Cơ sở lý thuyết và tính toán đường truyền qua vệ tinh vinasat 1

GIỚI THIỆU CHUNG Muốn tính toán được tuyến truyền dẫn qua vệ tinh VINASAT-1 ta phải tìm hiểu về hoạt động của hệ thống thông tin vệ tinh đó là quá trình truyền dẫn của sóng vô tuyến giữ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

*********

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Đề tài: Cơ sở lý thuyết và tính toán đường

truyền qua vệ tinh VINASAT-1

Nghành: Kỹ thuật điện tử

Mã số:

NÔNG KIM NGÂN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN XUÂN DŨNG

Hà Nội - 2009

MỞ ĐẦU

Vệ tinh VINASAT-1 là vệ tinh đầu tiên của Việt Nam đã được phóng lên quỹ đạo vào ngày 19/04/2008 Tám ngày sau khi phóng, vệ tinh VINASAT-1 đã được đưa vào quỹ đạo 132oE và hoạt động ổn định từ đó cho tới nay VINASAT-1 là vệ tinh địa tĩnh nằm cách mặt đất gần 36.000Km, ngay trên bầu trời nước ta Việc phóng thành công vệ tinh VINASAT-1, Việt Nam đã trở thành nước thứ 93 trên thế giới và nước thứ 6 tại Đông Nam Á có

vệ tinh riêng bay vào quỹ đạo

Sự kiện phóng vệ tinh VINASAT-1 có ý nghĩa đặc biệt quan trọng khẳng định chủ quyền quốc gia của Việt Nam trên quỹ đạo không gian, đồng thời nâng cao hình ảnh, uy tín của Việt Nam nói chung và Viễn thông Công nghệ thông tin Việt Nam nói riêng VINASAT-1 phủ sóng toàn bộ lãnh thổ Việt Nam, Lào, Campuchia, Thái Lan, một phần của Myanma, Ấn Độ, Nhật Bản và Úc

VINASAT-1 đi vào hoạt động đã làm hoàn thiện cơ sở hạ tầng Thông tin liên lạc của quốc gia, cung cấp dịch vụ ứng dụng như: dịch vụ truyền dữ liệu, truyền hình quảng bá, dịch vụ điện thoại, fax và internet thích hợp cho

cả vùng sâu vùng xa, dịch vụ thu phát hình lưu động, dịch vụ trung kế mạng

di động, truyền hình hội nghị, đảm bảo an ninh quốc phòng… Đặc biệt cung cấp đường truyền thông tin cho các trường hợp khẩn cấp như thiên tai, bão lụt, đường truyền cho các nơi vùng sâu, vùng xa, hải đảo mà các phương tiện truyền dẫn khác khó vươn tới được

Trong luận văn này tôi xin đi vào nghiên cứu tổng quan về các phân hệ

cơ bản của Vệ tinh VINASAT-1 và k để ứng dụng phân tích, tính toán đường truyền cho sóng mang số qua vệ tinh VINASAT-1

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Nông Kim Ngân, học viên lớp cao học Điện tử- Viễn thông, khoá 2007 – 2009, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tôi xin cam đoan nội dung bản luận văn hoàn toàn là kết quả tìm hiểu, nghiên cứu của bản thân tôi trên cơ sở hướng dẫn khoa học của TS.Nguyễn Xuân Dũng, giảng viên khoa Điện tử -Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội Trong luận văn tôi có tham khảo một số tài liệu trong và ngoài nước và

có liệt kê đầy đủ trong mục tài liệu tham khảo Luận văn không sao chép từ bất kỳ nguồn tài liệu nào

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm đối với bản luận văn của mình

BẢNG DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

VIẾT TẮT TIẾNG ANH

GEO Geostationary Earth Orbit

Tx Transmitter

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Phân bố tần số băng Ku 11 Bảng 1.2: Phân bố tần số băng C 12 Bảng 2.1: Suy hao khí quyển theo tần số 36 Bảng 2.2: Bảng G/T, SFD, EIRP trên băng C-phân cực dọc của vệ tinh VINASAT-1

45

Bảng 3.3: Bảng G/T, SFD và EIRP trên băng C-phân cực ngang của vệ tinh

VINASAT-1 49

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VỆ TINH VINASAT-1 VÀ KỸ

THUẬT TRẠM MẶT ĐẤT

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Muốn tính toán được tuyến truyền dẫn qua vệ tinh VINASAT-1 ta phải tìm hiểu về hoạt động của hệ thống thông tin vệ tinh đó là quá trình truyền dẫn của sóng vô tuyến giữa hai trạm mặt đất, một trạm là trạm phát và một trạm là trạm thu thông qua vệ tinh VINASAT-1 như hình vẽ 1.1

Hình 1.1: Quá trình truyền sóng vô tuyến qua vệ tinh VINASAT-1

Hoạt động của hệ thống thông tin vệ tinh có thể được tóm tắt: Tại đầu phát trạm mặt đất, tín hiệu băng tần cơ bản BB (BaseBand) như: tín hiệu thoại, video, telex, fax… được điều chế lên thành trung tần IF (Intermediate Frequency) sau đó được đổi lên thành cao tần RF (Radio Frequency) nhờ bộ đổi tần tuyến lên U/C (Up Converter), rồi được bộ khuếch đại công suất HPA (High Power Amplifier) khuếch đại lên mức công suất cao và đưa ra ănten phát lên vệ tinh

Tín hiệu cao tần từ trạm mặt đất phát truyền dẫn qua không gian tự do tới anten thu của vệ tinh đi vào bộ khuếch đại, sau đó được đổi tần, khuếch đại công suất rồi phát xuống trạm mặt đất thu qua anten phát

Tại trạm thu mặt đất, sóng phát từ vệ tinh truyền dẫn qua không gian tự

do tới anten thu rồi đưa qua bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier), tần số siêu cao RF được biến đổi thành trung tần IF nhờ bộ đổi tần xuống D/C (Down Converter), sau đó đưa sang bộ giải điều chế DEMO(Demodulator) để phục hồi lại tín hiệu như lối vào trạm mặt đất

1.2 THÔNG SỐ KỸ THUẬT CƠ BẢN CỦA VỆ TINH VINASAT-1

Vệ tinh VINASAT-1 được đặt ở quỹ đạo địa tĩnh tại kinh tuyến 1320E, cách trái đất 35768 Km Vệ tinh cao 4m, trọng lượng khô khoảng hơn 2.7 tấn Tuổi thọ theo thiết kế tối thiểu 15 năm và có thể kéo dài thêm một vài năm tùy thuộc vào mức độ tiêu hao nhiên liệu Độ ổn định vị trí kinh độ và vĩ độ là +/- 0,05 độ Thiết kế vệ tinh VINASAT-1 đảm bảo các yêu cầu chất lượng khi

vệ tinh hoạt động trong môi trường bức xạ thực tế trên quỹ đạo trong suốt tuổi thọ của vệ tinh

Vệ tinh VINASAT-1 thực chất là một trạm phát lặp tích cực trên tuyến thông tin siêu cao tần: Trạm phát mặt đất – vệ tinh VINASAT-1 – Trạm mặt đất thu, cấu trúc gồm có hai phần chính là:

9 Tải hữu ích (Payload)

9 phần thân (Bus)

1.2.1 Tải hữu ích

1.2.1.1 Tổng quan phân hệ tải tin

Đây là bộ phận quan trọng nhất trực tiếp cung cấp dịch vụ cho hệ thống thông tin vệ tinh của cúng ta Phần tải của vệ tinh được thiết kế để hoạt động

ở hai băng tần là băng Ku và băng C mở rộng Phân hệ tải ở băng Ku có vùng phủ sóng ở cả hướng thu và phát là Việt Nam, Lào, Campuchia, Thái Lan và một phần Myanma Phân hệ tải băng C được thiết kế có vùng phủ sóng cả hướng thu và phát là Việt Nam, Lào, Campuchia, Đông Nam Á, Ấn Độ, Nhật Bản và Úc

Phân hệ tải của VINASAT-1 cung cấp 12 kênh băng Ku có độ rộng mỗi kênh là 36MHz và 12 kênh băng C trong đó có 10 kênh có độ rộng là 36MHz và 2 kênh có độ rộng là 72MHz Tải tin băng Ku sử dụng 12 trong số

16 bộ khuếch đại đèn sóng chạy tuyến tính hóa có công suất là 108 W LTWTA và tải tin băng C sử dụng 8 trong số 11 bộ LTWTA công suất 68W

để thực hiện 3 kênh thứ cấp Nhưng tại thời điểm chúng ta chỉ có thể sử dụng tối đa là 11 kênh của băng C

Thiết bị trên băng Ku làm việc ở tần số hướng lên là (13,75 ÷ 14,0) GHz và (14,25 ÷ 14,5) GHz và tần số hướng xuống là (10,95 ÷ 11,2) GHz và (11,45 ÷ 11,7) GHz Thiết bị trên băng C làm việc tại tần số hướng lên là (6425 ÷ 6725)GHz và tần số hướng xuống là (3400 ÷3700) MHz Các phân

bổ tần số được biểu diễn bằng hình ảnh như trong hình 1.2, hình 1.3 và được biểu diễn dưới dạng bảng 1.1 và bảng 1.2:

Hình 1.2: Giản đồ phân bố tần số băng Ku

Hình 1.3: Giản đồ phân bố tần số băng C

Bảng 1.1: Phân bố tần số băng Ku

Bảng 1.2: Phân bố tần số băng C Hoạt động của băng tần

9 Hoạt động của băng Ku:

Tải tin băng Ku sử dụng bề mặt phái sau của hai khối gương phản xạ dạng lưới kép, phủ sóng Việt Nam, Lào, Campuchia, và một phần Myanma Hướng phát là toàn bộ khoảng tần số từ (10,95 ÷ 11,7) GHz và hướng thu là toàn bộ khoảng tần số từ (13,75 ÷ 14,5) GHz

Đặc tính của các anten thu và phát được xác định bởi: Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) và hệ số phẩm chất của trạm thu (G/T) thu được tại các city (các điểm phủ sóng cụ thể) bên trong các đa giác phủ sóng xác định (polygon) trên toàn vùng phủ sóng Vùng phủ sóng băng Ku được hiển thị trên hình 1.4 và hình 1.5

Hình 1.4: Vùng phủ sóng băng Ku

Hình 1.5: Vùng bao phủ các thành phố trên băng Ku

9 Hoạt động của băng C:

Tải tin băng C sử dụng bề mặt phía trên của hai khối gương phản xạ dạng lưới kép, vùng phủ sóng bao gồm: Việt Nam, Lào, Campuchia, Đông Nam Á, Ấn Độ, Nhật bản và Úc Hướng phát là toàn bộ khoảng tần số từ (3.400 ÷ 3.700) GHz, hướng thu là toàn bộ khoảng tần số từ (6.425 ÷ 6.725) GHz

Đặc tính của anten thu và phát được xác định bởi: Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) và hệ số phẩm chất của trạm thu (G/T) thu được tại các thành phố (các điểm phủ sóng cụ thể) bên trong các polygon trên

toàn vùng phủ sóng Vùng phủ sóng của băng C được hiển thị trên hình 1.6 và hình 1.7:

Hình 1.6: Vùng phủ sóng của băng C

Hình 1.7: Vùng phủ sóng các thành phố của băng C

1.2.2 Phần thân (BUS)

Phần thân không tham gia trực tiếp vào quá trình phát lặp của hệ thống thông tin vệ tinh nhưng nó đảm bảo các điều kiện yêu cầu cho tải hữu ích thực hiện chức năng của một trạm phát lặp Phần thân được chia thành sáu phân hệ con: phân hệ CT&R (Command, Telemetry and Ranging - CT&R); phân hệ GN&C (Guidance, Navigation and Control - GN&C); phân hệ điều khiển đường bay FSW (Flight Software); phân hệ nguồn cho vệ tinh EPS (Electrical Power Subsytem); phân hệ đẩy PSS (Propulsion Subsystem); phân hệ quản lý nhiệt TCS (Thermal Control Subsystem)

1.2.2.1 Phân hệ CT&R (Command, Telemetry and Ranging)

CT&R cung cấp cho vệ tinh khả năng nhận, đánh giá, xác thực, phân phối và vận hành lệnh uplink Hơn nữa, để cung cấp thông tin tin cậy trong suốt chu trình vận hành, CT&R sử dụng anten omni cùng các horn CMD và TLM chuyển tiếp Trong quỹ đạo hoạt động, các lệnh S/C được nhận ở các anten thông tin của băng C ở phía tây, và các horn TLM được dùng cho S/C TLM chuyển tiếp để cung cấp S/C TLM cho mặt đất

1.2.2.2 Phân hệ GN&C (Guidance, Navigation and Control)

- Xác định tư thế của vệ tinh trong không gian

- Điều khiển tư thế của vệ tinh hướng đến vùng dịch vụ

- Thực hiện các quá trình maneuver để giữ vệ tinh trong vùng kinh độ

và vĩ độ cho phép

- Duy trì việc định hướng trong các quá trình maneuver

- Khôi phục tư thế hoạt động từ bất kỳ tư thế nào

Phân hệ GN&C điều khiển tư thế của vệ tinh tới hướng mong muốn và duy trì quỹ đạo trong vùng kinh độ và vĩ độ cho phép đã được xác định

1.2.2.3 Phân hệ đẩy PSS (propulsion Subsystem)

Chức năng của phân hệ đẩy PSS là giúp cho vệ tinh chuyển động sau khi được tách khỏi thiết bị phóng Nó bao gồm tạo các điều chỉnh tư thế, chuyển từ trạng thái ở quỹ đạo chuyển tiếp sang quỹ đạo hoạt động, và các Maneuver thực hiện việc giữ trạm

Maneuver là quá trình thực hiện điều chỉnh quỹ đạo của vệ tinh Có hai quá trình Maneuver được thực hiện định kỳ hàng tuần là:

• North-South: Điều chỉnh độ nghiêng của quỹ đạo vệ tinh

• East-West: Điều chỉnh trôi kinh độ của vệ tinh và độ lệch tâm của quỹ đạo

1.2.2.4 Phân hệ quản lý nhiệt TCS (Thermal Control Subsystem)

TCS chứa tất cả các phần tử của vệ tinh được kết hợp với việc duy trì các cấu trúc và thiết bị vệ tinh bên trong một dải nhiệt độ được điều khiển trong suốt quá trình nhiệm vụ như: Trước khi phóng, trong quá trình phóng cho tới khi vệ tinh hoạt động trong quỹ đạo địa tĩnh Phân hệ quản lý nhiệt của

vệ tinh được thiết kế nhằm duy trì tất cả các thành phần và thiết bị của vệ tinh trong khoảng nhiệt độ nhất định, khoảng nhiệt độ này hẹp hơn ít nhất khoảng

200C so với dải nhiệt độ tiêu chuẩn của thiết bị (thấp hơn 10oC so với nhiệt độ lớn nhất và cao hơn 10oC so với nhiệt độ thấp nhất của dải nhiệt độ tiêu chuẩn) Khoảng nhiệt độ tiêu chuẩn được định nghĩa là khoảng nhiệt độ mà tại

đó mỗi thành phần của thiết bị đã được kiểm nghiệm và chứng nhận hoạt động

an toàn, thỏa mãn tất cả các yêu cầu của phân hệ Trong suốt thời gian thực hiện maneuver, phân hệ quản lý nhiệt được phép duy trì các thiết bị tại nhiệt

độ cao hơn ngưỡng cho phép, cụ thể là thấp hơn 50C so với ngưỡng trên của nhiệt độ tiêu chuẩn Các thiết bị không hoạt động được duy trì trong khoảng giới hạn nhiệt độ dành cho chế độ không hoạt động Các thiết bị không hoạt động khi được kích hoạt sẽ ở nhiệt độ cao hơn so với nhiệt độ thấp nhất khi hoạt động Hình 1.8 chỉ rõ mối quan hệ giữa nhiệt độ hoạt động, khoảng giới hạn cho phép và khoảng giới hạn tiêu chuẩn

Hình 1.8: Giới hạn các khoảng nhiệt độ trong quá trình điều khiển vệ

tinh 1.2.2.5 Phân hệ nguồn cho vệ tinh (Electrical Power Subsytem – EPS)

EPS có chức năng phát, lưu trữ, điều hòa và phân phối nguồn điện được yêu cầu bởi các tải khác nhau trên vệ tinh trong suốt quá trình hoạt động 15 năm ở vị trí quỹ đạo 1320 đông Các chức năng này được thực hiện trên toàn

bộ các BUS trong tất cả điều kiện môi trường cụ thể (sự che khuất của mặt trời/mặt trăng, sự giảm sút nguồn năng lượng mặt trời, trạng thái nhiệt độ, EMI,…)

EPS được thiết kế, chế tạo và kiểm tra để đáp ứng các yêu cầu năng lượng cụ thể của VINASAT-1, hỗ trợ cho:

- 12 đèn TWT băng Ku hoạt động ở trạng thái bão hòa từ lúc bắt đầu hoạt động cho đến khi kết thúc

- 8 đèn TWT băng C hoạt động ở trạng thái bão hòa từ lúc bắt đầu hoạt động cho đến khi kết thúc

Thông thường hoạt động của EPS trên quỹ đạo là hoàn toàn tự động Tất cả các chức năng tự động có thể điều khiển từ mặt đất

1.2.2.6 Phân hệ điều khiển đường bay (Flight Software-FSW)

Tư thế bay của vệ tinh liên quan đến việc định hướng không gian, phần lớn các thiết bị mang trên tàu vũ trụ là nhằm hỗ trợ cho việc điều khiển tư thế bay của vệ tinh Tư thế bay của vệ tinh có thể bị thay đổi do ảnh hưởng bởi trường hấp dẫn của trái đất, của mặt trăng, các bức xạ mặt trời và sự va chạm các thiên thạch Việc điều khiển tư thế vệ tinh cần phải biết các thông số của việc định hướng vệ tinh trong không gian và một vài chiều hướng dịch chuyển Để phát hiện những sai lệch tư thế người ta dùng một hệ thống các bộ cảm biến (sensor) như: cảm biến trái đất (theo bức xạ hồng ngoại, sóng vô tuyến điện), cảm biến mặt trời (theo ánh sáng), con quay hồi chuyển (phát hiện những thay đổi so với hướng quán tính của trục quay) Bất kỳ sự sai lệch

tư thế nào đều được phát hiện bởi các bộ cảm biến và tín hiệu điều khiển được chuyển đến hệ thống tự điều khiển của vệ tinh và hệ thống điều khiển ở mặt đất để xử lý

1.3 KỸ THUẬT TRẠM MẶT ĐẤT

1.3.1 Giới thiệu chung

Trạm mặt đất - ES (Earth Station) là trạm liên lạc với vệ tinh thông qua giao diện vô tuyến Vì các trạm mặt đất nằm ở hai đầu của tuyến vệ tinh cho nên tại đây thường diễn ra các quá trình xử lý tín hiệu từ băng tần cơ bản đến cao tần qua anten phát lên vệ tinh

Hình 1.9: Cấu hình trạm mặt đất 1.3.2 Anten trạm mặt đất

Anten là bộ phận quan trọng của trạm mặt đất Nó là thiết bị bức xạ sóng điện từ biến thiên theo tín hiệu điện và cũng là thiết bị để biến sóng điện

từ thu được trở thành tín hiệu điện

Có nhiều loại anten khác nhau có thể sử dụng ở trạm mặt đất Tùy theo tiêu chuẩn từng loại trạm mà đường kính anten thu – phát trạm mặt đất thông thường có đường kính từ 0.6 ÷ 30 m

• Anten Parabol có sơ cấp đặt tại tiêu điểm

Hình 1.10: Anten phản xạ parabol

Đây là loại anten có cấu trúc đơn giản nhất và giá thành thấp nhất, nó được dung chủ yếu cho các trạm chỉ thu và các trạm nhỏ đặc biệt với dung lượng thấp Tuy nhiên, các đặc tính của nó như hệ số tăng ích, búp sóng phụ không được tốt Một nhược điểm nữa là cáp đấu nối từ loa thu đến máy phát

và máy thu thường dài Bởi vậy nó không sử dụng ở các trạm mặt đất thông thường

• Anten Cassegrain

Hình 1.11: Cấu hình gương Cassegrain

Loại anten này có thêm một gương phản xạ phụ vào gương phản xạ chính, hệ số tăng ích của anten được nâng lên và đặc tính búp sóng phụ cũng được cải thiện Anten Cassegrain được sử dụng cho các trạm bình thường vừa thu vừa phát có quy mô trung bình Loại này có một số ưu điểm là các thiết bị điện tử có thể đặt sau mặt phản xạ chính cho phép nó gắn trực tiếp vào đầu thu phát sóng làm cho khoảng cách giữa các bức xạ có thể rút ngắn và làm giảm suy hao ống dẫn sóng

• Anten lệch (bù)

Anten lệch có bộ phận fiđơ, gương phản xạ phụ được đặt ở vị trí lệch một chút so với hướng trục chính của gương phản xạ chính để các bộ phận fiđơ và gương phản xạ phụ không che chắn các đường đi của sóng phản xạ từ gương chính

Anten lệch có hai loại chính:

9 Loại anten parabol lệch một gương phản xạ

9 Loại anten Gregorian có gương phản xạ phụ dạng elip hoặc hypebol Các anten này có hiệu quả đặc biệt khi cần giảm can nhiễu từ các đường thông tin vô tuyến khác

Loại anten lệch cho hiệu suất cao, tạp âm thấp, búp sóng phụ nhỏ, đặc tính phân cực tốt Chúng thường sử dụng cho các trạm mặt đất quy mô chất lượng cao

Hình 1.12: Anten lệch 1.3.3 Đầu thu phát sóng (Feed Horn)

1.3.3.1 Chức năng đầu thu phát sóng

Hệ thống đầu phát sóng là bộ phận bức xạ ra sóng điện từ của anten Ngoài chức năng bức xạ, đầu thu phát sóng còn có các nhiệm vụ sau:

- Tạo dạng cho búp sóng Trên hình 1.10 ta thấy độ rộng của búp sóng phụ thuộc vào góc phát xạ của Feed Horn

- Phân tách tín hiệu phát và tín hiệu thu với yêu cầu gây can nhiễu và suy hao nhỏ nhất vì các ES thường thu phát sóng đồng thời trên 1 anten

- Biến đổi phân cực từ phân cực tròn thành phân cực thẳng khi thu và ngược lại khi phát

Hình 1.13: Đầu thu phát sóng của anten

1.3.2.2 Cấu trúc của đầu thu phát sóng

Hình 1.13 cho ta thấy cấu trúc tổng quát của một đầu thu phát sóng Nó gồm có ba bộ phận chính sau:

- HORN là bộ phận định dạng búp sóng Có nhiều kiểu Horn khác nhau trong đó loại Horn nhăn hình côn (The corrugated conicol horn) là loại phổ biến nhất trong hệ thống anten Cassegrain Nó phát ra một búp sóng đối xứng trục có độ rộng bất biến theo tần số và gây hiệu ứng tràn gần như không đáng

kể Tuy nhiên loại Horn này có nhược điểm là tạo ra một độ mở anten khá lớn gấp khoảng 1.5 lần độ mở mong đợi

- Bộ phân cực POLARIZER dùng để biến đổi phân cực tròn của sóng mang thành phân cực thẳng đối với tuyến xuống và ngược lại đối với tuyến lên tạo điều kiện cho bộ nối vuông góc dễ dàng phân tách tín hiệu thu và tín hiệu phát

- Bộ nối vuông góc (DIPLEXER) là bộ chia tách tín các hiệu thu và phát cùng sử dụng một anten chung Trong bộ DIPLEXER tín hiệu phát có công suất rất lớn còn tín hiệu thu có công suất rất nhỏ Do công suất tín hiệu thu rất yếu, máy thu rất nhạy cho nên dù chỉ có một lượng nhỏ tín hịệu phát can nhiễu sang đường thu cũng đủ làm cho máy thu bị hỏng hoặc chèn lấp tín hiệu thu Vì vậy thông thường ở cổng thu của bộ DIPLEXER phải có một bộ lọc để loại bỏ thành phần tần số cao của tín hiệu phát bị lẫn vào đường thu

Bộ lọc này cần phải đảm bảo một sự phân cách trên 50dB giữa tín hiệu thu và tín hiệu phát

Trên thực tế người ta hay sử dụng loại đầu thu phát sóng sử dụng lại tần

số (Frequency Reuse Feeds) Lúc đó bộ POLARIZER còn có tác dụng phân tách sóng mang LHCP và RHCP ở hướng thu, chuyển thành các phân cực

thẳng rồi đưa đến hai bộ DIPLEXER riêng và thực hiện quá trình ngược lại ở phía phát Ngoài ra còn có loại đầu thu phát sóng làm việc đồng thời được với băng C và băng Ku thông qua một thiết bị đặc biệt, có đặc tính trong suốt đối với sóng mang băng Ku và phản xạ sóng mang băng C Với thiết bị này ta có thể phân tách riêng hai băng sóng mang trước khi đưa đến hai bộ phân cực tương ứng

1.3.4 Bộ Khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier)

1.3.4.1 Giới thiệu

Tín hiệu thu từ vệ tinh về rất yếu, thường khoảng -150 dBW trên nền tạp âm lớn, vì vậy bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA có một vai trò quan trọng trong trạm mặt đất để vừa khuếch đại tín hiệu vừa không làm giảm chất lượng tín hiệu

Vị trí lắp đặt LNA càng gần đầu thu càng có lợi về mức tín hiệu vì giảm tạp âm và suy hao do giảm được chiều dài ống dẫn sóng

1.3.4.2 Các loại khuếch đại tạp âm thấp LNA

™ Khuếch đại GaAs-FET: khuếch đại dùng transistor trường loại bán dẫn hỗn tạp Gali-Arsenic (GaAs-FET) được sử dụng rộng rãi ở vùng tần số cao với đặc tính băng rộng, hệ số khuếch đại và độ tin cậy cao

™ Khuếch đại thông số: Nguyên tắc hoạt động của loại này là khi một tín hiệu kích thích đặt lên một điốt điện dung, các thông số mạch điện của

nó thay đổi và tạo ra một điện trở âm, do đó khuếch đại tín hiệu vào Như vậy, từ sự biến đổi điện dung của điốt do tín hiệu kích thích được dùng cho khuếch đại Việc giảm nội trở của điốt sẽ tạo ra các đặc tính tạp âm thấp

Bộ khuếch đại thông số có một hạn chế so với bộ khuếch đại FET như sau:

GaAs Cần có một mạch tạo ra tín hiệu kích thích

- Khó điều chỉnh và không phù hợp với việc sản xuất hàng loạt

- Băng tần hẹp, bất lợi về độ tin cậy và bảo dưỡng

™ Khuếch đại Transistor có độ linh động điện tử cao HEMT (High Electron Mobility Transistor): nguyên lý của bộ khuếch đại này là lợi dụng chất khí điện tử hai chiều với độ linh động cao phù hợp đối với khuếch đại tạp âm thấp tín hiệu tần số cao Ưu điểm của nó là băng thông rộng, kích thước nhỏ, dễ bảo dướng và thuận lợi cho sản xuất hàng loạt

1.3.5 Bộ khuếch đại công suất cao HPA (High Power Amplifer)

Một trạm mặt đất bao giờ cũng phải có bộ khuếch đại công suất Chức năng cơ bản của một bộ khuếch đại công suất (Power Amplifier - PA) đối với một trạm mặt đất là dùng để nâng cao công suất của tín hiệu tạo bởi các thiết

bị thông tin mặt đất tới mức công suất đủ lớn sao cho bằng một anten có hệ số tăng ích hiệu dụng đã biết thì tín hiệu sóng mang có thể truyền đến được vệ tinh với mức EIRP đạt yêu cầu So với hệ thống thông tin vệ tinh do khảng cách chuyển tiếp dài khoảng 36000Km nên một trạm mặt đất lớn phát với công suất khoảng vài trăm W đến vài chục KW

Hai loại HPA thường gặp nhất trong các trạm mặt đất là bộ khuếch đại công suất Klytron (KPA) và bộ khuếch đại đèn sóng chạy TWTA (Travelling Wave Tube Amplifier) Ngoài ra hiện nay người ta đang dần dần sử dụng rộng rãi bộ khuếch đại công suất bán dẫn SSPA (Solid State PA) Trong các

loại này thì TWTA là bộ khuếch đại có công suất lớn dải rộng, KPA có công suất lớn dải hẹp còn SSPA có công suất nhỏ và dải rộng

1.4 Kết luận

Qua chương một chúng ta đã hiểu rõ các thông số cơ bản của vệ tinh V1, phân hệ quan trọng nhất trong vệ tinh là phân hệ tải hữu ích (payload) trực tiếp cung cấp dịch vụ cho hệ thống vệ tinh của chúng ta, cách phân bổ tần

số trên hai băng tần C và Ku Ngoài ra chương này còn giúp ta biết về cấu hình cơ bản của một trạm mặt đất… phục vụ cho việc tính toán đường truyền sóng ở chương tiếp theo

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ĐƯỜNG

TRUYỀN 2.1.GIỚI THIỆU CHUNG

Phần này trình bày quá trình truyền dẫn của sóng vô tuyến giữa hai trạm mặt đất, một trạm là trạm phát và một trạm là trạm thu thông qua vệ tinh VINASAT-1 Trong đường truyền như vậy bao gồm hai tuyến: Tuyến lên từ trặm mặt đất phát đến vệ tinh và tuyến xuống từ vệ tinh đến trạm mặt đất thu Với bài toán đặt ra là anten đã được hướng chuẩn vào vệ tinh VINASAT-1

Hình 2.1: Sơ đồ khối tính toán đường truyền

Mục đích của phần này là xác định tỷ số tín hiệu trên tạp âm tại đầu vào

máy thu Tỉ số này phụ thuộc vào các đặc tính của máy phát, môi trường

truyền dẫn và máy thu Tuyến lên và tuyến xuống trước tiên được xem xét

một cách riêng biệt Sau đó sẽ xác lập biểu thức cho tỉ số tín hiệu trên tạp âm

của một tuyến hoàn chỉnh giữa hai trạm mặt đất

2.2 PHÂN TÍCH ĐƯỜNG TRUYỀN HƯỚNG PHÁT

2.2.1 Hệ số tăng ích anten G (Gain)

Hệ số tăng ích của anten là một thông số quan trọng, quyết định không

những chất lượng của anten mà cả chất lượng và quy mô trạm mặt đất Hệ số

tăng ích GT của anten nói lên việc tập trung công suất bức xạ của máy phát

cung cấp cho anten vào búp sóng hẹp của anten

Hệ số tăng ích của antenna trên một hướng α là tỉ số công suất phát

(hoặc thu) trên mỗi đơn vị góc mở của nó theo hướng α chia cho công suất

phát (hoặc thu) trên mỗi đơn vị góc mở của một antenna vô hướng có cùng

công suất

Trong đó: Ae là diện tích hiệu dụng của antenna, λ là bước sóng làm việc, η là

hiệu suất của antenna

Biểu thức này cho thấy, khi nhìn từ đầu phát, khả năng tập trung sóng vô

tuyến điện vào một hướng xác định, so với trường hợp sóng bức xạ đồng đều

theo mọi hướng Biểu thức này cho phép ở đầu thu dự đoán khả năng thu sóng

khuếch tán yếu

Trong trường hợp anten gương tròn với đường kính D[m]: Ae = ЛD2/4 thay

vào (2.1) ta có:

Vậy hệ số tăng ích của anten tỉ lệ với bình phương đường kính anten (D) và bình phương tần số làm việc (f) Điều đó có ý nghĩa là, tần số càng cao và đường kính anten càng lớn thì hệ số tăng ích của anten càng cao Hoặc nói cách khác tỉ số giữa diện tích hiệu dụng trên bước sóng công tác của anten càng lớn thì hệ số tăng ích của anten càng lớn

Hệ số tăng ích của anten có diện tích bề mặt 1 m2 với hiệu suất 100% là:

GdBi = 20log f + 20.4dB (2.4)

2.2.2 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP)

Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power) được định nghĩa là tích số của công suất đầu vào của anten

và hệ số tăng ích của anten đó Công suất bức xạ đẳng hướng là công suất phát được bức xạ với anten vô hướng, trong trường hợp này có thể xem GT=1 Nếu như anten có búp sóng của đồ thị phương hướng càng hẹp thì EIRP của

nó càng lớn Việc phát sóng với búp sóng hẹp ngoài mục đích tập trung năng

lượng bức xạ theo hướng xác định còn có tác dụng hạn chế nhiễu và giảm tổn hao năng lượng trong môi trường truyền sóng

Hoặc tính theo dBW:

EIRP = 10 logPT + GT [dBW] (2.6)

Trong đó:

PT[W] là công suất đầu vào của anten phát

GT[dBi] là hệ số tăng ích của anten phát

EIRP phải được điều chỉnh chính xác, bởi vì EIRP lớn sẽ là nguyên nhân gây nhiễu cùng kênh và nhiễu kênh lân cận của các sóng mang; ngược lại EIRP nhỏ sẽ làm giảm chất lượng dịch vụ

EIRP của trạm phát được tính:

EIRPTu = 10 logPT + GT - LFTX [dBW] (2.7)

Với LFTX[dB] là suy hao giữa máy phát và anten phát

EIRP của trạm phát còn được tính bằng công thức:

EIRPTu = W + GT - LFTX [dBW] (2.8)

Trong đó: W [W/m2] là mật độ thông lượng công suất

2.2.3 Mật độ thông lượng công suất W (Operating Flux Density)

Trên một diện tích hiệu dụng Ae cách xa anten phát một khoảng d tương ứng với góc đầy tính từ anten phát là Ae /d2 thì công suất thu là:

Trong đó: SFD (Saturation Flux Density): Dòng mật độ công suất bão hòa

IBO (Input Back Off): Độ lùi đầu vào

θS là kinh độ của vệ tinh

θE là kinh độ của trạm mặt đất

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng tuyến truyền dẫn

Cả tuyến lên và tuyến xuống, sóng mang đi qua một lớp khí quyển với tần số làm việc từ 1÷30 GHz Khi xem xét quá trình truyền lan sóng ở các

tần số này chỉ có hai tầng khí quyển là có ảnh hưởng, đó là tầng điện ly và tầng đối lưu Tầng đối lưu rải từ mặt đất đến độ cao khoảng 15 km Tầng điện nằm trong khoảng từ 70÷1000 km Các vùng có ảnh hưởng cực đại là vùng gần mặt đất của tầng đối lưu và ở độ cao khoảng 400 km đối với tầng điện ly

Ảnh hưởng của khí quyển LA do suy hao khí quyển và trong đấu nối cùng với nhiệt tạp âm anten Đó là những vấn đề quan trọng của băng tần lớn hơn 10GHz Ảnh hưởng của lượng mưa được tính theo % mức cường độ vượt quá Cường độ thấp với các cường độ không đáng kể tương ứng với % thời gian cao (điển hình 20%); điều này được mô tả ở điều kiện “bầu trời trong” Cường độ cao với các ảnh hưởng quan trọng tương ứng với % thời gian nhỏ (điển hình 0.01%); đó là trong điều kiện có mưa Các ảnh hưởng này có thể làm giảm chất lượng của tuyến xuống dưới ngưỡng có thể chấp nhận được Sau đây ta xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng tuyến truyền dẫn trong thông tin vệ tinh

2.3.1 Công suất tín hiệu thu được và suy hao không gian tự do

Một anten thu có diện tích hiệu dụng của anten là Ae được đặt cách xa anten phát một khoảng cách d, sẽ thu được một công suất PR theo công thức (2.9) là

Trong đó Ae là diện tích hiệu dụng của anten thu Ae = GR.(λ2/4Л) thay vào ta

có công suất thu của anten thu là:

Hay

được gọi là tổn hao truyền sóng không gian tự do (free space) và nó đặc trưng cho tỷ số của công suất thu và công suất phát trong một tuyến liên lạc giữa hai anten vô hướng

2.3.2 suy hao do tầng khí quyển

Tầng khí quyển là môi trường truyền sóng có ảnh hưởng trực tiếp đến sóng truyền trong hệ thống thông tin vệ tinh Tác động rõ nét nhất đến sóng

vô tuyến truyền trong tầng khí quyến là các ảnh hưởng của tầng đối lưu và tầng điện ly Các ảnh hưởng đó dẫn đến tổn hao và hấp thụ sóng, gọi chung là tổn hao khí quyển LA (Atmosphere loss)

Bảng sau mô tả sự suy giảm của khí quyển theo tần số:

Suy hao khí quyển LA

Bảng 2.1: Suy hao khí quyển theo tần số

Như vậy trong biểu thức (3.17) khi xác định công suất PR tại điểm thu trong trường hợp có tính đến tổn hao của tầng khí quyển chúng ta sẽ thay giá trị tổn hao LFS bằng giá trị tổn hao tổng cộng LT:

tố tại nhiệt độ trên 00 tuyêt đối

Công suất tạp âm có thể được tính theo công thức:

Tạp âm sinh ra trong một máy thu thường được biểu thị bằng hệ số tạp

âm Hệ số tạp âm F (Noise Figure) của một thiết bị được định nghĩa là tỉ số tín hiệu/ tạp âm ở đầu vào của thiết bị trên tỉ số tín hiệu /tạp âm ở đầu ra của tín hiệu đó

Tuy nhiên trong thông tin vệ tinh, thì thường sử dụng nhiệt độ tạp âm thay cho hệ số tạp âm (F)

2.3.3.2 Mối quan hệ giữa hệ số tạp âm và nhiệt độ tạp âm tương đương

Nếu biết nhiệt độ tạp âm tương đương (Te) của một thiết bị ta có thể biết được hệ số tạp âm của thiết bị đó Hệ số tạp âm của thiết bị (F) được tính theo công thức sau:

Hoặc tính theo dB:

F = 10lg (1 + (Te/T0)) [dB] (2.23)

Và nhiệt độ tạp âm tương đương cũng có thể biết được từ hệ số tạp âm của thiết bị bởi công thức:

Trong đó: F là hệ số tạp âm của thiết bị

Te(K) là nhiệt độ tạp âm tương đương của thiết bị

thu

T0 = 290K là nhiệt độ môi trường

Với các thiết bị hoặc các tầng thiết bị đấu nối tiếp như hình 3.2 thì nhiệt tạp

âm tương đương được tính theo công thức Friis:

IF

G G

Hình 2.2: Mô tả đầu vào các tầng máy thu 2.3.3.3 Nhiệt tạp âm anten

Nhiệt độ tạp âm anten là do các nguồn tạp âm không mong muốn từ không gian và mặt đất khu vực gần anten Các tạp âm này phụ thuộc vào tần số, góc ngẩng và các điều kiện khí quyển xung quanh anten (trời trong, trời mưa hoặc mây mù) Việc tăng nhiệt độ tạp âm của anten làm giảm đáng kể chất lượng thu tín hiệu của trạm mặt đất và đôi lúc có thể làm gián đoạn liên lạc Nhiệt độ tạp âm của anten thường do nhà sản xuất đo đạc và cung cấp đối với mỗi loại anten khác nhau

2.3.3.4 Nhiệt tạp âm của hệ thống

Nhiệt tạp âm của một trạm mặt đất gồm có: Nhiệt tạp âm máy thu và nhiệt tạp âm anten Do đó, nhiệt tạp âm của hệ thống được tính theo công thức sau:

Tsys = Ta/LFRx + (1 – 1/LFRx)T0 + Te [K] (2.26)

Trong đó: LFRx là suy hao ống dẫn sóng