Nghiên Cưú Các Loại Mã Truyền Tin Sử Dụng Trong Thông Tin Vệ Tinh

Các loại mã sử dụng trong thông tin vệ tinh Phần cuối của ba chơng là phụ lục đa ra công thức và chơng trình tính xác suất lỗi bit đối với mã FEC Em xin chân thành cảm ơn thầy Trơng Nhữ

Mở đầu

Hiện nay trên thế giới cũng nh trong khu vực, rất nhiều nớc đã có hệ thống thôngtin vệ tinh riêng của mình Mục đích chung của các hệ thống này là đáp ứng nhu cầu pháttriển cũng nh các dịch vụ ngày càng phong phú và đa dạng: truyền hình, thoại, fax, sốliệu với nhiều nhu cầu khác nhau của khách hàng thuê bao Với sự bùng nổ của thông tin

nh hiện nay, ngời ta đã sử dụng tới các phơng thức truyền dẫn khác nhau: từ cáp đồng

truyền thống đến vô tuyến và công nghệ mới đây là cáp sợi quang ở một góc độ nhất

định thì các phơng thức truyền dẫn trên đã phần nào thoả mãn đợc nhu cầu, tuy nhiênthông tin cho các vùng sâu, vùng xa, miền biển, biên giới, hải đảo hay các khu vực cầnphục hồi thông tin nhanh hoặc tăng lu lợng cho một vùng thì các hệ thống truyền dẫn này

đã phần nào bộc lộ một số hạn chế, đó là việc triển khai mất thời gian, tốc độ triển khaichậm, không hiệu quả và đôi khi còn không thực hiện đợc Khắc phục các nhợc điểm trên,với các u thế vốn có của mình về việc phủ sóng cụ thể là khả năng cung cấp nhiều loạihình dịch vụ với độ tin cậy cao, tốc độ triển khai nhanh với giá cớc không phụ thuộc vàokhông gian, khoảng cách Một xu hớng rõ ràng là vệ tinh viễn thông đợc sử dụng rộng rãicho thông tin vệ tinh nội địa Thông tin vệ tinh đã trở thành một phơng thức truyền dẫncần thiết, lâu dài và cùng với các phơng thức truyền dẫn khác để tạo nên một hạ tầngthông tin tiên tiến, vững chắc

Đối với nớc ta, với đặc điểm địa hình phức tạp của mình nên việc thực hiện truyền dẫn bằng cáp tới các vùng sâu, vùng xa, biên giới hải đảo cũng nh giữa các miền hay thông tin với các nớc lân cận là rất khó khăn trong việc triển khai và không mang lại hiệu quả kinh tế Mặt khác cùng với chính sách mở cửa và đa dạng hoá quan hệ đã cho phép chúng ta mở rộng thị trờng, hợp tác trao đổi Với nhu cầu phát triển cao, với sự quan tâm của Đảng và Nhà nớc, những điều này cho thấy chúng ta có tiềm năng cho sự phát triển thông tin vệ tinh Chính vì vậy việc đặt ra và xem xét vấn đề phóng vệ tinh viễn thông riêng là hoàn toàn đúng đắn và có cơ sở

Chính vì những khả năng đáp ứng thông tin lớn của thông tin vệ tinh cùng với tínhcấp thiết đối với nớc ta mà em đã chọn đề tài nghiên cứu tím hiểu về thông tin vệ tinh

Do thời gian làm đồ án có hạn nên trong đồ án em chỉ nghiên cứu sơ lợc về thông tin vệtinh, ngoài ra do khoảng cách truyền tin trong thông tin vệ tinh là rất lớn (khoảng36000km) nên sự ảnh hởng của tạp âm đờng truyền và đặc tính truyền sóng cần phải đ-

ợc quan tâm, những yếu tố này làm suy giảm chất lợng thông tin, thể hiện ở tỉ lệ lỗi bítcao Từ những nguyên nhân đó mà ngời ta đã sử dụng nhiều giải pháp trong kỹ thuật đểkhắc phục chúng nhằm nâng cao chất lợng đờng truyền và việc đa ra một loại mã truyềntin phù hợp cũng là một trong các giải pháp đó Từ đó em đã nghiên cứu tìm hiểu về các

loại mã truyền tin thích hợp đợc sử dụng trong thông tin vệ tinh và tên đề tài là Nghiên

cú các loại mã truyền tin sử dụng trong thông tin vệ tinh Cụ thể đồ án đợc bố cục với

ba nội dung chính và đợc phân thành các chơng tơng ứng nh sau:

Chơng 1 Tổng quan về thông tin vệ tinh

Chơng 2 Một số yếu tố ảnh hởng đến tuyến thông tin vệ tinh

Chơng 3 Các loại mã sử dụng trong thông tin vệ tinh

Phần cuối của ba chơng là phụ lục đa ra công thức và chơng trình tính xác suất lỗi

bit đối với mã FEC

Em xin chân thành cảm ơn thầy Trơng Nhữ Tuyên đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ em

trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các Anh, Chị ở đài

INTELSAT đã cung cấp cho em nhiều tài liệu quý báu và tạo điều kiện cho em thực tập tại

trạm mặt đất HAN-01A Cuối cùng em xin cảm ơn các thầy, cô trong Học Viện đã cung cấp

cho em nhiều kiến thức bổ ích trong suốt thời gian học tập tại trờng

Trên đây là những lý do đã khiến em chọn đề tài này và em cũng đã nêu tóm tắt nội

dung, yêu cầu của đồ án tốt nghiệp

Sau đây là nội dung chính của đồ án

Hà Nội 25/3/2002

Sinh viên: Nguyễn Văn Thạch

Chơng 1

Tổng quan về thông tin vệ tinh

1.1 Giới thiệu chung

Bản tin chúc mừng giáng sinh của tổng thống Mỹ Eisenhower lần đầu tiêntrên thế giới đợc phát qua vệ tinh thông tin vào năm 1958 Kể từ đó thông tin vệtinh đã thực sự trở thành một cuộc cách mạng trong lĩnh vực truyền thông trênkhắp thế giới Nhờ vệ tinh thông tin mà các cuộc gọi điện thoại đến mọi n ớc trênthế giới đợc quay số trực tiếp, các mạng máy tính đợc nối với nhau vợt qua đại d-

ơng, giải bóng đá thế giới (World Cup) và thế vận hội (Olympic) đợc truyền hìnhkhắp mọi nơi thông tin vệ tinh đã làm cho thế giới xích lại gần nhau hơn, do đóviệc tìm hiểu thông tin vệ tinh là rất cần thiết

Hàng ngày các vệ tinh địa tĩnh của hai hệ thống thông tin toàn cầu lớn nhất

là Intelsat và Intersputnik bay vòng quanh trái đất cung cấp hàng ngàn kênhthoại cố định nối hàng trăm quốc gia với nhau Ngoài ra còn có các vệ tinh khuvực nh Ausat, Eusat, Arabsat, Asiasat, cung cấp các dịch vụ thoại cố định,phát thanh truyền hình, truyền số liệu, đảm bảo thông tin dẫn đờng cho hàngkhông, cứu hộ cho hàng hải, thăm dò tài nguyên Từ đó có thể khẳng định làthông tin vệ tinh luôn chiếm một vai trò quan trọng và không thể thiếu trong xãhội thông tin ngày nay

Tổ chức vệ tinh viễn thông quốc tế Intelsat là một tổ chức hoạt động phi lợinhuận do các nớc thành viên góp vốn, hiện nay đã có hơn một trăm nớc thànhviên Mạng thông tin vệ tinh quốc tế Intelsat đã trở thành mạng vệ tinh lớn nhấtthế giới cung cấp hơn 2/3 tổng số kênh liên lạc quốc tế trên toàn cầu Tổ chứcthông tin vệ tinh Intersputnik có mạng vệ tinh cho hơn chục nớc tham gia vàothông tin liên lạc cố định và phủ sóng phát thanh truyền hình Việt Nam là thànhviên của tổ chức này từ năm 1980

ở Việt Nam, phơng thức thông tin vệ tinh đã đợc sử dụng để liên lạc quốc

tế từ năm 1980

Năm 1985 trạm mặt đất thứ hai thuộc hệ thống Intersputnik xây dựng tạithành phố Hồ Chí Minh đa vào hoạt động, số kênh đi quốc tế tăng và đồng thờithông tin Bắc - Nam đợc vững chắc đạt chất lợng cao Tuy vậy phải từ năm 1990tới nay, lu lợng quốc tế mới phát triển nhanh chóng Ngành Bu điện đã xây dựng

đợc hai trạm mặt đất tiêu chuẩn A và một trạm mặt đất tiêu chuẩn B thuộc hệthống Intelsat

Ngày nay các vệ tinh thông tin đã chứng minh khả năng cung cấp các dịch

vụ thông tin khắp mọi nơi trên thế giới Đó là một điều quan trọng để chúng tatin vào tiềm năng to lớn và vững chắc của thông tin vệ tinh

1.2 Đặc điểm của thông tin vệ tinh

Thông tin liên lạc nhờ chuyển tiếp qua vệ tinh có những đặc điểm chính sau

đây:

- Vùng phủ sóng rộng lớn: vì từ quỹ đạo địa tĩnh có bán kính cách trái đấtkhoảng 36000km nên một vệ tinh địa tĩnh có thể phủ đợc 1/3 trái đất, nh vậy với

3 vệ tinh địa tĩnh, vùng phủ sóng có thể bao trùm toàn cầu trừ vùng cực

- Chịu tác động nhiều bởi môi trờng truyền lan: môi trờng truyền lan sóngtrong thông tin vệ tinh là một môi trờng chịu nhiều tạp âm, quãng đờng truyềnlan rất dài (khoảng 36000km) do đó sẽ chịu tác động từ nhiều yếu tố ví dụ nh:suy hao bởi hấp thụ khí quyển, suy hao không gian tự do, hấp thụ tầng điện ly

- Tính linh hoạt cao: hệ thống thông tin đợc thiết lập rất nhanh chóng trong

điều kiện các trạm mặt đất ở cách xa nhau về mặt địa lý, dung lợng có thể thay

đổi linh hoạt tùy theo yêu cầu sử dụng

- Không bị ngăn cản bởi địa hình tự nhiên: vệ tinh thông tin vợt trên các chớngngại của thiên nhiên nh đỉnh núi, thành phố, sa mạc, đại dơng

- Đa dạng về loại hình dịch vụ: nh

- Dịch vụ thoại, Fax

- Dịch vụ phát thanh truyền hình quảng bá

- Dịch vụ thông tin di động qua vệ tinh

- Dịch vụ VSAT, VISTA, đạo hàng, cứu hộ hàng hải

1.3 Cấu hình hệ thống thông tin vệ tinh

Hình 1.1 trình bày các thành phần khác nhau của một hệ thống thông tin vệtinh Nó bao gồm đoạn mặt đất và đoạn vũ trụ

1.3.1 Đoạn vũ trụ

Đoạn vũ trụ bao gồm vệ tinh và tất cả các phơng tiện trên mặt đất dùng để

điều khiển và giám sát vệ tinh Chúng bao gồm các trạm TT&C cùng với trungtâm điều khiển vệ tinh, trung tâm này thực hiện tất cả các hoạt động liên quan

đến việc kiểm tra và duy trì vệ tinh, ngoài ra còn có các thiết bị cung cấp nguồnlấy từ năng lợng mặt trời

đoạn vũ trụ

Trạm

điều khiển TCC&M

Các máy thu Các máy phát

đoạn mặt đất

Hình 1.1 : cấu hình hệ thống thông tin vệ tinh

và thu; các trạm khác thì chỉ là các máy thu, chẳng hạn trờng hợp các máy thudùng trong hệ thống truyền hình quảng bá qua vệ tinh

Các thành phần cơ bản của một trạm mặt đất gồm có:

- Anten thu phát trong các thiết bị điều khiển, bám vệ tinh

- Máy thu tạp âm thấp, các bộ điều chế, giải điều chế

điều chế thành trung tần, tín hiệu đã đợc điều chế sẽ đợc đổi lên cao tần nhờ bộ

đổi tần tuyến lên (Upconverter) rồi đợc khuyếch đại lên mức công suất cao nhờ

bộ HPA (High Power Amplifier ) và cuối cùng đợc phát lên vệ tinh qua antenphát trạm mặt đất.

 Tại đầu thu của vệ tinh, tín hiệu thu đợc lần lợt qua bộ khuyếch đại, qua đổitần, khuyếch đại công suất rồi phát xuống mặt đất nhờ anten phát trên vệ tinh

 Anten thu trạm mặt đất nhận tín hiệu phát từ vệ tinh, tín hiệu đợc qua bộkhuyếch đại tạp âm thấp LNA, tần số đợc hạ xuống trung tần nhờ bộDownconverter, sau đó sang bộ giải điều chế để khôi phục lại băng tần gốc nh ởtrạm mặt đất phát, tín hiệu băng gốc sẽ đợc tách luồng và đợc phân phối tới các

DM

ITMC

Downconverter

Demodulator LNA

Hình 1.2: hoạt động của hệ thống thông tin vệ tinh

Vệ tinh

anten anten

1.4 Các băng tần sử dụng trong thông tin vệ tinh

Các tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh nằm trong các dải tần siêu caoSHF (3 30GHz ) và dải tần cực cao EHF (30  300GHz ) Ngời ta thờng chianhỏ các dải tần số kể trên thành những băng tần nhỏ hơn nh trong bảng 1.1

Theo hội nghị vô tuyến quốc tế tổ chức năm 1979, các dịch vụ viễn thông vệ tinh toàn cầu đợc chia ra 3 vùng cơ bản:

- Vùng 1 bao gồm châu Âu, châu Phi, trung cận đông và các nớc thuộc Liên xôcũ

Băng này đợc sử dụng rộng rãi tiếp sau băng C cho viễn thông công cộng

Nó đợc a dùng hơn cho thông tin nội địa và thông tin giữa các công ty, do tần sốcao nên cho phép các trạm mặt đất sử dụng đợc những anten kích thớc nhỏ

1.5 Anten dùng trong thông tin vệ tinh

1.5.1 Các yêu cầu của anten dùng trong thông tin vệ tinh

Để có thể nhận đợc một tín hiệu rất yếu từ vệ tinh, yêu cầu anten sử dụngphải có các đặc tính sau:

- Hệ số tăng ích và hiệu suất cao

Mặc dù hệ số tăng ích của anten tỷ lệ thuận với diện tích của mặt phản xạanten, nhng ngời ta mong muốn anten phải có hiệu suất cao để với diện tíchanten nhỏ mà hệ số tăng ích lớn để có giá thành thấp và khai thác dễ dàng

- Tạp âm thấp: giảm tạp âm để đảm bảo G/T yêu cầu

1.5.2 Một số loại anten thờng sử dụng

- Anten parabol loại tiêu chuẩn

Đây là loại anten có cấu tạo đơn giản nhất và giá thành thấp nhất Nó đợc sửdụng chủ yếu ở các trạm thu và đặc biệt ở các trạm nhỏ với dung lợng thấp Các đặc tính về hệ số tăng ích và búp phụ không đợc tốt, một nhợc điểm khác là

bộ chiếu xạ đặt xa đỉnh gơng nên cáp đấu nối từ anten đến máy phát và máy thuquá dài gây suy hao lớn

- Anten Cassegrain

Với việc thêm vào một gơng phụ nhỏ hình Hypebol cùng với gơng phản xạchính Parabol, hệ số tăng ích đợc nâng cao và đặc tính búp phụ đợc cải thiệnchút ít Nó đợc sử dụng cho các trạm mặt đất quy mô trung bình Cải tiến quantrọng nhất ở anten cassegrain là bộ chiếu xạ đặt ở gần đỉnh gơng vì vậy cho phépkhai thác và lắp đặt dễ dàng

1.6.1 Các dạng quỹ đạo của vệ tinh

Có hai dạng quỹ đạo là quỹ đạo elip và quỹ đạo tròn

Quỹ đạo elip chỉ có một dạng quỹ đạo elip cao (HEO) mà điển hình là vệtinh Molniya của Liên xô (còn gọi là quỹ đạo Molniya), độ nghiêng của mặtphẳng quỹ đạo so với mặt phẳng xích đạo là 650, cận điểm là 1000km và viễn

điểm là 39400km, chu kỳ quỹ đạo là 14 giờ 38 phút

Dạng quỹ đạo tròn có thể có 3 loại: quỹ đạo thấp (LEO), quỹ đạo trung bình(MEO), quỹ đạo cao (HEO) hay quỹ đạo đồng bộ khi vệ tinh bay ở độ cao35780km, lúc đó chu kỳ bay của vệ tinh bằng chu kỳ tự quay của trái đất vàbằng 23 giờ 56 phút 01 giây Trong quỹ đạo tròn lại có thể chia ra:

Quỹ đạo cực tròn, mặt phẳng quỹ đạo vuông góc với mặt phẳng xích đạo, nghĩa là mỗi vòng bay của vệ tinh sẽ đi qua hai cực của quả đất

Quỹ đạo tròn nghiêng, khi mặt phẳng quỹ đạo nghiêng một góc nào đó sovới mặt phẳng xích đạo

Quỹ đạo xích đạo tròn, khi mặt phẳng quỹ đạo trùng với mặt phẳng xích đạo.Trong quỹ đạo xích đạo tròn nếu chiều bay của vệ tinh cùng với chiều bay củaquả đất và có chu kỳ bằng chu kỳ quay của quả đất thì đợc gọi là quỹ đạo địatĩnh (GEO)

Có thể tóm tắt các dạng quỹ đạo của vệ tinh bằng bảng 1.2

Tên quỹ đạo Đặc điểmQuỹ đạo elip cao(HEO) Vùng phủ sóng từ vĩ độ trung bình

đến vĩ độ cao với một ít vệ tinh

Quỹ đạo tròn

Quỹ đạo cực

và nghiêng

Vùng phủ sóng rộng toàn cầu nhngyêu cầu phải có nhiều vệ tinh

Quỹ đạo thấp(LEO)

Quỹ đạo trungbình (MEO)Quỹ đạo địatĩnh (GEO)

Phủ sóng toàn cầu với 3 vệ tinh

Bảng 1.2 Các loại quỹ đạo vệ tinh

Từ các dạng quỹ đạo nêu trên thì vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh sử dụng chothông tin là lý tởng nhất vì nó đứng yên khi quan sát từ một vị trí cố định trênmặt đất Nghĩa là thông tin sẽ đợc đảm bảo liên tục, ổn định trong 24 giờ đối vớicác trạm nằm trong vùng phủ sóng của vệ tinh mà không cần chuyển đổi quamột vệ tinh khác, bởi vậy hầu hết các hệ thống thông tin vệ tinh cố định đều sửdụng vệ tinh địa tĩnh

1.6.2 Sơ đồ khối vệ tinh thông tin

Vệ tinh viễn thông là thiết bị quan trọng nhất trong hệ thống thông tin vũ trụ,

nó thực chất là một trạm chuyển tiếp tích cực của tuyến thông tin siêu cao tầnmặt đất - vệ tinh - mặt đất nhng đợc đặt trên vũ trụ Bản thân vệ tinh có cấu trúcrất phức tạp bao gồm: các bộ phát đáp, anten, hệ thống đo xa, điều khiển độ cao

và quỹ đạo bay, nguồn,

Chức năng của một vệ tinh thông tin là thu tín hiệu, khuyếch đại và phát trởlại tín hiệu đó Nhiệm vụ này đợc thực hiện bởi phân hệ thông tin gồm các anten,các máy thu và các bộ khuyếch đại

Vệ tinh cũng có thể giải điều chế tín hiệu thu đợc ra băng tần cơ sở sau đó

điều chế lại theo cách khác để phát chúng trở lại trạm mặt đất thu với một tần sốthấp hơn

Hình 1.3 mô tả cấu trúc tổng quát của hệ thống viễn thông trên vệ tinh

Hình 1.3: sơ đồ khối vệ tinh thông tin

anten truyền lệnh và đo xa anten thông tin

1.6.3 Các hệ thống con của vệ tinh

- Các hệ thống thông tin

Hệ thống thông tin thực hiện chức năng chính của một vệ tinh thông tin Hệthống thông tin bao gồm: anten thu, bộ khuyếch đại tạp âm thấp (LNA), bộ đổitần, khuyếch đại công suất và anten phát Các anten có thể đợc tổ hợp, do đó mộtanten đợc dùng cho cả thu lẫn phát Khuyếch đại tạp âm thấp có thể dùng điôttunnel Bộ đổi tần biến đổi tần số đờng lên thành tần số đờng xuống bao gồm bộdao động và bộ trộn Thành phần chính của bộ khuyếch đại công suất là đènsóng chạy (TWT), ngoài ra hệ thống thông tin còn có thêm các bộ song công, bộlọc thu, bộ lọc phát, bộ cân bằng, bộ suy hao và các ma trận chuyển mạch

Một sơ đồ đơn giản đợc giới thiệu bao gồm một anten thu, một máy thu, một

bộ khuyếch đại công suất và một anten phát, nh trên hình 1.4

- Đo lờng từ xa, theo dõi và điều khiển (TT&C)

Chức năng chính của phân hệ này là: đo các tham số kỹ thuật, vị trí của vệtinh, xử lý kết quả đo, thông qua bộ điều khiển để điều chỉnh các tham số đúng

vị trí thiết kế Hệ thống điều khiển phát các lệnh cần thiết đến vệ tinh Việc theodõi vệ tinh đợc anten trạm mặt đất đảm nhiệm bằng việc đo khoảng cách từ mặt

đất tới vệ tinh, thực hiện bằng việc phát tín hiệu qua đờng điều khiển lên vệ tinh,máy phát đo xa của vệ tinh thu và phát lại tín hiệu đó đến trạm TT&C