Bài giảng thông tin vệ tinh

z  Bài giảng thụng tin vệ tinh Nguyễn Trung Tấn Trung tâm Kỹ thuật Viễn thông Khoa Vô tuyến Điện tử Học viện Kỹ thuật Quân sự Bμi giảng thông tin vệ tinh dùng cho hệ đào tạo dài hạn (45 tiết- dự thảo) Ch−ơng 1: Tổng quan về thông tin vệ tinh (8 tiết) 1.1. Lịch sử phát triển thông tin vệ tinh. ♦ Vào cuối thế kỷ 19, nhà bác học Nga Tsiolkovsky (1857-1035) đã đ−a ra các khái niệm cơ bản về tên lửa đẩy dùng nhiên liệu lỏng. Ông cũng đ−a ra ý t−ởng về tên lửa đẩy nhiều tầng, các tàu vũ trụ có ng−ời điều khiển dùng để thăm dò vũ trụ. ♦ Năm 1926 Robert Hutchinson Goddard thử nghiệm thành công tên lửa đẩy dùng nhiên liệu lỏng. ♦ Tháng 5 năm 1945 Arthur Clarke nhà vật lý nổi tiếng ng−ời Anh đồng thời là tác giả của mô hình viễn t−ởng thông tin toàn cầu, đã đ−a ra ý t−ởng sử dụng một hệ thống gồm 3 vệ tinh địa tĩnh dùng để phát thanh quảng bá trên toàn thế giới. ♦ Tháng 10 / 1957 lần đầu tiên trên thế giới, Liên Xô phóng thành công vệ tinh nhân tạo SPUTNIK – 1. Đánh dấu một kỷ nguyên về TTVT. ♦ Năm 1958 bức điện đầu tiên đ−ợc phát qua vệ tinh SCORE của Mỹ, bay ở quỹ đạo thấp. ♦ Năm 1964 thành lập tổ chức TTVT quốc tế INTELSAT. ♦ Năm 1965 ra đời hệ thống TTVT th−ơng mại đầu tiên INTELSAT-1 với tên gọi Early Bird. ♦ Cuối năm 1965 Liên Xô phóng TTVT MOLNYA lên quỹ đạo elíp. ♦ Năm 1971 thành lập tổ chức TTVT quốc tế INTERSPUTNIK gồm Liên Xô và 9 n−ớc XHCN. ♦ Năm 1972-1976 Canada, Mỹ, Liên Xô và Indonesia sử dụng vệ tinh cho thông tin nội địa. ♦ Năm 1979 thành lập tổ chức thông tin hàng hải quốc tế qua vệ tinh INMARSAT. ♦ Năm 1984 Nhật bản đ−a vào sử dụng hệ thống truyền hình trực tiếp qua vệ tinh. ♦ Năm 1987 Thử nghiệm thành công vệ tinh phục vụ cho thông tin di động qua vệ tinh. ♦ Thời kỳ những năm 1999 đến nay, ra đời ý t−ởng và hình thành những hệ thống thông tin di động và thông tin băng rộng toàn cầu sử dụng vệ tinh. Các hệ thống điển hình nh− GLOBAL STAR, IRIDIUM, ICO, SKYBRIGDE, TELEDESIC. ♣ Một số mốc đánh dấu sự phát triển của hệ thống TTVT ở Việt Nam: ♦ Năm 1980 khánh thành trạm TTVT mặt đất Hoasen-1, nằm trong hệ thống TTVT INTERPUTNIK, đ−ợc đặt tạo làng Do Lễ – Kim Bảng – Hà Nam. Đài Hoasen-1 là sản Trang: 1 phẩm của nhà n−ớc Liên Xô tặng nhân dân Việt Nam và đã kịp thời truyền đi trực tiếp những hình ảnh về Olimpic 1980 tổ chức tại Liên Xô. ♦ Năm 1984 khánh thành trạm mặt đất Hoasen-2 đặt tại Tp. HCM. ♦ Ngày 24/9/1998 Thủ t−ớng chính phủ ra quyết định 868/QĐ-TTG về việc thông qua báo cáo tiền khả thi dự án phóng vệ tinh viễn thông ViNaSAT lên quỹ đạo địa tĩnh do tổng công ty B−u chính viễn thông Việt Nam làm chủ đầu t−. ♦ Hiện nay mạng l−ới thông tin vệ tinh của việt nam đang chỉ sử dụng các trạm mặt đất nh−: Đài truyền hình Việt Nam thuê vệ tinh MEASAT và THAICOM-3, đài tiếg nói Việt Nam thuê vệ tinh PALAPA để phát thanh ch−ơng trình quốc tế... 1.2. Quỹ đạo của vệ tinh. các vệ tinh trên quỹ đạo đ−ợc phân biệt bởi các tham số sau đây: - Dạng của quỹ đạo (tròn hay ellip) - Độ cao của quỹ đạo so với mặt đất. - Độ nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo so với mặt phẳng xích đạo. Sự chuyển động của vệ tinh vòng quanh trái đất đ−ợc tuân theo định luật Kepler, đây là định luật xác định quy luật chuyển động của hành tinh xung quanh mặt trời. Nh− vậy, vệ tinh quỹ đạo trái đất buộc phải chuyển động theo một quỹ đạo mà mặt phẳng quỹ đạo của nó đi qua tâm trái đất. • Định luật kepler thứ nhất: Vệ tinh chuyển động vòng quanh trái đất theo một quỹ đạo Ellip với tâm trái đất nằm ở một trong hai tiêu điểm của Ellip. Điểm xa nhất của quỹ đạo so với tâm trái đất nằm ở phía của tiêu điểm thứ hai, đ−ợc gọi là viễn điểm còn điểm gần nhất của quỹ đạo đ−ợc gọi là cận điểm a: Bán trục dài b: Bán trục ngắn ha: Độ cao viễn điểm hb: Độ cao cận điểm e: Độ lệch tâm xác định hình dạng ellip . a bae 22 −= ý nghĩa: - Vệ tinh chuyển động theo quỹ đạo tròn hoặc Ellip. - Tâm trái đất nằm 1 trong 2 tiêu điểm của quỹ đạo Ellip. - Nếu là quỹ đạo tròn thì tâm của quỹ đạo trùng với tâm của trái đất. - Khi e = 0, thì quỹ đạo vệ tinh là quỹ đạo tròn. b. Định luật kepler thứ hai: 2a 2b ha hb Trang: 2 Vệ tinh chuyển động theo một quỹ đạo với vận tốc thay đổi sao cho đ−ờng nối giữa tâm trái đất và vệ tinh sẽ quét các diện tích bằng nhau khi vệ tinh chuyển động trong cùng một thời gian nh− nhau. Với: T1 = T2 thì S1 = S2 ý nghĩa: - Vệ tinh chuyển động với vận tốc nhanh hơn khi gần trái đất và chậm hơn khi xa trái đất. - Vận tốc chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo tròn là không đổi và đ−ợc xác định: Vệ tinh bay ở quỹ đạo tròn có bán kính R sẽ là một đại l−ợng không đổi, đ−ợc xác định khi thực hiện phép lấy cân bằng lực hút và lực ly tâm R mV R mMG 2 2 = , có vận tốc là ( )sKmRR GMV / 630== và chu kỳ là (s) 102 32 R V RT −≈= π . Trong đó: + G là hằng số hấp dẫn (6,674.10-8 cm3/gs2) + M là khối l−ợng của trái đất (5,974.1027g) + m là khối l−ợng của quả vệ tinh (g) + R là khoảng cách từ tâm trái đất đến vệ tinh (km) c. Định luật kepler thứ ba: Bình ph−ơng của chu kỳ quay tỷ lệ thuận với luỹ thừa bậc ba của bán trục lớn của quỹ đạo Ellip. 32 kaT = , k là hệ số tỷ lệ, có giá trị không đổi đối với một vật thể xác định trên quỹ đạo. 1.2.2. Các quỹ đạo a. Quỹ đạo đồng bộ - đĩa tĩnh (GEO - Geostationalry Earth Orbit): ♦ Là quỹ đạo thoả mãn các điều kiện sau: S1 S2 Vmax Vmin T2 T1 Quả đất Quỹ đạo địa tĩnh Đ−ờng xích đạo 62.000Km 36.000Km rE mMG/R2 -mV2/R V Trang: 3 - Là quỹ đạo đồng bộ với trái đất: có nghĩa là chu kỳ quay bằng chu kỳ quay của trái đất xung quanh trục Bắc Nam. - Mặt phẳng quỹ đạo năm trong mặt phẳng xích đạo của trái đất: có nghĩa là góc nghiêng bằng 0. - Có cùng chiều quay với chiều quay của trái đất: từ Tây sang Đông. áp dụng các công thức trên ta có Km 164.42 4 2 2 == π MGTR , độ cao của quả vệ tinh so với mặt đất là 42.164 – 6378 = 35.786 Km ≈ 36.000Km, vận tốc V = 3,074662 Km/s và chu kỳ T = 23h 56’ 4,096’’≈ 24 giờ . ♦ Ưu điểm: - Hiệu ứng Dopler rất nhỏ do đó việc điều chỉnh an ten trạm mặt đất là không cần thiết. - Vệ tinh đ−ợc coi là đứng yên so với trạm mặt đất. Do vậy, đây là quĩ đạo lý t−ởng cho các vệ tinh thông tin, nó đảm bảo thông tin ổn định và liên tục suốt 24 giờ trong ngày. - Vùng phủ sóng của vệ tinh lớn, bằng 42,2% bề mặt trái đất. - Các trạm mặt đất ở xa có thể liên lạc trực tiếp và hệ thống 3 quả vệ tinh có thể phủ sóng toàn cầu. ♦ Nh−ợc điểm: + Quĩ đạo địa tĩnh là quĩ đạo duy nhất tồn tại trong vũ trụ và đ−ợc cọ là một tài nguyên thiên nhiên có hạn. Tài nguyên này đang cạn kiệt do số l−ợng vệ tinh của các n−ớc phóng lên ngày càng nhiều. + Không phủ sóng đ−ợc những vùng có vĩ độ lớn hơn 81,30. + Chất l−ợng đ−ờng truyền phụ thuộc vào thời tiết. + Thời gian trễ truyền lan lớn, theo đ−ờng ngắn nhất có: Từ: trạm - vệ tinh - trạm (72.000Km) ≈ 240ms. Từ: trạm - vệ tinh - trạm Hub - vệ tinh - trạm (154.000Km) ≈ 513ms. Từ: trạm - vệ tinh - vệ tinh - trạm (134.000Km) ≈ 447ms. + Tính bảo mật không cao. + Suy hao công suất trong truyền sóng lớn (gần 200dB). ♦ ứng dụng: Đ−ợc sử dụng làm quỹ đạo cho vệ tinh thông tin bảo đảm thông tin cho các vùng có vĩ độ nhỏ hơn 81,30. b. Quĩ đạo Ellip: ♦ Là quỹ đạo thoả mãn các điều kiện sau: - Mặt phẳng quỹ đạo nghiêng so với mặt phẳng xích đạo 630 26’ - Có viễn điểm = 40.000Km và cận điểm 500Km. Quỹ đạo Ellip 40.000 K Trang: 4 - Vệ tinh quay từ Tây sang Đông. ♦ Ưu điểm: - Phủ sóng đ−ợc các vùng có vĩ độ cao > 81,30. - Góc ngẫng lớn nên giảm đ−ợc tạp âm do mặt đất gây ra. ♦ Nh−ợc điểm: - Mỗi trạm phải có ít nhất 2 an ten và an ten phải có cơ cấu điều chỉnh chùm tia. - Để đảm bảo liên lạc liên tục 24h thì phải cần nhiều vệ tinh. ♦ ứng dụng: Đ−ợc sử dụng làm quỹ đạo cho vệ tinh thông tin bảo đảm thông tin cho các vùng có vĩ độ lớn hơn 81,30. c. Quĩ đạo LEO và MEO: ♦ Là quỹ đạo trong thoả mãn các điều kiện sau: - Là quỹ đạo có độ cao 500Km < h < 20.000Km. ( 500Km < h < 10.000Km là LEO và 10.000Km < h < 20.000Km là MEO) - Có vận tốc góc nhỏ lớn hơn vận tốc góc của trái đất. - Có chiều quay từ Tây sang Đông. ♦ Ưu điểm: - Tổn hao đ−ờng truyền nhỏ do vệ tinh bay ở độ cao thấp, nên phù hợp với thông tin di động. - Trễ truyền lan nhỏ. ♦ Nh−ợc điểm: - Để đảm bảo thông tin liên tục trong 24h và phủ sóng toàn cầu thì cần rất nhiều vệ tinh (Để phủ sóng toàn cầu hệ thống Globalstar cần đến 48 vệ tinh (và 8 vệ tinh dự phòng) các vệ tinh thông tin bay ở quĩ đạo tròn cách mặt đất 1410km, nghiêng 520, các vệ tinh này bay trên 8 mặt phẳng quĩ đạo mỗi mặt phẳng có 6 vệ tinh, chu kỳ vệ tinh 114 phút. Tập đoàn Irdium (của Motorola) cần 66 + 6 vệ tinh bay ở quĩ đạo tròn nghiêng 84,60 cách mặt đất 780km, các vệ tinh bay ở 11 mặt phẳng quĩ đạo, chu kỳ vệ tinh 106 phút). - Mỗi trạm phải có ít nhất 2 an ten và an ten phải có cơ cấu điều chỉnh chùm tia. - Điều khiển hệ thống TTVT rất phức tạp - Tuổi thọ của vệ tinh không cao khi bay ở quỹ đạo LEO do thuộc vành đai Ion hoá. ♦ ứng dụng: Đ−ợc sử dụng làm quỹ đạo cho vệ tinh thông tin bảo đảm thông tin cho các trạm mặt đất di động. 1.3. Hệ thống thông tin vệ tinh. Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm phần không gian và phần mặt đất. Trang: 5 a. Phần không gian: bao gồm vệ tinh thông tin và các trạm điều khiển TT&C (Telemetry, Tracking& Command: đo l−ờng từ xa, bám và lệnh) ở mặt đất. Đối với vệ tinh bao gồm phân hệ thông tin (payload) và các phân hệ phụ trợ cho phân hệ thông tin: - Phân hệ thông tin bao gồm hệ thống anten thu phát và tất cả các thiết bị điện tử hỗ trợ truyền dẫn các sóng mang. - Các phân hệ phụ trở gồm: + Khung vệ tinh + Phân hệ cung cấp năng l−ợng + Phân hệ điều khiển nhiệt độ + Phân hệ điều khiển quỹ đạo và t− thế của vệ tinh + Phân hệ đẩy + Thiết bị TT&C - Nhiệm vụ phân hệ thông tin: + Khuyếch đại sóng mang thu đ−ợc phục vụ cho việc phát lại trên đ−ờng xuống. Công suất sóng mạng tại đầu vào của máy thu vệ tinh nằm trong khoảng 100 pW đến 1 PW. Công suất sóng mang tại đầu ra bộ khuếch đại công suất cao nằm trong khoảng 10 W đến 100 W. Do vậy, bộ khuếch đại công suất của bộ phát đáp vệ tinh khoảng 100dB đến 130dB. + Thay đổi tần số sóng mang để tránh một phần công suất phát đi vào máy thu vệ tinh. Để thực hiện các chức năng trên, vệ tinh hoạt động nh− một trạm chuyển tiếp đơn giải. Thay đổi tần số trên vệ tinh đ−ợc thực hiện bằng các bộ đổi tần. vệ tinh loại này đ−ợc gọi là “Transparent satellite”. Nếu các sóng mang đ−ợc giải điều chế trên vệ tinh, thay đổi tần số sẽ đạt đ−ợc bằng cách điều chế các sóng mang mới cho đ−ờng xuống. Các vệ tinh loại này đ−ợc trang bị các bộ xử lý băng gốc và đ−ợc gọi là “Regenerative satellite”. b. Phần mặt đất: bao gồm tất cả các trạm mặt đất, những trạm này th−ờng đ−ợc nối trực tiếp hoặc thông qua các mạng mặt đất để đến các thiết bị đầu cuối của ng−ời sử dụng. Trạm mặt đất 1 Quỹ đạo Vệ tinh Trạm mặt đất 2 Đ−ờng lên (Uplink) Đ−ờng xuống (Douwlink) Phần mặt đất Phần không gian Trạm điều khiển TT&C Trang: 6 • Nhiệu vụ trạm mặt đất phát: Tiếp nhận các tín hiệu từ mạng mặt đất hoặc trực tiếp từ các thiết bị đầu cuối của ng−ời sử dụng, xử lý các tín hiệu này trong trạm mặt đất sau đó phát tín hiệu này ở tần số và mức độ công suất thích hợp cho sự hoạt động của vệ tinh. • Nhiệu vụ trạm mặt đất thu: Thu các sóng mang trên đ−ờng xuống của vệ tinh ở tần số chọn tr−ớc, xử lý tín hiệu này trong trạm để chuyển thành các tín hiệu băng gốc sau đó cung cấp cho các mạng mặt đất hoặc trực tiếp tới các thiết bị đầu cuối của ng−ời sử dụng. • Một trạm mặt đất có thể có khả năng thu và phát l−u l−ợng một cách đồng thời hoặc trạm chỉ phát hoặc chỉ thu. 1.4. Đa truy nhập trong thông tin vệ tinh. Trong thực tế, một bộ phát đáp có thể phục vụ cùng một lúc nhiều trạm mặt đất khác nhau. Kỹ thuật đa truy nhập là kỹ thuật các trạm mặt đất truy nhập bộ phát đáp vệ tinh, với yêu cầu sóng VTĐ từ các trạm mặt đất riêng lẻ không can nhiễu lẫn nhau. a. Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA): ♦ Các trạm mặt đất sử dụng các tần số sóng mang khác nhau và cùng chung một bộ phát đáp. ♦ Ưu điểm: - Thủ tục truy nhập đơn giản. - Cấu hình trạm mặt đất đơn giản. ♦ Nh−ợc điểm: - Không linh hoạt thay đổi tuyến. - Hiệu quả thấp khi sử dụng nhiều kênh, dung l−ợng thấp và chất l−ợng thấp. b. Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA): ♦ Các trạm mặt đất sử dụng cùng một tần số sóng mang và cùng chung một bộ phát đáp nh−ng dựa trên phân chia theo thời gian. ♦ Ưu điểm: f t fA fB fC fD fA Dải thông bộ phát đáp Frequency Division Multiple Access f t f0 A B C D A Thời gian 1 khung TF cùng tần số F TF phía phát phía thu A B C D E F Trang: 7 - Linh hoạt trong thay đổi tuyến. - Hiệu quả sử dụng tuyến cao ngay cả khi tăng số l−ợng trạm truy nhập ♦ Nh−ợc điểm: Yêu cầu cầu đồng bộ cụm. c. Đa truy nhập phân chia theo m∙ (CDMA): ♦ Các trạm mặt đất sử dụng cùng một tần số sóng mang và cùng chung một bộ phát đáp nh−ng dựa trên phân chia theo mã. ♦ Ưu điểm: - Chịu đ−ợc tạp nhiễu và méo. - Chịu đ−ợc sự thay đổi các thông số khác nhau của đ−ờng truyền. - Dung l−ợng cao. - Bảo mật cao. ♦ Nh−ợc điểm: - Độ rộng băng tần truyền dẫn yêu cầu cao - Hiệu quả sử dụng băng tần kém. CDMA là kỹ thuật đa truy nhập mới và cấch l−ợng tốt nhất hiện nay! d. Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA) Việc phủ sóng các vùng khác nhau trên mặt đất và ph−ơng pháp sử dụng các phân cực sóng khác nhau thì với phổ tần giống nhau có thể sử dụng lại vài lần mà can nhiễu bị hạn chế giữa các ng−ời sử dụng - Phân cực: có các loại phân cực thẳng đứng (VP) và phân cực nằm ngang (HP). Phân cực tròn có phân cực tròn bên trái (LHCP) và phân cực tròn bên phải (RHCP), có thể đ−ợc phát đi cùng tần số từ vệ tinh nh−ng với hai phân cực khác nhau mà các trạm mặt đất thu đúng tín hiệu của trạm mình mà không bị can nhiễu do sử dụng các anten thu có phân cực khác nhau. - Vệ tinh với việc sử dụng các loại anten khác nhau có kích th−ớc khác nhau, có thể phủ sóng lên mặt đất với các vùng phủ sóng có diện tích và hình dạng khác nhau. Có bốn dạng phủ sóng cơ bản đó là: phủ sóng toàn cầu, là vùng phủ sóng rộng nhất mà vệ tinh có thể phủ đ−ợc; phủ sóng bán cầu là vùng phủ sóng một nửa bán cầu phía đông và phía tây của quả đất; phủ sóng khu vực là vùng phủ sóng một khu vực khá lớn nh− bắc Mỹ, châu Âu hoặc Đông Nam á và vùng phủ sóng “đốm” là vùng phủ sóng với diện tích nhỏ nhất so với ba vùng trên. Nếu các vùng phủ sóng không chồng lấn lên nhau và năng l−ợng bức xạ của các búp phụ phủ sóng lên các vùng khác thấp d−ới mức cho phép thì trong mỗi vùng phủ sóng đó có thể sử dụng phổ tần nh− nhau. 1.5. Phân bổ tần số trong thông tin vệ tinh. ff0 A B CCode Division Multiple Access Trang: 8 Phổ tần số vô tuyến điện là một nguồn tài nguyên thiên nhiên hữu hạn, vì vậy nhất thiết phải sử dụng nguồn tài nguyên này một cách hợp lí, kinh tế và có hiệu quả. a. Cửa sổ tần số vô tuyến điện Đ−ờng truyền của thông tin vệ tinh bị ảnh h−ởng chủ yếu do tầng điện ly ở tần số thấp và do m−a ở tần số cao. Dải tần 1GHzữ10GHz ít bị ảnh h−ởng bởi tầng điện ly và m−a nên đ−ợc gọi là cựa sổ tần số VTĐ và đ−ợc chỉ ra trong đồ thị sau: Tuy nhiên, dải tần 1GHzữ10GHz cũng đ−ợc sử dụng nhiều cho các đ−ờng thông tin vi ba trên mặt đất, do đó sẽ có sự can nhiễu lẫn nhau giữa hai hệ thống. Ngoài ra để mở rông băng thông ng−ời ta phải chấp nhận sử dụng cả dải tần ngoài cửa sổ. b. Bảng phân chia băng tần Ký hiệu Dải tần Phạm vi sử dụng L (1 - 2)GHz TTVT di động, phát thanh quảng bá, vô tuyến định vị. S (2 - 4) GHz TTVT di động, hàng hải C (4 -8)GHz TTVT cố định X (8 -12)GHz TTVT Quân sự và chính phủ Ku (12 - 18)GHz TTVT cố định, truyền hình quảng bá. K (18 -27)GHz Trạm cố định Ka (27 -40)GHz TTVT cố định, truyền hình quảng bá, liên lạc giữa các vệ tinh. Sóng mm > 40GHz Liên lạc giữa các vệ tinh. c. Phân bổ tần số trong thông tin vệ tinh - Khu vực I (V1): Bao gồm Châu Âu, Châu Phi, một phần Châu á và Liên bang Nga. - Khu vực II (V2): Các n−ớc nam và bắc Mỹ. - Khu vực III (V3): Gồm Châu úc, phần còn lại của Châu á và Thái Bình D−ơng. Trong đó có Việt Nam. GHz Cửa sổ tần số vô tuyến điện 1 10 100 dB 0,1 1 5 10 50 100 Suy hao do tầng điện ly Suy hao do tầng điện ly Suy hao do m−a Trang: 9 ITU phân chia dải tần theo vùng nh− bảng sau. 1.6. Các loại hình dịch vụ trong trong thông tin vệ tinh. Dự vào đặc điểm của vệ tinh thông ti là có khả năng phát quảng bá trên một vùng địa lý rất rộng, thông tin vệ tinh đã đ−ợc sử dụng để thành lập các tuyến thông tin điểm nối điểm và điểm nối đa tiểm. Trên cơ sở các tuyến thông tin trên, thông tin vệ tinh đ−ợc sử dụng để cung cấp các dịch vụ cố định và di động. Một số loại dịch vụ sau: a. Dịch vụ điện thoại đ−ờng dài: cung cấp các tuyến đ−ờng trục mà mạng mặt đất ch−a triển khai tới hoặc khi các mạng mặt đất quá tải trong giờ cao điểm và làm tuyến dự phòng cho các tuyến đ−ờng trục mặt đất khi có sự cố. b. Dịch vụ viễn thông nông thôn: cung cấp các dịch vụ viễn thông nh− thoại, fax cho các vùng xa xôi hẻo lánh, các hải đảo những nơi mà mạng mặt đất ch−a tới hoặc xây dựng không kinh tế. c. Mạng dùng riêng: cung cấp các dịch vụ viễn thông nh− thoại, fax, truyền số liệu cho các cơ quan nhà n−ớc, các công ty cần đ−ờng truyền có độ sẵn sàng cao. d. Dịch vụ l−u động: cung cấp các dịch vụ truyền số liệu với tốc độ thấp giữa các đài di động nh− xe tải, tàu biển ... với trung tâm điều hành các đài di động. e. Chuyển tiếp ch−ơng trình truyền hình và phát thanh: cung cấp đ−ờng truyền giữa các trạm HUB của trung tâm truyền hình đến các trạm phát chuyển tiếp đặt tại các vị trí cách xa trung tâm. f. Truyền hình trực tiếp: cung cấp các kênh truyền hình mà ng−ời xem có thể thu trực tiếp ch−ơng trình từ vệ tinh bằng một anten thu có đ−ờng kính 60 cm. Dịch vụ này khách hàng trả tiền c−ớc phío hàng tháng tuỳ thuộc vào số kênh. g. Dịch vụ băng tần theo yêu cầu: cung cấp các dịch vụ theo yêu cầu của khách hàng nh− truyền số liệu tốc độ cao có giao tiếp hoặc không có giao tiếp. Dịch vụ này khách hàng trả tiền theo số lền truyền. h. Dịch vụ Internet qua vệ tinh: cung cấp đ−ờng truyền dữ liệu tốc độ cao từ nhà cung cấp dịch vụ Internet (IPS) đến các thuê bao dịch vụ. i. Dịch vụ chuẩn đoán bệnh từ xa: cung cấp các dịch vụ t− vấn y tế cho các bệnh viện ở xa trung tâm y tế và giữa các trung tâm y tế với nhau. j. Dịch vụ đào tạo từ xa: cung cấp dịch vụ đào tạo từ xa cho các trung tâm đào tạo. 1.7. Phóng vệ tinh, định vị vμ duy trì vệ tinh trên quỹ đạo. a. Phóng vệ tinh lên quỹ đạo địa tĩnh • Ph−ơng tiện phóng: - Dùng tàu con thoi: Loại này đ−ợc dùng lại nhiều lần, độ tin cậy cao, giá thành đắt. Nh− tàu con thoi Mỹ, Colombia... Trang: 10 - Dùng tên lửa đẩy nhiều tầng: Loại này không sử dụng lại đ−ợc, giá thành phóng rẻ, ngày này dùng tên lửa đẩy nhiều tầng đang đ−ợc sử dụng rộng rãi. Nh− tên lửa Proton (Nga), Delta (My), Long March (Trung Quốc). Quá trình phóng vệ tinh lên quỹ đạo phụ thuộc vào loại tên lử đẩy, vị trí địa lý của bãi phóng và các vấn đề liên quan đến phân hệ thông tin. Song ph−ơng pháp phóng kinh tế và quy chuẩn nhất là dự trên quỹ đạo chuyển tiếp Hohmann. • Ph−ơng pháp phóng dựa trên quỹ đạo Hohmann: - Giai đoạn 1: Dùng tên lửa đẩy nhiều tầng để đ−a vệ tinh lên quỹ đạo LEO có độ cao 200Km, V = 7.784m/s. - Giai đoạn 2: Tại điểm nâng của quỹ đạo LEO, dùng tên lửa đẩy nhiều tầng thực hiện tăng tốc với VPhóng= 10.234m/s để đ−a vệ tinh sang quỹ đạo chuyển tiếp Ellip có viễn điểm thuộc quỹ đạo địa tĩnh (h=35.786 Km) và cận điểm thuộc quỹ đạo LEO (h=200Km), còn đ−ợc gọi là quỹ đạo Hohmann. - Giai đoạn 3: Khi vệ tinh chuyển động qua viễn điểm của quỹ đạo Hohmann thì sử dụng động cơ đẩy viễn điểm đặt trong vệ tinh để đ−a vệ tinh về quỹ đạo đĩa tĩnh và về vị trí của nó. b. Đ−a vệ tinh vào quỹ đạo đĩa tĩnh: Quá trình định vị vệ tinh bắt đầu khi vệ tinh đ−ợc đ−a vào quỹ đạo chuyển tiếp bao gồm quá trình đ−a vên tinh vào quỹ đạo xích đạo và sau đó từ từ đ−a vệ tinh vào vị trí địa tĩnh của nó. Để thực hiện đ−ợc quá trình này, các động cơ đẩy viễn điểm APM, các động cơ phản lực của vệ tinh đ−ợc điều khiển bằng các trung tâm và các trạm điều khiển đặt tại các vị trí khác nhau của trái đất. Các trung tâm điều khiển thực hiện các chức năng sau: - Xác định t− thế của vệ tinh - Tính toán các thông số tối −u cho quá trình điều khiển vệ tinh từ quỹ đạo Hohmann sang quỹ đạo tròn - Xác định các thông số của động cơ hiệu chỉnh h−ớng của vệ tinh QĐ Quỹ đạo LEO h=200Km V=7.784m/s Quỹ đạo GEO h=35.786Km V=3.075m/s Q uỹ đ ạo H oh m an n h V = 3 5. 78 6K m h C = 2 00 K m VPhóng=10.234m/s VPhóng=10.234m/s Trang: 11 - Giám sát và đo các thông số quỹ đạo của vệ tinh so sánh với trạng thái cuối cùng của vệ tinh nh− dự kiến. c. Duy trì vệ tinh trên quỹ đạo: các công việc chính đ−ợc thực hiện trong quá trình duy trì vệ tinh trên quỹ đạo là: - Các dao động của vệ tinh xung quanh vị trí quỹ đạo theo h−ớng Đông Tây, Nam Bắc phải đ−ợc duy trì trong khoảng ± 0.10. - T− thế vệ tinh phải đ−ợc giám sát và hiệu chỉnh để bảo đảm anten vệ tinh luôn luôn h−ớng về các vùng mong muốn của trái đất. Trang: 12 (W/Hz) N0 B Tần số (Hz) N0(f) Hình 2.1: Mật độ phổ tạp âm của tạp âm trắng Ch−ơng 2: Nhiễu vμ tạp âm trong hệ thống tTVT. (6 tiết) 2.1. Các nguồn nhiễu trong hệ thống thông tin. Tạp âm do can nhiễu từ các hệ thống khác gây ra. các nguồn can nhiễu có thể chia làm hai loại: - Can nhiễu do các hệ thống vô tuyến điện chuyển tiếp mặt đất có cùng băng tần: - Can nhiễu từ các hệ thống vệ tinh khác: 2.2. Tạp âm trong hệ thống thông tin. b. Nguồn tạp âm: Tạp âm là tín hiệu không nằm trong nội dung thông tin, tác động lên tín hiệu có ích. Nó làm giảm khả năng khôi phục lại nội dung thông tin của máy thu. Các nguồn tạp âm bao gồm: - Tạp âm phát ra từ các nguồn tự nhiên trong khu vực đặt anten thu. - Tạp âm tạo ra bởi các linh kiện điện tử trong thiết bị Các tín hiệu từ các máy phát khác tác động lên máy thu cũng gây nên tạp âm. Tạp âm này đ−ợc gọi là can nhiễu. b. Đặc tính và xác định tạp âm: Công suất tạp âm nằm trong độ rộng băng của tín hiệu có ích. Th−ờng đó là băng thông của máy thu. Một kiểu tạp âm dùng rất nhiều đó là tạp âm trắng là mật độ phổ tạp âm No (W/Hz) bằng hằng số trong băng tần yêu cầu (hình 2.10). Công suất tạp âm t−ơng đ−ơng N (W) đo đ−ợc trong độ rộng băng BN (Hz) có giá trị : N = NoBN (W) (4.38) Nhiệt tạp âm của một nguồn tạp âm có công suất tạp âm N cho bởi: T = N/kB = No/k (K) (4.39) T R R T R T R T 4GHz 4GHz 4G H z 6G H z 6GHz 6GHz Trạm viba 4GHz Trạm mặt đất 4/6 GHz Trạm viba 6GHz Vệ tinh Hình 2,1: Can nhiễu từ các hệ thống thông tin viba mặt đất Hình 2,2: Can nhiễu từ các hệ thống vệ tinh khác T R T R R T R T R T R T Trạm mặt đất A1 Trạm mặt đất A2 Trạm mặt đất B1 Trạm mặt đất B2 Trang: 13 G là hệ số khuyếch đại công suất của hệ thống nhiệt độ vật lý T = Te không có tạp âm đầu vào. T = 0 Hệ thống thực hệ thống tạp âm tự do Công suất tạp âm có giá trị nh− nhau Hình 4.14: Nhiệt tạp âm đầu vào t−ơng đ−ơng của hệ thống nhiệt độ vật lý có thể không phải là T nguồn tạp âm nhiệt độ vật lý T công suất có giá trị (W): N = kTB Hình 4.13: Xác định nhiệt tạp âm của một nguồn tạp âm ở đây k là hằng số Boltzmann = 1,379. 10-23 = - 228,6 dB (W/HzK), T là nhiệt độ của một điện trở tạo ra giá trị công suất tạp âm nh− nguồn xem xét (hình 4.13). Công suất tạp âm có giá trị là công suất tạo ra bởi nguồn có trở kháng phù hợp với nguồn. Nhiệt tạp âm Te của một phần tử 4 cực là nhiệt độ của một điện trở đặt tại đầu vào của phần tử giả định với tạp âm tự do, tạo ra công suất tạp âm có giá trị nh− nhau tại đầu ra của phần tử khi phần tử thực không có nguồn tạp âm ở đầu vào (hình 4.14). Te là tạp âm bên trong của phần tử bốn cực. Hệ số tạp âm của phần tử bốn cực là tỷ số của tổng công suất tạp âm ở đầu ra của phần tử trên thanh phần của công suất này sinh ra bởi một nguồn ở đầu vào của phần tử đó với nhiệt tạp âm bằng nhiệt tạp âm chuẩn To = 290 K. Giả thiết rằng phần tử có hệ số khuếch đại công suất G, độ rộng băng tần B và bị tác động bởi một nguồn nhiệt tạp âm To; công suất tổng tại đầu ra là Gk(Te+T0)B. Giá trị của công suất này ban đầu từ nguồn là GkT0B. Vạy hệ số tạp âm sẽ là: F = {Gk(Te+T0)B} = (Te+T0)/T0 = 1+Te/T0 (4.40) 2.3. Tạp âm nhiệt vμ các nguồn tạp âm nhiệt a. Nhiệt tạp âm của anten Một anten thu tạp âm từ các vật thể bức xạ nằm trong đồ thị bức xạ của nó. Tạp âm đầu ra của anten là một hàm của tính h−ớng , đồ thị bức xạ và trạng thái của môi tr−ờng xung quanh. Anten đ−ợc coi nh− một nguồn tạp âm đặc tr−ng bởi nhiệt tạp âm và gọi là nhiệt tạp âm của anten TA (K). Nếu gọi Tb(θ,ϕ)là nhiệt độ chiếu sáng của một vật thể bức xạ nằm trong h−ớng (θ,ϕ) mà ở h−ớng đó hệ số tăng ích của anten có giá trị G(θ,ϕ). Nhiệt tạp âm của anten Trang: 14 Hình 4.15: Một hệ thống thu TR TA TF LRX phide T2 T1 Máy thu thu đ−ợc bằng việc kết hợp tất cả các vật thể bức xạ trong vùng bức xạ của anten. Nhiệt tạm âm của anten sẽ là: TA = (1/4π)∫∫ Tb(θ,ϕ)G(θ,ϕ)dΩ b. Nhiệt tạp âm của bộ suy hao Một bộ suy hao là một phần tử bốn cực gồm những phần tử thụ động (có thể là các điện kháng) tất cả có nhiệt độ TF là nhiệt độ xung quanh. Nếu LF là suy hao gây ra bởi bộ suy hao, thì nhiệt tạp âm của bộ suy hao sẽ là: Te = (LF - 1)TF (K) (4.42) Nếu TF = T0 bằng cách so sánh 4.40 và 4.42 thì hệ số tạp âm của bộ suy hao bằng: FF = LF c. Nhiệt tạp âm của một thiết bị có nhiều phần tử trong tầng Giả sử một thiết bị bao gồm một dãy N phần tử bốn cực trong tầng, mỗi phần tử j có hệ số khuếch đại công suất Gj (j = 1,2,3, ... N) và nhiệt tạp âm là Tẹj. Nhiệt tạp âm của thiết bị là: Te = Te1 + Te2/G1 + Te3/G1G2 +...+ TN/G1G2 ....GN-1 (K) (4.43) Hệ số tạp âm nhận đ−ợc từ (2.19) F = F1 + (F2 - 1)/G1 + (F3 - 1)/G1G2 + ....+ (FN - 1)/G1G2....GN-1 (4.44) d. Nhiệt tạp âm của máy thu Xét thiết bị thu chỉ ra trên hình 4.15 gồm một anten nối đến một máy thu qua phide. Việc đấu nối gây mất mát và ở nhiệt độ đo đ−ợc TF (gần với T0 = 290 K). Gây ra suy hao LFRX t−ơng ứng với hệ số tăng ích GFRX = 1/LFRX và nhỏ hơn 1. Nhiệt tạp âm của hệ thống sẽ đ−ợc quyết định ở hai điểm sau: - Tại đầu ra anten, tr−ớc mất mát đấu nối, nhiệt độ T1 - Tại đầu vào máy thu, sau mất mát, nhiệt độ T2. Nhiệt tạp âm T1 tại đầu ra anten là tổng của nhiệt tạp âm anten TA và nhiệt tạp âm của phân hệ bao gồm đấu nối và máy thu trong các tầng. Nhiệt tạp âm đấu nối cho bởi 4.42. Từ 4.43 nhiệt tạp âm của phân hệ là (LFRX - 1)TF + TR/GFRX.. Thêm vào anten, t−ơng tự nh− một nguồn tạp âm, Điều đó có đ−ợc: T1 = TA + (LFRX - 1)TF + TR/GFRX (K) (4.45) Bây giờ xem xét đầu vào máy thu, tạp âm này bị suy hao bởi một hệ số LFRX . Thay thế GFRX bằng 1/LFRX, nhiệt tạp âm đầu vào máy thu sẽ là: Trang: 15 T2 = T1/LFRX = TA/LFRX + TF(1- 1/LFRX) + TR (K) (4.46) Nhiệt tạp âm này đ−a ra cho việc tính tạp âm tạo ra bởi anten và sự đấu nối đồng thời với tạp âm máy thu đ−ợc gọi là nhiệt tạp âm hệ thống. Chú ý rằng việc đo l−ờng tạp âm tại điểm này chỉ phản ánh tạp âm của anten và đấu nối. Tóm lại: tạp âm trong một hệ thống thu đ−ợc quyết định bởi nhiệt tạp âm tại một điểm đã cho trong hệ thống, hầu hết th−ờng ở đầu vào máy thu; nhiệt tạp âm này đ−ợc gọi là nhiệt tạp âm hệ thống. Nó là tổng tại điểm đó, tất cả nhiệt tạp âm t−ơng ứng tạo ra tạp âm phía trên và tất cả nhiệt tạp âm t−ơng đ−ơng đối với tạp âm tạo ra ở phía d−ới của của điểm xem xét. 2.4. Tạp âm anten thu Có hai tr−ờng hợp đ−ợc xem xét: - Anten vệ tinh (tuyến lên) - Anten trạm mặt đất (tuyến xuống) a. Anten vệ tinh tuyến lên Tạp âm nhận đ−ợc bởi anten là tạp âm từ mặt đất và tạp âm từ không gian bên ngoài. Độ rộng búp sóng của anten vệ tinh bằng hoặc nhỏ hơn góc quan sát từ vệ tinh xuống quả đất, với vệ tinh địa tĩnh góc quan sát là 17,5o. Với các điều kiện nh− vậy ảnh h−ởng chủ yếu là từ mặt đất. Với anten có độ rộng búp sóng θ3dB bằng 17,5o thì nhiệt tạp âm anten cho ở hình 4.16. Phụ thuộc vào tần số và vị trí quỹ đạo của vệ tinh. Khi độ rộng nhỏ hơn ( một búp sóng hẹp) nhiệt độ phụ thuộc vào tần số và vùng phủ sóng; đất liền bức xạ tạp âm lớn hơn đại d−ơng. Th−ờng lấy giá trị tạp âm anten bằng 290 K. Nhiệt tạp âm đầu vào bộ khuếch đại tạp âm thấp của vệ tinh bằng: TSL = T1/LFRX + TF(1 - 1/LFRX) + TR (4.50) b. Anten trạm mặt đất (tuyến xuống) Tạp âm gây ra cho anten bao gồm tạp âm từ bầu trời và tạp âm do bức xạ từ mặt đất. • Tr−ờng hợp trời trong. ở những tần số lớn hơn 2 GHz ảnh h−ởng không phải vùng ion của khí quyển mà là môi tr−ờng hấp thụ, nh− là một nguồn tạp âm. Khi không xẩy ra các hiện t−ợng khí t−ợng (đựơc gọi là bầu trời trong) nhiệt tạp âm anten bao gồm nhiệt tạp âm của bầu trời và mặt đất xung quanh. Tạp âm bầu trời đ−ợc xác định từ biểu thức 4.41, trong đó Tb(θ,ϕ) là nhiệt độ vùng chiếu sáng của bầu trời ở h−ớng (θ,ϕ). Trong thực tế chỉ có một phần của bầu trời nằm trong h−ớng anten có hệ số tăng ích lớn. Nh− vậy ảnh h−ởng của tạp âm bầu trời trong Tsky chỉ có thể có tác dụng nhiệt độ vùng phủ sóng đối với góc ngẩng của anten. Hình 4.18 chỉ ra nhiệt tạp âm bầu trời trong nh− là hàm của tần số và góc ngẩng [khuyến nghị 720, CCIR] Trang: 16 Bức xạ từ mặt đất ở vùng lân cận trạm gây ra do các búp phụ của anten và một phần bởi búp chính khi góc tà nhỏ. Nhiệt tạp âm do mỗi búp phụ đ−ợc tính bởi Ti = Gi(Ω/4π)TG, trong đó Gi là giá trị hệ số tăng ích của búp phụ có góc đặc Ωi và TG là nhiệt độ vùng chiếu sáng của mặt đất. Tổng của các ảnh h−ởng này là giá trị Tm.đất bằng: ∑ = = i n idatm TT 1 . (4.51) Sau đây một số giá trị gần đúng của TG [khuyến nghị 390 CCIR] - TG = 290 K đối với các búp phụ có góc tà E nhỏ hơn - 10o - TG = 150 K đối với - 10o < E < 0o - TG = 50 K đối với 0o < E < 10o - TG = 10 K đối với 10o < E < 90o Nhiệt tạp âm anten sẽ là: TA = Tb.trời + Tm.đất (K) (4.52) Tạp âm này có thể tăng thêm bởi các nguồn riêng lẻ nằm trong khu vực lân cận của tính h−ớng anten. Đối với một nguồn vô tuyến đ−ờng kính góc biểu kiến α và nhiệt tạp âm Tn tại tần số xem xét và đo ở mức mặt đất sau suy hao bởi khí quyển thì nhiệt tạp âm thêm vào ΔTA đối với một anten có độ rộng búp sóng θ3dB đ−ợc cho bởi : ΔTA = Tn(α/θ3dB)2 nếu θ3dB > α (K) ΔTA = Tn nếu θ3dB < α (K) (4.53) Chỉ có mặt trời và mặt trăng đ−ợc kể đến đối với các trạm mặt đất h−ớng về vệ tinh địa tĩnh. Mặt trời và mặt trăng có một đ−ờng kính góc t−ơng đ−ơng 0,5o. Nhiệt tạp âm sẽ tăng lên khi có các vật thể trên bầu trời nằm thẳng hàng với trạm mặt đất và vệ tinh. Điều kiện đặc biệt này có thể biết tr−ớc. Để rõ hơn, tại tần số 12 GHz một anten 13 m nhiệt tạp âm tăng lên do mặt trời tại thời gian đó có giá trị bằng 12.000 K. Các điều kiện xẩy ra và giá trị của ΔTA là hàm của đ−ờng kính anten và tần số. Đối với mặt trăng tăng lên khoảng 250 K tại 4 GHz [theo khuến nghị 390, CCIR]. Tb.trời/ A Tm.đất Tm = (1- 1/Am) bầu trời Tmđất Hình : ảnh h−ởng của nhiệt tạp âm lên anten trạm mặt đất Tbtrời bầu trời m−a = bộ suy hao Tm Am−a Trang: 17 • Tr−ờng hợp có m−a. Nhiệt tạp âm anten tăng do điều khiện khí t−ợng nh− mây và m−a làm tăng hấp thụ. Từ biểu thức 4.45, nhiệt tạp âm anten trở thành: TA = Tb.trời/Am−a + Tm(1 - 1/Am−a) + Tm.đất (K) (4.54) Trong đó Am−a là suy hao trong m−a và Tm là giá trị của nhiệt độ trung bình hiệu dụng. Tm có giá trị bằng 260 K đến 280 K [khuyến nghị 564, CCIR]. Tóm lại, nhiệt tạp âm anten TA là một hàm của : - Tần số - Góc ngẩng - Điều khiện khí quyển (bầu trời trong hay m−a) Do vậy, hệ số phẩm chất của một trạm mặt đất cần phải đ−ợc xác định rõ điều kiện thực tế về tần số, góc ngẩng, và tình trạng của khí quyển. 2.5. Hệ số tạp âm: - Hệ số tạp âm của mạng 4 cực. Tạp âm sinh ra trong một mạng bốn cực (có thể là bộ khuếch đại hay bộ tiêu hao) th−ờng đ−ợc biểu thị bởi hệ số tạp âm F Hệ số tạp âm của một mạng 4 cực bằng tỷ tín hiệu trên tạp âm ở đầu vào trên tỷ số tín hiệu trên tạp âm ở đầu ra của mạng 00 NS NS F ii= Tuy nhiên khi làm việc với các tín hiệu yếu nh− trong thông tin vệ tinh thì tạp âm N th−ờng đ−ợc biểu thị bởi nhiệt tạp âm t−ơng đ−ơng T (K: độ kelvin) Tất cả các vật thể có nhiệt độ vật lý T (K) sẽ bức xạ ra sóng điện từ, một phần của bức xạ này nằm trong băng tần viba và sẽ gây ra tạp âm nh− một nguồn tạp âm. Vậy: Nhiệt tạp âm t−ơng đ−ơng là nhiệt độ của một điện trở t−ơng đ−ơng sinh ra tạp âm có công suất nh− của nguồn tạp âm tạo ra, nh− minh hoạ trên hình 3.37 Nguồn tạp âm với một nhiệt độ vật lý nào đố có thẻ không phải là T có tạp âm N (W) nhiệt độ vật lý T (K) Giá trị công suất tạp âm tạo ra: N = kTB (W) Hình 3.37: Nhiệt tạp âm t−ơng đ−ơng So/No Si/Ni mạng 4 cực Hình 2.36: hệ số tap âm Trang: 18 G1 T1 G2 T2 G3 T3 Hình 3.39: Mạng 4 cực có nhiều tầng Công suất tạp âm trong một độ rộng băng tần B sẽ là: N = kTB (W) (3.23) Trong đó k là hằng số Boltzmann: k = 1,3806 ì 10-23+ W s/K = - 228,60 dBW/Hz.K (3.24) T là nhiệt độ tuyệt đối (K), B giải thông của tạp âm (Hz) Với nhiệt độ 290 K trong độ rộng băng 50 MHz công suất tạp âm sẽ lμ: 0,2 ì 10-12 = 0,2pW. Một anten có nhiệt độ mặt ngoài là 290 K sẽ thu đ−ợc công suất tạp âm 0,2pW trong băng tần 50 MHz. Quan hệ giữa hệ số tạp âm và nhiệt tạ âm của một mạng 4 cực sẽ là: Nếu nhiệt tạp âm đầu vào là To , mạng 4 cực có hệ số truyền đạt là G, nhiệt tạp âm t−ơng đ−ơng của mạng 4 cực là Te nh− biểu thị trên hình 3.38 thì: Si /Ni = Si/kToB, So/No = GSi/Gk(To + Te)B thay vào công thức 3.22 nhận đ−ợc: ( ) 00 0 0 0 1 T T T TT BTTGkGS BkTS F ee ei i +=+=+= (3.25) Từ 3.25 có thể rút ra: Te = (F - 1)To (3.26) - Hệ số tạp âm của mạng 4 cực thụ động. - Hệ số tạp âm của mạng 4 cực mắc nối tiếp. Nếu mạng 4 cực gồm nhiều tầng nh− chỉ ra trên hình 3.39 thì tạp âm đầu ra sẽ đ−ợc tính: Tạp âm do nguồn ngoài tác động vào đầu vào ởđầu ra của mạng 4 cực 3 tầng: N01 = G1G2G3kT0B Tạp âm của tầng thứ nhất ở đầu ra của mạng, đ−ợc khuếch đại bởi tầng thứ hai và ba: đầu vào Ni =kToB nguồn tạp âm Nhiệt độ To Máy thu hệ số k.đại G giải thông B nhiệt tạp âm t−ơng đ−ơng Te đầu ra Hình 3.38: hệ số tạp âm và nhiệt Trang: 19 N02 = G2G3 (kTe1G1B) Tạp âm của tầng thứ hai đ−ợc đ−ợc khuếch đại bởi tầng thứ ba: N03 = G3 (kTe2G2B) Tạp âm bản thân tầng thứ ba ở đầu ra của mạng: N04 = kTe3G3B) Tạp âm tổng ở đầu ra của mạng sẽ là: N0T = N01 + N02 + N03 + N04 N0T = G1G2G3 kB (T0 + Te1 + Te2/ G1 + Te3/ G1 G2) Nhiệt tạp âm tổng của 3 tầng ở đầu ra của mạng: TeS = Te1 + Te2/ G1 + Te3/ G1 G2 Tổng quát một mạng có n tầng thì nhiệt tạp âm của hệ thống sẽ là: TeS = Te1 + Te2/ G1 + Te3/ G1 G2 + ... + Ten/ G1G2...Gn-1 (3.27) Trong đó Te1...n là nhiệt tạp âm t−ơng đ−ơng của các tầng 1, 2, 3, ...n - 1 G1...n là hệ số khuếch đại của mỗi tầng Từ công thức 3.27 ta có nhận xét là: Tạp âm đầu ra của một mạng 4 cực có nhiều tầng đ−ợc quyết định bởi tạp âm của tầng đầu tiên Phân hệ thu của trạm mặt đất muốn có tạp âm nhỏ thì tầng đầu tiên phải là tầng khuếch đại tạp âm thấp (LNA). Để giảm mức tạp âm đầu vào của LNA, chúng đ−ợc đặt gần anten để giảm tạp âm của đoạn fide tiếp điện từ anten đến LNA Hệ số phẩm chất của trạm mặt đất đ−ợc đánh giá bằng tỷ số hệ số tăng ích của anten thu G trên nhiệt tạp âm của hệ thống TeS (G/TeS) hầu nh− đ−ợc quyết định bởi hệ số tạp âm và hệ số khuếch đại của LNA cùng với hệ số tăng ích của anten. Bởi vậy việc sử dụng một LNA có hệ số tạp âm càng nhỏ càng tốt. Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu một số bộ khuếch đại tạp âm thấp sử dụng các linh kiện khuếch đại khác nhau đ−ợc sử dụng phổ biến ở các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ tinh 2.6. Độ nhạy máy thu. a. Định nghĩa Tỷ số tín hiệu trên tạp âm biểu thị mối quan giữa độ lớn của tín hiệu thu và tạp âm tại đầu vào máy thu. Sau đây ta xem xét một vài tỉ số sau: - Tỷ số công suất tín hiệu trên công suất tạp âm; Điều này đ−ợc coi nh− là bản chất vì hai độ lớn cùng loại đ−ợc so sánh với nhau. Nó th−ờng đ−ợc định rõ là công suất của sóng mang điều chế ký hiệu C trên công suất tạp âm N, đ−ợc viết C/N - Thực tế tỷ số công suất tín hiệu trên mật độ phổ tạp âm, đ−ợc viết C/N0 có đơn vị là Hz. −u điểm hơn so với với tỷ số C/N vì nó biểu thị cho bất kỳ một độ rộng băng sử dụng. Thực tế thể hiện độ rộng băng tạp âm t−ơng đ−ơng BN của máy thu đ−ợc điều chỉnh đến độ rộng băng B chiếm bởi sóng mang điều chế - Tỉ số công suất tín hiệu trên nhiệt tạp âm; tỷ số này nhận đ−ợc từ C/N0 qua nhân với hằng số Boltzman k, viết là C/T và có đơn vị W/K Tỷ số C/N0 phù hợp nhất với hầu hết các tr−ờng hợp thực tế bởi vậy nó đ−ợc chọn sau này b. Biểu thức Công suất của tín hiệu thu tại đầu vào máy thu cho bởi 4.37. Trong đó: C = PRX Mật độ phổ tạp âm tại cùng điểm là N0 = kT, cho bởi 4.45. Vì vậy: Trang: 20 C/N0 = [(PTXGTmax/LTLFTX)(1/LFSLA)(GRmax/LRLFRXLPOL) /[TA/LFRX + TF(1 - 1/LFRX) + TR](1/k) (Hz) (4.47) Biểu thức này có thể đ−ợc giải thích nh− sau: C/N0 = (EIRP máy phát)(1/mất mát đ−ờng truyền)(hệ số tăng ích của máy thu/nhiệt tạp âm)(1/k ) (Hz) (4.48) C/N0 cũng có thể biểu thị nh− là hàm của mật độ thông l−ợng năng l−ợng Φ; C/N0 = Φ (λ2/4π)(hệ số tăng ích của máy thu/nhiệt tạp âm)(1/k (Hz) (4.49) Trong đó: Φ = (EIRP máy phát)/ (4πR2) (W/m2) Cuối cùng, có thể xác định đ−ợc C/N0 không phụ thuộc vào điểm chọn ở dãy máy thu cũng nh− công suất tín hiệu và mật độ phổ tạp âm đ−ợc tính tại cùng một điểm c. Hệ số phẩm chất của thiết bị thu Biểu thức 4.48 của C/N0 đ−a ra ba hệ số: - Thứ nhất (EIRP) đặc tr−ng cho thiết bị phát. - Thứ hai (1/L = 1/LFSLA) đặc tr−ng cho môi tr−ờng truyền dẫn - Thứ ba (hệ số tăng ích máy thu/nhiệt tạp âm) đặc tr−ng cho thiết bị thu. Nó đ−ợc gọi là hệ số phẩm chất, hoặc G/T của thiết bị thu. Bằng việc khảo sát 4.47 có thể thấy rằng hệ số phấm chất G/T của thiết bị thu là hàm của nhiệt tạp âm anten TA và nhiệt tạp âm t−ơng đ−ơng TR của may thu. Giá trị của nó sẽ đ−ợc xác định d−ới đây d. Nhiệt tạp âm anten Có hai tr−ờng hợp đ−ợc xem xét: - Anten vệ tinh (tuyến lên) - Anten trạm mặt đất (tuyến xuống) e. Nhiệt tạp âm của máy thu Hình 4.20 chỉ ra cấu trúc của máy thu. áp dụng công thức 4.42 nhiệt tạp âm TR của máy thu có thể biểu thị: TR = TLNA + TMX/GLNA + TIF/GLNAGMX (K) (4.55) Ví dụ: Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) : TLNA = 150 K, GLNA = 50 dB Bộ trộn: TMX = 850 K, GMX = - 10 dB (LMX = 10 dB) Bộ khuếch đại trung tần IF: TIF = 400 K, GIF = 30 dB Vì vậy TR = 150 + 850/10 5 + 400/105.10-1 = 150 K Chú ý: nếu bộ khuếch tạp âm thấp có hệ số khuếch đại cao sẽ hạn chế nhiệt tạp âm TR của máy thu xuống bằng TLNA của bộ khuếch đại tạp âm thấp. TIF, GIF GMX TM TL NA,GL N A TR Bộ trộn IFLNA LO Bộ hạ tần Hình 4.20: Cấu trúc một máy thu Trang: 21 Ch−ơng 3:(6 tiết) Kỹ thuật truyền dẫn vμ đa truy nhập trong thông tin vệ tinh. 3.1. Các đặc tính tín hiệu: - Tín hiệu thoại Phạm vi tần số mà con ng−ời có thể nghe lên tới trên 20KHz, tuy nhiên phổ của tín hiệu thoại tập trung chủ yếu trong dải 0,3ữ3,4 KHz . Do vậy trong hầu hết các thiết bị viễn thông ng−ời ta đã cắt bỏ tần số ngoài dải này mà không gây méo lớn. Chất l−ợng của tín hiệu thoại t−ơng tự về lý thuyết đ−ợc quy định bởi CCITT (Uỷ ban t− vấn quốc tế về điện thoại điện báo), đó là tỷ số tín hiệu trên tạp âm khi băng gốc bị gây nhiễu tr−ờng hợp tồi nhất, nh− khi truyền tin trên cự ly dài. Tuy nhiên khi xem xét tín hiệu chuẩn “test tone” thì tạp âm cực đại cho phép trong băng gốc là 10.000 picowatts. Đặc tính của tiếng nói là có phạm vi biến động lên tới 50dB giữa nói thầm và la hét. Ng−ời nói th−ờng hay dừng trong quá trình đàm thoại, trung bình chỉ chiếm 40% thời gian đàm thoại. Việc truyền tín hiệu số đ−ợc đánh giá qua tye số bít lỗi trên tổng số bít thu đ−ợc (BER). Thông th−ờng với một hệ thống đ−ợc đánh giá là tốt khi thoả mã BER≥10-4, tuy nhiên chất l−ợng của nhiều hệ thống có yêu cầu cao hơn trên 10-5. - Số liệu Tín hiệu dữ liệu đ−ợc chia làm 3 loại: + Dữ liệu băng hẹp (narrow): ≤ 300bit/s + Dữ liệu băng thoại (voice): 300bit/s ữ 16.000bit/s + Dữ liệu băng rộng (wide): > 16 k bit/s Việc phân loại theo tốc độ bít này để phù hợp với các yêu cầu cung cấp của các ph−ơng tiên truyền thông. Chất l−ợng đ−ợc đánh giá qua BER. - Tín hiệu hình Để truyền đi hình ảnh ng−ời ta thực hiện biến đổi hình ảnh thành các tín hiệu điện bằng việc quét hình theo một tỷ lệ phù hợp, tuỳ thuộc vào các chuẩn khác nhau nh− Mỹ hay Châu âu... bao gồm có quét dòng và quét mành. Tín hiệu video đ−ợc phát đi bao gồm 4 thành phần tách biệt: + Âm thanh + Tín hiệu chói (brightness) chứa đựng thông tin + Tín hiệu đồng bộ cho quét dòng và quét mành + Tín hiệu đồng bộ màu Với các hệ thống 625 dòng Châu Âu (PAM và SECAM) và hệ thống 525 dòng Mỹ (NTSC) thì tín hiệu video tổng hợp chứa các thông tin về màu đ−ợc điều tới một sóng mang con tại tần số 3,5MHz hoặc 4,5MHz tuỳ thuộc vào từng hệ thống 3.2. Mô hình kênh vμ truyền dẫn: - Mô hình kênh vμ các chỉ tiêu chất l−ợng Trang: 22 - Bộ biến đổi thực hiện biến đổi thông tin truyền đi (tiếng nói, hình ảnh, vv...) thành một tín hiệu thích hợp với đ−ờng truyền, còn đ−ợc gọi là quá trình điều chế. - Máy phát sẽ gửi tín hiệu này qua đ−ờng truyền dẫn VTĐ hay HTĐ. - Máy thu biến đổi tín hiệu thu đ−ợc thành tin tức ban đầu của nó, sau đó phân phát tới nơi nhận tin - Thông th−ờng tạp âm gây ra do đ−ờng truyền dẫn, máy phát, máy thu và bộ biến đổi nên đã làm cho chất l−ợng tín hiệu thu thấp hơn tín hiệu đã truyền đi. Trong quá trình điều chế ng−ời ta tải thông tin trên một tín hiệu tần số cao để đ−ợc một dạng phù hợp với đ−ờng truyền dẫn. Tín hiệu cao tần này đ−ợc gọi là sóng mang. Nói chung sóng mang đ−ợc biểu thị theo công thức a(t) = A.sin(2πfct + θ) Trong TTVT thì th−ờng sử dụng hệ thống điều chế FM theo kiểu điều chế t−ơng tự và sử dụng hệ thống điều chế PSK theo kiểu điều chế số. Hệ thống FM có −u điểm là sử dụng hiệu quả phổ tần. còn hệ thống PSK có tỷ số lỗi nhỏ hơn so với các hệ thống điều chế khác khi cùng tỷ số C/N. - Truyền dẫn t−ơng tự Nguồn thông tin Bộ biến đổi Máy phát Đ−ờng truyền (VTĐ HTĐ) Máy thu Bộ biến đổi Nơi nhận tin Nguồn tạp âm Hình : Cấu trúc mô hình của hệ thông thông tin Điều chế Hình : Các hệ thông điều chế khác nhau Điều chế t−ơng tự Điều chế số AM FM PM ASK FSK PSK Thay đổi biên độ (A) Thay đổi pha (θ) Thay đổi tần số (fc) vm=m.Ve B iê n độ Phổ sóng AM Sóng mang Băng tần thấp Băng tần cao mVe/2 mVe/2 (fe-fm) (fe+fm)fe Hình : Dạng sóng điều biên Trang: 23 + Hệ thống điều chế biên độ: làm thay đổi biên độ sóng mang tỷ lệ với điện áp (dòng điện) của tín hiệu truyền đi. + Hệ thống điều tần làm thay đổi tần số sóng mang tỷ lệ với điện áp (dòng điện) của tín hiệu truyền đi. Theo lý thuyết, phổ của nó bao gồm vô số các sóng ở biên tần cao và biên tần thấp với trung tâm là sóng mang (fc). vì vậy chiếm một băng tần rộng. + điều chế pha: rất giống với điều tần, điều pha thực hiện với một tín hiệu điều chế đ−a qua một mạch vi phân cho ra cùng kết quả nh− điều tần thực hiện bởi tín hiệu điều chế ban đầu. Điều tần và điều pha đôi khi đ−ợc gọi là điều góc. - Truyền dẫn số. + Khoá dịch biên ASK: Trong truyền dẫn tín hiệu số, ASK lamd thay đổi biên độ của sóng mang theo tín hiệu cần truyền đi. Khi tín hiệu đ−ợc truyền đi là nhị phân thì biên độ đ−ợc thay đổi thành A0 và A1 t−ơng ứng với giá trị “0” và “1”. Khi A0 bằng 0, hệ thống đ−ợc gọi là hệ thống OOK (on off keying). B iê n độ Phổ sóng FM fe Hình : Dạng sóng điều tần Dạng sóng điều chế 1 0 0 1 0 1 1 Sóng mang Khoá dịch biên Biên độ On On On OnOff Off Off Khoá dịch tần Tần số f1 f1 f1 f1f0 f0 f0 Khoá dịch pha Pha 0 0 0 0π π π Trang: 24 + Khoá dịch tần FSK: Làm thay đổi tần số của sóng mang theo tín hiệu số cần truyền đi, khi truyền dẫn một tín hiệu nhị phân, tần số sóng mang thay đổi thành f0 (tần số thấp) và f1 (tần số cao) t−ong ứng với bit đầu vào “0” hay “1”. + Khoá dịch pha nhị phân BPSK: Làm thay đổi góc pha θ trong ph−ơng trình biểu diễn sóng mang, góc θ0= π và θ =0 hoặc ng−ợc lại t−ơng ứng với bit đầu vào “1” và “0”. + Khoá dịch pha cầu ph−ơng QPSK: Sử dụng 4 trạng thái pha đ−ợc dùng để đạt hiệu quả sử dụng tần số cao hơn so với hệ thống BPSK. Tín hiệu truyền đi đ−ợc biến đổi từ nối tiếp sang song song, hai song smang khác pha nhau π/2 đ−ợc điều chế hai tín hiệu nhị phân trên và chúng đ−ợc kết hợp lại với nhau thành tín hiệu ra. Tốc đọ tín hiệu trong đ−ờng truyền dẫn bằng ẵ tốc độ chuỗi đầu vào. Quá trình giải điều chế QPSK đ−ợc coi là hai quá trình giải điều chế BPSK độc lập. Hai tín hiệu băng gốc I(t) và Q(t) là kết quả so pha tín hiệu thu đ−ợc với hai sóng mang chuẩn lệch pha với nhau một góc π/2. + Các đặc tính lỗi mã hoá: Kết quả sau tách sóng đồng bộ đ−ợc đánh giá qua tỷ số lỗi bit Pe=0,5 * erfc(sqrt(Eb/N0)), trong đó Eb là công suất trên bit tại đầu vào máy thu (W), N0 là mật độ công suất tạp âm tại đầu vào máy thu (W/Hz) và erfc là hàm lỗi. + Kỹ thuật động bộ: bao gồm đồng bộ mạng, đồng bộ bit và đồng bộ khung. • Đồng bộ bit: Tái tạo và gửi tín hiệu thu đ−ợc bằng cách sử dụng một tín hiệu đồng bộ tái sinh từ các tín hiệu thu đ−ợc ở phía thu để tái tạo các vị trí bit giống nhau ở cả phía phát và thu. • Đồng bộ khung: đ−ợc thực hiện ở hệ thống thông tin ghép kênh theo thời gian, các xung đồng bộ khung phải chỉ ra chính xác điểm bắt đầu của một khung đ−ợc chèn vào chuỗi xung phát ra và phía thu xác định thời điểm đóng mở các cổng phân kênh theo các xung đồng bộ kênh này; thứ tự đấu nối và định thời các thông tin đ−ợc thiết lập giống nhau ở cả h−ớng thu và phát. • Đồng bộ mạng: để tạo đ−ợc tần số đồng bộ nh− nhau trên toàn bộ mạng truyền dẫn. + Sửa lỗi mã: Không thể tránh đ−ợc tạp âm gây ra các lỗi mã trong TTVT vì các trạm mặt đất thu đ−ợc các tín hiệu cực kỳ yếu. Có hai cách sửa lỗi cơ bản π/2 Cấu hình bộ điều chế QPSK BPF LPF Khôi phục đồng hồ Khôi phục sóng mang π/2 LPF TS TS I(t) Q(t) Cấu hình bộ giải điều chế QPSK I(t) Q(t) 01 00 10 11 Biểu đồ sao tín hiệu Trang: 25 • Sửa lỗi h−ớng đi FEC, chỉ có phía thu xác định các vị trí lỗi ở số liệu thu đ−ợc và thực hiện sửa nó. Phù hợp với đ−ờng truyền tín hiệu thoại và truyền hình vì chúng đòi truyền dẫn thời gian thực. Mã khối dùng để sửa lỗi h−ớng đi: ví dụ xét mã khối Hamming k=3, N=7, mã này có chiều dài 7 bit trong đó có 4 bit tin và 3 bit mã, khả năng sử lỗi là một lỗi đơn. Máy thu nhận chuỗi mã thực hiện mã lại và kiểm tra xem ba bit V5, V6 và V7 có giống với ba bit V5, V6 và V7 của khối tin thu đ−ợc không, nếu thấy sai thì tra bản lỗi để xác đị đ−ợc chính xác bit sai và sửa, do là mã khối nhị phân nên việc sửa đ−ợc thực hiện bằng cách đảo ng−ợc bit bị sai (0->1 hoặc 1->0) Mã xoắn: Mã xoắn (n, k) đ−ợc tạo ra bằng cách cho chuỗi thông tin truyền qua hệ thống các thanh ghi dịch tuyến tính có số trạng thái hữu hạn. Cho số l−ợng thanh ghi dịch là L, mỗi thanh ghi dịch có k ô nhớ và đầu ra bộ mã xoắn có n hàm đại số tuyến tính. Tốc độ mã là R = k/n, số ô nhớ của bộ ghi dịch là Lìk và tham số L còn gọi là chiều dài ràng buộc của mã xoắn. 7-bit khối Các bit tín hiệu Các bit d− 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 Đa thức tạo mã V5 = V1 + V2 + V3 V6 = V2 + V3 + V4 V7 = V1 + V2 + V4 Quyết định Bit lỗi V5 V6 V7 V1 sai đung sai V2 sai sai sai V3 sai sai đung V4 đung sai sai V5 sai đung đung V6 đung sai đung V7 đung đung sai Đầu vào 1 2 3 Đầu ra b: 01 c: 10 a: 00 c: 10 000 000 000 111 111 111 001 110 011 100 001 010 101 (L- 3)B 0 1 a: 00 b: 01 d: 11 a: 00 b: 01 c: 10 d: 11 d: 11 Hình : a) Sơ đồ bộ mã xoắn với L = 3, k = 2, n = 3 và đa thức sinh G(D) = [D2 1+D2 1+D+D2]. b) Sơ đồ hình cây. Trang: 26 • Yêu cầu phát lại tự động ARQ, phía thu chỉ phát hiện ra các lỗi và yêu cầu bên phát phát lại đoạn số liệu. Phù hợp với đ−ờng truyền số liệu vì không cần thiết phải truyền dẫn trong thời gian thực. 3.3. Đa truy nhập trong thông tin vệ tinh: Là kỹ thuật các trạm mặt đất truy nhập bộ phát đáp vệ tinh, với yêu cầu sóng VTĐ từ các trạm mặt đất riêng lẻ không can nhiễu lẫn nhau. Có các kỹ thuật truy nhập th−ờng đ−ợc sử dụng trong TTVT nh− FDMA, TDMA, CDMA, SDMA, truy nhập gói (Packet) và truy nhập ngẫu nhiên. 1.3.1. Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA): ♦ Các trạm mặt đất sử dụng các tần số sóng mang khác nhau và cùng chung một bộ phát đáp. ♦ Ưu điểm: - Thủ tục truy nhập đơn giản. - Cấu hình trạm mặt đất đơn giản. ♦ Nh−ợc điểm: - Không linh hoạt thay đổi tuyến. - Hiệu quả thấp khi sử dụng nhiều kênh, dung l−ợng thấp và chất l−ợng thấp. 1.3.2. Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA): Trong TDMA một số trạm mặt đất dùng chung một bộ phát đáp vệ tinh bằng cách phân chia khoảng thơì gian. Mỗi trạm mặt đất đ−ợc ấn định một khe thời gian và chỉ đ−ợc phát tín hiệu của chúng trong khe đó gọi là “cụm”. Tập hợp tất cả các cụm ấn định cho một số trạm mặt đất tạo thành một khoảng thời gian gọi là khung TDMA. Mỗi trạm mặt đất phát tín hiệu có có cùng tần số sóng mang f0 và chiếm toàn bộ băng tần của bộ phát đáp vệ tinh. Vì các khe thời gian khác nhau đ−ợc ấn định cho tất cả các trạm mặt đất nên chỉ có tín hiệu từ một trạm mặt đất chiếm bộ phát đáp vệ tinh tại thời gian cho phép và không bao giờ xẩy ra tr−ờng hợp tín hiệu từ hai trạm mặt đất chiếm bộ phát đáp vệ tinh trong cùng thời gian. Độ lâu của một khe thời gian ấn định cho một trạm mặt đất đ−ợc xác định tr−ớc tuỳ theo yêu cầu l−u l−ợng của trạm đó. Mỗi trạm mặt đất phát tín hiệu của nó trong khe ấn định cho nó trong tất cả các khung TDMA . Vì vậy, các tín hiệu phát đi từ mỗi trạm mặt đất nằm trong mỗi cụm có chu kỳ đúng bằng chu kỳ phát khung TDMA. Các cụm trong một khung TDMA đ−ợc ấn định sao cho không chồng lấn lên nhau, nh− chỉ ra trên hình 5.3 f t fA fB fC fD fA Dải thông bộ phát đáp Frequency Division Multiple Access f t f0 A B C D A Thời gian 1 khung Một bộ phát đáp Trang: 27 Mạng TDMA bao gồm các trạm l−u l−ợng và ít nhất là một trạm chuẩn. Các cụm phát đi từ trạm l−u l−ợng gọi là cụm l−u l−ợng. Số liệu l−u l−ợng đ−ợc phát bởi cụm l−u l−ợng. Trạm chuẩn phát một cụm đặc biệt theo chu kỳ gọi là “cụm chuẩn”. Cụm chuẩn cung cấp chuẩn định thời cho các khung TDMA có chu kỳ bằng một khung TDMA. Trạm l−u l−ợng phát cụm l−u l−ợng và điều khiển định thời phát cụm luôn luôn theo cụm chuẩn, nh− chỉ ra trên hình 5.4 Mỗi trạm l−u l−ợng phát các cụm l−u l−ợng trong khe thời gian đ−ợc ấn định ở vệ tinh, định thời phát cụm đ−ợc điều khiển bởi cụm chuẩn, cụm chuẩn đ−ợc sử dụng nh− là chuẩn định thời. ở vệ tinh, cụm chuẩn và các cụm l−u l−ợng đ−ợc sắp đặt theo thứ tự cố định để không chồng lên nhau trong mỗi khung TDMA. Mỗi trạm l−u l−ợng thu các cụm này và lấy ra cụm l−u l−ợng chứa các tín hiệu có địa chỉ đến trạm l−u l−ợng đó’ Trong TDMA sử dụng tín hiệu số vì các tín hiệu số dễ biến đổi thành chuỗi các cụm và dễ dàng điều khiển định thời phát và thu. Vì vậy, các tín hiệu t−ơng tự nh− tín hiệu thoại tr−ớc hết đ−ợc biến đổi thành tín hiệu số bằng mã hoá PCM. Sau đó tín hiệu thoại PCM và các tín hiệu số gốc nh− số liệu đ−ợc ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM). Tín hiệu số đã ghép đ−ợc biến đổi thành dạng cụm. Sau đó đ−a vào điều chế siêu cao tần với kỹ thuật điều chế th−ờng đ−ợc sử dụng là biến đổi pha (khoá dịch pha: PSK). Tóm lại ph−ơng pháp truyền dẫn tín hiệu trong TDMA là : điều xung mã - ghép kênh phân chia theo thời gian - khoá dịch pha - đa truy nhập phân chia theo thời gian (PCM - TDM - PSK - TDMA). Vì trong PCM tần số lấy mẫu là 8 kHz nên độ dài khung của tín hiệu PCM là 125μs. Trong TDMA, độ dài khung TDMA bằng bội số của độ dài khung TDMA hay 125μs, phù hợp với tín hiệu PCM: Khung TDMA = 125μs ì m (m là số nguyên) A B N ... A Cụm l−u l−ợng Khung TDMA t Mạng TDMA A B C D A D Khung TDMA t cụm Khung TDMA và “cụm” cùng tần số F Các trạm l−u l−ợng phía thu A B C D E F C Trạm chuẩn Khung TDMA Khung TDMA Trang: 28 5.1.2. Ưu điểm của TDMA Thông tin vệ tinh với kỹ thuật TDMA có các −u điểm so với FDMA nh− sau: 1/ Sử dụng hiệu quả công suất vệ tinh Trong FDMA khi nhiều sóng mang đồng thời đ−ợc khuếch đại chung bằng một HPA thì sẽ gây ra nhiễu điều chế. Để giảm nhỏ nhất nhiễu xuyên điều chế ta phải lùi công suất ra một “độ lùi” khá lớn từ 6 dB đến 10 dB so với công suất ra cực đại. Vì vậy công suất HPA không đ−ợc tận dụng hết. Còn trong TDMA số sóng mang trong một bộ phát đáp luôn luôn bằng một vì vậy có thể cho HPA làm việc với công suất ra cực đại mà không có nhiễu xuyên điều chế. 2/ Tính linh hoạt trong khai thác khi thay đổi nhu cầu l−u l−ợng. Trong FDMA khi thay đổi kênh đòi hỏi phải thay đổi phần cứng của thiết bị. Trong TDMA, độ dài và vị trí các cụm đ−ợc xác định theo quan hệ về yêu cầu l−u l−ợng của mỗi trạm mặt đất. Khi thay đổi ấn định kênh trong TDMA cần thay đổi độ dàivà vị trí các cụm. Trong tr−ờng hợp này, không cần phải thay thế hoặc sửa đổi các thiết bị thông tin của trạm mặt đất mà chỉ cần điều khiển bằng phần mềm. 3/ Một −u điểm khác của TDMA là có thể tăng dung l−ợng truyền dẫn lớn bằng cách chọn kỹ thuật nội suy tiếng nói số (DSI). DSI là kỹ thuật mà các kênh vệ tinh đ−ợc ấn định cho ng−ời sử dụng chỉ khi có tín hiệu thoại truyền dẫn, thay vào các kênh vệ tinh cố định ấn định cho từng cá nhân riêng biệt. DSI có thể cung cấp kênh trên mặt đất gấp hai lần so với số kênh vệ tinh có. Đối với các tín hiệu thoại đã đ−ợc số hoá, ta có thể dễ dàng thực hiện nội suy tiếng nói. vì thế dễ dàng áp dụng DSI trong TDMA. Sự kết hợp TDMA và DSI cho phép tăng dung l−ợng truyền dẫn lên ba hoặc bốn lần so với dung l−ợng truyền dẫn FDMA 4/ Dễ dàng thực hiện đấu nối với các mạng mặt đất, Có khả năng t−ơng thích tuyệt vời với các mạng thông tin số và dễ dàng đấu nôi với mạng thông tin mặt đất mà hệ thống số đang ngày càng phát triển 5.1.3: Nguyên lý đồng bộ cụm: Trong TDMA các cụm đ−ợc phát đi từ các trạm l−u lựơng phải đ−ợc điều khiển sao cho chúng đ−ợc sắp xếp đúng vào khe thời gian đã đ−ợc ấn định ở vệ tinh. Việc điều khiển định thời này đ−ợc gọi là đồng bộ cụm. Nh− ta đã biết khoảng cách giữa vệ tinh và trạm mặt đất luôn luôn thay đổi. vì vậy thời gian cần thiết truyền một cụm l−u l−ợng từ trạm mặt đất đến vệ tinh thay đổi liên tục. Ngoài ra trạm chuẩn và các trạm l−u l−ợng có các đồng hồ riêng với các tần số khác nhau. vì vậy định thời phát cụm giữa các trạm là khác nhau, nếu không có đồng bộ cụm thì các cụm đ−ợc phát đi sẽ lệch khỏi thời gian đ−ợc ấn định ở vệ tinh, các cụm sẽ chồng lấn lên nhau ở vệ tinh, thông tin sẽ bị mất. Trang: 29 cụm l−u l−ợng cụm chuẩn trạm l−u l−ợng trạm chuẩn Đồng bộ vòng kín trực tiếp trạm chuẩn trạm chuẩntrạm l−u l−ợng cụm chuẩncụm l−u Đồng bộ vòng kín hồi tiếp Vị trí của khe thời gian ấn định cho một cụm phát đi từ một trạm l−u l−ợng đ−ợc xác định bằng vị trí t−ơng đối của cụm đó so với cụm chuẩn. Định thời phát cụm cần phải đ−ợc điều khiển theo chu kỳ lấy cụm chuẩn làm chuẩn định thời. Có ba ph−ơng pháp đồng bộ cụm để điều khiển vị trí t−ơng đối của các cụm l−u l−ợng so với cụm chuẩn: đồng bộ vòng kín trực tiếp, đồng bộ vòng kín hồi tiếp và đồng bộ vòng mở 1/ Đồng bộ vòng kín trực tiếp Đồng bộ vòng kín trực tiếp áp dụng cho hoạt động với vùng phủ sóng toàn cầu ở đó mỗi trạm l−u l−ợng có thể luôn luôn thu đ−ợc các cụm xuất phát từ trạm qua vệ tinh. Trạm l−u l−ợng thu cả cụm chuẩn và cụm l−u l−ợng của chính nó. Khoảng thời gian giữa hai cụm này đ−ợc đo theo chu kỳ tại trạm l−u l−ợng.để phát hiện lỗi trong khoảng thời gian bằng việc so sánh chúng với giá trị danh định đã cho. Định thời phát cụm đ−ợc đ−a ra hoặcbị trễ để bù cho lỗi phát hiện. Bằng cách này cụm l−u l−ợng có thể đ−ợc giữ ở vị trí chính xác trong các khung TDMA. 2/ Đồng bộ vòng kín hồi tiếp đ−ợc áp dụng cho hoạt động của búp sóng “dấu in”, ỏ đây mỗi trạm l−u l−ợng không thể thu đ−ợc cụm khởi đầu từ trạm phát đi qua vệ tinh. Trạm l−u l−ợng không thể đo khoảng thời gian giữa cụm chuẩn và cụm phát đi từ trạm đó vì trạm chuẩn đặt trong vùng đối diện, nằm trong vùng phủ sóng của búp “dấu in” khác. Trạm chuẩn gửi trở lại các kết quả đo tới trạm l−u l−ợng. Trạm l−u l−ợng phát điều khiển định thời phát cụm để bù lỗi so với vị trí danh định. Việc bù trừ dựa trên kết quả đo đ−ợc ở trạm chuẩn gửi trả lại cho trạm l−u l−ợng. Ph−ơng pháp đồng bộ này cũng có thể áp dụng cho hoạtđộng đối với búp sóng toàn cầu. 3/ Đồng bộ vòng mở: định thời phát cụm đ−ợc xác định bằng cách bổ sung một l−ợng trễ phù hợp vào định thời thu cụm chuẩn. L−ợng trễ này nhận đ−ợc nhờ việc tính toán dựa trên việc đo khoảng cách giữa mỗi trạm mặt đất và vệ tinh. Mỗi trạm l−u l−ợng thu cụm chuẩn và phát cụm của nó sau một độ trễ −ớc l−ợng tính từ định thời thu cụm chuẩn. Đòng bộ vòng mở có thể áp dụng cho cả búp “dấu in” và búp sóng toàn cầu và đơn giản hơn so với các ph−ơng pháp đồng bộ cụm khác. Tuy hiên lỗi vị trí giữa các cụm trong đồng bộ vòng mở có thể lớn hơn. Trang: 30 trạm l−u l−ợng trạm chuẩn Đồng bộ vòng mở 3.3. Khung TDMA và các khuôn dạng cụm 3.3.1: Khuôn dạng khung và khung TDMA chung trong một nhóm Cấu trúc của khuôn dạng của khung TDMA sử dụng trong hệ thống Intelsat Độ dài khung là 2 ms. Một khung TDMA chứa 2 cụm chuẩn (RB1 và RB 2) và một số cụm l−u l−ợng. RB1 hoặc RB 2 hoạt động nh− cụm chuẩn sơ cấp, cụm chuẩn còn lại là cụm chuẩn thứ cấp. Số liệu điều khiển phát đi bởi cụm chuẩn để đồng bộ cụm và điều khiển hệ thống đ−ợc thực hiện bởi đa khung. Một đa khung gồm 16 khung TDMA liên tiếp có độ dài bằng 32 ms. Các từ duy nhất riêng biệt gọi là dấu đa khung đ−ợc sử dụng cho các cụm trong khung 0, là khung đầu tiên của đa khung. Các dấu đa khung này đ−ợc sử dụng để nhận biết khung 0 và chỉ thị khởi đầu của đa khung. Cụm chuần 1: RB1 Cụm chuần 2: RB2 Cụm l−u l−ợng 1 TB1 Cụm l−u l−ợng n TBn Cụm chuần 1: RB1 Cụm chuần 2: RB2 2 ms • • • • Dạng khung TDMA sử dụng trong hệ thống Intelsat đa khung (32 khung 15 cụm l−u l−ợng ... ...... khung 0 khung 1 Khuôn dạng của đa khung (16 khung) R B 1 R B 1 sử dụng các từ duy nhất riêng biệt gọi là dấu đa khung Trang: 31 Một nhóm bộ phát đáp đ−ợc đồng bộ với một nhóm khác để nhảy bộ phát đáp. Nhóm này đ−ợc gọi là một nhóm các bộ phát đáp đồng bộ. Hình 5.19 chỉ ra quan hệ định thời giữa một khung TDMA chung trong nhóm và các cụm chuẩn của mỗi bộ phát đáp đồng bộ trong nhóm đó. Khung TDMA đ−ợc xác định duy nhất cho các bộ phát đáp trong nhóm bằng cách tạo ra khởi đầu chính xác tất cả các khung giống nh− một khung khác. Một bộ phát đáp đ−ợc chon làm bộ phát đáp chuẩn định thời. RB 1 của bộ phát đáp này xác định khởi đầu khung TDMA. TRT là “bộ phát đáp chuẩn định thời” và SOF là “khởi đầu của khung TDMA” cho tất cả các bộ phát đáp trong nhóm. Việc xác định vị trí cụm trong nhóm dựa vào SOF. Tất cả các bộ phát đáp trong nhóm có thể thiết lập định thời chung bằng cách xác định khởi đầu của khung TDMA cho tất cả các bộ phát đáp. Biểu đồ thời gian cụm quy định khoảng thời gian giữa RB1và SOF, và khoảng thời gian giữa RB2 và SOF cho mỗi bộ phát đáp. Một trong hai trạm chuẩn phát RB1 và ttrạm chuẩn kia phát RB2 tại định thời danh định cho tất cả các bộ phát đáp trong nhóm. Các cụm chuẩn này bảo đảm các trạm l−u l−ợng với một chuẩn định thời để thực hiện đồng bộ cụm. RB1 phải đứng tr−ớc RB2 trong mỗi khung nh−ng RB2 không phải luôn luôn đặt ngay sau RB1. Một hoặc nhiều cụm l−u l−ợng có thể đ−ợc xen vào giữa RB1 và RB2. Cũng có tr−ờng hợp trong các bộ phát đáp loại trừ TRT, có một hoặc nhiều cụm l−u l−ợng đ−ợc đặt giữa SOF và RB1. Trong hệ thống TDMA Intelsat, đồng bộ khung đ−ợc thiết lập bằng việc xác định một khung TDMA chung cho một nhóm các bộ phát đáp đồng bộ. Hơn nữa, trong cùng một nhóm, đồng bộ đa khung cũng đ−ợc thiết lập sao cho các dấu đa khung phải xuất hiện trong cùng một khung TDMA ở tất cả các bộ phát đáp. Bằng cách thiết lập đồng bộ khung và đa khung theo ph−ơng pháp này, nhảy b−ớc phát đáp có thể đ−ợc thực hiện. Nghĩa là các trạm l−u l−ợng và trạm chuẩn có thể phát các cụm kế tiếp nhau tới một số bộ phát đáp sử dụng một đầu cuối TDMA và cũng theo cách t−ơng tự có thể thu các cụm từ một số bộ phát đáp nhóm các bộ phát đáp đ−ợc đồng bộ WH → EH WH → EH WZ → EZ WZ → EZ đầu cuối Nhảy b−ớc phát đáp, chỉ ra quan hệ định thời giữa một khung TDMA chung trong nhóm và các cụm chuẩn của mỗi bộ phát đáp đồng bộ trong nhóm đó. Trang: 32 1.3.3 Đa truy nhập phân chia theo m∙ (CDMA): ♦ Các trạm mặt đất sử dụng cùng một tần số sóng mang và cùng chung một bộ phát đáp nh−ng dựa trên phân chia theo mã. ♦ Ưu điểm: - Chịu đ−ợc tạp nhiễu và méo. - Chịu đ−ợc sự thay đổi các thông số khác nhau của đ−ờng truyền. - Dung l−ợng cao. - Bảo mật cao. ♦ Nh−ợc điểm: - Độ rộng băng tần truyền dẫn yêu cầu cao - Hiệu quả sử dụng băng tần kém. CDMA là kỹ thuật đa truy nhập mới và chất l−ợng tốt nhất hiện nay! ff0 A B C Code Division Multiple Access DNI: tín hiệu số không có nội suy DSI: tín hiệu số có nội suy Mở đầu Số liệu l−u l−ợng Số liệu l−u l−ợng DSI DSI DSI DSI 0 1 2 .... n Các kênh vệ tinh Cụm con 1 2 3 .... 16 Các mẫu PCM Một kênh vệ tinh 1 2 3 4 5 6 7 8Một mẫu PCM 8 bit/mẫu Bit có trọng số lớn nhất Bit có trọng số nhỏ nhất 128 bit/kênh (16 mẫu PCM) Số kênh vệ tinh: Cực tiểu: 1 kênh Cực đại : 128 kênh DNI 127 kênh DSI Số cụm con cực đại : 8 Cấu trúc phân cấp của cụm l−u l−ợng Điều chế Bản tin Sóng mang m1(t) Mã a1(t) Kênh truyền a1(t).m1(t) a2(t).m2(t) Mã a1(t) tới giải điều chế an(t).mn(t) Hệ thống DS/CDMA Trang: 33 Ch−ơng 4: Vệ tinh thông tin (4 tiết) Trong hệ thống thông tin vệ tinh, vệ tinh đóng vai trò là một trạm chuyển tiếp, làm chức năng của một trạm lặp (repeater). Thu tín hiệu từ các trạm mặt đất, khuếch đại, biến đổi sang một tần số khác và khuếch đại lên một công suất yêu cầu rồi phát trở lại mặt đất. Là một trạm ở rất xa quả đất và bay xung quanh quả đất, đ−ợc điều khiển từ xa nên có cấu tạo phức tạp. Ngoài phân hệ thông tin (Payload) còn phải có những phân hệ phụ trợ khác để đo l−ờng, điều khiển, giám sát v.v... từ xa. 4.1. Nhiệm vụ vμ các đặc tính của phân hệ thông tin trên vệ tinh. a. Nhiệm vụ: Phân hệ thông tin đóng vai trò nh− một trạm chuyển tiếp giữa các trạm mặt đất với nhau. Với hầu hết các vệ tinh thông tin th−ơng mại thì phân hệ thông tin gồm hai phần là là lặp và phân hệ anten vệ tinh. b. Chức năng: - Thu các sóng mang đ−ợc phát từ các trạm măt đất trong mạng với băng tần và phân cực xác định. Các trạm mặt đất này đ−ợc đặt trong vùng phủ sóng của anten vệ tinh. - Hạn chế tối đa nhiễu có hại từ các hệ thống vô tuyến khác. - Khuếch đại các sóng mang thu đ−ợc trong khi hạn chế tối đa tạp âm và méo. - Biến đổi tần số các sóng mang nhận đ−ợc trên đ−ờng lên sang tần số sóng sóng mang trên đ−ờng xuống. - Cung cấp công suất đủ lớn trong băng tần xác định tại đầu vào anten phát vệ tinh. - Bức xạ sóng mang trong băng tần và phân cực xác định tới các vùng đ−ợc xác định trên bề mặt trái đất. Tuy nhiên, với vệ tinh tái tạo thì bộ lặp còn có chức năng giải điều chế, khôi phục xung và điều chế. Băng tần phân bổ cho trạm lặp của vệ tinh có thể từ vài trăm MHz lên đến vài GHz. Để thuận lợi cho việc khuyếch đại tín hiệu, băng tần này th−ờng đ−ợc chia thành các băng tần con với các dãy khuyếch đại riêng biệt cho từng băng con. c. Thông số kỹ thuật của phân hệ thông tin : Phân hệ thông tin đ−ợc đặc tr−ng bởi các thông số kỹ thuật trong từng băng tần sau: - Băng tần công tác - Số l−ợng bộ phát đáp - Độ rộng băng thông của một bộ phát đáp. - Phân cực tín hiệu đ−ờng lên, đ−ờng xuống. - Công suất phát xạ t−ơng đ−ơng đẳng h−ớng EIRP hoặc là mật độ thông l−ợng công suất tạo ra tại biên của vùng dịch vụ. - Mật độ thông l−ợng công suất bảo hoà tại anten thu của vệ tinh SFD. - Hệ số phẩm chất G/T của máy thu vệ tinh tại biên của vùng dịch vụ hoặc giá trị cực đại. - Vùng phủ sóng. - Công suất đầu ra của bộ khuếch đại công suất. - Cấu hình dự phòng của máy thu và bộ khuếch đại công suất cao Trang: 34 4.2. Cấu trúc của tuyến thông tin trên vệ tinh thông tin. 4.2.1. Bộ phát đáp Để đơn giản ta chỉ xét cấu hình của tuyến thông tin (trạm lặp) chỉ có một beam (chùm, h−ớng) phát và thu. a. Máy thu: • Chức năng máy thu: Khuếch đại tín hiệu VTĐ nhận đ−ợc từ các trạm mặt đất phát sau khi tín hiệu này bị suy hao lớn trong không gian tự do. Bộ thu bao gồm bộ khuyếch đại tạp âm thấp LNA tại tần số lên, bộ đổi tần xuống nếu nh− tần số đ−ợc đổi hai lần và bộ khuyếch đại. Bộ thu là máy thu băng rộng có độ rộng băng thông 500 (băng C) đến 1GHz (băng Ku) tuỳ thuộc vào băng tần sử dụng và loại LNA. • Bộ LNA (Low Noise Amplituder): Bộ này quyết định chủ yếu hệ số phẩm chất G/T của bộ phát đáp. Bộ khuyêvhs đại này có hệ số tạp âm thấp đồng thời phải có hệ số KĐ cao để hạn chế tạp âm phân bố của các tầng sau đó. Các thông số đặc tr−ng cho bộ LNA là: - Băng tần hoạt động: C(6 GHz), X(8 GHz), Ku(14 GHz), Ka (30 GHz) - Hệ số KĐ: (50 ữ 60) ± 0.5 dB - Hệ số tạp âm: 1,6 (6 GHz), 1,9 (14 GHz), 2,2 (30 GHz) Để đảm bảo hệ số tạp âm của bộ khuếch đại thấp thì cần có nhiệt độ bên ngoài bộ LNA thấp, nên ng−ời ta đặt nó trong Heli lỏng gần độ 0 tuyện đối. • Bộ đổi tần xuống: bao gồm một bộ trộn (Mixer), một bộ dao động nội và các bộ lọc thông dải. Tần số của bộ dao động nội tuỳ thuộc vào băng tần công tác cũng nh− bộ phát đáp thực hiện đổi tần một lần hay hai lần. • Khuếch đại trong máy thu: Bộ KĐ tín hiệu sau khi đã đổi tần nhằm cung cấp công suất tín hiệu đủ lớn cho các tầng sau. Bộ KĐ này đ−ợc thiết kế sao cho hệ số KĐ có thể điều khiển đ−ợc từ xa bằng lệnh telecommand. Do hoạt động trên băng tần rộng và KĐ một cách đồng thời nhiều sóng mang nên đặc tính truyền đạt của bộ KĐ này đòi hỏi rất cao. Hơn nữa công suất của hài bậc ba phải nhỏ hơn công suất của sóng mang ít nhất là 40 dB đầu ra bộ KĐ. Phân kênh đầu vào Máy thu Anten Anten Khuếch đại kênh Khuếch đại kênh Khuếch đại kênh Ghép kênh đầu ra Biến đổi xuống K. đại LNA Khuếch đại Bộ lọc giải Bộ lọc giải Trộn Trang: 35 Trong thực tế, máy thu đ−ợc chế tạo theo modul phải bảo đảm đ−ợc hệ số tăng ích yêu cầu và không đổi trên toàn bộ băng thông hoạt động (điển hình 500 MHz). Giá trị điển hình về độ gợn sóng của đặc tuyến truyền đạt nằm trong phạm vi ±0,5 dB trên toàn bộ băng thông công tác. Để đạt đ−ợc độ gợn sóng nhỏ, sử dụng các bộ Isolator (phân ly) nhằm suy hao sóng phản xạ. Để tăng độ tin cậy của hệ thống, máy thu có thể đ−ợc dấu nối theo cấu hình dự phòng 1:1 a. Bộ phân kênh đầu vào. Máy thu là thiết bị băng rộng, trong khi đó để khuếch đại tín hiệu tới công suất đủ lớn cho đ−ờng xuống phải sử dụng các bộ khuếch đại công suất cao. Do vậy, để giảm hài xuyên điều chế băng thông của bộ phát đáp phải chia băng tần thành các băng con. • Nhiệm vụ: Phân băng tần của máy thu thành các băng con (36, 54 hoặc 72MHz...). • Yêu cầu: Tại tần số trung tâm đặc tuyến cộng h−ởng của bộ lọc không đ−ợc thay đổi trong suốt quá trình vệ tinh hoạt động. Do vậy, các hốc cộng h−ởng phải làm bằng vật liệu chịu nhiệt, có hệ số dãn nở nhỏ, độ dẫn tốt. • Cấu hình: bao gồm các bộ Circulator (xoay vòng) và các bộ lọc băng dải, chính các bộ lọc băng dải này quy định băng thông của bộ phát đáp. Trong hình d−ới , các kênh đ−ợc tổ chức thành hai nhóm chẵn và lẻ. Sử dụng một bộ lai ghép (Hybrid) để chia thành hai phần dùng chung công suất đầu ra máy thu. Suy hao tín hiệu trong bộ phân kênh đầu ra phụ thuộc vào số lần tín hiệu đi qua bộ Bộ lọc giải Bộ lọc giải Bộ lọc giải Bộ lọc giải Bộ lọc giải Bộ lọc giải Kênh 1 Kênh 3 Kênh 5 Kênh 2 Kênh 4 Kênh 6 K 1 K 2 K 3 K 4 K 5 K 6 f RF vào Máy thu (dự phòng) Máy thu (dự phòng) RF ra Hình : Cấu hình dự phòng 1:1 Trang: 36 Circulator và số lần phản cạ tại bộ lọc thông dải. Do vậy, suy hao tín hiệu đối với các kênh khác nhau là khác nhau và đạt giá trị cực đại tại kênh xa đầu vào của bộ IMUX nhất. Bằng cách phân chia bộ IMUX thành nhiều phần, trong đó mỗi phần hỗ trợ một số kênh có thể làm giảm chênh lệch suy hao giữa các kênh b. Bộ khuếch đại kênh. Đây là thuết bị quan trọng nhất của hệ thống phát đáp, bao gồm các bộ khuếch đại công suất cao (HPA). • Nhiệm vụ: Thực hiện cung cấp công suất theo yêu cầu cho đ−ờng xuống và do đó xác định EIRP của mỗi kênh. • Yêu cầu: Khuếch đại phải bảo đảm tính chất tuyến tính để hạn chế tạp âm xuyên điều chế phân bố tại đầu vào các trạm mặt đất thuầôNgì ra cần có cấu hình dự phòng vì nó dễ bị hỏng. • Giải pháp: - Sử dụng các bộ tiềm KĐ tr−ớc bộ HPA, do tín hiệu đầu vào máy thu sau khi KĐ bị suy hao trong bộ IMUX không đủ lớn để điều khiển bộ HPA. - Mắc các bộ suy hoa nối tiếp với bộ KĐ với hệ số suy hao đ−ợc điều chỉnh từ 0 đến vài dB và b−ớc nhảy vài phần m−ời dB bằng lệnh từ TT&C mặt đất - Sử dụng các bộ cân bằng (hoạt động ở chế độ bảo hoà) để bù đặc tuyến biên độ tần số và pha tần số của bộ HPA. (Nguyên lý làm việc của bộ cân bằng thực chất là làm méo tr−ớc tín hiệu sao cho đặc tuyến biên độ tần số, pha tần số ng−ợc với đặc tuyến trên của bộ HPA. • Thông số kỹ thuật : Có hai loại HPA th−ờng đ−ợc sử dụng trên vệ tinh là bô KĐ đèn sóng chạy (TWTA) và bộ KĐ bán dẫn (SSPA) có sau: Thông số kỹ thuật TWTA SSPA Băng tần hoạt động C, Ku, Ka C, Ku Công suất bảo hoà tại đầu ra 20ữ200W 20ữ40W Hệ số KĐ điểm bảo hoà ~55dB 70ữ90W Tỷ số công suất trên tạp âm xuyên điều chế tại chế độ bảo hoà trong tr−ờng hợp hai sóng mang có cùngbiên độ (C/N)IM 10ữ12 dB 10ữ18 dB Hệ số chuyển đổi AM/PM 4,50/dB 20/dB Hiệu suất tổng 50ữ60% 30ữ45% Khối l−ợng bao gồm cả bộ nguồn 1,5ữ2,2Kg 0,8ữ1,5Kg Xác suất hỏng trong 109 giờ <150 FIT <150 FIT c. Bộ ghép kênh đầu ra. • Nhiệm vụ: Kết hợp tất cả các kênh sau khi đã đ−ợc khuếch đại để đ−a ra anten. • Yêu cầu: Không đ−ợc làm tổn hao công suất của các bộ khuếch đại công suất để không làm giảm công suất bức xạ của anten. Trang: 37 • Giải pháp: Các bộ lọc đầu ra bộ khuếch đại công suất sẽ đ−ợc ghép trực tiếp lên ống dẫn sóng chung trong đoá ống dẫn sóng đ−ợc ngắn mạch tại đầu cuối và đầu kia đ−ợc nối với cổng tiếp sóng của anten. d. Ph−ơng pháp kết nối máy thu/ phát với hệ thống anten. • Trong thực tế trên một vệ tinh có nhiều anten thực hiện phủ sóng tới các vùng miền khác nhau trên trái đất. Việc kết giữa đầu ra bộ ghép kênh với các anten này đ−ợc thực hiện theo hai kỹ thuật sau: - Kết nối tĩnh: Đã đ−ợc kết nối cố định không thay đổi đ−ợc. - Kết nối động: Có thể thay đổi bằng các chuyển mạch và đ−ợc điều khiển bằng các lệnh d−ới trạm điều khiển TT&C d−ới mặt đất. Trên vệ tinh Intelsat VI có 50 bộ phát đáp làm việc ở băng C và băng Ku với độ rộng băng tổng cộng là 3,272 GHz. Băng C có hai bộ phát đáp phủ sóng bán cầu, bốn bộ phát đáp phủ sóng vùng và hai bộ phủ sóng địa ph−ơng (spot beam). Băng Ku gồm hai bộ phát đáp phủ sóng địa ph−ơng. Hình 2.20 chỉ ra những vùng phủ sóng điển hình của vệ tinh Intelsat VI ống dẫn sóng ngắn mạch cuối Ngắn mạch B ộ lọc kênh 1 B ộ lọc kênh 3 B ộ lọc kênh 5 B ộ lọc kênh 7 B ộ lọc kênh 2 B ộ lọc kênh 4 B ộ lọc kênh 6 B ộ lọc kênh 8 Điều hởng thích ứng với 1 bộ lọc băng tần Điều hởng thích ứng với 8 bộ lọc băng tần Tới cổng tiếp sóng của anten Từ các HPA Từ các HPA Hình : Bộ ghép kênh đầu ra Sơ đồ khối các bộ phận chính của phân hệ thông tin trên vệ tinh Intelsat VI Trang: 38 • Đối với vệ tinh có nhiều chùm tín hiệu (beam) thì việc kết nối một máy thu tới đồng thời một vài máy phát đ−ợc thực hiện bằng các bộ chuyển mạch. + Yêu cầu: Thực hiện chuyển mạch trong vài trăm nano giây. + Giải pháp: Sử dụng các bộ chuyển mạch tích cực nh− diode PIN hay các transistor hiệu ứng tr−ờng FET một cổng hoặc hai cổng, chúng đ−ợc mắc theo kiểu ma trận gọi là ma trận chuyển mạch. 4.3. Anten thông tin của vệ tinh Phân hệ anten trên vệ tinh đóng một vai trò quan trọng trong chức năng của vệ tinh. • Các chức năng chính của anten trên vệ tinh - Lựa chọn sóng vô tuyến đ−ợc phát đi trong băng tần đã cho với phân cực đã cho từ các trạm mặt đất nằm trong vùng phủ sóng của vệ tinh. - Phát sóng vô tuyến ở băng tần và phân cực đã cho lên khu vực đã quy định trên mặt đất. • Yêu cầu: - Thu can nhiễu càng nhỏ càng tốt. - Phát công suất nhỏ nhất ra ngoài vùng quy định. • Các thông số đặc tr−ng cho: Anten trên vệ tinh phải phủ sóng một khu vực gọi là vùng phục vụ với mức công suất yêu cầu nó đ−ợc đặc tr−ng bởi các đ−ờng đẳng mức về độ tăng ích của anten hoặc là EIRPs (Equivalent Isotropic Radiated Power) đẳng mức và hệ số phẩm chất thu GR/TS đẳng mức (thông th−ờng trong vùng đó mật độ công suất không giảm quá 3 dB so với h−ớng cực đại). Nh− vậy tất cả các trạm mặt đất nằm trong vùng phủ sóng đều thu đ−ợc mức công suất yêu cầu không nhỏ hơn mức cực đại 3 dB. Tuỳ theo đặc điểm thông tin, loại dịch vụ... mà vùng phủ sóng có hình dạng, khu vực phủ sóng và do đó anten sẽ có cấu tạo khác nhau. Có bốn loại vùng phủ sóng cơ bản lên mặt đất của anten trên vệ tinh - Phủ sóng toàn cầu: là vùng phủ sóng rộng lớn nhất của một vệ tinh lên mặt đất. Với vệ tinh địa tĩnh có độ cao bay 35.786 km, vùng phủ sóng có đ−ợc lớn nhất bằng 42% bề mặt quả đất, với “góc nhìn” từ vệ tinh là 17,4o. Hình 2.21: Phủ sóng toàn cầu đối với một góc ngẩng đã cho và Phủ sóng bán cầu Trang: 39 -Phủ sóng bán cầu: là vùng phủ sóng cho một nửa bán cầu phía đông và một nửa bán cầu phía tây, nếu quan sát từ vệ tinh, hai khu vực phủ sóng này cách ly nhau. - Phủ sóng vùng: khu vực phủ sóng có thể nhiều khu vực khác nhau trên mặt đất nh− vùng Đông-Bắc, vùng Tây-Bắc... . - Phủ sóng “dấu” (spot footprin): vùng phủ sóng nhỏ nh− các dấu in trên mặt đất, dùng để thông tin trong một n−ớc nhỏ hay một vùng của một n−ớc lớn nh− chỉ ra trên hình 2.24. Trong hệ thống thông tin di động qua vệ tinh vùng phủ sóng “dấu” phải kế tiếp nhau và chồng lấn lên nhau để có thể thông tin một cách liên tục khi đầu cuối di động trong vùng phục vụ của mạng, nh− chỉ ra trên hình 2.25.Vùng phủ sóng có thể là tròn, elip hay dạng tuỳ ý Hình 2.23: Phủ sóng khu vực và phủ sóng “dấu” Hình 2.25: Vùng phủ sóng l−ới - Giản đồ bức xạ, mức búp sóng phụ và đặc tính phân cực: + Giản đồ bức xạ đ−ợc quy định trong khuyết nghị của ITU-R S.672-4 Trang: 40 + Mức búp sóng phụ: không làm ảnh h−ởng tới các vùng khác. + Đặc ính phân cực: Phân cực đứng, ngang, tròn (quay trái hay quay phải), elíp (quay trái hay quay phải). 2.4.3. Các loại anten Để có đ−ợc các vùng phủ sóng khác nhau anten trên vệ tinh th−ờng sử dụng hai loại chính anten loa và anten mặt phản xạ với các bộ chiếu xạ khác nhau đ−ợc tiếp sóng theo các ph−ơng pháp khác nhau 1)Anten loa: Có −u diểm độ tin cậy và đơn giản nh−ng tính h−ớng kém nên đ−ợc sử dụng để phủ sóng với búp sóng toàn cầu Hệ số tính h−ớng đ−ợc tính theo công thức: D = 4πSν/λ2 ( 2.4) Trong đó: S là diện tích của miệng loa ν là hiệu suất sử dụng bề mặt bằng 0,6 ữ 0,8 Ví dụ: Với băng tần C, để đạt đ−ợc vùng phủ sóng toàn cầu thì cần anten loa có đ−ờng kính 30m. 2) Anten phản xạ (reflector): Là loại anten th−ờng đ−ợc sử dụng nhất để tạo ra búp sóng dạng vết và dạng hình thù riêng rẽ (shaped). Anten này bao gồm một mặt phản xạ parabol và một hoặc nhiều nguồn phát xạ đặt tại tiêu điểm của mặt phản xạ. Để điều chỉnh đ−ợc h−ớng chùm sóng của anten trên quỹ đạo bằng các lệnh điều khiển từ xa. Việc thay đổi búp sóng đ−ợc thực hiện bằng cách thay đổi pha của các phần tử bức xạ. Việc lắp đặt bộ phát xạ đ−ợc đặt theo kiểu đồng trục hay lệch trục (offset). Để tạo ra búp sóng dạng tròn hay elíp đ−ợc thực hiện bằng cách thay đổi hình dạng mặt phản xạ cho phù hợp với vùng phủ sóng. Còn để tạo ra búp sóng dạng hình thù riêng rẽ hay phức tạp thì có thể đ−ợc thực hiện bằng cách đặt một dãy các phần tử bức xạ tại tiêu điểm của mặt phản xạ đ−ợc tiếp điện của cùng một tín hiệu nh−ng biên độ và pha lệch nhau nhờ các mạch tạo búp sóng. 3) Anten dãy (array): sử dụng một bộ rất nhiều các phần tử bức xạ để tạo nên một góc mở bức xạ. Biểu đồ bức xạ của anten này đ−ợc tạo ra bằng cách kết hợp biên độ và pha của sóng đ−ợc bức xạ bởi dãy các phần tử bức xạ. Các phần tử bức xạ đ−ợc đặt cách nhau 0,6λ, biểu đồ bức xạ đ−ợc điều chỉnh bằng cách thay đổi pha và biên độ của tín hiệu tiếp điện bằng một độ dịch pha, chia công suất có thể điều khiển đ−ợc. 4.4. Các hệ thống bộ trở. Để vệ tinh hoàn thành đ−ợc chức năng quan trọng nhất của nó là đảm bảo thông tin liên lạc liên tục 24/24 trong suốt thời gian sống, ngoài phân hệ thông tin còn có các phân hệ phù trợ cho hoạt động của phân hệ thông tin. Các phân hệ cũng có chức năng và tính chất quan trọng của nó và đ−ợc liệt kê trong bảng sau: Hình 2.27 : Anten phản xạ Anten loa hình chữ nhật Trang: 41 Phân hệ Chức năng chính Đặc tr−ng bởi Phân hệ điều khiển quỹ đạo và t− thế vệ tinh Duy trì t− thế cử vệ tinh (t− thế an ten, cánh pin mặt trời) và xác định các thông số về quỹ đạo Độ chính xác vị trí quỹ đạo và vùng phủ sóng của vệ tinh Phân hệ động cơ đẩy Tạo ra gia tốc cần thiết Các loại đọng cơ phản lực và khối l−ợng nhiên liệu Phân hệ đo l−ờng từ xa, bám và lệnh (TT&C) Trao đổi các thông tin liên quan đến thông số quỹ đạo vệ tinh, thu nhận các lệnh điều khiển TT&C từ mặt đất. Số l−ợng kênh TT&C, tính bảo mật thông tin Phân hệ điều khiển nhiệt Duy trì nhiệt độ các thiết bị trên vệ tinh trong giới hạn hoạt động cho phép Khả năng phân tán nhiệt Khung vệ tinh Hỗ trợ lắp ghép các thiết bị Các tính của chất vật liệu chế tạo Trong quá trình thiết kế và chế tạo vệ tinh, ba tính chất sau luôn phải đ−ợc đề cập đến: - Tối thiểu hoá trọng l−ợng của mỗi phân hệ - Công suất tiêu thụ tối thiểu - Độ tin cậy cao a. Phân hệ điều khiển quỹ đạo và t− thế của vệ tinh: Chuyển động của vệ tinh có thể đ−ợc chia làm hai thành phần là chuyển động xung quanh trái đất có tâm đặt tại tâm quả đất (địa tĩnh) và chuyển động nội tại của vệ tinh xung quanh nó. • Nhiệm vụ: Duy trì các búp sóng của anten vệ tinh luôn h−ớng đúng về vùng cần phủ sóng trong suốt thời gian sống của vệ tinh. Để thực hiện nhiệm vụ trên, phân hệ này phải có khả năng bù các mô men xoắn nhiễu loạn ảnh h−ởng đến trạng thái của vệ tinh nh− lực hấp dẫn, áp suất bức xạ của mặt trời, các đồng cơ điều chỉnh trạng thái trên vệ tinh khởi động không đồng bộ hoặc không cân bằng. Có thể điều khiển bằng hệ thống thụ động hoặc tích cực. Với hệ thống điều khiển tích cuạc có liên quan đến quá trình sau: - Đo t− thế vệ tinh so với các điểm chuẩn bên ngoại nh− mặt trời, trái đất, các ngôi sao. - Xác định t− thế vệ tinh so với giá trị đ−ợc định nghĩa - −ớc tính các lệnh điều khiển động cơ hiệu chỉnh - Thực hiện quá trình hiệu chỉnh bằng các động cơ gắn trên vệ tinh - Xác định t− thế vệ tinh sau khi có tác động của động cơ đẩy. Có hai kỹ thuật đ−ợc sử dụng để điều khiển trạng thái là: - ổn định theo kiểu con quay: Vệ tinh đ−ợc chế tạo hình trụ sao cho thân vệ tinh cân bằng xung quanh trục đứng của hình trụ. Đối với vệ tinh địa tĩnh trục đ−ợc điều chỉnh song song với trục Bắc-Nam của quả đất, tốc độ quay của thân là 40ữ60 vòng/ phút Trang: 42 - ổn định theo kiểu ba trục: Thân vệ tinh cố định so với trái đất. T− thế vệ tinh đ−ợc biểu diễn theo các trụ là trục lệch h−ớng (yaw), trục quay (roll) và trục độ cao (pitch) của hệ toạ độ có tâm đặt tại trọng tâm của quả vệ tinh. b. Phân hệ động cơ: Nhiệm vụ: tạo ra lực đẩy, mô men xoắn dùng để điều khiển quỹ đạo cũng nh− t− thế của vệ tinh. - Động cơ đẩy công suất nhỏ cỡ vài millinewton đến vài newton đ−ợc dùng để điều khiển t− thế và quỹ đạo vệ tinh. - Động cơ đẩy công suất trung bình cớ vài trăm newton đến vài ngàn newton đ−ợc dùng để thay đổi quỹ đạo trong quá trình phóng vệ tinh Hình : Các trục ổn định của vệ tinh quỹ đạo bay vệ trục “quay” trong mặt phẳng quỹ đạo quả đất B N trục “độ cao” ổn định mặt phẳng quỹ đạo tr ụ định vị Trang: 43 c. Phân hệ cung cấp năng l−ợng điện: Nhiệm vụ: Bảo đảm cung cấp nguồn điện cho vệ tinh hoạt động ổn định liên tục 24/24 giờ trong suốt thời gian làm việc của vệ tinh. - Nguồn cung cấp chính là hệ thống pin mặt trời - Nguồn cung cấp dự phòng là hệ thống ăcquy để cung cấp cho vệ tinh trong thời gian vệ tinh bị che khuất. VD: Vệ tinh Intelsat VI có công suất hệ thống 2 kW sau 10 năm hoạt động, diện tích 59 m2 và trọng l−ợng 250 kg d. Phân hệ đo l−ờng từ xa, bám và lệnh (TT&C): Nhiệm vụ: - Thu các tín hiệu điều khiển từ d−ới mặt đất để thay đổi trạng thái hoặc ph−ơng thức hoạt động của cavsd thiết bị trên vệ tinh thông qua tuyến điều khiển từ xa (TC). - Phát các kết quả đo, thông tin liên quan đến hoạt động của vệ tinh, hoạt động của các thiết bị và các kết quả thực hiện các lệnh điều khiển d−ới mặt đất thông qua tuyến đo l−ờng từ xa (TM) - Cho phép đo khoảng cách giữa mặt đất và vệ tinh, tốc độ h−ớng tâm để xác định thông số quỹ đạo. - Cung cấp các tín hiệu chuẩn cho các trạm mặt đất phục vụ công việc bám. e. Phân hệ điều khiển nhiệt: Nhiệm vụ: duy trì nhiệt độ của vệ tinh trong một giới hạn cho phép ở độ cao của quỹ đạo địa tĩnh là chân không. Nhiệt độ trung bình của vệ tinh do hấp thụ trực tiếp năng l−ợng mặt trời, sự tiêu tán điện năng nội tại Q, và sự bức xạ nhiệt vào không gian. Các yếu tố này phụ thuộc vào tính chất bề mặt của vệ tinh, và hình dạng của nó. Công suất bức xạ mặt trời đầu vào bằng tích của hấp thụ bề mặt α với diện tích đ−ợc chiếu sáng, và mức chiếu xạ của mặt trời SC (giá trị trung bình = Trang: 44 1370W/m2). Công suất bức xạ đầu ra của vệ tinh bằng tích hệ số phát xạ ε, tổng diện tích bề mặt A, hằng số Stefan-Boltzmann σ (=5,6703.10-8 W/m2.K4), và luỹ thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối. Sự cân bằng nhiệt giữa công suất hấp thụ và công suất bức xạ chỉ ra ở hình 2.11 Trong điều kiện bình th−ờng, mật độ công suất bức xạ của mặt trời đầu vào, sự tiêu tán điện Q phải bằng công suất bức xạ đầu ra của vệ tinh Nhiệt độ trung bình của vệ tinh T sẽ là: σ.T4 = (αa/εA).SC + Q/εA (W/m2 ) (2.2) Nhiệt độ trung bình của vệ tinh phụ thuộc vào tỷ số hệ số hấp thụ bề mặt α trên khả năng phát xạ ε, tỷ số diện tích chiếu sáng a trên tổng diện tích bề mặt A, và sự tiêu tán bên trong vệ tinh. Để điều khiển nhiệt độ trung bình của vệ tinh, các đặc tính nhiệt (phát xạ và hấp thụ nhiệt đối với ánh sáng mặt trời) của các bề mặt khác nhau phải đặc biệt chú ý. Có thể thay đổi nhiệt độ của các bộ phận trong vệ tinh bằng cách thay đổi sự kích thích nhiệt (thermal coupling) và sử dụng các bộ nhiệt điện. Một vài nhiệm vụ về nhiệt quan trọng hơn trong một vệ tinh thông tin là bảo quản nguồn pin trong giới hạn nhiệt độ ít thay đổi, giữ nhiên liệu của bộ phận đẩy trong các buồng lạnh, và toả nhiệt hầu hết nhiệt phát ra bởi các bộ khuếch đại công suất. f. Khung vệ tinh: Cấu trúc vệ tinh đ−ợc thiết kế nhằm bảo đảm hỗ trợ về cơ khí cho tất cả các bộ phận của vệ tinh, bảo đảm sự đồng chỉnh chính xác ở nơi cần thiết và hỗ trợ cho điều khiển nhiệt. Cấu trúc đ−ợc quyết định bởi một số điều kiện bắt buộc. Các giới hạn ph−ơng tiện phóng, hình dạng, kích th−ớc của cấu trúc cũng nh− khối l−ợng tổng. Hệ thống điều khiển t− thế th−ờng xuyên giới hạn sự sắp xếp khối l−ợng. Nhiệt độ bị ảnh h−ởng bởi tính chất bề mặt và độ dẫn nhiệt. Sự đồng chỉnh anten, bộ cảm biến, và bộ phận σT4 = α/ε.(a/A).SC + Q/εA Hình 2.11: Sự cân bằng nhiệt của vệ tinh εAσT4 đầu ra đầu vào αaSc bức xạ nhiệt bức xạ mặt trời Q tiêu tán bên trong Trang: 45 đẩy yêu cầu độ cứng trong cấu trúc hoặc các bộ phận của nó. Cuối cùng điều quan trọng là dễ dàng xâm nhập trong khi tập hợp, tổ hợp, và kiểm tra. Cấu trúc cần phải chịu đựng các tải trong khi đo thử môi tr−ờng, điều khiển mặt đất, phóng lên quỹ đạo thấp, sự đốt cháy viễn điểm và cận điểm, và bất kỳ sự triển khai anten hoặc các dãy tấm pin mặt trời. Trong khi hoạt động trên quỹ đạo các tải là nhỏ nhất, nh−ng yêu cầu độ chính xác phải cao hơn. Bảng 2.1 chỉ ra tóm tắt khối l−ợng của một vệ tinh thông tin. Khối l−ợng tổng của các vệ tinh có thể khác nhau, nh−ng tỷ lệ của các phân hệ thì t−ơng tự. Ngoài phân hệ thông tin, các bộ phận quan trọng khác trong khối l−ợng tổng bao gồm nhiên liệu, cấu trúc, và nguồn điện. Nhiều vệ tinh thông tin có các bộ phận đẩy và nhiên liệu để đ−a vệ tinh lên quỹ đạo tại viễn điểm (động cơ kích hoạt). Điều này chiếm một nửa khối l−ợng tổng của vệ tinh trên quỹ đạo chuyển giao, tr−ớc khi sử dụng động cơ kích hoạt viễn điểm. Bảng 2.1: tóm tắt khối l−ợng của một vệ tinh Tên phân hệ Khối l−ợng (kg) Thông tin Điều khiển và quyết định trạng thái Nguồn điện Đẩy qua lại Đo l−ờng từ xa, lệnh, đo cự ly Cấu trúc/nhiệt Toàn bộ điện và cơ khí Các bộ phận không cháy của động cơ kích hoạt Tổng khối l−ợng con tàu khi đã sử dụng hết (EOL) Nhiên liệu/áp suất Tổng phi thuyền không gian (BOL) Bộ phối hợp Các bộ phận của động cơ kích hoạt Khối l−ợng giữ trữ Tổng khối l−ợng trên quỹ đạo chuyển giao 233 73 141 39 26 184 69 61 826 187 1013 21 871 24 1929 Trang: 46 Các từ viết tắt: EOL (end of life): hết tuổi thọ; BOL (beginning of life): bắt đầu tính tuổi thọ Nhiều lực tác động lên vệ tinh trong khi phóng. Khởi đầu tạp âm ồn rất lớn. Không khí do động cơ tên lửa bị đốt cháy sẽ phát ra tạp âm ồn rất lớn. Khối l−ợng tên lửa phóng giảm, gia tốc tăng lên vài lần so với lực hấp dẫn. Nếu vệ tinh 1000 kg khi đó nặng lên nhiều nghìn kg. Sự rung động của nhiều tần số đ−ợc phát ra thông qua giá đỡ phi thuyền không gian từ các động cơ tên lửa. Các thiết bị phát hoả dùng để tách các tầng và bắt đầu các triển khai, gửi các va chạm nhỏ qua cấu trúc. Hình 2.10: Cấu trúc của vệ tinh thông tin Cấu trúc một vệ tinh đ−ợc chỉ ra ở hình 2.10. Vỏ ngoài đỡ thiết bị thông tin, bình chứa nhiên liệu, nguồn pin dự phòng v.v... Yêu cầu phải có cấu trúc chắc chắn cần thiết giữa các tải và sự tiếp xúc tên lửa phóng. Cấu trúc vỏ cơ bản chỉ ra trên hình là hình vuông với cấu trúc anten tách rời để giữ các bộ tiếp sóng RF và mặt phản xạ (g−ơng). Bộ tiếp sóng đ−ợc cố định tại vị trí của nó, nh−ng các mặt phản xạ mở ra sau khi phóng. Các dàn pin mặt trời gồm các tấm đ−ợc gập lại khi phóng, và mở ra sau khi phóng Trang: 47 Ch−ơng 5: Trạm mặt đất vμ cấu hình mạng VSAT. (8 tiết) 5.1. Nhiệm vụ, chức năng trạm mặt đất. Trạm mặt đất (SES: Satellite Earth Station) là để tiếp nhận các luồng tín hiệu d−ới dạng số hay t−ơng tự từ mạng mặt đất hoặc trực tiếp từ các thiết bị đầu cuối của ng−ời sử dụng, xử lý nó và phát lên vệ tinh ở tần số và mức công suất thích hợp cho sự hoạt động của vệ tinh. Đối với trạm mặt đất thu, thu các sóng mang trên đ−ờng xuống của vệ tinh ở những tần số chọn tr−ớc, xử lý tín hiệu này trong trạm để chuyển thành các tín hiệu băng gốc sau đó cung cấp cho mạng mặt đất hoặc trực tiếp tới các thiết bị đầu cuối của ng−ời sử dụng. Một trạm mặt đất có thể có khả năng thu và phát l−u l−ợng một cách đồng thời hoặc trạm mặt đất chỉ phát hay thu. 5.2. Cấu hình trạm mặt đất. Một trạm mặt đất có thể truy nhập bộ phát đáp vệ tinh theo nhiều ph−ơng pháp khác nhau (FDMA, TDMA, CDMA...) cho nên cấu hình cho từng loại đa truy nhập cũng khác nhau. Một trạm mặt đất lớn bao gồm bốn khu vực chính: phân hệ thông tin, phân hệ truyền dẫn trên mặt đất, phân hệ nguồn cung cấp và phòng điều khiển, Tín hiệu từ mạng mặt đất đ−a tới qua bộ đấu nối đến bộ ghép kênh số (TDM) hay ghép kênh t−ơng tự (FDM), đến bộ đa truy nhập để phân ra các luồng khác nhau để đ−a đến các bộ điều chế số (th−ờng là PSK) hay là điều chế t−ơng tự (FM). Th−ờng là điều chế ở tần số trung gian gọi là trung tần (70 ± 18) MHz hay (140 ± 36) MHz. Sau bộ điều chế sẽ là trung tần đã đ−ợc điều chế bởi băng tần cơ sở, tần số trung tần đ−ợc đ−a đến bộ biến đổi tần số đ−ờng lên (U/C), để nâng tần lên tần số bức xạ (RF). Điển hình băng C nâng lên 6 GHz. Tín hiệu cao tần đã điều chế sau các bộ nâng tần đ−ợc đ−a đến bộ kếp hợp thành một băng tần chung với nhiều sóng mang và độ rộng băng lớn sau đó đ−a đến bộ khuếch đại công suất để có công suất ra lớn, gọi là bộ khuếch đại công suất cao (HPA). Tr−ờng hợp để tận dụng đ−ợc hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại công suất cao mà không gây nhiễu do điều chế thì mỗi bộ khuếch đại chỉ khuếch Hệ thống phân phối Bộ LNA Biến đổi xuống K.Đại IF Điều chế Giải Đ.Chế Thiết bị đa truy nhập Tới bộ ghép kênh bộ HPA Biến đổi lên K.Đại IF Thiết bị đa truy nhập, điều chế và giải Đ.chế Máy thu tạp âm thấp Máy phát công suất lớn Thiết bị bám Thiết bị an ten và bám Trang: 48 đại một sóng mang, lúc đó từ mỗi bộ nâng tần sẽ đ−a đến bộ khuếch đại công suất cao t−ơng ứng, sau đó mỗi sóng mang đã đ−ợc khuếch đại lên công suất theo yêu cầu sẽ đ−ợc đ−a đến bộ kết hợp qua bộ lọc phân h−ớng để đ−a ra anten phát lên vệ tinh, nh− chỉ ra trên hình 3.3 Khi thu cả băng tần thu sẽ đ−ợc anten cảm ứng với mức công suất rất thấp do cự ly thông tin lớn, bởi vậy tín hiệu thu đ−ợc từ anten sau khi qua đoạn ống dẫn sóng đến bộ lọc phân h−ớng (D) qua bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) để nâng mức tín hiệu thu đ−ợc lên khoảng 40 dB ữ 60 dB, và phải có mức tạp âm nhỏ để tạp âm tổng tăng lên không đáng kể. Bởi vậy LNA đặt càng gần anten càng tốt để giảm nhỏ nhất tạp âm đ−a vào hệ thống. LNA sẽ khuếch đại toàn bộ băng tần thu, sau đó đ−a tới bộ chia để phân ra các băng tần con rồi đ−a tới bộ biến đổi hạ tần (D/C) xuống trung tần (IF) 70 MHz hoặc 140 MHz, sau đó đ−a tới các bộ giải điều chế (DEMOD) để lấy ra tín hiệu băng tần cơ sở, đến thiết bị xử lý tín hiệu, qua thiết bị phân kênh đến thiết bị đấu nối ra mạng mặt đất để đi tới ng−ời sử dụng. Nguyên lý hoạt động của các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ tinh là nh− nhau, nh−ng các chỉ tiêu kỹ thuật, băng tần công tác, hệ số phẩm chất G/T và các ứng dụng chủ yếu thì có các yêu cầu khác nhau. Dựa vào đó Intelsat đã phân loại các trạm mặt đất từ A đến Z. 5.3. Anten trạm mặt đất. a. Nhiệm vụ anten trạm mặt đất Trong thông tin vệ tinh, anten trạm mặt đất đóng vai trò quan trọng. Nhiệm vụ chung của anten là biến năng l−ợng cao tần của máy phát thành sóng điện từ bức xạ về phía anten thu của vệ tinh ở phần phát và thu sóng điện từ trên đ−ờng xuống đ−a vào đầu vào máy thu. b. Các yêu cầu đối với anten trạm mặt đất Các yêu cầu đối với anten trạm mặt đất theo khuyến nghị 390 của CCIR (CCIR rep - 390) là: HP A bộ kết hợp U/C U/C U/C MOD MOD MOD bộ kết hợp U/C U/C U/C MOD MOD MOD HP A HP A HP A HPA khuyếch đại nhiều sóng mang HPA khuyếch đại một sóng mang Hình 3.3: HPA khuyếch đại một và nhiều sóng mang Trang: 49 - Hệ số tăng ích và hiệu suất cao - Tính h−ớng cao, búp phụ nhỏ để không gây can nhiễu lên các hệ thống vi ba khác - Đặc tính phân cực tốt để sử dụng các dạng phân cực khác nhau khi sử dụng lại tần số - Tạp âm thấp, phải giảm tạp âm xuống mức thấp nhất có thể đ−ợc. Mức tạp âm của anten phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh− góc tà, vị trí đặt, h−ớng và cấu tạo anten Để đạt đ−ợc các yêu cầu trên, trạm mặt dất th−ờng sử dụng các loại anten mặt phản xạ còn gọi là anten g−ơng. • Anten g−ơng parabol: nguyên lý cấu tạo gồm một mặt phản xạ cong theo đ−ờng cong parabol, làm bằng các vật liệu có hệ số phản xạ cao (Rpx≈1), th−ờng bằng nhôm hay hợp kim của nhôm, mặt phản xạ phải nhẵn để sóng phản xạ không bị tán xạ. Tại tiêu điểm của g−ơng parabol đặt một nguồn bức xạ sơ cấp (th−ờng là một anten loa: feed horn ) gọi là bộ chiếu xạ, sao cho tâm pha của bộ chiếu xạ trùng với tiêu điểm của g−ơng, nh− chỉ ra trên hình 3.4 Khoảng cách từ tiêu điểm F đến đỉnh g−ơng O gọi là tiêu cự f, trục đi qua đỉnh g−ơng và tiêu điểm gọi là trục quang (trục ox), nếu g−ơng parabol tròn xoay thì đ−ờng kính miệng g−ơng L đ−ợc gọi là khẩu độ (aperture). Theo tính chất của g−ơng parabol, các tia sóng xuất phát từ tiêu điểm của g−ơng rồi phản xạ từ mặt g−ơng sẽ trở thành các tia sóng song song nhau và có tổng đ−ờng đi từ tiêu điểm đến mặt phản xạ tới miệng g−ơng là bằng nhau và bằng một hằng số f + h ( ở đây h là độ sâu của g−ơng). Nh− vậy nếu nguồn sơ cấp đặt tại tiêu điểm g−ơng bức xạ sóng cầu thì sau khi phản xạ từ mặt g−ơng sẽ trở thành sóng phẳng. Bởi vậy anten g−ơng parabol có bức xạ đơn h−ớng, với tính h−ớng hẹp hệ số tăng ích cao. y L F xO θ r f Hình 3.4: Anten g−ơng parabol Trang: 50 Anten g−ơng parabol có cấu tạo đơn giản nhất và giá thành thấp nhất trong các anten dùng ở các trạm mặt đất trong thông tin vệ tinh. Nó có nh−ợc điểm bộ chếu xạ đặt xa đỉnh g−ơng nên hệ thống đỡ bộ chiếu xạ có kết cấu phức tạp, cồng kềnh, cùng với bộ chiếu xạ sẽ chắn đi một phần sóng phản xạ từ g−ơng, gây ra hiệu ứng che tối làm méo đồ thị tính h−ớng, tăng búp phụ và làm giảm hiệu suất của anten. Fide tiếp sóng cho bộ chiếu xạ dài gây nên tổn hao và tạp âm lớn. Do đó anten g−ơng parabol không đ−ợc sử dụng ở các trạm mặt đất thông th−ờng, mà chỉ đ−ợc sử dụng chủ yếu ở các trạm thu và các trạm nhỏ, dung l−ợng thấp. • Anten hai g−ơng (anten Cassegrain) Nguyên lý cấu tạo gồm hai g−ơng, một g−ơng chính với đ−ờng kính lớn là g−ơng parabol, một g−ơng phụ nhỏ là g−ơng hypebol, đ−ợc đặt sao cho tiêu điểm của hai g−ơng trùng nhau tại F1, nh− chỉ ra trên hình 3.5 Bộ chiếu xạ đ−ợc đặt sao cho tâm pha trùng với tiêu điểm của g−ơng phụ ảo hypebol F2. Do tính chất của g−ơng hypebol là hiệu đ−ờng đi của tia sóng từ tiêu điểm của g−ơng ảo đến mặt phản xạ với đ−ờng đi từ tiêu điểm của g−ơng thật đến mặt phản xạ là một hằng số và tính chất của g−ơng parabol nh− đã nói trên, nên các tia sóng xuất phát từ bộ chiếu xạ (có nghĩa là từ tiêu diểm của g−ơng phụ ảo hypebol, phản xạ làn thứ nhất tại g−ơng phụ Hypebol, rồi phản xạ lần thứ hai tại g−ơng chính parabol sẽ trở thành các tia sóng song song với nhau và có đoạn đ−ờng đi đến mặt phẳng song song với miệng g−ơng là hằng số. Do đó nguồn sơ cấp bức xạ sóng cầu sau khi phản xạ từ hai g−ơng sẽ trở thành sóng phẳng. Nh− vậy, anten Cassegrain cung có tác dụng nh− anten một g−ơng parabol, nh−ng nó có −u điểm kích th−ớc theo h−ớng trục quang ngắn hơn so với anten g−ơng parabol (ngắn hơn một đoạn bằng tiêu cự của g−ơng hypebol), bộ chiếu xạ đặt gần đỉnh g−ơng parabol hơn nên giá đỡ nó đơn giản hơn và g−ơng phụ H g−ơng chính F2 o F1 z Hình 3.5: Anten hai g−ơng Cassegrain Trang: 51 fide tiếp sóng sẽ ngắn hơn do đó tổn hao và tạp âm sẽ nhỏ hơn. Bởi vậy anten Cassegrain đ−ợc sử dụng phổ biến cho các trạm mặt đất thông th−ờng và với các anten có kích th−ớc trung bình và lớn • Anten lệch (offset antenna) Các anten một g−ơng parabol và anten hai g−ơng Cassegrain có một nh−ợc điểm chung là bộ chiếu xạ hay g−ơng phụ đặt thẳng hàng với đỉnh g−ơng làm chắn một bộ phận các tia sóng phản xạ từ g−ơng chính parabol gây ra một “miền tối” phía sau g−ơng làm giảm hệ số tăng ích, hiệu suất và tăng búp phụ. Để khắc phục nh−ợc điểm này ng−ời ta sử dụng anten lệch nghĩa là bộ chiếu xạ đ−ợc đặt lệch ra ngoài h−ớng của các tia phản xạ từ g−ơng parabol, nh− chỉ ra trên hình 3.6 Các anten lệch đ−ợc sử dụng trong tr−ờng hợp yêu cầu chất l−ợng cao nh− khi cần phải giảm can nhiễu từ các mạng vi ba trên mặt đất, hoặc từ các vệ tinh khác nằm gần nhau trên quỹ đạo c. Đặc tính phân cực Nh− đã nghiên cứu ở môn học Lý thuyết tr−ờng điện từ, sóng bức xạ ra từ anten gồm hai thành phần điện tr−ờng E hà từ tr−ờng H, vuông góc nhau và vuông góc với ph−ơng truyền lan. Theo quy −ớc, khi xét phân cực ng−ời ta xét sự biến thiên của véc tơ c−ờng độ điện tr−ờng E. Phân cực đ−ợc đặc tr−ng bởi các thông số sau: - Ph−ơng quay của véc tơ E: nếu nhìn từ h−ớng sóng truyền lan đi thẳng vào ng−ời quan sát thì véc tơ E có thể quay theo chiều kim đồng hồ (từ trái sang phải) gọi là quay phải, hay quay ng−ợc chiều kim đồng hồ (từ phải sang trái) gọi là quay trái. - Tỷ số trục (AR: Axial Ratio): là tỷ số độ dài giữa trục chính và trục phụ của hình êlíp do đầu mũi véc tơ E trong quá trình biến đổi tạo nên: AR = Emax/Emin. + Nếu Emax = Emin thì AR=1 là sóng phân cực tròn + Nếu Emin = 0 thì AR=∞ là sóng phân cực thẳng + Nếu Emax ≠ Emin thì AR có giá trị bất kỳ là sóng phân cực êlíp Hình 3.6 : Các anten lệch (offset antenna) anten parabol lệch anten Cassegrain lệch Trang: 52 5.4. Bám vệ tinh a. Tại sao phải có hệ thống điều khiển bám Vệ tinh địa tĩnh về nguyên lý là đứng yên khi quan sát từ một điểm cố định trên mặt đất, nh−ng trong thực tế nó luôn luôn chuyển động theo mọi h−ớng do tác động của nhiều nguyên nhân khác nhau nh− lực hấp dẫn của mặt trời, mặt trăng và các hành tinh khác, tác động của lực bức xạ ánh sáng mặt trời và tr−ờng hấp dẫn của quả đất, làm cho vệ tinh “tr−ợt” theo các h−ớng Nam-Bắc và Đông-Tây so với vị trí định tr−ớc, giới hạn cho phép là ±0,10. Hàng năm mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh nghiêng đi một góc khoảng 0,9o theo h−ớng Bắc-Nam so với mặt phẳng xích đạo Việc duy trì vệ tinh ở vị trí ban đầu, với chu kỳ hiệu chỉnh đ−ợc thực hiện bởi lệnh phát đi từ trạm đo l−ờng từ xa, bám, điều khiển và giám sát (TTC&M: telemetry, tracking, control and monitoring) đặt trên mặt đất. Vùng cho phép vệ tinh dao động trong đó mà không cần điều chỉnh vị trí vệ tinh gọi là cửa sổ giữ trạm (station keeping window) Kích th−ớc cửa sổ cho phép vệ tinh chuyển động tự do ở trong đó có độ dài của cung ở các h−ớng Đông- Tây và Bắc-Nam chắn góc ở tâm quỹ đạo là 0,1o, theo độ cao thấp là 0,001o, t−ơng ứng với độ dài các cạnh cửa sổ là 75 km và 85 km theo độ cao. Hình 3.18: Sự nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo địa tĩnh Quỹ đạo địa tĩnh đúng Quỹ đạo bị nghiêng Bắc Na x y τ Emi E anten h−ớng truyền lan ó E y x P Tỉ số trục (AR ) = Emax/Emin Hình 4.6: Tính chất phân cực của sóng điện từ Trang: 53 Do sự chuyển động của vệ tinh nên với các anten trạm mặt đất có búp sóng hẹp thì khi vệ tinh chuyển động lệch khỏi h−ớng thu cực đại mức thu sẽ bị giảm xuống đáng kể. Để bảo đảm mức thu tốt anten trạm mặt đất phải có hệ thống điều khiển bám theo vệ tinh (hệ thống