Tính toán thiết kế tuyến thông tin vệ tinh Hà Nội Hoàng Sa

Các ưu điểm chính của thông tin vệ tinh so với các phương tiện thông tin dưới biển và trên mặt đất như hệ thống cáp quang và hệ thốngchuyển tiếp viba số là: - Tính quảng bá rộng lớn cho

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN

VỆ TINH HÀ NỘI – HOÀNG SA

Sinh viên thực hiện: PHẠM THỊ LIÊN

Lớp 48K ĐTVTGiảng viên hướng dẫn: ThS CAO THÀNH NGHĨA

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 7

DANH SÁCH HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 8

DANH SÁCH CÁC BẢNG SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 11

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 15

Chương 1 17

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 17

1.1 Lịch sử phát triển của thông tin vệ tinh 17

1.2 Đặc điểm của hệ thống thông tin vệ tinh 19

1.3 Hệ thống thông tin vệ tinh 20

Hình 1.1 Cấu trúc một hệ thống thông tin vệ tinh 20

1.4 Các dạng quỹ đạo của thông tin vệ tinh 22

Hình 1.2 Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh 22

1.5 Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh 24

1.5.1 Cửa sổ vô tuyến 24

Hình 1.3 Đồ thị biểu diễn suy hao do mưa và do tầng điện ly theo tần số 24

1.5.2 Phân định tần số 25

1.5.3 Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh 25

Bảng 1.1 Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh 26

1.6 Các phương pháp đa truy nhập đến một vệ tinh 26

1.6.1 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA 27

Hình 1.4 Đa truy nhập phân chia theo tần số 27

1.6.2 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA 28

Hình 1.5 Đa truy nhập phân chia theo thời gian 28

1.6.3 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA 30

Hình 1.6 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã 30

1.7 Các yếu tố truyền dẫn trong thông tin vệ tinh 31

Hình 1.7 Suy hao trong thiết bị phát và thu 34

1.7.2 Tạp âm trong thông tin vệ tinh 35

Hình 1.8 Can nhiễu giữa viba và trạm mặt đất và vệ tinh 38

Hình 1.9 Can nhiễu giữa các hệ thống thông tin vệ tinh 39

Hình 1.10 Đặc tính vào ra của TWT 40

1.8 Vệ tinh VINASAT – 1 42

1.9 Kết luận chương 43

Chương 2 45

HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 45

2.1 Phần không gian 45

Hình 2.1 Phần không gian của hệ thống thông tin vệ tinh 45

2.1.1 Phân hệ thông tin 45

2.1.2 Bộ phát đáp 47

Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo bộ phát đáp 47

Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo máy thu 48

Hình 2.4 Sơ đồ bộ phân kênh đầu vào 49

Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật của các loại HPA 51

2.1.3 Anten trên vệ tinh 51

Hình 2.5 Anten loa hình chữ nhật 52

2.1.4 Phân hệ phụ trợ 53

2.2 Phần mặt đất 57

2.2.1 Cấu hình trạm mặt đất 57

Hình 2.8 Cấu hình của một trạm mặt đất 58

2.2.2 Công nghệ máy phát 59

Hình 2.9 Cấu hình bộ khuếch đại công suất cao 60

2.1.3 Công nghệ máy thu 60

Hình 2.10 Hệ số tạp âm 61

Bảng 2.2 So sánh các bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) 63

2.2.4 Anten trạm mặt đất 63

Hình 2.11 Anten gương parabol 64

2.2.5 Hệ thống anten bám vệ tinh 66

2.3 Kết luận chương 69

Chương 3 69

THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN VỆ TINH 69

3.1 Giới thiệu chung 69

3.2 Các tham số cần cho tính toán 70

3.2.1 Tính toán cự ly thông tin, góc ngẩng và góc phương vị 71

Hình 3.2 Góc phương vị của vệ tinh 73

3.2.3 Tính toán kết nối đường xuống (DOWNLINK) 76

3.3 Bài toán thiết kế tuyến thông tin vệ tinh giữa Hà Nội – Hoàng Sa qua vệ tinh Vinasat1 77

3.3.1 Tính toán các thông số tuyến lên (UpLink) 78

3.3.2 Tính toán tuyến xuống (DownLink) 81

3.3.2.1 Tính toán cự ly thông tin, góc ngẩng, góc phương vị 81 3.3.2.2.Tính toán các thông số tuyến xuống trong điều kiện có mưa.81

3.4 Thiết kế chương trình hỗ trợ tính toán 83

Hình 3.3 Giao diện chính 85

Hình 3.5 Kết quả tính toán tuyến lên 86

Hình 3.7 Kết quả tính toán tuyến xuống điều kiện có mưa 87

Hình 3.8 Kết quả tính toán tuyến xuống trong điều kiện không có mưa 87

3.5 Kết luận chương 87

KẾT LUẬN ĐỀ TÀI 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

PHỤ LỤC i

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những thập kỷ qua, cùng với sự phát triển của khoa học, công nghệ ngành viễn thông đã có những phát triển vượt bậc, đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin góp phần không nhỏ trong công cuộc xậy dựng và định hướng phát triển của xã hội loài người

Chúng ta sống trong kỷ nguyên của sự bùng nổ thông tin, việc trao đổi thông tin diễn ra khắp mọi nơi trên thế giới với yêu cầu nhanh chóng và chính xác Đối với thông tin quốc tế, thông tin vệ tinh đã cung cấp những đường thông tin dung lượng lớn khi tầm liên lạc qua hệ thống thông tin vệ tinh và từ

đó xây dựng một tuyến liên lạc phù hợp Đây là lĩnh vực đang còn mới với nhiều ưu điểm và có tốc độ phát triển nhanh chóng nên em lựa chọn đề tài này

để nghiên cứu những vấn đề trên cũng như để trang bị thêm các kiến thức cho

bản thân Được sự hướng dẫn của ThS Cao Thành Nghĩa em chọn đề tài

“ Tính toán thiết kế tuyến thông tin vệ tinh Hà Nội – Hoàng Sa”

Với sự giúp đỡ tận tình của thầy, em đã cố gắng vận dụng các kiến thức

đã học để hoàn thành đồ án, nhưng vì thời gian hạn chế nên trong đồ án nên trong đồ án này không tránh khỏi thiếu sót Em rất mong được sự góp ý, chỉ bảo của thầy cô và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện tử viễn thông đã giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập và đặc biệt là sự hướng dẫn, chỉ bảo

của ThS Cao Thành Nghĩa giúp em hoàn thành đồ án này.

Em xin chân thành cảm ơn!

Vinh, tháng 1 năm 2012

Sinh viên thực hiện

Phạm Thị Liên

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Thông tin vệ tinh là một phương pháp truyền tín hiệu mà hiện nay được

sử dụng khá phổ biến.Và mục đích của đồ án là tìm hiểu về tuyến thông tin vệ tinh và qua đó có thể đưa ra thiết kế một tuyến vệ tinh ở một khu vực nào đó Trong phần đầu tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh gồm ưu nhược điểm, các phương pháp đa truy nhập, các dạng quỹ đạo, tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh Phần tiếp theo tìm hiểu cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh Và phần cuối là thiết kế tuyến thông tin vệ tinh Hà Nội – Hoàng Sa qua

vệ tinh Vinasat1

Satellite communication is a method of signaling that is now widely used The purpose of the scheme is studing about line satellite communication and make it possible to design a sallite ina certain area In the first part understand overview of satellite communication systems, including advantages and disadvantages, multiple access methods, the types of orbits and frequencies used in satellite communication The next section to study the structure of satellite communication systems And the end is the design of satellite communication route Hanoi – Hoang Sa by Vinasat1 satellite

DANH SÁCH HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN

MỤC LỤC 2

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 7

DANH SÁCH HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 8

DANH SÁCH CÁC BẢNG SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 11

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 15

Chương 1 17

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 17

1.1 Lịch sử phát triển của thông tin vệ tinh 17

1.2 Đặc điểm của hệ thống thông tin vệ tinh 19

1.3 Hệ thống thông tin vệ tinh 20

Hình 1.1 Cấu trúc một hệ thống thông tin vệ tinh 20

1.4 Các dạng quỹ đạo của thông tin vệ tinh 22

Hình 1.2 Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh 22

1.5 Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh 24

1.5.1 Cửa sổ vô tuyến 24

Hình 1.3 Đồ thị biểu diễn suy hao do mưa và do tầng điện ly theo tần số 24

1.5.2 Phân định tần số 25

1.5.3 Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh 25

Bảng 1.1 Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh 26

1.6 Các phương pháp đa truy nhập đến một vệ tinh 26

1.6.1 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA 27

Hình 1.4 Đa truy nhập phân chia theo tần số 27

1.6.2 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA 28

Hình 1.5 Đa truy nhập phân chia theo thời gian 28

1.6.3 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA 30

Hình 1.6 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã 30

1.7 Các yếu tố truyền dẫn trong thông tin vệ tinh 31

Hình 1.7 Suy hao trong thiết bị phát và thu 34

1.7.2 Tạp âm trong thông tin vệ tinh 35

Hình 1.8 Can nhiễu giữa viba và trạm mặt đất và vệ tinh 38

Hình 1.9 Can nhiễu giữa các hệ thống thông tin vệ tinh 39

Hình 1.10 Đặc tính vào ra của TWT 40

1.8 Vệ tinh VINASAT – 1 42

1.9 Kết luận chương 43

Chương 2 45

HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 45

2.1 Phần không gian 45

Hình 2.1 Phần không gian của hệ thống thông tin vệ tinh 45

2.1.1 Phân hệ thông tin 45

2.1.2 Bộ phát đáp 47

Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo bộ phát đáp 47

Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo máy thu 48

Hình 2.4 Sơ đồ bộ phân kênh đầu vào 49

Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật của các loại HPA 51

2.1.3 Anten trên vệ tinh 51

Hình 2.5 Anten loa hình chữ nhật 52

2.1.4 Phân hệ phụ trợ 53

Hình 2.7 Các trục ổn định của vệ tinh 54

2.2.1 Cấu hình trạm mặt đất 57

Hình 2.8 Cấu hình của một trạm mặt đất 58

2.2.2 Công nghệ máy phát 59

Hình 2.9 Cấu hình bộ khuếch đại công suất cao 60

2.1.3 Công nghệ máy thu 60

Hình 2.10 Hệ số tạp âm 61

Bảng 2.2 So sánh các bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) 63

2.2.4 Anten trạm mặt đất 63

Hình 2.11 Anten gương parabol 64

2.2.5 Hệ thống anten bám vệ tinh 66

2.3 Kết luận chương 69

Chương 3 69

THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN VỆ TINH 69

3.1 Giới thiệu chung 69

3.2 Các tham số cần cho tính toán 70

3.2.1 Tính toán cự ly thông tin, góc ngẩng và góc phương vị 71

Hình 3.2 Góc phương vị của vệ tinh 73

3.2.3 Tính toán kết nối đường xuống (DOWNLINK) 76

3.3 Bài toán thiết kế tuyến thông tin vệ tinh giữa Hà Nội – Hoàng Sa qua vệ tinh Vinasat1 77

3.3.1 Tính toán các thông số tuyến lên (UpLink) 78

3.3.2 Tính toán tuyến xuống (DownLink) 81

3.3.2.1 Tính toán cự ly thông tin, góc ngẩng, góc phương vị 81

3.3.2.2.Tính toán các thông số tuyến xuống trong điều kiện có mưa.81 3.4 Thiết kế chương trình hỗ trợ tính toán 83

Hình 3.3 Giao diện chính 85

Hình 3.5 Kết quả tính toán tuyến lên 86

Hình 3.7 Kết quả tính toán tuyến xuống điều kiện có mưa 87

Hình 3.8 Kết quả tính toán tuyến xuống trong điều kiện không có mưa 87

3.5 Kết luận chương 87

KẾT LUẬN ĐỀ TÀI 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

PHỤ LỤC i

DANH SÁCH CÁC BẢNG SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN MỤC LỤC 2

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 7

DANH SÁCH HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 8

DANH SÁCH CÁC BẢNG SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 11

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 15

Chương 1 17

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 17

1.1 Lịch sử phát triển của thông tin vệ tinh 17

1.2 Đặc điểm của hệ thống thông tin vệ tinh 19

1.3 Hệ thống thông tin vệ tinh 20

Hình 1.1 Cấu trúc một hệ thống thông tin vệ tinh 20

1.4 Các dạng quỹ đạo của thông tin vệ tinh 22

Hình 1.2 Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh 22

1.5 Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh 24

1.5.1 Cửa sổ vô tuyến 24

Hình 1.3 Đồ thị biểu diễn suy hao do mưa và do tầng điện ly theo tần số 24

1.5.2 Phân định tần số 25

1.5.3 Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh 25

Bảng 1.1 Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh 26

1.6 Các phương pháp đa truy nhập đến một vệ tinh 26

1.6.1 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA 27

Hình 1.4 Đa truy nhập phân chia theo tần số 27

1.6.2 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA 28

Hình 1.5 Đa truy nhập phân chia theo thời gian 28

1.6.3 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA 30

Hình 1.6 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã 30

1.7 Các yếu tố truyền dẫn trong thông tin vệ tinh 31

Hình 1.7 Suy hao trong thiết bị phát và thu 34

1.7.2 Tạp âm trong thông tin vệ tinh 35

Hình 1.8 Can nhiễu giữa viba và trạm mặt đất và vệ tinh 38

Hình 1.9 Can nhiễu giữa các hệ thống thông tin vệ tinh 39

Hình 1.10 Đặc tính vào ra của TWT 40

1.8 Vệ tinh VINASAT – 1 42

1.9 Kết luận chương 43

Chương 2 45

HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 45

2.1 Phần không gian 45

2.1.1 Phân hệ thông tin 45

2.1.2 Bộ phát đáp 47

Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo bộ phát đáp 47

Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo máy thu 48

Hình 2.4 Sơ đồ bộ phân kênh đầu vào 49

Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật của các loại HPA 51

2.1.3 Anten trên vệ tinh 51

Hình 2.5 Anten loa hình chữ nhật 52

2.1.4 Phân hệ phụ trợ 53

Hình 2.7 Các trục ổn định của vệ tinh 54

2.2 Phần mặt đất 57

2.2.1 Cấu hình trạm mặt đất 57

Hình 2.8 Cấu hình của một trạm mặt đất 58

2.2.2 Công nghệ máy phát 59

Hình 2.9 Cấu hình bộ khuếch đại công suất cao 60

2.1.3 Công nghệ máy thu 60

Hình 2.10 Hệ số tạp âm 61

Bảng 2.2 So sánh các bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) 63

2.2.4 Anten trạm mặt đất 63

Hình 2.11 Anten gương parabol 64

2.2.5 Hệ thống anten bám vệ tinh 66

2.3 Kết luận chương 69

Chương 3 69

THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN VỆ TINH 69

3.2 Các tham số cần cho tính toán 70

3.2.1 Tính toán cự ly thông tin, góc ngẩng và góc phương vị 71

Hình 3.2 Góc phương vị của vệ tinh 73

3.2.3 Tính toán kết nối đường xuống (DOWNLINK) 76

3.3 Bài toán thiết kế tuyến thông tin vệ tinh giữa Hà Nội – Hoàng Sa qua vệ tinh Vinasat1 77

3.3.1 Tính toán các thông số tuyến lên (UpLink) 78

3.3.2 Tính toán tuyến xuống (DownLink) 81

3.3.2.1 Tính toán cự ly thông tin, góc ngẩng, góc phương vị 81

3.3.2.2.Tính toán các thông số tuyến xuống trong điều kiện có mưa.81 3.4 Thiết kế chương trình hỗ trợ tính toán 83

Hình 3.3 Giao diện chính 85

Hình 3.5 Kết quả tính toán tuyến lên 86

Hình 3.7 Kết quả tính toán tuyến xuống điều kiện có mưa 87

Hình 3.8 Kết quả tính toán tuyến xuống trong điều kiện không có mưa 87

3.5 Kết luận chương 87

KẾT LUẬN ĐỀ TÀI 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

PHỤ LỤC i

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN

CCIR Comite Consultatif

International des Radiocommunications

Uỷ ban tư vấn vô tuyến quốc tế

ITU International

Telecommunications Union

Liên đoàn viễn thông quốc tế

CDMA Code Division Multiplex

FET Field Effect Transistor Transistor hiệu ứng trường

FM Frequency Modulation Điều chế tần số

GEO Geostationary Earth Orbit Quỹ đạo địa tĩnh

HEMT High Electron Mobility

Tổ chức vệ tinh viễn thông quốc tế

LEO Low Earth Orbit Quỹ đạo trái đất tầm thấp

LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp

MEO Medium Earth Orbit Quỹ đạo trái đất tầm trung

FM Frequency Modulation Điều chế tần số

SPD Saturation Power Density Mật độ công suất bão hòa

SSPA Solid State Power Amplifier Bộ khuếch đại bán dẫn

TDM Time Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo thời

gianTDMA Time Division Multiplex

Đo lường, bám và điều khiển

TTC&M Telementry, Tracking,

Control and Monitoring

Đo lường từ xa, theo dõi, kiểm soát và giám sát

TWTA Traveling Wave Tube

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH

Thông tin vệ tinh là một phương tiện truyền thông mà hiện nay được sử dụng khá phổ biến ở Việt Nam cũng như trên thế giới Mỗi phương tiện truyền thông có một đặc trưng riêng và thông tin vệ tinh cũng vậy Chương này sẽ đề cập đến những đặc trưng cơ bản như cấu trúc hệ thống, ưu nhược điểm, tần số sử dụng, các quỹ đạo, các phương pháp truy nhập của hệ thống thông tin vệ tinh Và trong nội dung dưới đây chúng ta sẽ thấy những ưu điểm nổi trội hay những nhược điểm tồn tại của phương thức truyền dẫn này so với các phương thức truyền dẫn khác ở mặt đất

1.1 Lịch sử phát triển của thông tin vệ tinh

- Vào cuối thế kỷ 19, nhà bác học Nga Tsiolkovsky (1857-1035) đã đưa ra các khái niệm cơ bản về tên lửa đẩy dùng nhiên liệu lỏng Ông cũng đưa ra ý tưởng về tên lửa đẩy nhiều tầng, các tàu vũ trụ có người điều khiển dùng để thăm dò vũ trụ

- Năm 1926 Robert Hutchinson Goddard thử nghiệm thành công tên lửa đẩy dùng nhiên liệu lỏng

- Tháng 5 năm 1945 Arthur Clarke nhà vật lý nổi tiếng người Anh đồng thời là tác giả của mô hình viễn tưởng thông tin toàn cầu, đã đưa ra ý tưởng sử dụng một hệ thống gồm 3 vệ tinh địa tĩnh dùng để phát thanh quảng bá trên toàn thế giới

- Tháng 10 / 1957 lần đầu tiên trên thế giới, Liên Xô phóng thành công

vệ tinh nhân tạo SPUTNIK - 1 Đánh dấu một kỷ nguyên về thông tin vệ tinh

- Năm 1958 bức điện đầu tiên được phát qua vệ tinh SCORE của Mỹ

- Năm 1964 thành lập tổ chức thông tin vệ tinh quốc tế INTELSAT

- Năm 1965 ra đời hệ thống thông tin vệ tinh thương mại đầu tiên INTELSAT-1 với tên gọi Early Bird Cuối năm 1965 liên xô phóng thông tin

vệ tinh MOLNYA lên quỹ đạo elip

- Năm 1971 thành lập tổ chức thông tin vệ tinh quốc tế INTERSPUTNIK gồm Liên Xô và 9 nước XHCN.

- Năm 1972-1976 Canada, Mỹ, Liên Xô và Indonesia sử dụng vệ tinh cho thông tin nội địa

- Năm 1979 thành lập tổ chức thông tin hàng hải quốc tế qua vệ tinh INMARSAT

- Năm 1984 Nhật bản đưa vào sử dụng hệ thống truyền hình trực tiếp qua vệ tinh

- Năm 1987 Thử nghiệm thành công vệ tinh phục vụ cho thông tin di động qua vệ tinh

- Thời kỳ những năm 1999 đến nay, ra đời ý tưởng và hình thành những

hệ thống thông tin di động và thông tin băng rộng toàn cầu sử dụng vệ tinh

* Sự phát triển thông tin vệ tinh ở Việt Nam:

- Năm 1980, khánh thành trạm thông tin vệ tinh mặt đất Hoa sen-1 nằm trong hệ thống thông tin vệ tinh INTERPUTNIK, được đặt tại Kim Bảng –

Hà Nam Trạm thông tin vệ tinh Hoa sen-1 là của nhà nước Liên Xô tặng nhân dân Việt Nam

- Năm 1984, khánh thành trạm thông tin vệ tinh mặt đất Hoa sen-2 đặt tại Thành phố Hồ Chí Minh

- Ngày 24/09/1998, Thủ tướng chính phủ ra quyết định 868/QĐ-TTG về việc thông qua báo cáo dự án phóng vệ tinh viễn thông VINASAT lên quỹ đạo địa tĩnh do tổng Công ty Bưu chính viễn thông Việt Nam làm chủ đầu tư.-Tháng 4 năm 2008, Việt Nam đã thuê Pháp phóng thành công vệ tinh VINASAT-1 (mua của Mỹ) lên quỹ đạo địa tĩnh Với sự kiện này, Việt Nam trở thành nước thứ 6 trong khu vực và nước thứ 93 trên thế giới có vệ tinh riêng

- Dự kiến đến năm 2012, Việt Nam sẽ có vệ tinh VINASAT-2 phóng lên quỹ đạo và vào năm 2014 sẽ phóng vệ tinh viễn thám [2]

1.2 Đặc điểm của hệ thống thông tin vệ tinh

Trong thời đại hiện nay, thông tin vệ tinh được phát triển và phổ biến nhanh chóng vì nhiều lý do khác nhau Các ưu điểm chính của thông tin vệ tinh so với các phương tiện thông tin dưới biển và trên mặt đất như hệ thống cáp quang và hệ thốngchuyển tiếp viba số là:

- Tính quảng bá rộng lớn cho mọi địa hình, vùng phủ sóng lớn, từ quỹ đạo địa tĩnh cách bề mặt trái đất khoảng 36.0000 km vệ tinh có thể nhìn thấy 1/3

bề mặt trái đất Như vậy với ba vệ tinh thì vùng phủ sóng có thể bao gồm toàn cầu trừ hai cực

- Có khả năng đa truy cập, dung lượng thông tin lớn Cùng một bộ phát đáp trên vệ tinh có thể dùng chung cho nhiều trạm mặt đất Với băng tần làm việc rộng nhờ áp dụng các kỹ thuật sử dụng lại băng tần, hệ thống thông tin vệ tinh cho phép đạt tới dung lượng lớn trong một thời gian ngắn mà không một loại hình thông tin nào khác có thể đạt đựợc

- Chất lượng và độ tin cậy thông tin cao: Tuyến thông tin vệ tinh chỉ có

ba trạm, trong đó vệ tinh có vai trò như trạm lặp còn hai trạm mặt đất đầu cuối nên xác suất hư hỏng trên tuyến là rất thấp

-Tính linh hoạt cao, hiệu quả kinh tế lớn: hệ thống thông tin vệ tinh đựợc thiết lập nhanh chóng trong điều kiện các trạm mặt đất ở xa nhau hoặc các địa hình phức tạp, dung lượng có thể thay đổi tùy theo yêu cầu

- Đa dạng về loại hình phục vụ: thông tin vệ tinh có thể cung cấp các loại hình dịch vụ thư thoại, fax, phát thanh, truyền hình quảng bá, thông tin di động qua vệ tinh…

Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm trên vệ tinh cũng có những nhược điểm quan trọng đó là:

- Trễ truyền dẫn lớn do khoảng cách truyền dẫn xa

- Ảnh hưởng của tạp âm và suy hao lớn : Trong quá trình truyền lan thì tín hiệu phải qua nhiều thiết bị thu phát, qua không gian với khoảng cách lớn cũng với nhiều yếu tố ảnh hưởng suy hao do khí quyển hoặc thời tiết Tất cả

yếu tố đó làm suy hao tín hiệu rất lớn.

- Giá thành lắp đặt hệ thống rất cao, chi phí để phóng vệ tinh tốn kém và vẫn tồn tại xác suất rủi ro

- Thời gian sử dụng hạn chế, khó bảo dưỡng sửa chữa và nâng cấp: Mỗi

vệ tinh có tuối thọ nhất định, và vệ tinh khi đã phóng lên ở xa trái đất nên mọi hoạt động điều khiển vệ tinh chỉ thông qua trạm điều khiển do đó khi sai hỏng khó sửa chữa

1.3 Hệ thống thông tin vệ tinh

Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm phần không gian và phần mặt đất được mô tả như hình vẽ 1.1

Hình 1.1 Cấu trúc một hệ thống thông tin vệ tinh

Phần không gian bao gồm vệ tinh và các trạm điều khiển ở mặt đất Đối với

vệ tinh bao gồm phân hệ thông tin và các phân hệ phụ trợ cho phân hệ thông tin :

+ Phân hệ thông tin bao gồm hệ thống anten thu phát và tất cả các thiết

bị điện tử hỗ trợ truyền dẫn sóng mang

+ Các phân hệ phụ trợ gồm : Khung vệ tinh, phân hệ cung cấp năng lượng, phân hệ điều khiển nhiệt độ, phân hệ điều khiển quỹ đạo và tư thế vệ tinh, phân hệ đẩy

Nhiệm vụ của phân hệ thông tin:

- Khuếch đại sóng mang thu được phục vụ cho việc phát lại trên đường xuống Công suất sóng mang tại đầu vào máy thu vệ tinh nằm trong khoảng

pW Công suất sóng mang tại đầu ra bộ khuếch công suất cao nằm trong khoảng 10W đến 100W Do vậy, bộ khuếch đại công suất của bộ phát đáp vệ tinh khoảng 100dB đến 130dB

- Thay đổi tần số sóng mang để tránh một phần công suất phát đi vào máy thu vệ tinh

Phần mặt đất bao gồm tất cả trạm mặt đất, những trạm này thường được nối trực tiếp hoặc thông qua các mạng mặt đất để đến các thiết bị đầu cuối của người sử dụng

+ Nhiệm vụ trạm mặt đất phát: Tiếp nhận các tín hiệu từ mạng mặt đất hoặc trực tiếp từ các thiết bị đầu cuối của người sử dụng, xử lý các tín hiệu này trong trạm mặt đất sau đó phát tín hiệu này ở tần số và mức độ công suất thích hợp cho sự hoạt động của vệ tinh

+ Nhiệm vụ trạm mặt đất thu: Thu sóng mang trên đường xuống của vệ tinh ở tần số chọn trước, xử lý tín hiệu này trong trạm để chuyển thành các tín hiệu băng gốc sau đó cung cấp cho các mạng mặt đất hoặc trực tiếp tới các thiết bị đầu cuối của người sử dụng

Một trạm mặt đất có thể có khả năng thu và phát lưu lượng một cách đồng thời hoặc trạm chỉ phát hoặc chỉ thu [2]

1.4 Các dạng quỹ đạo của thông tin vệ tinh

Hình 1.2 Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh

Sự chuyển động của vệ tinh tuân theo ba định luật Kepler, định luật này xác định quy luật chuyển động của hành tinh xung quanh mặt trời Và các quỹ đạo vệ tinh được phân loại thành ba loại sau

- Quỹ đạo cực tròn

- Quỹ đạo elip nghiêng

- Quỹ đạo xích đạo tròn

Trong hệ thống viễn thông chỉ sử dụng quỹ đạo xích đạo tròn nên trong

đồ án này chỉ đề cập đến quỹ đạo này Đối với dạng quỹ đạo xích đạo tròn, vệ tinh bay trên mặt phẳng đường xích đạo và là dạng quỹ đạo được dùng cho vệ tinh địa tĩnh, nếu vệ tinh bay ở một độ cao đúng thì dạng qũy đạo này sẽ lý tưởng đối với các vệ tinh thông tin

* Quỹ đạo địa tĩnh GEO (Geostationalry Earth Orbit)

- Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh được phóng lên quỹ đạo tròn ở độ cao khoảng 36.000 km so với đường xích đạo, vệ tinh loại này bay xung quanh quả đất một vòng mất 24 giờ bằng chu kỳ quay của trái đất xung quanh trục Bắc- Nam

- Mặt phẳng quỹ đạo nằm trong mặt phẳng xích đạo của trái đất nghĩa

Quỹ đạo cực tròn

- Vùng phủ sóng của vệ tinh lớn bằng 42.2% bề mặt trái đất.

- Các trạm mặt đất ở xa có thể liên lạc trực tiếp và hệ thống 3 vệ tinh có thể phủ sóng toàn cầu

 Nhược điểm:

- Quỹ đạo địa tĩnh là quỹ đạo duy nhất tồn tại trong vũ trụ và được coi

là một tài nguyên thiên nhiên có hạn Tài nguyên này đang cạn kiệt do số lượng vệ tinh của các nước phóng lên càng nhiều

- Không phủ sóng được những vùng có vĩ độ lớn hơn 81.30

- Chất lượng đường truyền phụ thuộc vào thời tiết

- Thời gian trễ truyền lan lớn

- Tính bảo mật không cao

- Suy hao công suất trong truyền sóng lớn, gần 200dB

Ứng dụng: Được sử dụng làm quỹ đạo cho vệ tinh thông tin bảo đảm thông tin cho các vùng có vĩ độ nhỏ hơn 81.30

* Quỹ đạo trung bình MEO (Medium Earth Orbit)

Vệ tinh MEO ở độ cao từ 10.000 km đến 20.000 km, chu kỳ của quỹ đạo là 5 đến 12 giờ, thời gian quan sát vệ tinh từ 2 đến 4 giờ Ứng dụng cho thông tin di động hay thông tin radio Hệ thống MEO cần khoảng 12 vệ tinh

để phủ sóng toàn cầu Loại này có giá thành vừa phải, độ trễ truyền dẫn nhỏ nhưng có nhược điểm là có tổn hao lớn

* Quỹ đạo thấp LEO (Low Earth Orbit) Đối với dạng quỹ đạo này vệ tinh bay ở độ cao trong khoảng 400 km đến

1200 km, nó có chu kỳ 90 phút Sự gần kề của các vệ tinh LEO có thuận lợi là thời gian để dữ liệu phát đi đến vệ tinh và đi về là rất ngắn Do khả năng thực hiện nhanh của nó, tác dụng tiếp sức tương hỗ toàn cầu giữa các mạng và loại hình hội thoại vô tuyến truyền hình sẽ có hiệu quả và hấp dẫn hơn Nhưng hệ thống LEO đòi hỏi phải có khoảng 60 vệ tinh loại này mới bao trùm hết bề mặt địa cầu và loại này thường có thời gian sử dụng ngắn khoảng từ 1- 3 tháng [2]

1.5 Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh

1.5.1 Cửa sổ vô tuyến

Hình 1.3 Đồ thị biểu diễn suy hao do mưa và do tầng điện ly theo tần sốCác sóng vô tuyến điện truyền đến hay đi từ các vệ tinh thông tin ngoài suy hao đường truyền do cự ly còn chịu ảnh hưởng của tầng điện ly và khí quyển Tầng điện ly cách mặt đất 50- 400km là một lớp khí loãng bị ion hoá bởi các tia vũ trụ và nó có tính chất hấp thụ và phản xạ sóng Tuy nhiên nó chỉ ảnh hưởng nhiều với băng sóng ngắn, tần số càng cao thì càng ít ảnh hưởng

Từ hình vẽ ta thấy các tần số nằm trong khoảng giữa 1GHz và 10GHz thì suy hao kết hợp do tầng điện ly và mưa nhỏ là không đáng kể, do vậy băng

tần này được gọi là "cửa sổ tần số" Lúc đó nếu sóng nằm trong cửa sổ vô tuyến thì suy hao truyền dẫn có thể được xem gần đúng là suy hao không gian

tự do Vì vậy, cho phép thiết lập các đường thông tin vệ tinh ổn định, nhưng phải lưu ý đến sự can nhiễu với các đường thông tin viba trên mặt đất vì các sóng trong thông tin viba cũng sử dụng tần số nằm trong cửa sổ này Ngoài ra, khi mưa lớn thì suy hao do mưa trong cửa sổ tần số cần phải được tính toán, xem xét thêm để kết quả tính toán có độ chính xác cao hơn [2]

1.5.2 Phân định tần số

Phân định tần số cho các dịch vụ vệ tinh là một quá trình rất phức tạp đòi hỏi sự cộng tác quốc tế và có quy hoạch Phân định tần được thực hiện dưới sự bảo trợ của Liên đoàn viễn thông quốc tế (ITU) Để tiện cho việc quy hoạch tần số, toàn thế giới được chia thành ba vùng:

Vùng 1: Châu Âu, Châu Phi, Liên xô cũ và Mông Cổ

Vùng 2: Bắc Mỹ, Nam Mỹ và Đảo Xanh

Vùng 3: Châu Á (trừ vùng 1), Úc và Tây nam Thái Bình Dương, trong

đó có cả Việt Nam

Trong các vùng này băng tần được phân định cho các dịch vụ vệ tinh khác nhau, mặc dù một dịch vụ có thể được cấp phát các băng tần khác nhau

ở các vùng khác nhau [1]

1.5.3 Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh

Các tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh nằm trong băng tần siêu cao SHF (Super High Frequency) từ 3 đến 30 GHz, trong phổ tần số sử dụng cho

vệ tinh người ta còn chia các băng tần nhỏ với phạm vi ứng dụng như bảng 1.1

Hiện nay, băng C và băng Ku được sử dụng phổ biến nhất

٭ Băng C (6/4 GHz) nằm ở khoảng giữa cửa sổ tần số, suy hao ít do mưa, trước đây được dùng cho các hệ thống viba mặt đất Sử dụng chung cho

hệ thống Intelsat và các hệ thống khác bao gồm các hệ thống vệ tinh khu vực

và nhiều hệ thống vệ tinh nội địa

٭ Băng Ku (14/12 và 14/11 GHz), được sử dụng rộng rãi tiếp sau băng

C cho viễn thông công cộng, dùng nhiều cho thông tin nội địa và thông tin giữa các công ty Do tần số cao nên cho phép sử dụng những anten có kích thước nhỏ, nhưng cũng vì tần số cao nên tín hiệu ở băng Ku bị hấp thụ lớn do mưa

٭ Băng Ka (30/20 GHz) lần đầu tiên sử dụng cho thông tin thương mại qua vệ tinh Sakura của Nhật, cho phép sử dụng các trạm mặt đất nhỏ và hoàn toàn không gây nhiễu cho các hệ thống viba Tuy nhiên băng Ka suy hao đáng

kể do mưa nên không phù hợp cho thông tin chất lượng cao

Bảng 1.1 Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh

Ký hiệu Dải tần

(GHz)

Phạm vi sử dụng

L 1 – 2 Thông tin vệ tinh di động, phát thanh quảng bá, vô tuyến định vị.

S 2 – 4 Thông tin vệ tinh di động, hàng hải

C 4 – 8 Thông tin vệ tinh cố định

X 8 – 12 Thông tin vệ tinh quân sự và chính phủ

Ku 12 – 18 Thông tin vệ tinh cố định, truyền hình quảng bá

K 18 – 27 Trạm cố định

Ka 27 – 40 Thông tin vệ tinh cố định, truyền hình quảng bá.Sóng mm > 40 Liên lạc giữa các vệ tinh

1.6 Các phương pháp đa truy nhập đến một vệ tinh

Kỹ thuật sử dụng một vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất và việc tăng hiệu quả sử dụng của nó tới cực đại được gọi là đa truy cập Nói cách khác đa truy cập là phương pháp dùng một bộ phát đáp trên vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất Trong đa truy cập cần làm sao cho sóng vô tuyến điện phát từ trạm mặt đất riêng lẻ không can nhiễu nhau được [2]

Đa truy cập có thể phân chia ra ba dạng sau:

- FDMA: Đa truy cập phân chia theo tần số

- TDMA: Đa truy cập phân chia theo thời gian.

- CDMA: Đa truy cập phân chia theo mã

1.6.1 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA

FDMA (Frequency Division Multiplex Acess) là loại đa truy nhập được dùng phổ biến trong thông tin vệ tinh

Hình 1.4 Đa truy nhập phân chia theo tần sốTrong hệ thống này mỗi trạm mặt đất phát đi một sóng mang có tần số khác với tần số sóng mang của các trạm mặt đất khác Mỗi một sóng mang được phân cách với các sóng mang khác bằng các băng tần bảo vệ thích hợp sao cho chúng không chồng lên nhau FDMA có thể được sử dụng cho tất cả các hệ thống điều chế: Hệ thống điều chế tương tự hay điều chế số như các sóng mang FM (Frequency Modulation) điều chế bằng các tín hiệu thoại đã ghép kênh hoặc các tín hiệu truyền hình và các sóng mang PSK (Phase Shift Keying) điều chế số Một trạm mặt đất thu các tín hiệu có chứa thông tin nhờ một bộ lọc thông dải

 Ưu điểm:

- Thủ tục truy nhập đơn giản

- Cấu hình trạm mặt đất đơn giản

- Có thể làm việc trong toàn bộ miền thời gian, không yêu cầu đồng bộ

fA fB fC

fD Bộ phát đáp

Thời gian

Tần số

 Nhược điểm:

- Không linh hoạt thay đổi tuyến

- Hiệu quả thấp khi sử dụng nhiều kênh, dung lượng thấp và chất lượng thấp

1.6.2 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA

TDMA là phương pháp đa truy nhập trong đó các trạm mặt đất dùng chung một bộ phát đáp trên cơ sở phân chia theo thời gian như hình 1.5 Trong đó trục hoành chỉ tần số, trục tung chỉ thời gian

Hình 1.5 Đa truy nhập phân chia theo thời gianTrục thời gian được phân chia thành các khoảng thời gian gọi là các khung TDMA, mỗi khung TDMA được phân chia thành các khe thời gian, các khe thời gian này được ấn định cho mỗi trạm mặt đất Tất cả các trạm mặt đất đều dùng chung một sóng mang có tần số trung tâm là f0 và chỉ phát và thu tín hiệu trong các khe thời gian được ấn định Vì thế, trong một khoảng thời gian nhất định, chỉ có tín hiệu từ một trạm mặt đất chiếm toàn bộ băng tần của bộ phát đáp vệ tinh và không bao giờ xảy ra trường hợp tín hiệu từ hai trạm mặt đất trở lên chiếm bộ phát đáp của vệ tinh trong cùng một thời gian

Độ dài của khe thời gian ấn định cho mỗi trạm mặt đất tuỳ thuộc vào lưu lượng của trạm

1 khung TDMA

Thời gian

Tần số

f0

A B C D

TDMA sử dụng các sóng mang điều chế số và các sóng mang được phát đi từ trạm mặt đất cần phải được điều khiển chính xác sao cho chúng nằm trong khe thời gian được phân phối Để làm được điều này, cần phải

có một tín hiệu chuẩn phát đi từ một trạm chuẩn và các trạm khác lần lượt truyền tín hiệu ngay sau tín hiệu chuẩn

 Ưu điểm:

- Sử dụng tốt công suất tối đa của vệ tinh

- Linh hoạt trong việc thay đổi, thiết lập tuyến

- Hiệu suất sử dụng tuyến cao khi số kênh liên lạc tăng

- Kết hợp với kỹ thuật nội suy tiếng nói có thể tăng dung lượng truyền dẫn lên ba đến bốn lần

 Nhược điểm:

- Yêu cầu phải có đồng bộ cụm

Mạng TDMA chứa các trạm lưu lượng và ít nhất một trạm chuẩn Các cụm được phát đi từ các trạm lưu lượng được gọi là các cụm lưu lượng Số liệu lưu lượng được phát bằng các cụm lưu lượng Trạm chuẩn phát một cụm đặc biệt theo chu kỳ gọi là cụm chuẩn Cụm chuẩn cung cấp chuẩn định thời

và chu kỳ của nó đúng bằng một khung TDMA Mỗi trạm lưu lượng phát các cụm lưu lượng trong các khe thời gian được ấn định ở vệ tinh bằng cách điều khiển định thời phát cụm theo cụm chuẩn, cụm chuẩn được sử dụng làm chuẩn định thời, cụm chuẩn và các cụm lưu lượng được đặt theo thứ tự đúng

để tránh chồng lấn trong mỗi khung TDMA Nếu không có đồng bộ cụm thì các cụm được phát có thể trượt khỏi các khe thời gian được ấn định ở vệ tinh Nếu xảy ra chồng lấn các cụm ở vệ tinh thì thông tin sẽ bị mất

- Tín hiệu tương tự phải được chuyển sang dạng tín hiệu số khi sử dụng

kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA

- Giao diện với các hệ thống mặt đất tương tự rất phức tạp dẫn đến giá thành của hệ thống cao

1.6.3 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

CDMA (Code Division Multiplex Access) là phương pháp truy nhập ứng dụng kỹ thuật trải phổ, trong đó mọi đối tượng có thể:

- Được phép hoạt động đồng thời

- Hoạt động tại tần số như nhau

- Sử dụng toàn bộ băng tần của hệ thống cùng một lúc mà không gây nhiễu sang thông tin của đối tượng khác

Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA là phương pháp đa truy nhập

mà ở đó các trạm mặt đất có thể phát tín hiệu một cách liên tục và đồng thời,

và sử dụng cùng một băng tần của kênh

Hình 1.6 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mãTrong CDMA, mỗi sóng mang phát được điều chế bằng một mã đặc biệt qui định cho mỗi trạm mặt đất và trạm mặt đất thu có thể tách được tín hiệu cần thu khỏi các tín hiệu khác nhờ mã đặc biệt đó Tập hợp các mã cần dùng phải có các thuộc tính tương quan sau đây:

- Mỗi mã phải có thể được phân biệt một cách dễ dàng với bản sao của chính nó bị dịch chuyển theo thời gian

- Mỗi mã phải có thể được phân biệt một cách dễ dàng bất chấp các mã khác được sử dụng trên mạng

Việc truyền dẫn tín hiệu hữu ích kết hợp với mã đòi hỏi môt băng thông lớn hơn nhiều so với băng thông yêu cầu để truyền dẫn chỉ riêng thông tin hữu ích Đó là lý do vì sao người ta gọi là truyền dẫn trải phổ

Mã

1 2

N

f

t

 Ưu điểm:

- Chịu được tạp âm, nhiễu và méo

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

- Dung lượng cao

- Tính bảo mật cao

 Nhược điểm:

- Độ rộng băng tần truyền dẫn yêu cầu cao

- Hiệu quả sử dụng băng tần kém

1.7 Các yếu tố truyền dẫn trong thông tin vệ tinh

1.7.1 Suy hao

Một tuyến thông tin vệ tinh bao gồm đường truyền sóng từ anten của trạm phát đến vệ tinh (tuyến lên - uplink) và từ vệ tinh đến anten của trạm mặt đất thu (tuyến xuống - downlink)

Do đó suy hao trong thông tin vệ tinh gồm các loại suy hao sau:

a Suy hao trong không gian tự do

Đối với vệ tinh địa tĩnh ở độ cao 35.768km, cự ly thông tin cho một tuyến lên hay một tuyến xuống gần nhất là 35.768km Do cự ly truyền sóng trong thông tin vệ tinh lớn như vậy nên suy hao trong không gian tự do là suy hao lớn nhất Gọi suy hao này là L td, ta có:

df d

λ

lg20

4lg10

4lg10

2 2

(1.2)

Suy hao không gian tự do của tuyến lên hay xuống khi công tác ở băng

C vào khoảng 200dB, băng Ku, Ka thường lớn hơn 200dB Để bù vào suy hao này, đảm bảo cho máy thu nhận được một tín hiệu đủ lớn cỡ -90dBm đến -60dBm, người ta sử dụng anten có đường kính đủ lớn hàng chục mét để có

hệ số tăng ích lớn khoảng 60dB và máy phát có công suất lớn hàng trăm đến hàng ngàn W

Ngoài suy hao chính trong không gian tự do còn có các suy hao khác tuy không lớn nhưng khi tính toán tuyến thông tin vệ tinh mà ta không xét hết các khả năng xấu nhất do ảnh hưởng của môi trường truyền sóng thì khi xảy ra các hiện tượng đó chất lượng thông tin sẽ xấu đi và có thể làm gián đoạn thông tin

b Suy hao do tầng đối lưu

Tầng đối lưu là lớp khí quyển nằm sát mặt đất lên đến độ cao 15km (theo quy định của tầng đối lưu tiêu chuẩn), bao gồm các chất khí chính hấp thụ sóng gây ra suy hao như hơi nước, Oxy, Ozon, Cacbonic Suy hao này phụ thuộc nhiều vào tần số và góc ngẩng của anten và chỉ đáng kể khi tần

10km-số công tác từ 10GHz trở lên, nghĩa là khi công tác ở băng Ku (14/12GHz) hay băng Ka (30/20GHz) Anten có góc ngẩng càng lớn thì suy hao tầng đối lưu càng nhỏ, do đường truyền của sóng trong tầng đối lưu càng ngắn Tại các tần số 21GHz và 60GHz có các suy hao cực đại, đó là do sự cộng hưởng hấp thụ đối với các phân tử hơi nước và Oxy

c Suy hao do tầng điện ly

Tầng điện ly là lớp khí quyển nằm ở độ cao khoảng 60km đến 400km,

do bị ion hóa mạnh nên lớp khí quyển ở độ cao này bao gồm chủ yếu là các điện tử tự do, các ion âm và ion dương nên được gọi là tầng điện ly Sự hấp thụ sóng trong tầng điện ly giảm khi tần số tăng, ở tần số trên 600MHz thì sự hấp thụ không đáng kể

d Suy hao do thời tiết

* Suy hao do mưa

Các giá trị điển hình của suy hao do mưa vượt quá 0.01% của một năm trung bình có thể được suy ra từ thủ tục trước của các vùng tốc độ mưa vượt quá 0.01% của một năm trung bình R với giá trị từ 30÷50 mm/h Điều đó 0,01

Suy hao do các đám mây mưa và sương mù thì nhỏ hơn so với lượng mưa, trừ trường hợp mây mưa và sương mù có mật độ hơi nước cao Với góc ngẩng θe = 200 suy hao có thể tới 0.5÷1.5 dB ở 15 GHz và 2÷4.5 dB ở 30 GHz Suy hao này dù sao được quan sát với phần trăm thời gian lớn hơn

Suy hao do các đám mây băng thì nhỏ hơn Tuyết khô có ảnh hưởng ít Mặc dù tuyết rơi ẩm có thể gây ra suy hao lớn tương đương với mưa, tình trạng này rất hiếm và ít ảnh hưởng lên phép thống kê suy hao Sự giảm sút các đặc tính anten do tuyết rơi chồng chất và băng có thể ảnh hưởng đáng kể hơn của tuyết dọc theo tuyến

* Các hiện tượng khí hậu khác

Suy hao do các chất khí trong khí quyển phụ thuộc vào tần số, góc ngẩng,

độ cao đặt trạm và nồng độ hơi nước Nó không đáng kể ở các tần số nhỏ hơn 10 GHz và không vượt quá 1÷2dB ở tần số 22GHz (tần số tương ứng với dải hấp thụ hơi nước) với độ ẩm trung bình của khí quyển và góc ngẩng lớn hơn 100

Bảng 1.2 Suy giảm của khí quyển theo tần số

Suy hao khí quyển Tần số (GHz)

0,33 5 < f < 100,53 10 < f < 13

Suy hao bởi bão cát: Suy hao cụ thể tỷ lệ nghịch với tầm nhìn thấy và phụ thuộc vào mức độ ẩm của các hạt Ở 14GHz là 0.03dB/km với các hạt khô và 0.65dB/km với các hạt có độ ẩm 20% Nếu độ dài đoạn đường là 3km thì suy hao có thể tới 1÷2dB

e Suy hao do đặt anten chưa đúng

Khi anten phát và thu lệch nhau thì sẽ tạo ra suy hao vì búp chính của anten thu hướng không đúng chùm tia phát xạ của anten phát Thường thì suy hao do đặt anten chưa đúng từ 0,8dB đến 1dB

f Suy hao trong thiết bị phát và thu

Hình 1.7 Suy hao trong thiết bị phát và thuSuy hao trong thiết bị phát và thu còn gọi là suy hao do hệ thống fiđơ,

có hai loại như sau:

Suy hao LFTX giữa máy phát và anten, để anten phát được công suất PT

cần phải cung cấp một công suất PTX ở đầu ra của bộ khuếch đại phát, do vậy:

Trong các hệ thống vệ tinh hiện nay, để đơn giản thường lấy hệ số tổn hao fiđơ LFRX = LFTX = 2dB Suy ra LFTX = LFRX = 10-0,2 (lần).

g Suy hao do phân cực không đối xứng

Suy hao do phân cực không đối xứng xảy ra khi anten thu không đúng hướng với sự phân cực của sóng nhận Vớí đường truyền phân cực tròn, sóng phát chỉ được phân cực tròn trên trục anten phát và nó sẽ trở thành elip khi ra khỏi trục anten đó Khi truyền qua bầu khí quyển cũng có thể làm thay đổi phân cực tròn thành phân cực elip Còn trong đường truyền phân cực thẳng thì sóng có thể bị quay mặt phẳng phân cực của nó khi đường truyền đi qua khí quyển, do đó anten thu không còn mặt phẳng phân cực của sóng đứng và sóng tới Suy hao do lệch phân cực thường chỉ 0,1dB

1.7.2 Tạp âm trong thông tin vệ tinh

a Nhiệt tạp âm hệ thống

Trong một tuyến thông tin vệ tinh, tạp âm gây ra cho trạm mặt đất do nhiều nguyên nhân và được tính bằng nhiệt tạp âm tương đương T SYS và được gọi là nhiệt tạp âm hệ thống [2]

Nhiệt tạp âm hệ thống được xem là tổng của bốn thành phần được biểu diễn theo biểu thức:

R F

F A S

L

T T T

T = + + + [0K] (1.6)Trong đó T SYS : Là nhiệt tạp âm hệ thống.

T S : Là nhiệt tạp âm bên ngoài.

T A : Là nhiệt tạp âm anten

T F : Là nhiệt tạp âm của hệ thống fiđơ.

T R : Là nhiệt tạp âm hiệu dụng đầu vào máy thu

L F : Là suy hao của hệ thống fiđơ, được đưa vào tính toán với

nhiệt tạp âm bên ngoài, nhiệt tạp âm anten và nhiệt tạp âm fiđơ vì 3 loại tạp âm này có liên quan đến suy hao của fiđơ Ta lần lượt xét đến các loại tạp âm này

* Nhiệt tạp âm bên ngoài T và nhiệt tạp âm anten T

Nhiệt tạp âm bên ngoài và anten bao gồm:

- Nhiệt tạp âm không gian gồm có các thành phần sau:

+ Nhiệt tạp âm vũ trụ: Tác động ở tần số vô tuyến là do bức xạ từ vũ trụ còn dư lại (khoảng 2,760K)

+ Nhiệt tạp âm của dải ngân hà: Nếu hướng anten vào vùng có số sao cực đại của dải ngân hà thì nhiệt tạp âm có thể lên đến gần 1000K trong vùng tần số từ 0,3GHz đến 1,2GHz

+ Nhiệt tạp âm của mặt trời: Mặt trời bức xạ ra sóng điện từ ở tất cả các tần số, đặc biệt là ở dải viba (microwave) Nhiệt tạp âm do mặt trời gây ra cho trạm mặt đất phụ thuộc vào hướng anten, nếu mặt trời nằm ngoài vùng phủ sóng của búp chính anten thì nhiệt tạp âm dưới 500K Còn khi mặt trời chiếu thẳng vào anten thì nhiệt tạp âm lên đến 10.0000K hoặc có thể hơn tuỳ thuộc tần số công tác, kích thước mặt phản xạ và số vết đen của mặt trời (số vết đen thể hiện sự hoạt động mạnh hay yếu của mặt trời)

Trường hợp trạm mặt đất - vệ tinh - mặt trời nằm trên cùng một đường thẳng chỉ xảy ra một vài ngày trong năm vào mùa xuân làm cho thông tin bị gián đoạn vài ba phút

- Nhiệt tạp âm do khí quyển (nhiệt tạp âm do tầng đối lưu): Nó phụ thuộc vào chiều dài quãng đường đi của sóng trong tầng đối lưu (độ cao 15km từ mặt đất) Nói cách khác chính là phụ thuộc vào góc ngẩng của anten, tần số công tác

- Nhiệt tạp âm do mưa, được xác định bằng công thức:

L ( T T

M m

ngược, một phần cho búp chính khi anten có tính định hướng kém và góc ngẩng nhỏ

Ngoài ra còn nhiệt tạp âm do các chướng ngại ở gần như toà nhà, các mái che (ví dụ như vòm cây), do các bộ phận cản trở trong anten như các thanh đỡ, bộ tiếp sóng (nguồn bức xạ sơ cấp) và bộ suy hao búp phụ gây ra

* Nhiệt tạp âm hệ thống fiđơ T F

Nhiệt tạp âm hệ thống fiđơ được tính bởi biểu thức sau:

F

T =T0(L F - 1) [0K] (1.8) Trong đó T0: Là nhiệt độ môi trường [0K]

* Nhiệt tạp âm máy thu T R

Nhiệt tạp âm máy thu bằng tổng nhiệt tạp âm gây ra trong mỗi phần của máy thu Nó được tính bởi công thức sau:

1 2

1 2

1

3 1

2 1

−

+ + +

+

=

K

K R

G

G G

T

G G

T G

T T

Trong đó T R: Là nhiệt tạp âm máy thu [0K]

K

G , , G ,

G1 2 : Là hệ số khuếch đại từng phần

K

T , , T ,

T1 2 : Là nhiệt tạp âm đầu vào [0K]

Nếu hệ số khuếch đại tầng đầu đủ lớn thì tạp âm tại các tầng tiếp theo

có thể bỏ qua Do đó, tầng đầu tiên phải có hệ số khuếch đại lớn và tạp âm thấp, vì vậy trong thông tin vệ tinh dùng các bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA-Low Noise Amplifier) Một cách gần đúng ta coi nhiệt tạp âm tầng đầu này là nhiệt tạp âm máy thu [2]

b Công suất tạp âm nhiễu

* Can nhiễu khác tuyến

Các tuyến thông tin vệ tinh có thể bị nhiễu trong các trường hợp như sau:

+ Tuyến viba mặt đất đến vệ tinh thông tin

+ Tuyến viba mặt đất đến trạm mặt đất

+ Vệ tinh thông tin khác đến trạm mặt đất

 Can nhiễu giữa viba và trạm mặt đất Có hai trường hợp:

- Trường hợp thứ nhất: Đường thông tin viba mặt đất có cùng tần số làm việc với đường lên của hệ thống thông tin vệ tinh, bởi vậy tín hiệu viba mặt đất được trộn với tín hiệu ở đầu vào máy thu vệ tinh

- Trường hợp thứ hai: Đường thông tin vi ba mặt đất có tần số bằng tần

số đường xuống của hệ thống thông tin vệ tinh, bởi vậy ở đầu vào máy thu trạm mặt đất cũng bị trộn với tín hiệu của đường thông tin viba mặt đất

Hình 1.8 Can nhiễu giữa viba và trạm mặt đất và vệ tinh

Trong thiết kế tuyến thực tế, phải đặt trạm mặt đất sao cho nhiễu xảy ra

ít nhất, nhiễu nhỏ nhất bằng cách sử dụng anten có các đặc tính búp phụ tốt Mặc dù mục tiêu cơ bản thiết kế tuyến đối với vệ tinh thông tin là để loại bỏ nhiễu, nếu điều này không thể thực hiện được thì trong thiết kế tuyến phải bao hàm cả lượng nhiễu cho phép Nhiễu thường không thể đánh giá được bằng tính toán, ví dụ như trong thành phố có nhiều vật cản phản xạ quanh nơi đặt trạm mặt đất Vì thế phải dùng phương pháp đo thực tế để đo nhiễu

Trạm mặt đất Trạm viba

Quỹ đạo địa tĩnh

 Sự can nhiễu từ vệ tinh thông tin khác đến trạm mặt đất:

Hình 1.9 Can nhiễu giữa các hệ thống thông tin vệ tinh

Hình 1.9 cho ta thấy can nhiễu xảy ra do các vệ tinh đặt gần nhau Ta xem xét tín hiệu can nhiễu từ vệ tinh 1 tác động lên trạm mặt đất 2 và tín hiệu can nhiễu từ vệ tinh 2 tác động lên trạm mặt đất 1 Khi góc θ càng nhỏ (tương ứng với 2 vệ tinh đặt càng gần nhau) thì ảnh hưởng của chúng lên trạm mặt đất càng lớn

Trong thực tế, tỷ số công suất của sóng mang trên sóng can nhiễu C/N giữa các vệ tinh có thể lớn hơn hoặc bằng 30dB (1000 lần) khi hai vệ tinh đặt cách nhau khoảng 30 ngay trên quỹ đạo, ngay cả nếu các anten của chúng cùng chiếu vào cùng một vị trí

* Nhiễu cùng tuyến

Nhiễu có thể tạo ra ngay trong tuyến, gọi là nhiễu cùng tuyến, bao gồm:+ Tạp âm nhiễu khử phân cực: Loại nhiễu này thường xảy ra trong hệ thống thông tin phân cực kép, nó bị chi phối bởi các đặc tính của anten Để triệt tạp âm nhiễu khử phân cực, chọn loại anten có XPD (khả năng phân biệt phân cực chéo) lớn, thường thì XPD của anten khoảng 30dB, nhưng ở tần số 10GHz thì XPD của anten lại giảm do mưa

Trạm mặt đất 2

Quỹ đạo vệ tinh

Đường liền nét biểu thị đường

đi của tín hiệu mong muốn.

Đường đứt nét biểu thị đường

đi của tín hiệu can nhiễu.

Trạm mặt đất 1

+ Tạp âm nhiễu kênh lân cận: Nhiễu này gây ra bởi kênh lân cận có cùng phân cực với tuyến vệ tinh đang xét Có thể triệt nhiễu kênh lân cận bằng một

Bộ khuếch đại đèn sóng chạy TWT (Traveling wave tube) được sử dụng là thành phần chính của bộ phát đáp

Hình 1.10 mô tả mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của một TWT, nếu quan hệ vào ra tuyến tính như đường đứt nét thì không gây ra méo xuyên điều chế Tuy nhiên trong thực tế đặc tuyến của TWT không tuyến tính nên gây ra xuyên điều chế Khi mức vào vượt quá một giá trị nào đó, thì mức ra của TWT không tăng được nữa mặc dù mức vào vẫn tăng đáng kể, hiện tượng này gọi là bão hoà Để méo do xuyên điều chế nhỏ hơn giá trị cho phép, TWT phải làm việc ở mức thấp hơn điểm bão hoà

Mức công suất chênh lệch giữa điểm làm việc và điểm bão hoà tại đầu vào và đầu ra tương ứng gọi là độ lùi đầu vào (IBO) và độ lùi đầu ra (OBO)

Tạp âm xuyên điều chế sinh ra do các sản phẩm xuyên điều chế hoặc

mức vào

m ứ

c r a