Nhiễu trong thông tin vệ tinh, kết quả đo và một số giải pháp hạn chế nhiễu

Để đáp ứng nhu cầu rất lớn về dịch vụ thông tinh vệ tinh, số lượng quả vệ tinh trên quỹ đạo được phóng lên ngày càng nhiều, khoảng cách giữa các quả vệ tinh cũng bị thu hẹp từ khoảng các

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Bùi Ngọc Thạch

NHIỄU TRONG THÔNG TIN VỆ TINH, KẾT QUẢ ĐO

VÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP HẠN CHẾ NHIỄU

Ngành : Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành : Kỹ thuật vô tuyến và thông tin liên lạc

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS TRẦN MINH TUẤN

Hà Nội - 2008

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, lĩnh vực thông tin viễn thông có những bước tiến rất nhanh, đóng vai ngày càng quan trọng đối với sự phát triển của nền kinh tế Không nằm ngoài xu hướng đó, thông tin vệ tinh cũng không ngừng phát triển với các ứng dụng, dịch

vụ cho các ngành, lĩnh vực như: quân sự, viễn thông, khí tượng thủy văn, hàng hải, khác thác dầu, giáo dục, y tế, phát thanh, truyền hình đặc biệt là sự bùng nổ của truyền hình DTH Với nhu cầu ngày càng lớn, các công nghệ, kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin vệ tinh cũng được tìm hiểu nghiên cứu, ứng dụng vào thực tiễn rất nhiều

Để đáp ứng nhu cầu rất lớn về dịch vụ thông tinh vệ tinh, số lượng quả vệ tinh trên quỹ đạo được phóng lên ngày càng nhiều, khoảng cách giữa các quả vệ tinh cũng bị thu hẹp từ khoảng cách 40

, 20 trước đây, hiện nay tại một vị trí quỹ đạo có thể có vài quả vệ tinh, các dải tần vệ tinh C, Ku, Ka được sử dụng một cách tối đa, công nghệ phủ sóng spotbeam cũng được nhiều nhà khai thác vệ tinh sử dụng

Với việc khai thác tối đa nguồn tài nguyên thông tin vệ tinh, khả năng xuất hiện, gây nhiễu trong cùng hệ thống cũng như giữa các hệ thống càng dễ xảy ra Trong thông tin vệ tinh tác động, ảnh hưởng của nhiễu đến chất lượng dịch vụ rất lớn Các nguồn nhiễu như: nhiễu sóng mang lân cận, nhiễu vệ tinh lân cận, nhiễu do chính hệ thống của

khách hàng, nhiễu xuyên phân cực, nhiễu mặt trời và nhiều loại nhiễu khác

Vì vậy, việc tìm hiểu nghiên cứu về nhiễu trong thông tin vệ tinh là rất cần thiết, đặc biệt hiện nay nước ta đã phóng vệ tinh VINASAT-1 và sẽ phóng thêm những quả vệ tinh khác trong tương lai

Với các yêu cầu đó đề tài “Nhiễu trong thông tin vệ tinh, kết quả đo và một số

giải pháp hạn chế nhiễu” được lựa chọn để nghiên cứu, phân tích ứng dụng thực tế, làm

cơ sở xây dựng nên các quy trình xử lý nhiễu, nó rất hữu ích đối với những người khai thác và khách hàng sử dụng dịch vụ thông tin vệ tinh

Nội dung luận văn này gồm có 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về thông tin vệ tinh

Trình bày về ứng dụng, dịch vụ, công nghệ, kỹ thuật và một số vấn đề của thông tin vệ tinh

Chương 2: Nhiễu trong hệ thống thông tin vệ tinh

Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống, các tham số đánh giá

chất lượng hệ thống và một số phương pháp tính nhiễu

Chương 3: Nhiễu trong thông tin vệ tinh các kết quả đo và giải pháp hạn chế nhiễu

Đưa ra các thông tin chung về các nguồn nhiễu, loại nhiễu, các con số thống kê về nguyên nhân gây nhiễu Sau đó, với mỗi loại nhiễu được mô tả, đánh giá ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ, phân tích nguyên nhân và đưa ra biện pháp hạn chế khắc phục, có sử dụng kết quả đo để minh họa

Tính toán công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của mỗi sóng mang khi phát một, nhiều sóng mang trên một bộ phát đáp Tính toán công suất trạm mặt đất khi phát

bão hòa bộ phát đáp

Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp, tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS.Trần Minh Tuấn và các thầy cô giáo Khoa Điện tử Viễn thông - Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội và các đồng nghiệp của mình Vì đây là một lĩnh vực khó nên các nội dung không tránh khỏi còn hạn chế và thiếu sót

Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến, phê bình của các thầy cô giáo cũng như các đồng nghiệp để có thể bổ sung vào nội dung của luận văn này

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH

1.1 Giới thiệu chung về thông tin vệ tinh

1.1.1 Giới thiệu chung:

Trong những năm trở lại đây, thông tin vệ tinh đó có những phát triển vượt bậc, việc sử dụng những kỹ thuật mới làm cho các dịch vụ của thông tin vệ tinh trở thành một dịch vụ phổ thông trên khắp thế giới Hàng ngày hai hệ thống thông tin vệ tinh toàn cầu lớn là Intelsat và Intersputnyk bay vũng quanh trái đất cung cấp hàng ngàn kênh thoại cố định nối hàng trăm quốc gia với nhau Ngoài ra cũng có các vệ tinh khu vực như Aussat, Eusat, Arbsat… cung cấp các dịch vụ thoại cố định, phát thanh truyền hình, truyền số liệu, đảm bảo thông tin dẫn đường cho hàng không, cứu hộ hàng hải, thăm dò tài nguyên bằng hệ thống vệ tinh tầm thấp, các chương trình đào tạo giáo dục từ xa… Tóm lại, ngày nay thông tin vệ tinh có mặt hầu hết trong mọi lĩnh vực về viễn thông Thông tin vệ tinh

là thông tin giữa các trạm mặt đất nhờ trạm lặp là trạm vệ tinh và là một trong ba loại thông tin vụ tuyến vũ trụ để phân biệt với hai loại thông tin vụ tuyến vũ trụ khác là thông tin giữa một trạm mặt đất với một trạm vũ trụ hay thông tin giữa hai trạm vũ trụ với nhau

Intelsat là một tổ chức viễn thông quốc tế hoạt động phi lợi nhuận do hơn một trăm nước thành viên góp vốn Mạng thông tin vệ tinh do Intelsat cung cấp ngày nay đang là mạng vệ tinh lớn nhất thế giới, cung cấp hơn 2/3 tổng số kênh liên lạc quốc tế toàn cầu Intersputnyk có mạng vệ tinh cho hơn chục nước tham gia vào mạng thông tin liên lạc cố định và phủ sóng phát thanh truyền hình

1.1.2 Đặc điểm của thông tin vệ tinh:

- Vùng phủ sóng lớn: Từ quĩ đạo địa tĩnh cách trái đất khoảng 37000 km vệ tinh có thể nhìn thấy 1/3 trái đất, như vậy chỉ cần 3 vệ tinh trên quĩ đạo là có thể phủ sóng toàn cầu

- Dung lượng thông tin lớn: Với băng tần cung cấp rộng và sử dụng kỹ thuật tái sử dụng băng tần, hệ thống thông tin vệ tinh cho phép đạt được dung lượng thông tin rất cao

- Độ tin cậy cao: Do tuyến thông tin vệ tinh chỉ có 3 trạm (2 trạm mặt đất đầu cuối thông tin và trạm lặp vệ tinh) nên xác suất hư háng trên tuyến rất nhỏ

- Tính linh hoạt cao

- Đa dạng về loại hình dịch vụ

1.2 Cấu trúc của tuyến liên lạc vệ tinh:

1.2.1 Các thiết bị trong tuyến liên lạc thông tin vệ tinh:

Không giống như trong các hệ thống thông tin khác là thông tin giữa các phần tử trên mặt đất, mà tuyến thông tin trong thông tin vệ tinh là tuyến liên lạc giữa một phần tử trên mặt đất và một phần tử trong không gian vũ trụ là vệ tinh nên trong tuyến liên lạc thông tin vệ tinh bao gồm hai phần là phần không gian và phần mặt đất

Các phần không gian và mặt đất được xem xét kỹ thuật dưới đây:

- Phần không gian bao gồm vệ tinh, các thiết bị trên vệ tinh, thiết bị điều khiển đo

xa, các thiết bị cung cấp nguồn

- Phần mặt đất cũng gọi là các trạm mặt đất bao gồm anten thu phát và các thiết bị điều khiển bám vệ tinh, ống dẫn sóng các bộ chia cao tần và ghép công suất, máy thu tạp

âm thấp và các bộ giải điều chế, các bộ đổi tần lên xuống, các bộ khuếch đại công suất lớn và các bộ điều chế

1.2.2 Tuyến liên lạc qua hệ thống thông tin vệ tinh:

- Tại trạm phát: Các tín hiệu có băng tần cơ bản được điều chế thành trung tần, sau

đó được đổi lên cao tần nhờ bộ đổi tần tuyến lên UC (Up Converter) rồi được khuếch đại lên mức công suất cao nhờ bộ khuếch đại công suất lớn HPA (High Power Amplifier) và được phát lên vệ tinh qua anten phát

- Tại trạm thu: Tín hiệu cao tần phát từ vệ tinh được thu bởi anten thu qua bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier) và được đổi xuống trung tần nhờ bộ

đổi tần xuống DC (Down Converter), sau đó qua bộ giải điều chế để khắc phục lại băng tần cơ bản giống bên phát

1.3 Các vấn đề trong truyền sóng:

1.3.1 Tần số công tác của thông tin vệ tinh:

Sóng điện từ có dải rộng được dùng trong thông tin vệ tinh tuỳ vào sự khác nhau

về mục đích sử dụng Sóng có tần số cao dễ bị hấp thụ và tiêu hao trong tầng khí quyển, trong sương mù và đặc biệt là mưa Sóng tần thấp lại bị yếu đi nhiều khi đi qua nhiều tầng điện ly do bị hấp thụ hay bị phản xạ Uỷ ban tư vấn quốc tế về vô tuyến CCIR khuyến nghị dải tần làm việc trong thông tin vệ tinh là 1 GHz- 10 GHz, đó là dải tần thực

tế nhất trong thông tin vệ tinh và nó được gọi là “cửa sổ vô tuyến”

Các băng tần được sử dụng: Hiện nay thông tin vệ tinh sử dụng chủ hai băng tần C

và Ku với tần số cho tuyến lên và tuyến xuống là 4/6 cho băng tần C và 11/14 cho băng tần Ku, ngoài ra hiện nay băng tần 30/20 cũng mới được đưa vào sử dụng (tần số tính bằng đơn vị GHz)

D/C LNA

MOD

Hình 1.1: Đường liên lạc thông tin vệ tinh

Độ rộng băng tần của thông tin vệ tinh là 500 MHz và nó được chia ra thành các băng tần nhỏ hơn 36 MHz hoặc 70 MHz

Tuy vậy để nâng cao giá trị hiệu dụng của băng tần nhằm tăng dung lượng thông tin người ta đó sử dụng kỹ thuật sử dụng lại băng tần cho phép nâng băng tần hiệu dụng lên tới 2590 MHz Các kỹ thuật sử dụng lại băng tần thường được sử dụng gồm có:

- Tái sử dụng băng tần bằng cách chọn phân cực: Các băng tần giống nhau được phát xạ do các anten thông qua các bộ phát đáp khác nhau sử dụng phân cực trực giao của sóng điện từ

- Trong thông tin vệ tinh sóng điện từ phân cực theo hai loại tròn và tuyến tính để truyền đi trong không gian, và để thu được những sóng điện từ đó thì anten thu cũng phải

có phân cực tương ứng Anten có thu phân cực tuyến tính thu được với mức lớn nhất sóng điện từ cùng phân cực nếu góc nghiêng sóng điện từ và anten trong không gian là như nhau

- Tái sử dụng băng tần bằng cách phân biệt các chùm tia phát xạ từ anten Các băng tần giống nhau được phát đi bằng các anten trên vệ tinh dùng các bộ phát đáp khác nhau

có các chùm tia thu và các chùm tia phát không trùng lên nhau

1.3.2 Phân định tần số trong thông tin vệ tinh:

Việc phân định tần số được thực hiện theo Điều lệ vô tuyến điện ở mỗi khu vực của ITU Có ba khu vực của ITU; Nhật Bản nằm ở khu vực 3:

Khu vực 1: Châu Âu, Châu Phi, Liên bang Xô Viết cũ và các nước Đông Âu Khu vực 2: Các nước Nam và Bắc Mỹ

Khu vực 3: Châu Á và châu Đại dương

Tuy nhiên do có sự khác nhau giữa các khu vực đối với dịch vô thông tin vệ tinh nên phân định tần số cho ba khu vực này thường được tiến hành với một vài ngoại lệ

Bảng 1.1 Tần phân loại sóng vô tuyến điện:

Tần số Dải tần số Tần băng tần Phân loại

theo bước sóng

Sử dụng chủ yếu trong

1 30-300Hz Tần số cực kỳ

thấp (VLF)

Sử dụng trong vật lý

Chưa được phân định

2 300Hz-3KHz Tần số cực

thấp (EHF)

thấp (VLF)

Sóng Mm (chục nghìn m)

Vô tuyến hàng hải,thông tin di động hàng hải

4 300-3000KHz Tần số thấp

Thông tin di động hàng không Vô tuyến hàng hải

bình (MF)

Sóng Hectomet (cỡ trăm m)

Phát thanh Thông tin hàng hải Thông tin quốc tế

(HF)

Sóng decamet (cỡ chục m)

Phát thanh sóng ngắn Các loại thông tin di động Các loại thông tin cố định

7 300-3000MHz Tần số rất cao

Phát thanh FM và truyền hình

Các loại thông tin di động

cao (UHF) Sóng dm

Truyền hình Các loại thông tin di động Các loại thông tin cố định

9 30-300 GHz Tần số siêu

cao (SHF) Sóng cm

Thông tin vệ tinh và rada

Viễn thông công cộng

Vô tuyến thiên văn

10 30-300 GHz Tần số vô

cùng cao (DHF)

Sóng mm

Vô tuyến thiên văn Rada sóng mm Nghiên cứu và thử nghiệm

decimilimet Chưa được phân định

1.3.3 Tần số sử dụng cho thông tin vệ tinh cố định:

Việc phân định tần số cho các dịch vô thông tin vệ tinh cố định nghĩa là vệ tinh các điểm cố định Trong này tần các băng tần như L, S và C được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước, bao gồm cả Nhật và Mỹ, đó là tần phổ thông không được quốc tế công nhận

Phân định tần số cho dịch vô thông tin vệ tinh cố định

Tần các tần số:

X: 8.0 – 12.4 GHz

Nằm ở khoảng giữa cửa sổ tần số, băng tần này chỉ suy hao ít do mưa và trước đây

đó được sử dụng cho hệ thống Viba dưới mặt đất; do đó sự phát triển của thiết bị đó ở mức tiên tiến, nó được 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 này được sử dụng rộng rãi tiếp sau băng C cho viễn thông công cộng Nó được ưu tiên dùng hơn trong thông tin nội địa và thông tin giữa các công ty, do tần số cao

nên cho phép trạm mặt đất sử dụng được những Anten kích thước nhỏ

Băng Ka lần đầu tiên được sử dụng cho một đường thông tin thương mại qua vệ tinh thông tin “SAKURA” của Nhật Ưu điểm của thông tin vệ tinh sử dụng băng tần này

là cho phép sử dụng các trạm mặt đất nhỏ Mặt khác nó cũng có những nhược điểm là giá thành thiết bị tương đối cao để khắc phục suy hao lớn do mưa Ở Nhật khi sử dụng băng

C và Ku vì hai băng tần này dễ gây nhiễu cho hệ thống viba đặt ở các vùng khác nhau trên nước Nhật Băng Ka 30/20 GHz có một ưu điểm là không gây nhiễu với các hệ thống viba đó được sử dụng

Bảng 1.2 Các băng tần sử dụng cho thông tin vệ tinh

Băng tần Tần thông dụng Đặc tính và ứng dụng

6/4 GHz Băng C Phù hợp nhất cho thông tin vệ tinh

Dùng cho thông tin quốc tế và nội địa

14/12 GHz Băng Ku Bị suy hao do mưa

Sử dụng cho thông tin quốc tế và nội địa

30/20 GHz Băng Ka Bị suy hao nhiều do mưa

Sử dụng cho thông tin nội địa

1.3.4 Phân cực sóng:

Trường điện từ của một sóng vô tuyến điện khi đi trong một môi trường (như là khí quyển) dao động theo một hướng nhất định Phân cực là hướng dao động của điện trường

Có hai loại phân cực sóng vô tuyến điện được sử dụng trong thông tin vệ tinh:

sóng phân cực thẳng và sóng phân cực tròn

Một sóng phân cực thẳng có thể tạo ra bằng cách dẫn các tín hiệu từ một ống dẫn sóng chữ nhật đến anten loa Nhờ đó, sóng được bức xạ theo kiểu phân cực thẳng đứng song song với cạnh đứng của anten loa Để thu được sóng này anten thu cũng cần được bố trí giống tư thế của anten phía phát

Khi đặt nó vuông góc, thì không thể thu được sóng này ngay cả khi sóng đi vào ống dẫn sóng vì nó không được nối với đường cáp đồng trục Mặc dù sóng phân cực thẳng thì dễ dàng tạo ra, nhưng cần phải điều chỉnh hướng của ống dẫn sóng anten thu sao cho song song với mặt phẳng phân cực của sóng đến

Sóng phân cực tròn là sóng khi truyền lan phân cực của nó quay tròn Có thể tạo ra loại sóng này bằng cách kết hợp hai sóng phân cực thẳng có phân cực vuông góc với

nhau và góc lệch pha là 900 Sóng phân cực tròn là sóng phân cực phải hay trái phụ thuộc vào sự khác pha giữa các sóng phân cực thẳng và sớm pha hay chậm pha

Phân cực quay theo chiều kim đồng hồ hay ngược chiều kim đồng hồ với tần số bằng tần số sóng mang Đối với sóng phân cực tròn mặc dầu không cần điều chỉnh hướng của loa thu, nhưng mạch fiđơ của anten trở nên phức tạp hơn đôi chút

1.3.5 Tạp âm:

Tạp âm được hiểu là tín hiệu không mong muốn có trong luồng tín hiệu thu về, tạp

âm làm giảm chất lượng thông tin, ví dụ như tạp âm làm giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N, hoặc làm giảm tỷ số sóng mang trên tạp âm, tăng tín hiệu lỗi bit đường truyền Trên thực tế đối với các hệ thống tin khác thì tạp âm thường rất nhỏ so với tín hiệu hữu ích, nhưng trên tuyến thông tin vệ tinh, tín hiệu hữu ích thu được thường rất nhỏ, trong khi đó tạp âm thì lại rất lớn do khoảng cách truyền của thông tin rất dài (khoảng cách 37000 km) Tạp âm cũng được góp nhặt bởi anten từ môi trường truyền sóng, suy hao do mưa Tín hiệu thu về xem như bị chỡm trong tạp âm Vì thế nghiên cứu tạp âm là một vấn đề rất quan trọng không thể thiếu trong thông tin vệ tinh

Tạp âm vũ trụ:

Tạp âm vũ trụ hình thành do nhiễu bức xạ cao tần từ các dải ngân hà, phát xạ của mặt trăng, tác động mạnh ở dải tần dưới 10 GHz

Tạp âm khí quyển:

Ô xy, ni tơ, hơi nước, sương mù, có trong khí quyển hấp thụ năng lượng sóng điện từ có tần số xấp xỉ bằng tần số dao động của các phần tử khí nói trên khi sóng điện

từ truyền qua nó, chính sự hấp thụ này làm cho sóng điện từ bị suy yếu đi và tạp âm cũng sinh ra từ đó Trong thông tin vệ tinh dải tần từ 1 đến 10 GHz khi góc ngẩng của anten dưới 5o thì mức suy hao do ảnh hưởng tầng đối lưu sẽ nhỏ hơn 1,5 dB Suy hao do mây

mù vào khoảng 1 dB trong dải tần 4-6 GHz (băng C) và suy hao khoảng 3 dB trong dải tần 7 GHz và nhỏ hơn 6 dB ở dải tần 10 GHz