Tính toán tuyến truyền dẫn hệ thống thông tin vệ tinh địa tĩnh

Từ lúc khái niệm về thông tin vệ tinh còn mới mẻ và th-ờng đ-ợc hiểu nh- là một phần trong nền công nghiệp vũ trụ của một hay một số nhóm các quốc gia phát triển, cho đến nay thậm chí mộ

-

HOÀNG ANH TUẤN

TÍNH TOÁN TUYẾN TRUYỀN DẪN HỆ THỐNG THÔNG TIN

VỆ TINH ĐỊA TĨNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT QUẢN TRỊ KINH DOANH

Hà Nội – 2005

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

HOÀNG ANH TUẤN

TÍNH TOÁN TUYẾN TRUYỀN DẪN HỆ THỐNG THÔNG TIN

danh mục các bảng

danh mục các hình vẽ, đồ thị

lời nói đầu

Ch-ơng 1: Công nghệ thông tin vệ tinh

1.1 Giới thiệu chung 4

1.1.1 Mở đầu 4

1.1.2 Những đặc điểm của thông tin vệ tinh 5

1.1.3 Các ứng dụng của thông tin vệ tinh 8

1.1.4 Lịch sử và xu h-ớng phát triển của kỹ thuật thông tin vệ tinh 9

1.2 phần không gian 11

1.2.1 Cấu trúc 11

1.2.2 Các dạng quĩ đạo vệ tinh 13

1.2.3 Vai trò của trạm điều khiển 16

1.2.4 Phân hệ thông tin của vệ tinh 17

1.3 Phần mặt đất 21

1.4 phân cực của sóng mang trên tuyến thông tin vệ tinh 24

1.5 các dải tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh 25

1.6 các kỹ thuật điều chế và giải điều chế tín hiệu 27

1.6.1 Khái niệm 27

1.6.2 Kỹ thuật điều chế tần số 28

1.6.3 Kỹ thuật giải điều chế sóng mang FM 29

1.6.4 Điều chế số 30

1.6.5 Kỹ thuật giải điều chế sóng mang PSK 35

1.6.6 Các thông số của ph-ơng thức điều chế PSK 38

1.7 các kỹ thuật đa truy nhập 39

1.7.1 Các khái niệm 39

1.7.2 Các vấn đề về l-u l-ợng 40

1.7.3 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số 42

1.7.4 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian 45

1.7.5 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã 52

2.1 suy hao 59

2.1.1 Suy hao do khí quyển và suy hao trong không gian tự do 59

2.1.2 Suy hao do m-a và các hiện t-ợng khí hậu khác 60

2.2 Sự xuyên cực 62

2.2.1 Khái niệm 62

2.2.2 Xuyên cực do m-a 63

2.2.3 Xuyên cực do các tinh thể băng 64

2.3 hiệu ứng quay phân cực faraday 64

2.4 sự uốn cong tia sóng 65

2.5 hiệu ứng nhiều đ-ờng 65

2.6 tạp âm và can nhiễu 66

2.6.1 Bản chất của tạp âm 66

2.6.2 Nhiệt độ tạp âm 67

2.6.3 Nhiễu giao thao 70

2.7 tổn hao do đặt lệch h-ớng giữa các anten 71

2.8 tổn hao do không phối hợp phân cực 71

Ch-ơng 3: Kỹ thuật trạm mặt đất 3.1 Anten của trạm mặt đất 73

3.1.1 Dạng hình học 73

3.1.2 Hệ số tăng ích của anten 75

3.1.3 Độ rộng búp sóng 75

3.2 đầu thu phát sóng 75

3.2.1 Chức năng đầu thu phát sóng 75

3.2.2 Cấu trúc đầu thu phát sóng 76

3.3 bộ khuyếch đại tạp âm thấp 77

3.3.1 Khái niệm 77

3.3.2 Bộ khuyếch đại thông số 78

3.3.3 Các bộ khuyếch đại dùng Transistor tr-ờng 79

3.4.2 Các bộ đổi tần kép 82

3.4.3 Các bộ dao động nội 84

3.5 Bộ khuyếch đại công suất lớn 84

3.5.1 Khái niệm 84

3.5.2 Bộ khuyếch đại công suất Klytron 85

3.5.3 Bộ khuyếch đại đèn sóng chạy 86

3.5.4 Bộ khuyếch đại công suất bán dẫn 87

3.5.5 Các đặc tính của bộ khuyếch đại công suất 88

Ch-ơng 4: tính toán tuyến truyền dẫn hệ thống thông tin vệ tinh địa tĩnh 4.1 mục đích 94

4.2 một số khái niệm cơ bản của tuyến truyền dẫn thông tin vệ tinh 94

4.2.1 Công suất bức xạ đẳng h-ớng t-ơng đ-ơng 94

4.2.2 Mật độ thông l-ợng năng l-ợng 94

4.2.3 Công suất tín hiệu thu 95

4.3 phân tích đ-ờng truyền tuyến thông tin vệ tinh địa tĩnh 96

4.3.1 Phân tích đ-ờng truyền tuyến lên 96

4.3.2 Phân tích đ-ờng truyền tuyến xuống 103

4.4 phân tích về nhiễu 109

4.4.1 Ph-ơng trình tỉ số sóng mang trên nhiễu 109

4.4.2 Các kiểu nhiễu 111

4.4.2.1 Nhiễu nội tại 101

4.4.2.2 Nhiễu từ bên ngoài 113

4.5 chỉ tiêu toàn tuyến 113

kết luận 115

Tài liệu tham khảo 116

Lời nói đầu

Chỉ với lịch sử hơn 40 năm ra đời và phát triển trong diễn biến nhanh nh- vũ bão của cuộc cách mạng công nghệ Viễn thông, thông tin Vệ tinh ngày nay đã trở nên quá quen thuộc trên phạm vi toàn cầu, trong đó có cả Việt Nam

Từ lúc khái niệm về thông tin vệ tinh còn mới mẻ và th-ờng đ-ợc hiểu nh- là một phần trong nền công nghiệp vũ trụ của một hay một số nhóm các quốc gia phát triển, cho đến nay thậm chí một vệ tinh có thể là sở hữu của chỉ với một vài nhà chơi vô tuyến điện nghiệp d- mà thôi

Trong bố cảnh vừa cạnh tranh khốc liệt vừa kế thừa những thành tựu v-ợt bậc với các ph-ơng thức truyền dẫn khác (điển hình là cáp sợi quang), thông tin vệ tinh ngày nay vẫn giữ vai trò quan trọng trong lĩnh vực truyền thông, đặc biệt tính quảng bá của nó đã và đang đảm nhiệm với một tỷ trọng không nhỏ, việc chuyển tải nhiều loại hình dịch vụ từ mạng viễn thông quốc

tế cho tới tận từng hộ gia đình

Tiến trình áp dụng công nghệ thông tin vệ tinh vào mạng Viễn thông n-ớc ta đ-ợc mở đầu từ năm 1980 đến nay đã là một yếu tố góp phần đem lại sự phồn vinh của ngành B-u điện Việt Nam nói riêng và nền kinh tế quốc dân nói chung trong 20 năm qua

Bên cạnh những nỗ lực tìm kiếm các giải pháp cho một cấu hình, dung l-ợng, nhà chế tạo và tên lửa đẩy cho vệ tinh t-ơng lai phù hợp với nhu cầu

và hoàn cảnh của n-ớc nhà, cũng nh- th-ơng thuyết, phối hợp với cộng đồng quốc tế và khu vực về việc sử dụng nguồn tài nguyên tần số và quỹ đạo vệ tinh gồm rất nhiều thủ tục phức tạp, một vấn đề quan trọng hàng đầu đ-ợc

đặt ra là cần phải xây dựng mạng l-ới và khai thác vệ tinh đó nh- thế nào để

đạt đ-ợc hiệu quả cao nhất?

Trong quá trình xây dựng một tuyến thông tin vệ tinh thì việc tính toán tuyến truyền dẫn chiếm một vị trí rất quan trọng Do đó, tác giả đã đi sâu vào nghiên cứu các yếu tố ảnh h-ởng và các ph-ơng pháp tính toán tuyến truyền dẫn thông tin vệ tinh địa tĩnh

Luận văn cao học “Tính toán tuyến truyền dẫn hệ thống thông tin vệ tinh địa tĩnh ” gồm các chương như sau:

Ch-ơng 1 trình bày tóm tắt một số kỹ thuật, công nghệ có liên quan trực tiếp tới thông tin vệ tinh nh- một số kỹ thuật điều chế/ giải điều chế, các ph-ơng pháp ghép đa trạm, hiện đang đ-ợc sử dụng trong các hệ thống thông tin vệ tinh

Ch-ơng 2 nêu lên những yếu tố chính ảnh h-ởng tới chất l-ợng đ-ờng truyền một tuyến thông tin vệ tinh địa tĩnh, nh- các loại suy hao, can nhiễu gây ra do tạp âm, m-a, xuyên cực, giao thoa trên một khoảng cách rất lớn

mà các nhà thiết kế cần phải tính đến trong quá trình đánh giá và phân tích Ch-ơng 3 đề cập đến những vấn đề không thể tách rời của một tuyến thông tin vệ tinh, đó là kỹ thuật trạm mặt đất Mỗi phần tử của trạm mặt đất cùng với công nghệ nội tại của nó là những đối t-ợng kỹ thuật trực tiếp đối với vệ tinh và các thông tin về chúng là những đầu vào rất quan trọng để bài toán thiết lập truyền dẫn cho ra kết quả chính xác

Ch-ơng 4 phân tích các yếu tố ảnh h-ởng đến tín hiệu đ-ờng lên và

đ-ờng xuống của tuyến thông tin vệ tinh, qua đó tính toán các đại l-ợng truyền dẫn của tuyến thông tin vệ tinh

Hµ Néi, th¸ng 11 n¨m 2004

Hoµng Anh TuÊn

vụ mới và thuận tiện với chi phí thấp

Trong chiến tranh thế giới lần thứ hai, để tạo ra các vũ khí, khí thài ngày càng hiện đại, các n-ớc tham chiến buộc phải thúc đẩy việc nghiên cứu hai kỹ thuật mới là tên lửa và đài truyền dẫn viba Hai kỹ thuật này lúc đầu chỉ là những kỹ thuật riêng rẽ Về sau ng-ời ta mới tìm cách kết hợp hai kỹ thuật này lại với nhau và đã đạt đ-ợc nhiều thành công đáng kể, từ đó tạo

điều kiện cho sự ra đời của thông tin vệ tinh Hiện nay những dịch vụ mà hệ thống vệ tinh đem lại đã trở nên rất đa dạng và các -u điểm của nó so với các mạng vô tuyến mặt đất hay các mạng cáp là không thể phủ nhận

Năm 1957, n-ớc Nga phóng thành công vệ tinh nhân tạo đầu tiên của loài ng-ời lên quỹđạo (Vệ tinh SPUTNIK) Các năm sau đó các cuộc thử nghiệm đ-ợc diễn ra liên tiếp nh- quảng bá lời chúc giáng sinh của tổng thống Mỹ Eisenhower qua vệ tinh SCORE năm 1958, phóng thành công vệ tinh ECHO năm 1960, truyền tin qua vệ tinh COURIEN năm 1960, các vệ tinh dải rộng TELSTAR và RELAY năm 1962 và vệ tinh địa tĩnh đầu tiên SUNCOM năm 1963

Đến năm 1965 vệ tinh địa tĩnh th-ơng mại đầu tiên (INTELSAT I hay còn gọi là Early Bird) đ-ợc đ-a lên quỹ đạo, đánh dấu thời điểm chính thức thông tin vệ tinh có thể phục vụ con ng-ời Cùng năm đó vệ tinh viễn thông

đầu tiên của n-ớc Nga nằm trong hệ MOLNYA cũng đ-ợc phóng

Những hệ thống vệ tinh đầu tiên chỉ có khả năng cung cấp một dung l-ợng thấp với giá thuê t-ơng đối cao Ví dụ vệ tinh INTELSAT 1 chỉ có 480 kênh thoại với giá thuê 32500$ một kênh một năm Giá thành quá cao này là

do tại thời điểm bấy giờ khả năng của tên lửa đẩy còn thấp nên ng-ời ta không thể đ-a đ-ợc một vệ tinh quá nặng có dung l-ợng lớn lên quỹ đạo Dần dần với sự tiến bộ của kỹ thuật, các tên lửa đẩy trở nên rất mạnh Thêm nữa, ng-ời ta cũng đạt đ-ợc những tiến bộ trong việc chế tạo ra các antenna

đa búp sóng (multi beam) phù hợp với hình dáng của vùng phục vụ cùng với các kỹ thuật sử dụng lại tần số và công nghệ bán dẫn đã cho phép các vệ tinh

có mức phát tín hiệu mạnh hơn và tiết kiệm dải tần hơn Sự phát triển này làm cho chúng ta có thể phóng đ-ợc những vệ tinh nặng với dung l-ợng lớn

và giá thuê giảm xuống (ví dụ vệ tinh INTELSAT VI mang 80000 kênh thoại với giá thuê chỉ có 380 $ một kênh một năm) Hiện nay ng-ời ta đã khai thác

đến thế hệ vệ tinh INTELSAT VII và VIII

1.1.2 Những đặc điểm của thông tin vệ tinh

Nói tới một hệ thống thông tin vệ tinh, chúngg ta phải kể đến ba -u

điểm nổi bật của nó mà các mạng mặt đất không có hoặc không hiệu quả bằng là:

- Tính quảng bá rộng lớn cho mọi địa hình

đất không còn nhìn thấy antenna của đài sẽ không thể thu đ-ợc tín hiệu nữa Trong tr-ờng hợp bắt buộc phải truyền tin đi xa, ng-ời ta có thể dùng ph-ơng pháp nâng cao cột antenna, truyền sóng phản xạ tầng điện ly hoặc xây dựng các trạm chuyển tiếp Trên thực tế ng-ời ta thấy rằng cả 3 ph-ơng pháp trên đều có nhiều nh-ợc điểm Việc nâng độ cao của cột antenna gặp rất nhiều khó khăn về kinh phí và kỹ thuật mà hiệu quả thì không bao nhiêu (ví dụ cột antenna có cao đ-ợc đến 1km thì nó cũng không thể quảng bá 200km trên mặt đất) Nếu truyền sóng phản xạ tầng điện ly thì cần có công suất phát rất lớn và bị ảnh h-ởng rất mạnh của môi tr-ờng truyền dẫn lên chất l-ợng tuyến không cao Việc xây dựng các trạm chuyển tiếp giữa hai trạm đầu cuối sẽ cải thiện đ-ợc chất l-ợng tuyến, nâng cao độ tin cậy nh-ng chi phí lắp đặt các trạm trung chuyển lại quá cao và rất không thích hợp khi

có nhu cầu mở thêm tuyến mới Tóm lại để có thể truyền tin đi xa, ng-ời ta mong muốn xây dựng đ-ợc các antenna rất cao nh-ng lại phải ổn định và vững chắc Sự ra đời của vệ tinh chính là để thoả mãn nhu cầu đó Với vệ tinh, ng-ời ta có thể truyền sóng đi rất xa và dễ dàng thông tin trên toàn cầu hơn bất cứ một hệ thống mạng nào khác Thông qua vệ tinh INTELSAT, lần

đầu tiên hai trạm đối diện hai bờ Đại Tây D-ơng đã thông tin đ-ợc cho nhau

Do có khả năng phủ sóng rộng lớn cho nên vệ tinh rất thích hợp cho các ph-ơng thức truyền tin đa điểm đến đa điểm, điểm đến đa điểm (cho dịch vụ quảng bá) hay đa điểm đến một điểm trung tâm HUB (cho dịch vụ thu thập

số liệu)

Bên cạnh khả năng phủ sóng rộng lớn, băng tần rộng của các hệ thống

vệ tinh rất thích hợp với các dịch vụ quảng bá hiện đại nh- truyền hình số phân giải cao (High Definition TV-HDTV), phát thanh số hay các dịch vụ ISDN thông qua một mạng mặt đất (Terrestrial Network) hoặc đến trực tiếp thuê bao (Direct to Home – DTH) thông qua mạng VSAT Cuối dùng do sử dụng ph-ơng tiện truyền dẫn qua giao diện vô tuyến cho nên hệ thống thông

tin vệ tinh là rất lý t-ởng cho khả năng cấu hình lại nếu cần Các công việc triển khai trạm mới, loại bỏ trạm cũ hoặc thay đổi tuyến đều có thể thực hiện

dễ dàng, nhanh chóng với chi phí thực hiện tối thiểu

Tuy nhiên vệ tinh cũng có những nh-ợc điểm quan trọng là:

- Không cố định

- Khoảng cách truyền dẫn xa nên suy hao lớn, ảnh h-ởng của tạp âm lớn

- Giá thành lắp đặt hệ thống rất cao, chi phí để phóng vệ tinh tốn kém

và vẫn còn tồn tại xác xuất rủi ro

- Thời gian sử dụng hạn chế, khó bảo d-ỡng, sửa chữa và nâng cấp Ng-ời ta mong muốn vệ tinh có vai trò nh- là một cột antenna cố định nh-ng trong thực tế vệ tinh luôn chuyển động t-ơng đối với mặt đất, dù là vệ tinh địa tĩnh đi nữa thì vẫn có một sự dao động nhỏ Điều này buộc hệ thống phải có các trạm điều khiển nhằm giữ vệ tinh ở một vị trí tối -u cho thông tin Tuy nhiên kể cả khi có các trạm điều khiển thì vệ tinh vẫn không hoàn toàn cố định nên các trạm mặt đất nói chung cần có các hệ thống bám phức tạp và điều này làm giá thành của trạm tăng vọt Thêm nữa do các vệ tinh bay trên các quỹ đạo cách rất xa mặt đất cho nên việc truyền sóng giữa các trạm gặp phải suy hao rất lớn, bị ảnh h-ởng của nhiều yếu tố thời tiết và phải

đi qua nhiều dạng môi tr-ờng khác nhau Để vẫn đảm bảo đ-ợc chất l-ợng của tuyến ng-ời ta phải sử dụng nhiều kỹ thuật bù và chống lỗi phức tạp Nh- ta đã nói ở tr-ớc, chi phí phóng vệ tinh là rất cao cho nên nói chung các vệ tinh chỉ có khả năng hạn chế Bù lại các trạm mặt đất phải có khả năng làm việc t-ơng đối mạnh nên các thiết bị phần lớn đều đắt tiền nhất

là chi phí cho một antenna lớn (ví dụ một trạm mặt đất cổng Quốc tế có antenna đ-ờng kính 18 mét giá khoảng 5-7 triệu $)

Các vệ tinh bay trong không gian cách xa mặt đất, năng l-ợng chủ yếu dùng cho các động cơ phản lực điều khiển là các loại nhiên liệu lỏng hoặc

rắn đ-ợc vệ tinh mang theo trên boong L-ợng nhiên liệu dự trữ này không thể quá lớn vì khả năng của các tên lửa đẩy có giới hạn, đồng thời nó sẽ làm cho kích th-ớc vệ tinh tăng lên đáng kể do phải tăng thể tích của thùng chứa Nếu nh- vệ tinh đã dùng hết l-ợng nhiên liệu này thì chúng ta không thể

điều khiển vệ tinh đ-ợc nữa, tức là không còn duy trì đ-ợc độ ổn định của tuyến Khi đó coi nh- vệ tinh đã hỏng và nh- thế nói chung tuổi thọ của vệ tinh th-ờng thấp hơn các thiết bị thông tin mặt đất khác Để làm cho vệ tinh hoạt động trở lại, ng-ời ta cần thu hồi lại vệ tinh để sửa chữa và tiếp thêm nhiên liệu Sau đó ng-ời ta phải phóng lại nó lên quỹ đạo Việc khôi phục các vệ tinh đã hết tuổi thọ này hết sức tốn kém và phức tạp nên trong thực tế, nói chung ng-ời ta th-ờng dùng ph-ơng pháp thay thế bằng một vệ tinh hoàn toàn mới và vứt bỏ vệ tinh cũ đi

1.1.3 Các ứng dụng của thông tin vệ tinh

Một hệ thống vệ tinh có thể cung cấp rất nhiều loại hình dịch vụ khác nhau và ngày càng đ-ợc phát triển đa dạng hơn Tuy nhiên nhìn chung thông tin vệ tinh đem lại ba lớp dịch vụ nh- sau:

- Trung chuyển trên phạm vi toàn cầu các kênh thoại và các ch-ơng trình truyền hình Đây là sự đáp ứng cho các dịch vụ cơ bản nhất đối với ng-ời sử dụng Nó thu thập các luồng số liệu và phân phối tới các mạng mặt đất với một tỷ lệ hợp lý Ví dụ cho lớp dịch vụ này là các hệ thốngg INTELSAT và EUTELSAT Các trạm mặt đất của chúng th-ờng đ-ợc trang bị antenna đ-ờng kính từ 15-30m

- Cung cấp khả năng đa dịch vụ, thoại, số liệu cho những nhóm ng-ời

sử dụng phân tách nhau về mặt địa lí Các nhóm sẽ chia sẻ một trạm mặt đất và truy nhập đến nó thông qua mạng Ví dụ cho lớp dịch vụ này là các hệ thống vệ tinh TELECOM1, SBS, EUTELSAT1, TELE-

X và INTELSAT (cho mạng IBS) Các trạm mặt đất ở đây đ-ợc trang

bị antenna đ-ờng kính từ 3-10m)

- Kết nối các thiết bị đầu cuối với anten cỡ nhỏ hoặc siêu nhỏ (VSAT/USAT) nhằm để truyền dẫn các luồng số liệu dung l-ợng thấp và quảng bá các ch-ơng trình truyền hình, truyền thanh số Thông th-ờng ng-ời dùng sẽ kết nối trực tiếp với trạm mặt đất có trang bị antenna đ-ờng kính từ 0,6-1.2m Các thuê bao di động cũng nằm trong lớp dịch vụ này Tiêu biểu cho loại hình này là các hệ thống EQUATORIAL, INTELNET hoặc INTELSAT, Các dịch vụ của VSAT hiện đã rất phong phú mà ng-ời ta có thể kể đến nh- cấp

và tự động quản lý thẻ tín dụng, thu thập và phân tích số liệu, cung cấp dịch vụ thoại mật độ th-a, hội nghị truyền hình

1.1.4 Lịch sử và xu h-ớng phát triển của kỹ thuật thông tin vệ tinh

Thế hệ vệ tinh th-ơng mại đầu tiên là INTELSAT I hay Early Bird ra

đời vào năm 1965 Đến đầu những năm 1970 các hệ thống vệ tinh đã có thể cung cấp các dịch vụ trao đổi thoại và truyền hình giữa hai lục địa Mới đầu,

vệ tinh chỉ đáp ứng đ-ợc cho các tuyến dung l-ợng thấp, sau đó nhu cầu gia tăng tốc độ cũng nh- số l-ợng thông tin qua vệ tinh đã thúc đẩy nhanh chóng việc hình thành các hệ thống vệ tinh đa búp sóng (Multi Beam) và các

kỹ thuật dùng lại tần số cho sóng mang Kỹ thuật đầu tiên đ-ợc dùng cho hệ thống vệ tinh là truyền dẫn analogue sử dụng công nghệ FDM/FM/FDMA Sau đó để đáp ứng đ-ợc nhu cầu gia tăng thông tin, ng-ời ta đã tiến đến các ph-ơng thức truyền dẫn tiên tiến hơn nh- là SCPC/FM/FDMA (năm 1980) hay PSK/TDMA và PSK/CDMA Các ph-ơng thức về sau dựa trên việc truyền dẫn số qua tuyến vệ tinh để khai thác triệt để mọi -u điểm do kỹ thuật

số đem lại Trong -ơng lai khi dung l-ợng của tuyến vệ tinh cũng nh- số l-ợng vệ tinh trên toàn cầu tăng lên rất lớn thì việc sử dụng quá nhiều sóng mang sẽ làm cho mức can nhiễu giữa các hệ thống thông tin với nhau v-ợt quá mức cho phép Để giải quyết bài toán này, những nhà chế tạo bắt buộc phải nghĩ đến việc áp dụng các công nghệ sau:

- Xử lý tại chỗ (Onboard Processing): giải điều chế tín hiệu ngay trên

vệ tinh để xử lý, sau đó điều chế lại rồi truyền các tín hiệu đã xử lý này xuống các trạm mặt đất thu Đây là tr-ờng hợp của các vệ tinh tích cực (Regenerative Satellite)

- Chuyển mạch trên vệ tinh (Onboard Switching) hay còn gọi là đa truy nhập phân chia theo thời gian bằng chuyển mạch vệ tinh (SS-TDMA)

- Sử dụng mạng kết nối trực tiếp giữa các vệ tinh (Inter Satellite Network)

- Sử dụng các búp sóng quét hoặc nhẩy b-ớc (Scanning or Hopping Beam) cho các cell trên mặt đất

- Sử dụng tài nguyên tần số cao với dải thông rất lớn (30/20GHz và 50/40GHz) mặc dù các dải tần số này không nằm trong dải cửa sổ của sóng Radio (300MHz – 10GHz) nên sóng mang sẽ phải chịu tác động lớn của môi tr-ờng truyền sóng và m-a

- Quảng bá trực tiếp từ vệ tinh tới ng-ời sử dụng (Direct to Home) Khi đó thiết bị đầu cuối của ng-ời sử dụng sẽ đ-ợc kết nối thẳng với trạm mặt đất mà không phải thông qua mạng

Hiện nay ở các n-ớc châu Âu, Châu Mỹ và Nhật, đang có rất nhiều ch-ơng trình phát triển thông tin vệ tinh nhằm tăng c-ờng khả năng của vệ tinh nh- dung l-ợng, công suất, tuổi thọ và ph-ơng thức truyền dẫn Điều này cho phép kích cỡ và giá thành của trạm mặt đất ngày càng giảm đi và trở lên gần gũi hơn vớii ng-ời sử dụng Trong một số tr-ờng hợp chúng chỉ đơn giản là các trạm nhận (RCVO-Receive Only) mà phổ biến nhất là trạm thu truyền hình trực tiếp từ vệ tinh (TVRO) Đây là một sự tiến bộ rất có ý nghĩa cho cơ hội phát triển của vệ tinh trong t-ơng lai

Hình 1.1 d-ới đây mô tả cấu trúc tổng quát của một hệ thống thông tin

vệ tinh trong thực tế Nó có thể chia thành hai phần chính là phần không gian (Space Segment) và phần mặt đất (Ground Segment)

Hình 1.1 Cấu trúc tổng quát của tuyến thông tin vệ tinh

1.2 Phần không gian (Space segment)

1.2.1 Cấu trúc

Phần không gian là khái niệm để chỉ một phần của hệ thống bao gồm vệ tinh và tất cả các thiết bị trợ giúp cho hoạt động của nó nh- các trạm điều khiển và trung tâm giám sát vệ tinh Tại các trung tâm này, các hoạt động bám sát, đo l-ờng từ xa và điều khiển TT&C (Tracking Telemetry and Command) sẽ đ-ợc thực hiện nhằm mục đích giữ cho vệ tinh cố định, đồng thời kiểm tra đ-ợc các thông số hoạt động của nó nh- nhiệt độ antenna, nguồn điện acquy, nhiên liệu

Tuyến mà sóng Radio đ-ợc phát từ các trạm mặt đất đến antenna thu của vệ tinh đ-ợc gọi là tuyến lên (Uplink) Ng-ợc lại tuyến mà vệ tinh phát cho các trạm mặt đất sẽ đ-ợc gọi là tuyến xuống (Downlink) Để đánh giá

Phần không gian

Trạm điều khiển (TT&C)

Các trạm phát Các trạm thu

Phần mặt đất

chất l-ợng của tuyến ng-ời ta hay dùng đại l-ợng C/N là tỉ số giữa công suất của sóng mang và công suất tạp âm ảnh h-ởng đến sóng mang Tỉ số này trên toàn tuyến đ-ợc quyết định bởi chất l-ợng của tuyến lên và tuyến xuống T-ơng ứng với các điều kiện truyền dẫn riêng ở mỗi tuyến (nh- môi tr-ờng trung gian, kiểu điều chế, kiểu mã hoá, tính chất của thiết bị thu )

Vệ tinh bao gồm phần tải trọng (Payload) và một phần nền (Platform) Phần Playload gồm antenna và các thiết bị điện tử phục vụ cho truyền dẫn Phần Platform chứa các thiết bị bảo đảm cho hoạt động của phần Payload nh- là giá đỡ, cung cấp nguồn điện, điều khiển nhiệt độ, điều khiển h-ớng

và quỹ đạo, các thiết bị đẩy phản lực, thùng chứa nhiên liệu và các thiết bị TT&C Ta thấy rằng trong quá trình hoạt động vệ tinh sẽ nhẹ dần đi do phải tiêu tốn nhiên liệu cho việc điều khiển Để cho vệ tinh không bị mất trọng tâm thì quá trình giảm trọng l-ợng phải luôn phân bố đều trên toàn bộ thể tích của nó Do đó bao giờ ng-ời ta cũng thiết kế sao cho các thùng chứa nhiên liệu đối xứng với nhau qua trọng tâm của vệ tinh Thực tế những thùng chứa nhiên liệu nằm trong phần Platform chiếm phần lớn khối l-ợng và thể tích của các vệ tinh

Trong hệ thống hiện nay, các vệ tinh chỉ giữ vai trò nh- là một trung chuyển (Repeater) hoặc một nút tiếp sức (Relay) Vì vậy vệ tinh phải có chức năng khuếch đại sóng mang từ tuyến lên sau đó truyền lại ở tuyến xuống Thông th-ờng đối với vệ tinh, công suất tại đầu vào máy thu nằm trong khoảng từ 100pW tới 1lnW, t-ơng ứng với công suất sóng mang tại

đầu ra của bộ khuếch đại nằm trong khoảng từ 10 đến 100W Do đó hệ số khuếch đại phát nằm trong khoảng 100-130dB Ngoài ra vệ tinh còn có chức năng điều chỉnh tần số sóng mang ở tuyến lên cao hơn tuyến xuống thông qua các bộ đổi tần Trên vệ tinh, yêu cầu ngăn cách tín hiệu ở đầu ra máy phát và đầu vào máy thu phải đạt đ-ợc 150dB Hiện nay và trong t-ơng lai gần các vệ tinh tái sinh (Generative Satellites) ví dụ trong hệ thống ACT và

INTELSAT sẽ có các chức năng nh- giải điều chế, xử lý tín hiệu băng gốc

và tái điều chế Nh- vậy ta thấy rằng việc biến đổi tần số của tuyến xuống so với tuyến lên vẫn đ-ợc các vệ tinh thế hệ cũ thực hiện bằng các bộ đổi tần (Frequency Converter) có thể đ-ợc thay bằng cách điều chế một sóng mang mới ở tuyến xuống đối với hệ thống vệ tinh tái sinh

Độ tin cậy của phần không gian là một nhân tố quan trọng để đánh giá khả năng hoạt động của cả hệ thống Độ tin cậy của vệ tinh phụ thuộc vào chất l-ợng tất cả các thiết bị của nó Khi một vệ tinh bị hỏng thì không có nghĩa là các thiết bị của nó bị hỏng mà có thể là do vệ tinh đã hết tuổi thọ Một hệ thống có độ tin cậy cao khi nó có các biện pháp dự phòng tốt Trong các hệ thống cao cấp, cứ một vệ tinh hoạt động thì có một vệ tinh dự phòng sẵn sàng trên quỹ đạo và một vệ tinh dự phòng ở d-ới mặt đất (trong kho)

1.2.2 Các dạng quỹ đạo của vệ tinh

Quỹ đạo là h-ớng bay của vệ tinh khi nó ở trạng thái cân bằng giữa hai lực trực đối (Hình 1.2) Đó là lực hấp dẫn của trái đất đối với vệ tinh (Gravitation) có h-ớng thẳng tới tâm của trái đất và lực ly tâm (Centrifugal) trực

đối với lực hấp dẫn Hai lực này có cùng giá trị tại vệ tinh kết hợp với nhau để giữ vệ tinh bay trong một mặt phẳng theo một dạng đ-ờng cong nào đó xung quanh trái đất Có ba dạng quỹ đạo th-ờng gặp nhất đó là quỹ đạo Ellipse, quỹ

đạo tròn nghiêng và quỹ đạo tròn ngang (hay quỹ đạo xích đạo)

Hình 1.2 Các ngoại lực tác động lên vệ tinh (a) Qũy đạo Ellipse

Quỹ đạo Ellipse nghiêng một góc 640 với mặt phẳng xích đạo Đ-ờng bay của vệ tinh nằm trong một mặt phẳng và có dạng hình Ellipse với bán kính trục lớn bằng khoảng cách từ trái đất đến vệ tinh khi đó ở vị trí điểm cực viễn (apogee) và bán kính trục nhỏ khi nó nằm ở điểm cận cực (perigee) Vận tốc của vệ tinh sẽ giảm đi khi khoảng cách giữa nó với trái đất tăng lên

và ng-ợc lại Nh- vậy vận tốc của vệ tinh sẽ thấp nhất khi nó ở điểm cực viễn và cao nhất khi nó ở điểm cực cận

Kiểu quỹ đạo này là tr-ờng hợp cân bằng đặc biệt của vệ tinh do lực hút không đều của trái đất Nhờ quỹ đạo nghiêng của mình mà vệ tinh có thể phủ sóng đ-ợc các vùng vĩ độ cao của trái đất khi nó đến gần điểm cực viễn Dạng quỹ đạo này đ-ợc dùng cho nhiều hệ thống vệ tinh ví dụ nh- hệ thống MOLNYA với chu kỳ 12h (khoảng cách tới điểm cực viễn bằng 39957km và khoảng cách tới điểm cực cận là 548km)

Dạng quỹ đạo này đặc biệt thích hợp cho các hệ thống Mobile dùng thông tin vệ tinh ở những nơi mà các hiệu ứng che lấp do ch-ớng ngại vật và Fadding trở lên đáng kể khi góc ngẩng của antenna nhỏ hơn 300 Các quỹ

đạo ellipse nghiêng cho phép tạo ra những tuyến vệ tinh ở vĩ độ trung bình

và vĩ độ cao với góc ngẩng antenna của trạm mặt đất xấp xỉ 900 nên suy hao môi tr-ờng đối với những tuyến này rất thấp Đây là -u điểm nổi bật mà kiểu quỹ đạo của vệ tinh địa tĩnh không có đ-ợc Hệ thống ELLIPSAT bao gồm

24 vệ tinh trên hai mặt phẳng quỹ đạo khác nhau cùng nghiêng 640 dùng để phủ sóng liên tục toàn bộ n-ớc Mỹ cũng thuộc kiểu quỹ đạo Ellipse nghiêng (2903km/426km)

(b) Quỹ đạo tròn nghiêng

Với kiểu qũy đạo này, vệ tinh bay trong một mặt phẳng có góc nghiêng gần 900 theo một đ-ờng tròn xung quanh trái đất Độ cao của vệ tinh so với mặt đất là một số không đổi khoảng vài trăm km tức là chu kỳ của nó vào khoảng 1 giờ r-ỡi Với góc nghiêng quỹ đạo gần 900, các vệ tinh có thể bay qua mọi vùng của trái đất nên kiểu quỹ đạo này th-ờng đ-ợc lựa chọn cho các vệ tinh do thám và quan sát (Observation Satellire) Một trong số này là

vệ tinh SPOT có độ cao 830km, độ nghiêng quỹ đạo là 98.70 và chu kỳ 101 phút Hiện nay có rất nhiều hệ thống vệ tinh toàn cầu sử dụng những chùm

vệ tinh bay theo kiểu quỹ đạo này ở độ cao thấp (khoảng 1000km) nh- là IRIDIUM, GLOBAL STAR, ODYSSEY, ARIES, LEOSAT, STARNET,

(c) Quỹ đạo tròn ngang (Quỹ đạo xích đạo)

Đây là kiểu quỹ đạo phổ biến cho các vệ tinh địa tĩnh Các vệ tinh bay trong một mặt phẳng có độ nghiêng bằng 00 theo một đ-ờng đồng tâm với xích đạo xung quanh trái đất, với độ cao khoảng 35786km và h-ớng chuyển

động theo chiều quay của trái đất Do đó, chu kỳ của các vệ tinh có quỹ đạo tròn ngang bằng đúng chu kỳ tự quay quanh mình của trái đất Một ng-ời quan sát đứng tại mặt đất sẽ thấy vệ tinh xuất hiện nh- một điểm cố định trên bầu trời Các vệ tinh địa tĩnh luôn bảo đảm đ-ợc một sự chuyển tiếp thông tin trong thời gian thực giữa các trạm mặt đất nằm trong vùng phủ sóng của nó Nếu vệ tinh địa tĩnh là loại Global Beam (có góc mở khoảng 17.50) thì toàn bộ khu vực trông thấy vệ tinh đều đ-ợc nó phủ sóng (khoảng

43% diện tích bề mặt trái đất) Nh- vậy chỉ cần ba vệ tinh địa tĩnh Global Beam có kinh độ khác nhau 1200 là ta có thể thiết lập đ-ợc một hệ thống thông tin toàn cầu Nh-ợc điểm chủ yếu của dạng quỹđạo này là các vệ tinh không thể phủ sóng đ-ợc các khu vực có vĩ độ cao, đặc biệt ở hai cực

1.2.3 Vai trò của trạm điều khiển (Control Station)

Trên lý thuyết, các vệ tinh chuyển động với các quỹ đạo có hình dạng là

đ-ờng tròn hoặc đ-ờng Ellipse nh-ng trong thực tế các quỹ đạo này không

đ-ợc hoàn toàn nh- lý thuyết do vệ tinh còn phải chịu tác động của rất nhiều yếu tố khách quan, nh- sự thay đổi ngẫu nhiên lực hút của trái đất, lực hấp dẫn các hành tinh lân cận Vì vậy ngay đối với vệ tinh địa tĩnh thì vẫn luôn

có sự dao động xung quanh vị trí cân bằng của nó Thêm nữa quỹ đạo của chúng còn bị nghiêng (Inclined Orbit) Điều này dẫn đến trong hệ thống phải

có các trạm điều khiển và trong các trạm mặt đất phải có hệ thống bám

Hình 1.3 Cửa sổ dao động của vệ tinh địa tĩnh

Ng-ời ta đ-a ra khái niệm cửa sổ giữ trạm (Station Keeping Window)

để nói lên khả năng trạm điều khiển chỉ có thể giữ vệ tinh địa tĩnh cố định trong một phạm vi nhất định (trong phạm vi cửa sổ) Kích th-ớc của cửa sổ

Trái đất

75km

85km 75km 0.1

thông th-ờng là 0.10 theo kinh thuyến và 0.10 theo vĩ tuyến tức là trạm điều khiển có khả năng giữ vệ tinh dao động trong phạm vi  0,050 theo ph-ơng Bắc-Nam và Đông-Tây Sự dao động theo kinh độ và vĩ độ của các vệ tinh

địa tĩnh t-ơng ứng với một dung sai vị trí là  37.5km Đồng thời độ cao của

vệ tinh so với trái đất cũng luôn bị thay đổi theo thời gian với một độ lệch tâm cực đại là 0.001 Do đó, khoảng độ cao thay đổi của vệ tinh trong một chu kỳ 24h sẽ là 2 x 0,001 x(35786 + 6378)  85km Trong đó giá trị 6378

là bán kính của trái đất tính ra km còn 35786 là độ cao danh định của vệ tinh

địa tĩnh Nh- vậy vệ tinh địa tĩnh sẽ dao động trong một thể tích có kích th-ớc 75x75x85 (km) đ-ợc thể hiện trên hình 1.3

Sự dao động của vệ tinh tĩnh xung quanh vị trí t-ơng đối rõ ràng sẽ làm cho thời gian truyền dẫn giữa trạm và vệ tinh luôn bị thay đổi Đồng thời nó còn gây ra hiệu ứng Doppler đối với sóng mang Tất cả những ảnh h-ởng này đều gây nên những khó khăn cho qúa trình truyền dẫn và đồng bộ của hệ thống, nhất là trong các hệ thống truyền dẫn số (Digital Transmission) Ngoài ra, trạm điều khiển còn có chức năng giữ antenna thu phát của vệ tinh luôn h-ớng về vùng phủ sóng trên mặt đất Hoạt động của trạm điều khiển dựa trên cơ sở các thông tin đo đạc nhận từ rất nhiều bộ cảm biến (sensor)

đặt trên vệ tinh

1.2.4 Phân hệ thông tin của vệ tinh (Phân hệ Telecom)

Trên một vệ tinh th-ờng có hai phân hệ đó là phân hệ thông tin gồm tất cả các thiết bị phục vụ cho việc truyền dẫn tin tức và phân hệ điều khiển có nhiệm vụ đo l-ờng các thông số làm việc và điều chỉnh lại các thông số này khi có lệnh từ mặt đất Cấu trúc của phân hệ thông tin có thể đ-ợc biểu diễn tổng quan bằng sơ đồ khối sau đây(hình 1.4)

Hình 1.4 Phân hệ thông tin của vệ tinh (a) Bộ khuếch đại âm thấp LNA

Trong sơ đồ trên LNA là bộ khuếch đại tạp âm thấp (Low Noise Amplifier) đ-ợc đặt ngay sau antenna thu ARX có nhiệm vụ khuếch đại biên

độ điện áp tín hiệu thu với mức tạp âm ký sinh rất nhỏ Trong phần lý thuyết tính toán tuyến ở phía sau ta sẽ thấy ý nghĩa rất to lớn của bộ khuếch đại tạp

âm thấp đối với toàn bộ hệ thống Bộ LNA của vệ tinh th-ờng là kiểu có làm lạnh bằng Nitrogen lỏng với hiệu ứng nhiệt điện Peltier Bộ LNA của vệ tinh cũng không khác gì với bộ LNA của các ES cho nên chúng sẽ đ-ợc thảo luận trong phần thiết bị của trạm mặt đất ở phía sau

(b) Bộ đổi tần FC (Frequeny Converter)

Sau khi đã đ-ợc khuếch đại về biên độ, tín hiệu thu ở tuyến lên sẽ đ-ợc trộn với một tần số chuẩn FLO đ-ợc tạo ra bởi bộ dao động (OSC-Ocsilolator)

đặt ngay trên vệ tinh Tần số sinh ra ở đằng sau bộ trộn(MIX) là tổ hợp giữa tần số tín hiệu ở tuyến lên FU và tần số ngoại sai FLO Do tần số sóng mang của tuyến lên bao giờ cũng cao hơn tuyến xuống cho nên bộ đổi tần của vệ tinh th-ờng là bộ đổi tần xuống (Down Convertor) Nguyên tắc của việc trộn tần là dựa vào đặc tính truyền đạt không tuyến tính của các thiết bị bán dẫn,

ví dụ nh- một diode Để sinh ra các tổ hợp tần số mới từ hai tần số đầu vào (FU và FLO) Nguyên tắc này có thể giải thích một cách đơn giản nh- sau: Giả sử tín hiệu đầu vào có dạng: I(t) = Acos [(2FUt) + U]

Và tín hiệu ngoại sai có dạng; LO (t) = Bcos[(2FLOt) + LO]

Sau khi qua bộ trộn tín hiệu đầu ra sẽ là: O(t) = i(t)LO(t); do đó:

O(t) = ABcos[(2FUt) + U] cos[(2FLOt) + LO]

O(t) = (AB/2){cos [2 (FU + FLO) t + U + LO] + cos [2 (FU - FLO)

t + U - LO]

Nh- vậy tại đầu ra của bộ trộn ta có tín hiệu O(t) với biên độ AB/2 bao gồm hai thành phần tần số là FU - FLO Bằng các bộ lọc ở đầu ra của bộ đổi tần ta có thể chọn lấy một thành phần tần số mà ta mong muốn Do đó ta có

FD = FU - FLO Ví dụ đối với băng C thì FU = 6GHz nên FLO phải bằng 2GHz

để FD = 4GHz Ta cũng nhận thấy rằng khi chọn pha LO của LO(t) = 0 thì pha của tín hiệu sau khi qua bộ đổi tần sẽ không đổi và bằng U nên nó không gây trở ngại cho các quá trình xử lý phía sau, đặc biệt là việc giải điều chế dịch mức pha (PSK-Phase Shift Keying) Tóm lại nếu giả sử thành phần tín hiệu đầu vào I(t) và thành phần tín hiệu ngoại sai LO(t) có dạng nh- trên tại đầu ra của bộ đổi tần ta sẽ có tín hiệu O(t) là:

O(t) = Kcos [2 (FLO + FU) t + U ] (với LO = 0 và K = AB/2) (1.1)

(c) Bộ khuếch đại tiền công suất PPA và bộ phân chia HYBRID

Bộ khuếch đại tiền công suất PPA (Prior Power Amplifier) có chức năng khuếch đại sơ bộ công suất tín hiệu đi ra từ bộ đổi tần tới mức đủ lớn

để có thể phân chia cho các Transponder Việc phân chia này đ-ợc thực hiện nhờ bộ HYBRID gồm có n đầu ra t-ơng ứng với số Transponder của vệ tinh

Công suất tại mỗi đầu ra của bộ HYBRID do đó nhỏ hơn n lần so với công suất tại đầu vào của nó

(d) Các bộ phát đáp (Transponder)

Băng tần rất rộng của vệ tinh đ-ợc chia làm hai băng nhỏ hơn (ví dụ rộng khoảng 40MHz) Mỗi băng này đ-ợc phân phối cho mỗi bộ phát đáp của nó còn gọi là kênh vệ tinh (Satellite Channel) Mỗi một kênh vệ tinh lại

có thể mang rất nhiều kênh số liệu và kênh thoại từ những ng-ời sử dụng Trên thực thế do phải có khoảng bảo vệ giữa các bộ phát đáp cho nên dải tần thực tế mà bộ phát đáp sử dụng th-ờng nhỏ hơn (36MHz) Các bộ phát đáp

có vai trò nh- là các kênh chuyển tiếp thông tin Chúng làm việc trong những dải tần riêng nhờ các bộ lọc thông dải BPF đặt ngay tại đầu vào Sau khi xử lý bù nh- bù trễ, bù tần số tín hiệu trong mỗi Transponder sẽ đ-ợc

đ-a qua bộ khuếch đại công suất cao HPA của mỗi kênh vệ tinh th-ờng là loại đèn sóng chạy TWTA với độ dự phòng 5:1 và hiện nay đã bắt đầu sử dụng loại HPA bán dẫn SSPA Với các ph-ơng pháp đa truy nhập mà ta sẽ thảo luận ở mục 1.7 một Transponder lại có thể cùng một lúc phục vụ rất nhiều tuyến khác nhau Dễ nhận thấy rằng trong tr-ờng hợp hệ thống dùng

kỹ thuật sử dụng lại tần số (Reuse) thì sơ đồ hình 1.4 mới chỉ là một nửa phân hệ thông tin của vệ tinh dành cho một phân cực Nửa còn lại của phân cực kia có sơ đồ t-ơng tự

(e) Bộ ghép công suất (MUX)

Tr-ớc khi ra antenna phát ra ATX tín hiệu của các Transponder ở băng tần con khác nhau phải đ-ợc ghép lại với nhau Yêu cầu ghép phải đảm bảo làm sao cho sự can nhiễu giữa các kênh vệ tinh là thấp nhất và mức công suất của chúng đồng đều nhau trong tín hiệu tổng hợp Có nhiều kỹ thuật

đ-ợc ứng dụng cho bộ MUX mà trong đó có thể kể đến một thiết bị thông dụng là bộ CIRCULATOR

1.3 Phần mặt đất (Ground Segment)

Phần mặt đất bao gồm tất cả các trạm mặt đất (ES-Earth Station) của hệ thống Thông th-ờng chúng đ-ợc nối với thiết bị đầu cuối của ng-ời sử dụng thông qua một trạng thái mặt đất có dây hoặc không dây Trong một số tr-ờng hợp chúng nối trực tiếp với thiết bị của ng-ời sử dụng (VSAT) Các

ES nối với ng-ời sử dụng qua mạng th-ờng là các trạm lớn có dung l-ợng cao phục vụ nhiều khách hàng một lúc Ng-ợc lại, các trạm VSAT lại là các trạm nhỏ dung l-ợng thấp và chỉ phục vụ một số l-ợng hạn chế ng-ời dùng Hiện nay, các dịch vụ VSAT đang rất phổ biến và phát triển nên các trạm mặt đất VSAT đ-ợc rất nhiều quan tâm nghiên cứu

Các trạm mặt đất có thể phân biệt theo kích cỡ của chúng Kích cỡ này phụ thuộc vào dung l-ợng truyền tải và kiểu tin tức của mỗi trạm (thoại, truyền hình hay số liệu) Các trạm lớn nhất đ-ợc trang bị antenna đ-ờng kính 30m nh- các ES tiêu chuẩn A của hệ thống INTELSAT thế hệ cũ Các trạm nhỏ nhất antenna chỉ có 0.6m ví dụ nh- các trạm thu truyền hình trực tiếp từ vệ tinh Nhìn chung do kỹ thuật ngày càng phát triển nên kích cỡ của các ES ngày càng nhỏ lại Ví dụ hiện nay trạm chuẩn A của INTELSAT chỉ cần có antenna đ-ờng kính từ 15 đến 18m

Các trạm mặt đất th-ờng có cả máy phát và máy thu để trao đổi tin tức tới vệ tinh Một số trạm khác chỉ có máy thu nh- trong tr-ờng hợp trạm khai thác các dịch vụ quảng bá từ vệ tinh hoặc là phân phối các dịch vụ truyền hình và số liệu tới khách hàng Hình 1.5 cho ta thấy cấu trúc tổng quan của một trạm mặt đất thông dụng

Kỹ thuật về trạm mặt đất đặc biệt quan trọng cho những ng-ời khai thác

hệ thống thông tin vệ tinh bởi vì nó gắn liền với họ Các thông số của trạm mặt đất, các tính chất tín hiệu và các quá trình xử lý tín hiệu tại trạm mặt đất nh- là ghép kênh, gây méo tr-ớc, giải méo tr-ớc, nén giãn, mã hoá, chống

lỗi, phân tán công suất (scrambling), bảo mật (encryption) sẽ đ-ợc nói tới ở phần sau Các kỹ thuật điều chế và giải điều chế tín hiệu mà hiện nay th-ờng mới chỉ áp dụng cho trạm mặt đất sẽ đ-ợc thảo luận trong mục 1.6 ch-ơng này

Hình 1.5 Sơ đồ khối tổng quát của trạm mặt đất

Sơ đồ

1.4 Phân cực của sóng mang trên tuyến thông tin vệ tinh

Sóng điện từ bao giờ cũng có một thành phần điện tr-ờng và một thành phần từ tr-ờng có h-ớng vuông góc nhau và vuông góc với ph-ơng truyền sóng Theo quy -ớc, phân cực của sóng đ-ợc định nghĩa bởi h-ớng của vector c-ờng độ điện tr-ờng Nói chung h-ớng của điện tr-ờng không cố

định và biên độ của nó cũng không phải là hằng số Khi truyền sóng điện từ,

đầu mút của vectơ c-ờng độ điện tr-ờng th-ờng vạch ra một hình ellipse do

đó gọi là phân cực ellipse

Phân cực của sóng điện từ có 3 thông số cơ bản sau:

H-ớng quay vectơ c-ờng độ điện tr-ờng: Theo tay phải hoặc theo tay trái (tức là cùng hoặc ng-ợc chiều kim đồng hồ – Clockwise or Counter Clockwise)

Tỉ số trục AR (Axial Ratio): AR = EMAX/EMIN là tỉ số giữa trục lớn và trục nhỏ của ellipse phân cực Khi AR = 1 hay 0dB thì đ-ờng ellipse trở thành đ-ờng tròn và phân cực đ-ợc gọi là phân cực tròn Khi AR =  thì

đ-ờng elip trở thành một đ-ờng thẳng và phân cực đ-ợc gọi là phân cực thẳng Độ nghiêng  của ellipse phân cực:

Khi dùng công nghệ truyền dẫn sử dụng lại tần số (Reuse) thì ng-ời ta phải dùng đến hai sóng mang có phân cực vuông góc nhau vì lúc đó không thể phân biệt sóng mang qua tần số

Hai sóng điện từ đ-ợc gọi là vuông góc nhau khi chúng có các ellipse phân cực vuông góc hay độ nghiêng  của 2 ellipse lệch nhau 900 Nhiều khi

ở những tuyến gây xuyên cực lớn ng-ời ta phải sử dụng thêm sự phân biệt về chiều quay vector c-ờng độ điện tr-ờng Một sóng mang quay theo tay phải còn sóng mang vuông góc với nó quay theo tay trái

Đặc biệt khi sử dụng phân cực tròn thì chỉ có thể phân biệt về chiều quay của vector phân cực Khi đó sóng mang có vector E quay theo tay phải gọi là RHCP (Right Hand Circular Polarisation) và sóng mang có vector E quay theo tay trái gọi là LHCP (Left Hand Circular Polarisation) Các phân cực tròn LHCP và RHCP hiện đang đ-ợc dùng rất phổ biến trong thông tin

vệ tinh, đặc biệt trong các hệ thống dùng lại tần số

Hai phân cực thẳng gọi là vuông góc với nhau khi có một phân cực h-ớng theo chiều thẳng đứng (Vertical), phân cực kia h-ớng theo chiều nằm ngang (Horizontal) trong một hệ quy chiếu nào đó

1.5 Các dải tần số sử dụngtrong thông tin vệ tinh

Để phân phối dải tần số ng-ời ta chia thế giới ra làm ba khu vực nh- sau:

- Khu vực 1: Bao gồm Châu Âu, Châu Phi vùng Trung Đông và Nga

- Khu vực 2: Bao gồm các n-ớc Châu Mỹ

- Khu vực 3: Bao gồm các n-ớc Châu á trừ vùng Trung Đông, Nga và Châu Đại D-ơng

Tần số phân phối cho một dịch vụ nào đó có thể phụ thuộc vào khu vực Trong một khu vực, một dịch vụ có thể đ-ợc dùng toàn bộ băng tần của khu vực này hoặc phải chia sẻ với các dịch vụ khác Các dịch vụ cố định sử dụng băng tần sau:

➢ Khoảng 6GHz cho tuyến lên và 4GHz cho tuyến xuống đ-ợc gọi

là băng 6/4GHz hay băng C Băng tần này đ-ợc các hệ thống cũ

sử dụng, ví dụ nh- hệ thống INTELSAT, các hệ thống nội địa của Mỹ và hiện nay đã có xu h-ớng bão hoà

➢ Khoảng 8GHz cho tuyến lên và 7GHz cho tuyến xuống đ-ợc gọi

là băng 8/7GHz hay băng X Băng tần này đ-ợc dành riêng cho chính phủ sử dụng

➢ Khoảng 14GHz cho tuyến lên và 11 hoặc 12GHz cho tuyến xuống đ-ợc gọi là băng 14/12GHz – 14/11GHz hay băng Ku Băng tần này đ-ợc các hệ thống mới hiện nay sử dụng ví dụ nh-

hệ thống EUTELSAT, TELECOM I và II,

➢ Khoảng 30GHz cho tuyến lên và 20GHz cho tuyến xuống đ-ợc gọi là băng 30/20GHz hay băng Ka Băng tần này hiện nay mới chỉ sử dụng cho các hệ thống cao cấp, các cuộc thử nghiệm và dành cho t-ơng lai

➢ Các băng tần cao hơn 30GHz hiện đang đ-ợc nghiên cứu và chắc chắn sẽ đ-ợc dùng rất phổ biến trong t-ơng lai

➢ Các dịch vụ di động dùng vệ tinh sử dụng băng tần khoảng 1.6GHz cho tuyến lên và 1.5GHz cho tuyến xuống Băng tần này

định BALL (Allocated Bandwidth) và băng tần công suất t-ơng đ-ơng EEqP(Equivalent Power Bandwidth)

Băng tần danh định BALL là băng tần thực sự mà vệ tinh cung cấp cho trạm mặt đất Để đánh giá chất l-ợng sóng mang trong BALL ng-ời ta phải đo công suất (dB) của nó tại một vị trí nào đó đ-ợc xác định bởi BALL Nếu lý t-ởng thì BALL = 1 Hz nh-ng trên thực độ rộng của BALL bằng khoảng 1%

BALL

Các dải BALL của các trạm mặt đất đ-ợc đặt sát cạnh nhau cho nên giữa chúng phải có khoảng bảo vệ nào đó nhằm tránh sự xuyên nhiễu Vì vậy thực sự các sóng mang chỉ làm việc với dải tần chiếm dụng BOCC nhỏ hơn và nằm trong BALL BOCC đ-ợc xác định bằng khoảng băng tần giữa hai BALL sao cho giá trị công suất đỉnh lớn hơn công suất mỗi BALL tối thiểu 40dB Thông th-ờng thì BOCC có giá trị trong khoảng 1/1.1 đến 1/1.2 BALL

1.6 các kỹ thuật điều chế và giải điều chế tín hiệu

1.6.1 Khái niệm

Điều chế tín hiệu là biến đổi tín hiệu cần truyền sang một dạng năng l-ợng mới có quy luật biến đổi theo tin tức và thích hợp với môi tr-ờng truyền dẫn Quá trình điều chế là quá trình dùng tín hiệu tin tức để thay đ ổi một hay nhiều thông số của ph-ơng tiện mang tin Ph-ơng tiện mang tin trong thông tin vệ tinh th-ờng là sóng điện từ cao tần (RF) Việc điều chế phải đảm bảo sao cho tín hiệu ít bị can nhiễu nhất là khi sóng mang đi qua môi tr-ờng trung gian

Ng-ời ta phân biệt hai loại điều chế; đó là điều chế t-ơng tự cho các tín hiệu Analogue và điều chế số cho tín hiệu số Đối với tín hiệu t-ơng tự thì kiểu điều chế th-ờng dùng trong thông tin vệ tinh là điều tần FM (dùng cho thoại, số liệu và truyền hình) Các ph-ơng pháp điều chế AM và QAM (điều chế cầu ph-ơng) rất ít dùng bởi khoảng cách truyền dẫn rất lớn của tuyến vệ tinh cùng với các tạp âm đ-ờng truyền sẽ làm cho biên độ sóng mang bị thay

đổi rất mạnh gây nhiều khó khăn cho quá trình giải điều chế

Các kỹ thuật điều chế số dựa trên cơ sở dùng các biện pháp tải các dòng bit tin tức lên sóng mang Tín hiệu ở băng gốc bao giờ cũng là tín hiệu Analogue nên chúng phải đ-ợc chuyển thành tín hiệu số nhờ ph-ơng thức PCM (Pulse Code Modulation) tr-ớc khi đem đi điều chế Kỹ thuật điều chế

số áp dụng trong thông tin vệ tinh th-ờng là điều chế mức pha PSK (Phase Shift Keying) và điều chế dịch pha vi sai DE-PSK (Differental PSK) Ưu

điểm của kỹ thuật điều chế số là tránh can nhiễu của môi tr-ờng và dễ kết hợp với các quá trình xử lí mã hoá, bảo mật, chống lỗi, sửa lỗi Nói chung nguyên tắc của việc điều chế tín hiệu số và tín hiệu t-ơng tự ít bị can nhiễu của môi tr-ờng và dễ kết hợp với các qúa trình xử lí nh- mã hoá, bảo mật, chống lỗi, sửa lỗi Nói chung nguyên tắc của việc điều chế tín hiệu số và tín hiệu t-ơng tự là giống nhau

F(t) = F(t) – FC = kFM v(t) [Hz] (1.2) Trong đó kFM [Hz/V] là hệ số của bộ điều chế f(t) là tần số sóng mang

bị biến điệu theo thời gian sau khi điều chế

Nh- vậy sự biến đổi biên độ của điện thế v(t) đặc tr-ng cho tin tức cần truyền đi đã đ-ợc tải lên sóng mang theo hàm F(t) để khôi phục tin tức ban

đầu

(b) Chỉ số điều tần

Nếu tín hiệu điều chế có dạng hình sin với tần số FM và biên độ A thì nó

sẽ gây ra độ lệch tần số cực đại (đỉnh) của sóng mang là FMAX = kFMA Khi

đó chỉ số điều tần đ-ợc định nghĩa:

Chỉ số điều chế biểu thị cho mức độ điều chế (độ sâu) của tín hiệu đối với sóng mang Giá trị mFM lớn khi biên độ của tín hiệu lớn làm tần số sóng mang thay đổi nhiều và sẽ nhỏ khi A nhỏ kéo theo Fmax cũng nhỏ

(c) Độ rộng phổ của sóng mang điều tần

Phổ của sóng mang bị điều chế bởi một tín hiệu chuẩn hình sin có tần

số FM chiếm một độ rộngđ-ợc tính bằng công thức Carson:

B = 2 (mFM + 1) FM (1.4) Nếu tín hiệu dùng để điều chế khôngcó dạng sin mà chiếm một dải tần

từ 0 – FMAX thì ta phải thay giá trị FM bằng FMAX trong công thức Carson:

B = 2 (mFM + 1)FMAX (1.5) Với chỉ số điều tần

MFM = FMAX/FMAX (1.6)

1.6.3 Kỹ thuật giải điều chế sóng mang FM

(a) Nguyên lý

Nguyên lý của việc giải điều chế sóng mang FM ng-ợc với quá trình

điều chế Tức là bộ giải điều chế sẽ xác định độ lệch tần số tức thời của sóng mang F(t) và từ đó khôi phục điện thế tin tức u(t) theo ph-ơng trình sau:

Trong đó FM là hệ số của bộ giải điều chế tính ra [V/Hz]

(b) Tỉ số tín hiệu trên tạp âm tại đầu ra của bộ giải điều chế

Để đánh giá mức độ tạp âm ng-ời ta th-ờng sử dụng khái niệm mật độ phổ công suất tạp âm N0 đ-ợc suy từ công thức N = N0BN Trong đó N là công suất tạp âm tổng cộng trên toàn dải BN Đối với ph-ơng thức giải điều tần, N0 sẽ phụ thuộc vào tần số và đ-ợc tính bằng:

N0(F) = N0 (FM/A)2 (2F)2 [WW/Hz] (1.8)

ở đây A là biên độ của sóng mang thu đ-ợc và N0 là mật độ phổ công suất tạp âm tại đầu vào của bộ giải điều chế N0(F) có dạngđ-ờng Parabol Nếu tín hiệu tin tức có độ rộng phổ trong khoảng (0-FMAX) thì tỉ số S/N tại đầu ra của bộ giải điều chế đ-ợc tính bằng công thức:

S/N = [3/2FMAX)](FMAX/FMAX)2 (C/N0) T (1.9) Trong đó (C/N0)T là tỉ số giữa công suất sóng mang và mật độ phổ công suất tạp âm trên toàn tuyến đ-ợc đo tại đầu vào của bộ giải điều chế N0

đ-ợc đánh giá trong giải BN = B = 2 (mFM + 1) FMAX

điều chế Đây chính là nguyên lý hoán đổi băng tần –C/N (cũng còn gọi là nguyên lý hoán đổi băng tần công suất: Bandwidth-Power Exchange) của ph-ơng pháp điều chế tần số Nguyên lý này làm cho ph-ơng pháp điều chế

FM đặc biệt thích hợp cho việc truyền dẫn tín hiệu t-ơng tự qua vệ tinh

Thông th-ờng giá trị S/N nhỏ nhất cho phép là 10dB gọi là ng-ỡng giải điều tần

1.6.4 Điều chế số

(a) Nguyên lý

Hình 1.7 cho ta thấy nguyên lý cơ bản của một điều chế số, gồm có:

- Một bộ tạo mức(Symbol Generator)

- Một bộ mã hoá (Encoding)

- Một bộ tạo tín hiệu sóng mang (Channel Signal Generator)

Hình 1.7 Nguyên lý của bộ điều chế số

Bộ tạo mức sẽ chuyển chuỗi nhị phân ở đầu vào ra M mức nhất định Cứ một nhóm m bit cạnh nhau ở đầu vào sẽ đ-ợc thể hiện bởi một mức đặc tr-ng riêng cho cấu trúc logic của nhóm Nh- vậy giữa M và m có quan hệ

M = 2m Bộ mã hoá sẽ tạo ra sự t-ơng quan giữa M mức này với M ẩitngj thái có thể của sóng mang Trên thực tế, trong bộ điều chế số có hai kiểu mã hoá sau:

➢ Mã hoá trực tiếp (Direct Encoding): Một mức sẽ t-ơng ứng với một trạng thái nhấtđịnh của sóng mang

➢ Mã hoá vi sai (Differental Encoding): Một mức sẽ t-ơng ứng với một

sự thay đổi nhất định giữa hai trạng thái liền nhau của sóng mang Nếu tốc độ luồng số tại đầu vào bộ điều chế là Rc (bit/s) thì tốc độ điều chế RS tại đầu ra hay số thay đổi trạng thái của sóng mang mỗi giây là:

Bộ tạo mức

(M mức)

Mã hoá

Bộ tạo tín hiệu sóng mang (M Mức)

Dòng số

đi vào

Bộ điều chế số M=2 m

RS = RC /m = RC/log2M [baud] (1.11)

Điều chế dịch mức pha (PSK) đặc biệt thích hợp cho việc truyền dẫn số bởi nó ít bị nhiễu làm ảnh h-ởng và khi so sánh với điều chế dịch mức tần số (FSK) thì nó sử dụng phổ hiệu quả hơn hay có số l-ợng bit/s trên mỗi đơn vị dải tần lớn hơn Hai kiểu PSK phổ biến nhất trong thông tin vệ tinh là điều chế dịch pha hai mức (BPSK) và điều chế dịch pha bốn mức (QPSK) Trong mỗi kiểu lại có hai kiểu con tuỳ chọn theo cách mã hoá (encoding) là pha trực tiếp hay pha vi sai

(b) Điều chế pha hai trạng thái BPSK và DE-BPSK

Hình 1.8 cho thấy cấu trúc cơ bản của một bộ điều chế pha 2 trạng thái

ở đây ta không cần có bộ tạo mức vì trong tr-ờng hợp này một mức t-ơng ứng với một bit Chúng ta kỹ hiệu bk là giá trị logic của bit tại đầu vào bộ

điều chế tồn tại trong khoảng thời gian [TC, (k+1) TC ] Bộ mã hoá sẽ chuyển giá trị bit bk thành giá trị bit mk của chuỗi điện thế v(t), th-ờng là mã NRZ,

để điều chế lên sóng mang

Hình 1.8 Bộ điều chế pha hai trạng thái

Nếu mã hoá trực tiếp (BPSK) thì mk = bk còn nếu mã hoá vi sai BPSK) thì mk = bk (+) mK-1 Bộ tạo sóng mang đ-ợc điều khiển bởi bit mk tồn

(DE-Mã hoá

Bộ tạo tín hiệu sóng mang

tại trong khoảng thờigian [kTC (k+1) TC] thông qua điện thế v(kTC) = V Sóng mang đ-ợc điều chế có tần số FC = C/2 và có dạng nh- sau:

C(t) = Acos (Ct + K) = v(kTC)Acos(Ct) Trong công thức trên K = mK tức là K = 0 nếu mK = 1 và K = 0 Cả hai kiểu điều chế BPSK và DE-BPSK đều có dạng ph-ơng trình sóng mang

điều chế C(t) nh- trên vì mk đ-ợc xác định khác nhau nên giá trị K của mỗi kiểu đối với cùng một bit bK có thể khác nhau (xem bảng 1.1) Điều chế PSK dựa trên nguyên lý dùng các mức mK để biến điệu pha của sóng mang bằng cách nhân nó với một sóng mang chuẩn nh-ng pha của nó luôn luôn giữ nguyên trạng thái trong thời gian tồn tại của mỗi baud

Dấu * biểu thị rằng có sự thay đổi giữa pha mới với pha cũ trong DE-BPSK

(c) Điều chế pha bốn trạng thái QPSK và DE-QPSK

Hình 1.9 cho ta hình ảnh về cấu trúc của một bộ điều chế pha bốn trạng thái Bộ tạo mức có vai trò nh- một bộ biến đổi nối tiếp – song song để tạo

ra hai chuỗi nhị phân AK và BK từ chuỗi bK ban đầu Nếu bK có tốc độ RC/2 Trong bộ điều chế QPSK thì một mức đặc tr-ng cho một cặp bit (dibit) lấy từ hai luồng AKvà BK, tồn tại trong khoảng thời gian [kTS, (k+1) TS] bằng thời gian hai bit của chuỗi gốc bK tức là TS = 2TC Bộ mã hoá chuyển cặp bit

AKBK thành cặp bit IKQK theo một quy luật nhất định để rồi sau đó sẽ dùng một trạng thái pha nào đó của sóng mang đại diện cho cặp bit IKQK này

Hình 1.9 Bộ điều chế pha 4 trạng thái (QPSK)

Giá trị điện thế của IK và QK đem điều chế t-ơng ứng là V(1)(t) và VQ(t) Nếu mã hoá trực tiếp thì ta có kiểu điều chế trực tiếp (QPSK) và IK, QK đ-ợc xác định từ công thức IK = AK; QK = BK Nếu mã hoá vi sai thì ta có kiểu

điều chế vi sai (DE-QPSK – Differental QPSK) và ngoài AKBK, giá trị IKQKcòn đ-ợc xác định nhờ vào trạng thái của chúng tr-ớc đó (IK-1QK-1) theo các ph-ơng trình sau:

IK = IK-1AKBK + IK-1AKBK + QK-1AKBK+QK-1AKBK (1.13a)

QK = IK-1AKBK + IK-1AKBK + QK-1AKBK+QK-1AKBK (1.13b)

Bộ tạo sóng sẽ sinh ra hai sóng mang có pha vuông góc nhau thông qua một bộ quay pha 900 Sau đó thành phần sóng mang cosin sẽ đ-ợc điều chế biên độ bởi bít IK trong khoảng thời gian [kTS, (k+1) TS] và thành phần sóng mang sin sẽ đ-ợc điều chế biên độ bởi bít QK cũng trong khoảng thời gian này Điện thế của bit điều chế IK và VI(kTS) =  V và của bit QK là VQ(kTS) =

 V chính là các giá trị của IK và QK đ-ợc xác định bằng các công thức trên tại thời điểm kTS Cuối cùng hai thành phần điều biên này đ-ợc cộng với nhau để tạo sóng mang tổng hợp C(t):

Bộ tạo mức