Nghiên cứu thiết kế tuyến thông tin vệ tinh luận văn tốt nghiệp đại học

Nội dung đề tài gồm ba chương được nghiên cứu lần lượt như sau: Chương I: Tổng quan về thông tin vệ tinh, trong đó tìm hiểu về lịch sử phát triển, nguyên lý và đặc điểm của thông tin vệ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN

THÔNG TIN VỆ TINH

Giáo viên hướng dẫn : ThS Nguyễn Phúc Ngọc Sinh viên thực hiện : Nguyễn Công Anh

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU 3TÓM TẮT ĐỒ ÁN 5Hình 1.15 Đặc tính vào ra của TWT 40

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, chúng ta đang 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 Ngoài ra, thông tin vệ tinh còn cung cấp một loạt các dịch vụ có tính toàn cầu Chính bởi các lý do đó mà thông tin

vệ tinh đã phát triển rất nhanh chóng trong những thập kỷ qua Hiện nay, nước ta đã phóng thành công vệ tinh cho riêng mình để nhằm đáp ứng các nhu cầu thông tin ngày càng cao trong nước và quốc tế

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 Nội dung đề tài gồm ba chương được nghiên cứu lần lượt như sau:

Chương I: Tổng quan về thông tin vệ tinh, trong đó tìm hiểu về lịch sử phát triển, nguyên lý và đặc điểm của thông tin vệ tinh, tìm hiểu về các dạng quỹ đạo, sự phân bố tần số của vệ tinh, các phương pháp đa truy nhập đến một vệ tinh và các yếu tố truyền dẫn trong thông tin vệ tinh

Chương II: Hệ thống thông tin vệ tinh, tìm hiểu cụ thể về hai thành phần của một hệ thống thông tin vệ tinh đó là phần không gian và phần mặt đất.Chương III: Thiết kế tuyến thông tin vệ tinh

Trong quá trình làm đồ án em đã hết sức cố gắng học hỏi, tìm hiểu tham khảo tài liệu tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót Do vậy em rất mong nhận được những ý khiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn sinh viên

Qua đây em xin chân thành cảm ơn ThS Nguyễn Phúc Ngọc đã nhiệt tình

hướng dẫn và chỉ bảo cho em trong suốt thời gian làm đồ án tốt nghiệp này, và

khoa đã nhiệt tình giảng dạy trong suốt những năm em được học tập và nghiên cứu tại trường để em có được một vốn hiểu biết mới.

Em xin chân thành cảm ơn!

Vinh, tháng 5 năm 2011 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Công Anh

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Ngày nay, hệ thống thông tin vệ tinh phát triển rất mạnh mẽ và đa dạng

về loại hình phục vụ Để một vệ tinh có thể hoạt động tốt trên quỹ đạo thì việc thiết kế tuyến đóng một vai trò rất quan trọng Mục đích của đồ án là tìm hiểu

về tuyến thông tin vệ tinh và qua đó có thể đưa ra thiết kế, triển khai một tuyến vệ tinh ở một khu vực nào đó Đồ án trình bày một cách tóm tắt lịch sử phát triển, nguyên lý và các đặc điểm của thông tin vệ tinh, các dạng quỹ đạo,

sự phân bố tần số, các phương pháp đa truy nhập và các yếu tố truyền dẫn trong thông tin vệ tinh Phần tiếp theo là tìm hiểu về cấu trúc của một hệ thống thông tin vệ tinh Phần cuối của đồ án là phương pháp thiết kế một tuyến thông tin vệ cụ thể

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN

Trang

Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh 14

Hình 1.2 Bán trục chính a và bán trục phụ b đối với một elip 15

Hình 1.3 Định luật kepler thứ hai 16

Hình 1.4 Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh 18

Hình 1.5 Đồ thị biểu dễn suy hao do mưa và do tầng điện ly theo tần số 20

Hình 1.6 Đa truy nhập phân chia theo tần số 23

Hình 1.7 Các cấu hình truyền dẫn FDMA 24

Hình 1.8 Đa truy nhập phân chia theo thời gian .26

Hình 1.9 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã 28

Hình 1.10 Sai lệch do đặt anten chưa đúng 33

Hình 1.11 Suy hao trong thiết bị phát và thu 33

Hình 1.12 Các nguồn tạp âm ảnh hưởng đến thông tin vệ tinh 35

Hình 1.13 Can nhiễu giữa viba và trạm mặt đất và vệ tinh 38

Hình 1.14 Can nhiễu giữa các hệ thống thông tin vệ tinh 39

Hình 1.15 Đặc tính vào ra của TWT 40

Hình 1.16 Hiệu ứng nhiều đường đối với trạm mặt đất thu 42

Hình 2.1 Cấu hình của một trạm mặt đất 45

Hình 2.2 Cấu hình bộ khuếch đại công suất cao 47

Hình 2.3 Hệ số tạp âm 49

Hình 2.4 Nhiệt tạp âm 50

Hình 2.5 Cấu tạo của HEMT 52

Hình 2.6 Nhiệt tạp âm của hệ thống thu 54

Hình 2.7 Sự nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo địa tĩnh 55

Hình 2.8 Cửa sổ cho phép vệ tinh chuyển động tự do 56

Hình 2.9 Các loại sóng thu được ở các hướng khác nhau 57

Hình 2.10 Phần không gian của hệ thống thông tin vệ tinh 58

Hình 2.12 Sơ đồ cấu tạo máy thu 61

Hình 2.13 Sơ đồ bộ phân kênh đầu vào 62

Hình 2.14 Sơ đồ bộ ghép kênh đầu ra 64

Hình 2.15 Phủ sóng toàn cầu và phủ sóng bán cầu 65

Hình 2.16 Phủ sóng vùng và phủ sóng “dấu” 66

Hình 2.17 Vùng phủ sóng lưới 66

Hình 2.18 Anten loa hình chữ nhật 67

Hình 2.19 Anten phản xạ 67

Hình 2.20 Các trục ổn định của vệ tinh 69

Hình 2.21 Sự cân bằng nhiệt của vệ tinh 70

Hình 3.1 Các tham số của đường truyền trạm mặt đất- vệ tinh 75

Hình 3.2 Tính toán góc ngẩng 75

Hình 3.3 Góc phương vị của vệ tinh 76

DANH SÁCH CÁC BẢNG TRONG ĐỒ ÁN

Trang

Bảng 1.1 Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh 22

Bảng 1.2 Suy giảm của khí quyển theo tần số 33

Bảng 2.1 Bảng so sánh các bộ khuếch đại công suất cao 46

Bảng 2.2 Quan hệ giữa hệ số tạp âm (F) và nhiệt tạp âm (Te) 50

Bảng 2.3 So sánh các bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) 53

Bảng 2.4 Các thông số kỹ thuật của các loại HPA 64

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN

A/D Analog to digital Bộ chuyển đổi tương tự sang số

AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ

CCIR Comite Consultatif

International des Radiocommunications

Uỷ ban tư vấn vô tuyến quốc tế

CDMA Code Division Multiplex

Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

C/N Carrier to Noise Power Ratio Tỷ số sóng mang trên tạp âm

Eb/N0 Energy per Bit to Noise Tỷ số năng lượng của bít trên

mật độ tạp âmEIRP Equiralent Isotropic

FET Field Effect Transistor Transistor hiệu ứng trường

FM Frequency Modulation Điều chế tần số

GaAs-FET Gali-Arsenic Field Effect

Transistor

Tranzito trường loại bán dẫn hỗn tạp Gali-Arsenic

GEO Geostationary Earth Orbit Quỹ đạo địa tĩnh

HEMT High Electron Mobility

Transistor

Transistor độ linh động điện tử cao

HEO High Earth Orbit Quỹ đạo trái đất tầm cao

HPA High Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất caoIBO Input background color off Độ lùi đầu vào

INTELSAT International

Telecommunications Sattelite Organization

Tổ chức vệ tinh viễn thông quốc tế

Telecommunications Union

LEO Low Earth Orbit Quỹ đạo trái đất tầm thấpLNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp

MEO Medium Earth Orbit Quỹ đạo trái đất tầm trung

PSK Phase Shift Keying Điều chế pha số

SCPC Single Channel Per Carrier Một kênh trên một sóng mangSPD Saturation Power Density Mật độ công suất bão hòaSES Satellite Earth Station Trạm mặt đất

SSPA Solid State Power Amplifier Bộ khuếch đại bán dẫn

TDM Time Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo thời

gianTDMA Time Division Multiplex

Access

Đa truy nhập phân chia theo thời gian

TE Terminal Equipement Thiết bị đầu cuối

TEM Transverzalis electronic

magnetic

Sóng điện từ trường ngang

TT&C Telemetry, Tracking and

Command

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

Amplituder

Bộ khuếch đại đèn sóng chạy

VSAT Very Small Apertude

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH

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 Các hệ thống điển hình như GLOBAL STAR, IRIDIUM, ICO, SKYBRIGDE, TELEDESIC

* 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 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 [9]

1.2 Nguyên lý của thông tin vệ tinh

Một vệ tinh có khả năng thu phát sóng vô tuyến điện Sau khi được phóng vào vũ trụ dùng cho thông tin vệ tinh, khi đó nó sẽ khuyếch đại sóng

vô tuyến điện nhận được từ các trạm mặt đất và phát lại sóng vô tuyến đến các trạm mặt đất khác ở một tần số khác Loại vệ tinh nhân tạo sử dụng cho thông tin vệ tinh như thế gọi là vệ tinh thông tin

Có hai quy luật chi phối quỹ đạo của các vệ tinh bay xung quanh quả đất [4].

- Mặt phẳng bay của vệ tinh phải cắt ngang tâm trái đất

- Quả đất phải là trung tâm của bất kỳ quỹ đạo nào của vệ tinh

Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm một vệ tinh trên quỹ đạo và các trạm mặt đất, các trạm này có thể truy cập đến vệ tinh Đường hướng từ trạm mặt đất lên vệ tinh được gọi là đường lên (uplink) và đường hướng từ vệ tinh tới trạm mặt đất gọi là đường xuống (downlink) Việc phân bổ băng tần sóng cho hướng lên và hướng xuống đòi hỏi sự phối hợp và thống nhất trên phạm

vi quốc tế do liên minh viễn thông quốc tế (ITU) quy định

Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh

1.3 Các định luật Kepler

Sự chuyển động của vệ tinh vòng quanh trái đất được tuân theo định luật Kepler, đây là định luật xác định quy luật chuyển động của hành tinh xung quanh mặt trời

- Vệ tinh chuyển động theo quỹ đạo tròn hoặc elip.

- Tâm trái đất nằm tại một trong hai tiêu điểm của quỹ đạo elip

- Nếu là quỹ đạo tròn thì tâm của quỹ đạo trùng với tâm của trái đất

- Khi e = 0 thì quỹ đạo vệ tinh là quỹ đạo tròn

1.3.2 Định luật Kepler thứ hai

Vệ tinh chuyển động theo một quỹ đạo với vận tốc thay đổi sao cho đường nối giữa tâm trái đất và vệ tinh sẽ quét các diện tích bằng nhau khi vệ tinh chuyển động trong cùng một thời gian như nhau [3]

Với T1 = T2 thì S1 = S2

2a

2b

M - khối lượng của trái đất: M = 5.974 x 1027g.

m - khối lượng của vệ tinh (g)

R - khoảng cách từ tâm trái đất đến vệ tinh (km)

1.4 Đặc điểm của thông tin vệ tinh

1.4.1 Ưu nhược điểm của thông tin vệ tinh

V max

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: ảnh hưởng do nhiễm khí quyển

và phading là không đáng kể nên tỷ số lỗi bít có thể đạt 10-9 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, độ tin cậy trung bình đạt 99,9% thời gian thông tin của một năm

- 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

- 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.

1.4.2 Các dạng quỹ đạo trong thông tin vệ tinh

Hình 1.4 Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ

a) Quỹ đạo cực tròn

Ưu điểm của dạng quỹ đạo này là mỗi điểm trên mặt đất đều nhìn thấy

vệ tinh thông qua một qũy đạo nhất định, việc phủ sóng toàn cầu của dạng qũy đạo này đạt được vì quỹ đạo bay của vệ tinh sẽ lần lượt quét tất cả các vị trí trên mặt đất Dạng quỹ đạo này được sử dụng cho các vệ tinh dự báo thời tiết, hàng hải, thăm dò tài nguyên và các vệ tinh do thám, không thông dụng cho truyền thông tin

b) Quỹ đạo elip nghiêng

Là quỹ đạo thoả mãn các điều kiện sau:

- Mặt phẳng quỹ đạo nghiêng so với mặt phẳng xích đạo 63026’

- Có viễn điểm = 40000km và cận điểm 500km

- Vệ tinh quay từ Tây sang Đông

Ưu điểm của loại quỹ đạo này là vệ tinh có thể đạt đến các vùng mà các

vệ tinh địa tĩnh không thể đạt tới Tuy nhiên quỹ đạo elip nghiêng có nhược điểm là hiệu ứng Doppler lớn và vấn đề điều khiển bám đuổi vệ tinh phải ở mức cao

c) Quỹ đạo xích đạo tròn

Quỹ đạo xích đạo

Quỹ đạo elip nghiêng

Quỹ đạo cực tròn

Đối với dạng qũy đạo này, 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

- 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

Ngoài ra người ta còn có 2 loai qũy đạo khác:

* 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

* 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

1.5 Tần số làm việc trong thông tin vệ tinh

1.5.1 Khái niệm của sổ vô tuyến

Các sóng vô tuyến điện truyền đến hay đi từ các vệ tinh thông tin chịu ảnh hưởng của tầng điện ly và khí quyển Tầng điện ly là một lớp khí loãng bị ion hoá bởi các tia vũ trụ, có độ cao từ 60km đến 400km so với mặt đất, lớp mang điện này có tính chất hấp thụ và phản xạ sóng Do các biến đổi trạng thái của tầng điện ly, làm giá trị hấp thụ và phản xạ thay đổi gây ra sự biến thiên cường độ sóng đi vào, gọi là sự thăng giáng Tuy nhiên tính chất này ảnh hưởng chủ yếu đối với băng tần thấp, khi tần số càng cao ảnh hưởng của tầng điện ly càng ít, các tần số ở băng sóng viba (1GHz) hầu như không bị ảnh hưởng của tầng điện ly Khi tần số >10GHz thì cần tính toán suy hao do mưa như hình 1.3.

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

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 [3]

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 sau:

Bảng 1.1 Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh

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

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

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

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

٭ 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

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

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

fA fB fC

fD Bộ phát đáp

Thời gian

Tần số

Hình 1.6 Đa truy nhập phân chia theo tần số

Trong 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 tiến 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

 Nhược điểm:

- Không linh hoạt thay đổi tuyến

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

Phụ thuộc vào kỹ thuật ghép kênh và điều chế ta có các sơ đồ truyền dẫn FDMA như sau:

a) FDM/FM/FDMA

tín hiệu ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) Tần số tín hiệu tương tự được ghép kênh nói trên sẽ điều chế tần số (FM) cho một sóng mang, sóng mang này sẽ truy nhập đến vệ tinh ở một tần số nhất định đồng thời cùng với các tần số khác từ các trạm khác Để giảm thiểu điều chế giao thoa, số lượng của các sóng mang định tuyến lưu lượng được thực hiện theo nguyên lý “một sóng mang trên một trạm phát” Như vậy tín hiệu ghép kênh FDM bao gồm tất cả các tần số dành cho các trạm khác.

b) TDM/PSK/FDMA

Ở cấu hình ghép kênh theo thời gian, điều chế khoá chuyển pha (PSK)

và đa truy nhập phân chia theo tần số (TDM/PSK/FDMA ở hình 1.5b) tín hiệu băng gốc của người sử dụng là tín hiệu số Chúng được kết hợp để tạo ra một tín hiệu ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) Luồng bit thể hiện tín hiệu được ghép này điều chế một sóng mang theo phương pháp điều chế pha PSK, tín hiệu này truy nhập đến vệ tinh ở một tần số nhất định đồng thời cùng với các sóng mang từ các trạm khác ở các tần số khác Để giảm tối thiểu các sản phẩm của điều chế giao thoa số lượng các tần số mang định tuyến lưu lượng được thực hiện theo phương pháp “một sóng mang trên một trạm phát” Như vậy tín hiệu ghép kênh TDM bao gồm tất cả các tín hiệu phụ thuộc thời gian cho các trạm khác

c) SCPC/FDMA

Ở cấu hình một kênh trên một sóng mang (SCPC: Single Channel per Carrier) và đa truy nhập phân chia theo tần số (SCPC/FDMA ở hình 1.5c) từng tín tín hiệu băng gốc của người sử sẽ điều chế trực tiếp một sóng mang ở dạng số (PSK) hoặc tương tự (FM) tuỳ theo tín hiệu được sử dụng Mỗi sóng mang truy nhập đến vệ tinh ở tần số riêng của mình đồng thời với các sóng mang từ cùng trạm này hay từ các trạm khác ở các tần số khác Như vậy định tuyến được thực hiện trên nguyên lý “một sóng mang trên một đường truyền”

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 1.6 Trong đó trục hoành chỉ tần số, trục tung chỉ thời gian.

Hình 1.8 Đa truy nhập phân chia theo thời gian

Trục 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

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 Trong phương pháp đa truy nhập này, các trạm mặt đất phải truyền tín hiệu một cách gián đoạn và cần phải dự phòng khoảng thời gian bảo

1 khung TDMA

Thời gian

Tần số

f0

A B C A

vệ giữa các sóng mang để các tín hiệu từ các trạm mặt đất không chồng lấn lên nhau khi đến bộ phát đáp

 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 số khi sử dụng kỹ thuật 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 1.9 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã

Trong 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

1.6.4 Phương pháp đa truy nhập phân phối trước và đa truy nhập phân phối theo yêu cầu.

a) Đa truy nhập phân phối trước

Đa truy nhập phân phối trước là một phương pháp đa truy nhập mà trong

đó 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

b) Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu

Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu là phương pháp đa truy nhập mà trong đó các kênh vệ tinh được sắp xếp lại mỗi khi có yêu cầu thiết lập kênh

từ các trạm mặt đất có liên quan Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu cho phép sử dụng có hiệu quả dung lượng kênh của vệ tinh đặc biệt khi một số trạm mặt đất có dung lượng nhỏ sử dụng chung một bộ phát đáp như trong trường hợp hệ thống điện thoại vệ tinh trên biển

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 điạ 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:

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

C (4/6GHz) vào khoảng 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

Xét trường hợp một máy phát có công suất bức xạ là 100W cho mỗi sóng mang, công tác ở băng C (6/4GHz) Nếu chỉ tính đến suy hao không gian tự do là 200dB thì công suất thu được ở sóng mang đó sẽ là:

PRx = 100/1020 = 10-18 (W) = 10-15 (mW)

PRx = 10lg100 (dBW) - 200 (dB)

Tính theo dBw = 20 (dBW) - 200 (dB) = -180 (dBW) = -150 (dBmW).Với công suất nhỏ như vậy thì máy thu không thể thu được tín hiệu, để

có được công suất đầu vào máy thu khoảng -70dBm thì ta phải sử dụng anten phát và thu có hệ số tăng ích lớn Nếu hệ số tăng ích của anten trạm mặt đất là

GR=50dB thì anten thu trên vệ tinh có hệ số tăng ích GT =30dB

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 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

10km-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

Giá trị suy hao do mưa L R xác định bởi giá trị suy hao cụ thể γ (dB/km)

và chiều dài của đoạn đường thực tế sóng đi trong mưa L (km), vì vậy: S

γ - là hệ số suy hao trên đoạn đường 1km (dB/km), nó phụ thuộc

vào tần số và cường độ mưa Rp (mm/h)

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)

0,25 2 < f < 50,33 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

Hình 1.10 Sai lệch do đặt anten chưa đúng

f) Suy hao trong thiết bị phát và thu

Hình 1.11 Suy hao trong thiết bị phát và thu

Suy 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:

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

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

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 : 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

Hình 1.12 Các nguồn tạp âm ảnh hưởng đến thông tin vệ tinh

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

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

Tầng điện ly Dải ngân hà

Mặt trời

Mặt trăng

Trời mưa

Búp phụ Búp chính

Búp ngược

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

T : Là nhiệt độ xung quanh trạm mặt đất [0K]

- Nhiệt tạp âm từ trạm mặt đất xung quanh trạm: Vì anten của trạm mặt đất hướng lên bầu trời nên nhiệt tạp âm của mặt đất gây ra chủ yếu do búp phụ

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

Nhiệt tạp âm cho mỗi búp phụ gây ra được tính theo công thức:

D i

+ T D = 100K khi góc ngẩng từ 100 đến 900.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] (1.11) 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

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 1.13 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

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

Đường liền nét biểu thị đường đi của tín hiệu mong muốn.

Đường đứt nét biểu thị đường đi của tín hiệu can nhiễu.

Hình 1.14 Can nhiễu giữa các hệ thống thông tin vệ tinh

Hình 1.12 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

+ 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 lọc có đặc tính cắt nhọn

* Tạp âm méo xuyên điều chế

39

m ứ

c r a

Hình 1.15 Đặc tính vào ra của TWT

Tạp âm méo xuyên điều chế là một trong nhiều loại tạp âm ở đường truyền thông tin vệ tinh Tạp âm xuyên điều chế trong vệ tinh sinh ra khi bộ phát đáp của nó khuếch đại đồng thời nhiều sóng mang Các đặc tuyến phi tuyến vào ra của bộ phát đáp là nguyên nhân sinh ra tạp âm xuyên điều chế

Bộ khuếch đại đèn sóng chạy TWT được sử dụng là thành phần chính của bộ phát đáp

Hình 1.13 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 méo lọt vào băng tần truyền dẫn khi nhiều sóng mang được khuếch đại đồng thời bằng bộ khuếch đại TWT phi tuyến Mức độ xuyên điều chế phụ thuộc vào số sóng mang và sự chênh lệch tần số giữa chúng

1.7.3 Hiệu ứng Doppler

Hiệu ứng Doppler là hiệu ứng trong đó tần số bị lệch khi độ dài đường