ khe bằng cách phân tích trường kiểm soát Tín hiệu từ các điều khiển từ xa được gởi vào trường tiêu đề (header field) NNC cũng có thể cấp phát một khe thời gian đến một điều khiển từ

xa trống để nó có thể gởi thông tin báo hiệu ở phần dữ liệu trong khe của nó

4 Trạm mặt đất

Trạm mặt đất gồm: thiết bị thơng tin truyền dẫn mặt đất, thiết bị cung cấp nguồn và nhà điều khiển thiết bị thơng tin gồm cĩ một anten, một máy cơng xuất cao, một máy thu tạp

âm thấp cũng như thiết bị đa truy nhập, điều chế và giải chế Như hình sau

- 4.1 Nguyên lí hoạt động:

khi phát, một tín hiệu được gửi đi từ một thiết bị truyền dẫn mặt đất được điều chế thơng qua thiết bị đa truy nhập, điều chế và giải điều chế, tần số của tín hiệu đầu ra được biến đổi ra song phát ở bộ đổi tần đường lên Cơng suất của tín hiệu này được khuếch đại lên đến mức yêu cầu nhờ bơ khuếch đại cơng xuất cao, tín hiệu đầu ra của nĩ sẽ được anten bức xạ đến vệ tinh

Khi thu: anten từ trạm mặt đất thu tín hiệu từ vệ tinh sau đĩ được máy thu tạp âm thấp khuếch đại đưa đến bộ đổi tần đường xuống và được biến đổi ra tần số trung tần sau đĩ được đưa đến thiết bị thơng tin trên mặt dất thơng qua thiết bị đa truy nhập điều chế và giải điều chế

- 4.2 Các công nghệ quan trọng đối với trạm mặt đất

Ta biết khoảng cách từ mặt từ một trạm mặt đất tới một vệ tinh khoảng 36.000 Km xa hơn khoảng 700 lần khoảng cách giữa các trạm chuyển tiếp trong hệ thống vi ba trên mặt đất Do đó cần có các công nghệ thu được các tín hiệu yếu từ vệ tinh, phát các tín hiệu công suất cao đến vệ tinh và đối phó với thời gian trễ gây ra do cự ly truyền sóng dài Như sau:

a Công nghệ anten cần có:

Hệ số tăng ích cao.

Hiệu suất cao

Đồ thị tính hướng hẹp

Búp sóng phụ nhỏ

Đặc tính phân cực tốt

Đặc tính tạp âm nhỏ

b Công nghệ máy phát công suất lớn đòi hỏi :

Khuếch đại công suất lớn

Ngăn chặn xuyên điều chế

c Công nghệ máy thu tạp âm thấp cần có:

Đặc tính tạp âm thấp

Hệ số khuếch đại lớn`

d Công nghệ điều khiển tiếng dội cần phải có:

Hạn chế tiếng dội

Giám sát tiếng dội

Hiệu quả truyền dẫn

Điều khiển lỗi

4.2.1 Công nghệ máy phát.

4.2.1.1 Máy phát công suất cao.

Để bù vào suy hao truyền lớn trong thông tin vệ tinh, đầu ra máy phát cần phải cócông sụất càng lớn càng tốt, do vậy trạm mặt đất phải sử dụng bộ khuếch đại công suất cao HPA (Hight Power Amplifier)

Trong các hệ thống vô tuyến mặt đất khoảng cách giữa các trạm chuyển tiếp chỉ

khoảng vài chục km nên công suất ra của máy phát khoảng 10W là đủ So với hệ thốngthông tin vệ tinh có khoảng cách lớn (36.000 Km) nên một trạm mặt đất phải phát vớicông suất cao khoảng từ vài trăm đến vài chục KW

4.2.2 Phân lọai các bộ khuếch đại công suất cao.

Các lọai đèn sóng chạy (TWT), Klytron (KLY), hay transistor hiệu ứng trường

(FET) hiện có trên thị trường đều có thể dùng trong bộ khuếch đại công suất cao tùy theoyêu cầu công suất ra của máy phát và băng tần

Vì đèn sóng chạy (TWT) có băng tần rộng, có thể phủ tất cả các băng tần phân

định cho truyền dẫn, điều đó có lợi cho việc sử dụng nhiều sóng mang hơn

Mặc dù Klytron có độ rộng băng tần tương đối thấp, nhưng tần số khuếch đại có

thể điều chỉnh đến bất kỳ giá trị nào trong khoảng tần số phân định cho trụyền dẫn,

thường có thể chọn 5 đến 10 kênh cho một bộ điều hưởng

Loại FET được sử dụng ở trạm dung lượng thấp, khi công suất ra nhỏ Còn muốn

có công suất ra lớn thì ta có thể mắc song song các FET lại với nhau