Luận văn Nhiễu trong thông tin vệ tinh kết quả đo và một số giải pháp hạn chế nhiễu
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Bùi Ngọc Thạch
NHIỄU TRONG THÔNG TIN VỆ TINH KẾT QUẢ
ĐO VÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP HẠN CHẾ NHIỄU
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hà Nội - 2008
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Bùi Ngọc Thạch
NHIỄU TRONG THÔNG TIN VỆ TINH, KẾT QUẢ
ĐO VÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP HẠN CHẾ NHIỄU
Ngành
Chuyên ngành
Mã số
: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
: Kỹ thuật vô tuyến và thông tin liên lạc
: 2.07.00
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRẦN MINH TUẤN
Hà Nội - 2008
1
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, lĩnh vực thông tin viễn thông có những bước tiến
rất nhanh, đóng vai ngày càng quan trọng đối với sự phát triển của nền kinh tế.
Không nằm ngoài xu hướng đó, thông tin vệ tinh cũng không ngừng phát triển với
các ứng dụng, dịch vụ cho các ngành, lĩnh vực như: quân sự, viễn thông, khí tượng
thủy văn, hàng hải, khác thác dầu, giáo dục, y tế, phát thanh, truyền hình...đặc biệt
là sự bùng nổ của truyền hình DTH. Với nhu cầu ngày càng lớn, các công nghệ, kỹ
thuật trong lĩnh vực thông tin vệ tinh cũng được tìm hiểu nghiên cứu, ứng dụng vào
thực tiễn rất nhiều.
Để đáp ứng nhu cầu rất lớn về dịch vụ thông tinh vệ tinh, số lượng quả vệ
tinh trên quỹ đạo được phóng lên ngày càng nhiều, khoảng cách giữa các quả vệ
tinh cũng bị thu hẹp từ khoảng cách 40, 20 trước đây, hiện nay tại một vị trí quỹ đạo
có thể có vài quả vệ tinh, các dải tần vệ tinh C, Ku, Ka được sử dụng một cách tối
đa, công nghệ phủ sóng spotbeam cũng được nhiều nhà khai thác vệ tinh sử dụng.
Với việc khai thác tối đa nguồn tài nguyên thông tin vệ tinh, khả năng xuất
hiện, gây nhiễu trong cùng hệ thống cũng như giữa các hệ thống càng dễ xảy ra.
Trong thông tin vệ tinh tác động, ảnh hưởng của nhiễu đến chất lượng dịch vụ rất
lớn. Các nguồn nhiễu như: nhiễu sóng mang lân cận, nhiễu vệ tinh lân cận, nhiễu do
chính hệ thống của khách hàng, nhiễu xuyên phân cực, nhiễu mặt trời và nhiều loại
nhiễu khác.
Vì vậy, việc tìm hiểu nghiên cứu về nhiễu trong thông tin vệ tinh là rất cần
thiết, đặc biệt hiện nay nước ta đã phóng vệ tinh VINASAT-1 và sẽ phóng thêm
những quả vệ tinh khác trong tương lai.
Với các yêu cầu đó đề tài “Nhiễu trong thông tin vệ tinh, kết quả đo và một
số giải pháp hạn chế nhiễu” được lựa chọn để nghiên cứu, phân tích ứng dụng
thực tế, làm cơ sở xây dựng nên các quy trình xử lý nhiễu, nó rất hữu ích đối với
những người khai thác và khách hàng sử dụng dịch vụ thông tin vệ tinh.
2
Nội dung luận văn này gồm có 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về thông tin vệ tinh
Trình bày về ứng dụng, dịch vụ, công nghệ, kỹ thuật và một số vấn đề của
thông tin vệ tinh.
Chương 2: Nhiễu trong hệ thống thông tin vệ tinh
Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống, các tham số đánh
giá chất lượng hệ thống và một số phương pháp tính nhiễu.
Chương 3: Nhiễu trong thông tin vệ tinh các kết quả đo và giải pháp hạn chế
nhiễu
Đưa ra các thông tin chung về các nguồn nhiễu, loại nhiễu, các con số thống
kê về nguyên nhân gây nhiễu. Sau đó, với mỗi loại nhiễu được mô tả, đánh giá ảnh
hưởng đến chất lượng dịch vụ, phân tích nguyên nhân và đưa ra biện pháp hạn chế
khắc phục, có sử dụng kết quả đo để minh họa.
Tính toán công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của mỗi sóng mang khi
phát một, nhiều sóng mang trên một bộ phát đáp. Tính toán công suất trạm mặt đất
khi phát bão hòa bộ phát đáp.
Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp, tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn
tận tình của thầy giáo TS.Trần Minh Tuấn và các thầy cô giáo Khoa Điện tử Viễn
thông - Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội và các đồng nghiệp
của mình. Vì đây là một lĩnh vực khó nên các nội dung không tránh khỏi còn hạn
chế và thiếu sót.
Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến, phê bình của các thầy cô giáo
cũng như các đồng nghiệp để có thể bổ sung vào nội dung của luận văn này.
3
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH
1.1. Giới thiệu chung về thông tin vệ tinh
1.1.1.Giới thiệu chung:
Trong những năm trở lại đây, thông tin vệ tinh đó có những phát triển vượt
bậc, việc sử dụng những kỹ thuật mới làm cho các dịch vụ của thông tin vệ tinh trở
thành một dịch vụ phổ thông trên khắp thế giới. Hàng ngày hai hệ thống thông tin
vệ tinh toàn cầu lớn là Intelsat và Intersputnyk bay vũng quanh trái đất cung cấp
hàng ngàn kênh thoại cố định nối hàng trăm quốc gia với nhau. Ngoài ra cũng có
các vệ tinh khu vực như Aussat, Eusat, Arbsat… cung cấp các dịch vụ thoại cố
định, phát thanh truyền hình, truyền số liệu, đảm bảo thông tin dẫn đường cho hàng
không, cứu hộ hàng hải, thăm dò tài nguyên bằng hệ thống vệ tinh tầm thấp, các
chương trình đào tạo giáo dục từ xa… Tóm lại, ngày nay thông tin vệ tinh có mặt
hầu hết trong mọi lĩnh vực về viễn thông. Thông tin vệ tinh là thông tin giữa các
trạm mặt đất nhờ trạm lặp là trạm vệ tinh và là một trong ba loại thông tin vụ tuyến
vũ trụ để phân biệt với hai loại thông tin vụ tuyến vũ trụ khác là thông tin giữa một
trạm mặt đất với một trạm vũ trụ hay thông tin giữa hai trạm vũ trụ với nhau.
Intelsat là một tổ chức viễn thông quốc tế hoạt động phi lợi nhuận do hơn
một trăm nước thành viên góp vốn. Mạng thông tin vệ tinh do Intelsat cung cấp
ngày nay đang là mạng vệ tinh lớn nhất thế giới, cung cấp hơn 2/3 tổng số kênh liên
lạc quốc tế toàn cầu. Intersputnyk có mạng vệ tinh cho hơn chục nước tham gia vào
mạng thông tin liên lạc cố định và phủ sóng phát thanh truyền hình.
1.1.2.Đặc điểm của thông tin vệ tinh:
-
Vùng phủ sóng lớn: Từ quĩ đạo địa tĩnh cách trái đất khoảng 37000 km vệ
tinh có thể nhìn thấy 1/3 trái đất, như vậy chỉ cần 3 vệ tinh trên quĩ đạo là có thể
phủ sóng toàn cầu.
4
-
Dung lượng thông tin lớn: Với băng tần cung cấp rộng và sử dụng kỹ thuật
tái sử dụng băng tần, hệ thống thông tin vệ tinh cho phép đạt được dung lượng
thông tin rất cao.
-
Độ tin cậy cao: Do tuyến thông tin vệ tinh chỉ có 3 trạm (2 trạm mặt đất đầu
cuối thông tin và trạm lặp vệ tinh) nên xác suất hư háng trên tuyến rất nhỏ.
-
-
Tính linh hoạt cao.
Đa dạng về loại hình dịch vụ.
1.2. Cấu trúc của tuyến liên lạc vệ tinh:
1.2.1.Các thiết bị trong tuyến liên lạc thông tin vệ tinh:
Không giống như trong các hệ thống thông tin khác là thông tin giữa các
phần tử trên mặt đất, mà tuyến thông tin trong thông tin vệ tinh là tuyến liên lạc
giữa một phần tử trên mặt đất và một phần tử trong không gian vũ trụ là vệ tinh nên
trong tuyến liên lạc thông tin vệ tinh bao gồm hai phần là phần không gian và phần
mặt đất.
Các phần không gian và mặt đất được xem xét kỹ thuật dưới đây:
-
Phần không gian bao gồm vệ tinh, các thiết bị trên vệ tinh, thiết bị điều khiển
đo xa, các thiết bị cung cấp nguồn.
Phần mặt đất cũng gọi là các trạm mặt đất bao gồm anten thu phát và các
-
thiết bị điều khiển bám vệ tinh, ống dẫn sóng các bộ chia cao tần và ghép công suất,
máy thu tạp âm thấp và các bộ giải điều chế, các bộ đổi tần lên xuống, các bộ
khuếch đại công suất lớn và các bộ điều chế.
1.2.2.Tuyến liên lạc qua hệ thống thông tin vệ tinh:
-
Tại trạm phát: Các tín hiệu có băng tần cơ bản được điều chế thành trung tần,
sau đó được đổi lên cao tần nhờ bộ đổi tần tuyến lên UC (Up Converter) rồi được
khuếch đại lên mức công suất cao nhờ bộ khuếch đại công suất lớn HPA (High
Power Amplifier) và được phát lên vệ tinh qua anten phát.
5
-
Tại trạm thu: Tín hiệu cao tần phát từ vệ tinh được thu bởi anten thu qua bộ
khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier) và được đổi xuống trung tần
nhờ bộ đổi tần xuống DC (Down Converter), sau đó qua bộ giải điều chế để khắc
phục lại băng tần cơ bản giống bên phát.
LNA
MOD
U/C
HPA
D/C
DEM
Hình 1.1: Đường liên lạc thông tin vệ tinh.
1.3. Các vấn đề trong truyền sóng:
1.3.1.Tần số công tác của thông tin vệ tinh:
Sóng điện từ có dải rộng được dùng trong thông tin vệ tinh tuỳ vào sự khác
nhau về mục đích sử dụng. Sóng có tần số cao dễ bị hấp thụ và tiêu hao trong tầng
khí quyển, trong sương mù và đặc biệt là mưa. Sóng tần thấp lại bị yếu đi nhiều khi
đi qua nhiều tầng điện ly do bị hấp thụ hay bị phản xạ. Uỷ ban tư vấn quốc tế về vô
tuyến CCIR khuyến nghị dải tần làm việc trong thông tin vệ tinh là 1 GHz- 10 GHz,
đó là dải tần thực tế nhất trong thông tin vệ tinh và nó được gọi là “cửa sổ vô
tuyến”.
Các băng tần được sử dụng: Hiện nay thông tin vệ tinh sử dụng chủ hai băng
tần C và Ku với tần số cho tuyến lên và tuyến xuống là 4/6 cho băng tần C và 11/14
6
cho băng tần Ku, ngoài ra hiện nay băng tần 30/20 cũng mới được đưa vào sử dụng
(tần số tính bằng đơn vị GHz).
Độ rộng băng tần của thông tin vệ tinh là 500 MHz và nó được chia ra thành
các băng tần nhỏ hơn 36 MHz hoặc 70 MHz.
Tuy vậy để nâng cao giá trị hiệu dụng của băng tần nhằm tăng dung lượng
thông tin người ta đó sử dụng kỹ thuật sử dụng lại băng tần cho phép nâng băng tần
hiệu dụng lên tới 2590 MHz. Các kỹ thuật sử dụng lại băng tần thường được sử
dụng gồm có:
-
Tái sử dụng băng tần bằng cách chọn phân cực: Các băng tần giống nhau
được phát xạ do các anten thông qua các bộ phát đáp khác nhau sử dụng phân cực
trực giao của sóng điện từ.
-
Trong thông tin vệ tinh sóng điện từ phân cực theo hai loại tròn và tuyến tính
để truyền đi trong không gian, và để thu được những sóng điện từ đó thì anten thu
cũng phải có phân cực tương ứng. Anten có thu phân cực tuyến tính thu được với
mức lớn nhất sóng điện từ cùng phân cực nếu góc nghiêng sóng điện từ và anten
trong không gian là như nhau.
-
Tái sử dụng băng tần bằng cách phân biệt các chùm tia phát xạ từ anten. Các
băng tần giống nhau được phát đi bằng các anten trên vệ tinh dùng các bộ phát đáp
khác nhau có các chùm tia thu và các chùm tia phát không trùng lên nhau.
1.3.2.Phân định tần số trong thông tin vệ tinh:
Việc phân định tần số được thực hiện theo Điều lệ vô tuyến điện ở mỗi khu
vực của ITU. Có ba khu vực của ITU; Nhật Bản nằm ở khu vực 3:
Khu vực 1: Châu Âu, Châu Phi, Liên bang Xô Viết cũ và các nước Đông Âu
Khu vực 2: Các nước Nam và Bắc Mỹ
Khu vực 3: Châu Á và châu Đại dương
Tuy nhiên do có sự khác nhau giữa các khu vực đối với dịch vô thông tin vệ
tinh nên phân định tần số cho ba khu vực này thường được tiến hành với một vài
ngoại lệ.
7
Bảng 1.1 Tần phân loại sóng vô tuyến điện:
Phân loại
Sử dụng chủ yếu
Tần số
Dải tần số
Tần băng tần
theo bước sóng
Sử dụng
trong
Tần số cực kỳ
thấp (VLF)
1
2
3
4
30-300Hz
300Hz-3KHz
3-30KHz
trong vật lý
Chưa được phân định
Tần số cực
thấp (EHF)
Sóng Mm
Tần số rất
thấp (VLF)
Vô tuyến hàng hải,thông
(chục nghìn m) tin di động hàng hải
Tần số thấp
Thông tin di động hàng
không. Vô tuyến hàng hải
300-3000KHz
Sóng Km
(LF)
Phát thanh
Thông tin hàng hải
Thông tin quốc tế
Sóng Hectomet
Tần số trung
bình (MF)
5
6
7
8
3-30MHz
30-300MHz
300-3000MHz
3-30 GHz
(cỡ trăm m)
Phát thanh sóng ngắn
Các loại thông tin di động
Các loại thông tin cố định
Sóng decamet
Tần số cao
(HF)
(cỡ chục m)
Phát thanh FM và truyền
hình
Các loại thông tin di động
Tần số rất cao
Sóng m
(VHF)
Truyền hình
Các loại thông tin di động
Các loại thông tin cố định
Tần số cực
cao (UHF)
Sóng dm
Thông tin vệ tinh và
rada
Tần số siêu
cao (SHF)
9
30-300 GHz
Sóng cm
Sóng mm
Viễn thông công cộng
Vô tuyến thiên văn
Vô tuyến thiên văn
Rada sóng mm
Nghiên cứu và thử
nghiệm
Tần số vô
cùng cao
(DHF)
10
11
30-300 GHz
Sóng
300-3000 GHz
Chưa được phân định
decimilimet
8
1.3.3.Tần số sử dụng cho thông tin vệ tinh cố định:
Việc phân định tần số cho các dịch vô thông tin vệ tinh cố định nghĩa là vệ
tinh các điểm cố định. Trong này tần các băng tần như L, S và C được sử dụng rộng
rãi ở nhiều nước, bao gồm cả Nhật và Mỹ, đó là tần phổ thông không được quốc tế
công nhận.
Phân định tần số cho dịch vô thông tin vệ tinh cố định
Tần các tần số:
L:
1.0 – 2.0
2.0 – 4.0
4.0 – 8.0
8.0 – 12.4
GHz
GHz
GHz
GHz
Ka: 26.5 –40.0 GHz
K: 18.0 – 26.5 GHz
Ku: 12.4 – 18.0 GHz
S :
C:
X:
-
Băng C (6/4 GHz, cho đường lên gần 6 GHz và đường xuống gần 4 GHz)
Nằm ở khoảng giữa cửa sổ tần số, băng tần này chỉ suy hao ít do mưa và
trước đây đó được sử dụng cho hệ thống Viba dưới mặt đất; do đó sự phát triển của
thiết bị đó ở mức tiên tiến, nó được sử dụng chung cho hệ thống Intelsat và các hệ
thống khác bao gồm các hệ thống vệ tinh khu vực và nhiều hệ thống vệ tinh nội địa.
-
Băng Ku (các băng 14/12 GHz và 14/11 GHz)
Băng này được sử dụng rộng rãi tiếp sau băng C cho viễn thông công cộng.
Nó được ưu tiên dùng hơn trong thông tin nội địa và thông tin giữa các công ty, do
tần số cao nên cho phép trạm mặt đất sử dụng được những Anten kích thước nhỏ.
-
Băng Ka (30/20 GHz)
Băng Ka lần đầu tiên được sử dụng cho một đường thông tin thương mại qua
vệ tinh thông tin “SAKURA” của Nhật. Ưu điểm của thông tin vệ tinh sử dụng băng
tần này là cho phép sử dụng các trạm mặt đất nhỏ. Mặt khác nó cũng có những
nhược điểm là giá thành thiết bị tương đối cao để khắc phục suy hao lớn do mưa. Ở
Nhật khi sử dụng băng C và Ku vì hai băng tần này dễ gây nhiễu cho hệ thống viba
đặt ở các vùng khác nhau trên nước Nhật. Băng Ka 30/20 GHz có một ưu điểm là
không gây nhiễu với các hệ thống viba đó được sử dụng.
9
Bảng 1.2 Các băng tần sử dụng cho thông tin vệ tinh
Tần thông dụng Đặc tính và ứng dụng
Băng tần
Phù hợp nhất cho thông tin vệ tinh
Băng C
6/4 GHz
Dùng cho thông tin quốc tế và nội địa
Bị suy hao do mưa
Băng Ku
14/12 GHz
30/20 GHz
Sử dụng cho thông tin quốc tế và nội địa
Bị suy hao nhiều do mưa
Băng Ka
Sử dụng cho thông tin nội địa
1.3.4.Phân cực sóng:
-
Phân cực sóng là gì
Trường điện từ của một sóng vô tuyến điện khi đi trong một môi trường (như
là khí quyển) dao động theo một hướng nhất định. Phân cực là hướng dao động của
điện trường.
Có hai loại phân cực sóng vô tuyến điện được sử dụng trong thông tin vệ
tinh: sóng phân cực thẳng và sóng phân cực tròn.
-
Sóng phân cực thẳng
Một sóng phân cực thẳng có thể tạo ra bằng cách dẫn các tín hiệu từ một ống
dẫn sóng chữ nhật đến anten loa. Nhờ đó, sóng được bức xạ theo kiểu phân cực
thẳng đứng song song với cạnh đứng của anten loa. Để thu được sóng này anten thu
cũng cần được bố trí giống tư thế của anten phía phát.
Khi đặt nó vuông góc, thì không thể thu được sóng này ngay cả khi sóng đi
vào ống dẫn sóng vì nó không được nối với đường cáp đồng trục. Mặc dù sóng phân
cực thẳng thì dễ dàng tạo ra, nhưng cần phải điều chỉnh hướng của ống dẫn sóng
anten thu sao cho song song với mặt phẳng phân cực của sóng đến.
-
Sóng phân cực tròn
Sóng phân cực tròn là sóng khi truyền lan phân cực của nó quay tròn. Có thể
tạo ra loại sóng này bằng cách kết hợp hai sóng phân cực thẳng có phân cực vuông
góc với nhau và góc lệch pha là 900. Sóng phân cực tròn là sóng phân cực phải hay
10
trái phụ thuộc vào sự khác pha giữa các sóng phân cực thẳng và sớm pha hay chậm
pha.
Phân cực quay theo chiều kim đồng hồ hay ngược chiều kim đồng hồ với tần
số bằng tần số sóng mang. Đối với sóng phân cực tròn mặc dầu không cần điều
chỉnh hướng của loa thu, nhưng mạch fiđơ của anten trở nên phức tạp hơn đôi chút.
1.3.5.Tạp âm:
-
Khỏi niệm về tạp âm trong thông tin vệ tinh
Tạp âm được hiểu là tín hiệu không mong muốn có trong luồng tín hiệu thu
về, tạp âm làm giảm chất lượng thông tin, ví dụ như tạp âm làm giảm tỷ số tín hiệu
trên nhiễu S/N, hoặc làm giảm tỷ số sóng mang trên tạp âm, tăng tín hiệu lỗi bit
đường truyền. Trên thực tế đối với các hệ thống tin khác thì tạp âm thường rất nhỏ
so với tín hiệu hữu ích, nhưng trên tuyến thông tin vệ tinh, tín hiệu hữu ích thu được
thường rất nhỏ, trong khi đó tạp âm thì lại rất lớn do khoảng cách truyền của thông
tin rất dài (khoảng cách 37000 km). Tạp âm cũng được góp nhặt bởi anten từ môi
trường truyền sóng, suy hao do mưa. Tín hiệu thu về xem như bị chỡm trong tạp
âm. Vì thế nghiên cứu tạp âm là một vấn đề rất quan trọng không thể thiếu trong
thông tin vệ tinh.
-
Các nguồn tạp âm trong thông tin vệ tinh
Tạp âm vũ trụ:
Tạp âm vũ trụ hình thành do nhiễu bức xạ cao tần từ các dải ngân hà, phát xạ
của mặt trăng, tác động mạnh ở dải tần dưới 10 GHz.
Tạp âm khí quyển:
Ô xy, ni tơ, hơi nước, sương mù, có trong khí quyển hấp thụ năng lượng
sóng điện từ có tần số xấp xỉ bằng tần số dao động của các phần tử khí nói trên khi
sóng điện từ truyền qua nó, chính sự hấp thụ này làm cho sóng điện từ bị suy yếu đi
và tạp âm cũng sinh ra từ đó. Trong thông tin vệ tinh dải tần từ 1 đến 10 GHz khi
góc ngẩng của anten dưới 5o thì mức suy hao do ảnh hưởng tầng đối lưu sẽ nhỏ hơn
11
1,5 dB. Suy hao do mây mù vào khoảng 1 dB trong dải tần 4-6 GHz (băng C) và
suy hao khoảng 3 dB trong dải tần 7 GHz và nhỏ hơn 6 dB ở dải tần 10 GHz.
Tạp âm do mưa:
Sóng điện từ không những bị suy hao do mưa mà còn cộng thêm tạp âm sinh
ra do các bức xạ siêu cao của mưa, thêm vào đó nhiệt độ nước mưa cũng là nguồn
tạp âm nhiệt. Có thể nói trong các nguồn tạp âm trong thông tin vệ tinh thì tạp âm
do mưa sinh ra cần phải lưu ý nhất. Do đó trong tính toán tuyến truyền thông tin vệ
tinh, để đảm bảo chất lượng thông tin người ta phải có tính toán đến sự dự trữ cho
mưa và đây cũng là một bài toán rất phức tạp.
Tạp âm trái đất:
Mặt đất phản xạ sóng điện từ đối với các búp sóng phụ của anten trạm mặt
đất, các búp sóng phụ này gây ra tạp âm ảnh hưởng trực tiếp từ mặt đất và tạp âm
khí quyển từ phản xạ từ mặt đất. Nhiệt tạp âm do ảnh hưởng của trái đất trong
khoảng từ 3-25˚K.
Tạp âm nhiệt:
Tạp âm sinh ra do hoạt động ngẫu nhiên của các điện tử tự do của các vật
dẫn điện, khi chuyển động các điện tử này va chạm với các nguyên tử và sinh ra tạp
âm nhiệt, mặc dù khi các vật dẫn hở mạch, các điện tử chuyển động hỗn loạn vẫn
sinh ra tạp âm nhiệt.
1.4. Đa truy nhập trong thông tin vệ tinh:
Trong một hệ thống thông tin vệ tinh, các trạm mặt đất liên lạc với nhau
thông qua vệ tinh. Vì vậy trong thông tin vệ tinh việc sử dụng các phương thức truy
nhập tới và từ vệ tinh được nghiên cứu một cách hết sức kỹ để có thể chọn lựa sử
dụng phương pháp có hiệu quả nhất. Băng tần của một vệ tinh thông thường được
chia thành những băng tần nhỏ, được khuếch đại một cách riêng rẽ dùng trong mỗi
bộ phát đáp. Việc truy nhập cho mỗi bộ phát đáp có thể được giới hạn với một trạm
mặt đất tại một điểm, hoặc cũng có thể thực hiện đồng thời nhiều sóng mang một
lúc. Trong một vệ tinh thì có thể bao gồm cả hai phương pháp truy nhập nói trên.
12
Một số bộ phát đáp chỉ làm việc với một sóng mang đơn, trong khi đó cũng có
những bộ phát đáp làm việc với nhiều sóng mang đơn và còn có những bộ phát đáp
lại xử lý một luồng thông tin nhiều sóng mang. Đó chính là các phương pháp truy
nhập tới các bộ phát đáp của vệ tinh.
Phần này giới thiệu các chọn lựa sẵn và các phương pháp truy nhập tới và từ
vệ tinh. Hiện nay hệ thống thông tin vệ tinh áp dụng phổ biến các phương thức đa
truy nhập khác nhau sử dụng tần số, thời gian, không gian hay sử dụng phương
pháp xử lý mã như phương pháp: FDMA, TDMA, CDMA, OMA, RMA, DAMA…
Truy nhập có thể được hiểu là nhiều người sử dụng chia nhau sử dụng cùng một tài
nguyên chung. Trong lĩnh vực thông tin vệ tinh thì những người sử dụng ở đây là
những trạm mặt đất có cùng kiểu dịch vô và khi các tuyến ISL (InterSatellite Link)
trở nên thông dụng thì khỏi niệm về người sử dụng cũng được mở rộng ra, bao gồm
các vệ tinh khác nhau và các dịch vụ khác trong tương lai.
Dưới đây trình bày một cách tổng quát một số kỹ thuật đa truy nhập thường
được sử dụng nhất đó là kỹ thuật FDMA và kỹ thuật TDMA.
1.4.1.Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA):
FDMA là một phương thức đa truy nhập dùng trong thông tin vệ tinh, được
sử dụng khi có nhiều trạm mặt đất cùng làm việc trong một hệ thống thông tin vệ
tinh, dựa vào nguyên tắc phân chia theo tần số. Đó là trong hệ thống thông tin vệ
tinh dùng FDMA thì mỗi trạm mặt đất khi phát tín hiệu sẽ làm việc với một phần bộ
phát đáp đó được dành trước cho nó.
Mỗi trạm mặt đất thu gom toàn bộ lưu lượng thông tin của tram đó lên một
sóng mang đơn bằng cách ghép băng tần cơ bản FDM hoặc TDM mà không cần
biết địa chỉ của các thông tin đó. Sóng mang FM này mang các tín hiệu có địa chỉ
khác nhau được khuếch đại lên nhờ khuếch đại công suất của trạm mặt đất và đưa
tới anten phát lên vệ tinh. Anten thu của vệ tinh thu những sóng mang này đồng
thời với các sóng mang khác mà các sóng mang này phân biệt với nhau nhờ tần số
của chúng. Toàn bộ băng tần thu được sẽ được đưa qua các bộ lọc rồi sau đó được
13
khuếch đại bằng các bộ lọc rồi sau đó được khuếch đại bằng các bộ khuếch đại sau
các bộ lọc tương ứng.
Một kiểu FDMA thường được sử dụng là SCPC (mỗi kênh đơn trên một
sóng mang – Single Channel Per Carrier). Trong phương thức này thì một tín hiệu
hoặc là thoại hoặc là dữ liệu được điều tần hoặc điều pha PSK được phát đi và truy
nhập tới vệ tinh theo phương thức FDMA.
Kiểu đa truy nhập phân chia theo tần số PCM/PSK/FDMA dựa theo nguyên
tắc các kênh thoại được đưa đến trạm mặt đất dưới dạng các luồng PCM, sau khi
thực hiện biến đổi A/D các luồng số có tốc độ 16 - 64 Kbps được sử dụng trên một
chiều truyền dẫn của kênh thoại. Sau đó chúng được ghép kênh và điều chế sóng
mang theo kiểu PSK rồi phát đi, vệ tinh tiếp nhận chúng trên cơ sở FDMA. Nếu lưu
lượng truyền dẫn ở một trạm đó ở mức tới hạn sử dụng để tăng dung lượng kênh
thoại mà không cần phải tăng sóng mang trên vệ tinh.
A B C D
E
F
liên tục
Trạm
Trạm
Trạm
Trạm
Trạm
Trạm
A
B
C
D
E
F
Hình 1.2: Đa truy nhập phân chia theo tần số
Khi hệ thống hoạt động trong chế độ thoại sử dụng phương thức SCPC, thời
gian trung bình mà mỗi kênh được sử dụng trong chế độ đàm thoại chỉ chiếm 40%
14
toàn bộ thời gian hoạt động của kênh cho cuộc liên lạc đó. Chế độ thoại không làm
giảm độ rộng trung bình của băng tần sử dụng bộ phát đáp trên vệ tinh, nhưng tại
bất kỳ thời điểm nào cũng chỉ hoạt động với 40% dung lượng của sóng mang thoại
vì vậy yêu cầu về công suất không đáng kể và mức do điều chế tương hỗ giảm đi.
1.4.2. Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA):
-
Các đặc tính của TDMA
TDMA là một phương thức truy nhập trong thông tin vệ tinh dựa vào sự
phân chia thời gian sử dụng các bộ phát đáp trong vệ tinh giữa các trạm mặt đất, các
trạm mặt đất này có thể sử dụng trung một tần số sóng mang. Phương thức này cũng
hoàn toàn thích hợp cho các mạng viễn thông số ở dạng gói, hệ thống thông tin cáp
quang, truyền hình số và các hoạt động của mạng máy tính dùng chung một cơ sở
dữ liệu.
Các phương pháp TDMA là SCPT/TDMA (Single Carrier Per Transponder -
Một số sóng mang trên một phát đáp) và MCPC/TDMA (Multiple CPT – nhiều
sóng mang trên một bộ phát đáp). Tất nhiên trong phương pháp thứ hai sẽ có những
yếu tố làm suy giảm chất lượng hệ thống so với phương pháp thứ nhất.
Phương pháp đa truy nhập TDMA như đó nói ở trên, dựa trên việc phân chia
thời gian sử dụng bộ phát đáp thành các khoảng thời gian nhỏ, giữa các khoảng thời
gian này có các khoảng thời gian trống gọi là khoảng bảo vệ. Điều này hoàn toàn
tương tự như trong kỹ thuật FDMA chia toàn bộ băng tần thành các băng tần con và
giữa chúng cũng có các khoảng gión băng.
Khác với kỹ thuật FDMA, trong kỹ thuật TDMA, mỗi bộ phát đáp chỉ làm
việc với sóng mang tại một thời điểm dựa trên cơ sở việc truy nhập được thực hiện
đối với nhiều người sử dụng. Trong kỹ thuật này, trạm mặt đất được thiết kế sử
dụng một khe thời gian dành riêng cho nó để phát lưu lượng thông tin của mình
dưới dạng các bit số nằm trong một luồng bit số gọi là burst tín hiệu ( hình 1.3)
Thời gian bắt đầu phát của burst tín hiệu được thiết lập khi trạm điều khiển
trung tâm thu được burst tín hiệu đồng bộ. Khoảng thời gian mà mỗi trạm truy nhập
15
với bộ phát đáp vệ tinh được phân chia bởi trạm điều khiển sao cho phù hợp với nhu
cầu về dung lượng trạm (trạm nào có dung lượng lớn sẽ được chia khoảng thời gian
dài hơn) và thay đổi nhanh chúng cho phù hợp với nhu cầu đột xuất về dung lượng
từng trạm.
A
B
C
D
E
F time
Trạm
Trạm
Trạm
Trạm
Trạm
Trạm
A
B
C
D
E
F
Hình 1.3: Đa truy nhập phân chia theo thời gian.
Bất kỳ trạm nào cũng có thể truy nhập tới toàn bộ các trạm khác trong hệ
thống để nối thông liên lạc giữa chúng. Đối với kỹ thuật FDMA, sự thay đổi độ
rộng băng tần đó ấn định cho mỗi trạm là rất tốn kém so với kỹ thuật TDMA. Sau
khi một trạm đó gửi xong burst thông tin của mình thì sẽ có một khoảng thời gian
trống tạo ra trước khi trạm tiếp theo gửi burst thông tin của mình. Khoảng thời gian
trống được thiết lập dựa trên khả năng nhận biết trước các thay đổi về trễ trong thiết
bị, khả năng thu đồng bộ và sự biến đổi trong dải công tác ra nhằm ngăn ngừa sự
giao thoa giữa các burst tín hiệu cho việc truyền dẫn đồng bộ.
16
TDMA có một nột nổi bật nhất là cho phép nhiều trạm mặt đất truy nhập tới
bộ phát đáp vệ tinh hơn kỹ thuật FDMA rất nhiều do việc sử dụng chung một sóng
mang của các trạm mặt đất nên tránh được nhiễu do điều biến tương hỗ trên các bộ
phát đáp của vệ tinh. Dung lượng bit của TDMA dường như độc lập với số lượng
trạm truy nhập, nhưng các thông tin cần thiết cho việc thiết lập đường liên lạc với
rất nhiều khoảng thời gian trống giữa các burst tín hiệu khi có quá nhiều trạm đó
làm giảm khả năng các thông tin cần thiết. Một ưu điểm nữa của kỹ thuật TDMA là
tại mỗi thời điểm chỉ có một sóng mang được tạo ra tại trạm mặt đất hoặc tại các bộ
phát đáp của vệ tinh nên các bộ khuếch đại công suất có thể làm việc ở các trạng
thái bão hoà mà không sợ điều chế tương hỗ. Bộ khuếch đại của vệ tinh có khả năng
khống chế công suất ra trong những trường hợp đặc biệt khi hoạt động ở chế độ
SCPT. Khi trên vệ tinh dùng đèn khuếch đại sóng chạy TWT trong trường hợp có
Fading tuyến lên và có sự thay đổi công suất giữa các burst tín hiệu thì không cần
phải điều chỉnh công suất ra của TWT vì nó làm việc ở chế độ quá tải không đáng
kể sẽ làm giảm biến thiên của đường kết nối lên nhưng đối với đường kết nối
xuống.
Trong kỹ thuật FDMA máy phát ở các trạm mặt đất làm việc liên tục, phát
liên tục các sóng mang lên vệ tinh, trong khi đó đối với kỹ thuật TDMA thì máy
phát ở các trạm mặt đất chỉ làm việc khi xung yêu cầu được phát ra và chế độ làm
việc là một sóng mang trên một bộ phát đáp. Chu kỳ làm việc của máy phát trạm
mặt đất là thấp, còn đối với vệ tinh, chu kỳ này biến thiên theo sự thay đổi tải của
bộ phát đáp, chu kỳ ngắn khi lưu lượng thông tin thấp, còn chu kỳ hoạt động gần
như liên tục nếu như bộ phát đáp đầy tải. Về vấn đề này cần phải nghiên cứu chế
độ làm việc cho máy phát theo chế độ hàng ngày hoặc theo định kỳ.
Trong một vài hệ thống TDMA thì một trạm sẽ lấp đầy các khe thời gian
không sử dụng bằng các bit giả ngẫu nhiên để giữ cho phổ giống như một dạng tạp
âm và giảm được nhiễu lên hệ thống thông tin khác nhau. Vì vậy sóng TDMA được
phát lên vệ tinh 24/24h một ngày. Trong chế độ làm việc SCPT thì máy phát trên vệ
tinh lúc đó làm việc ở chế độ bão hoà, lúc này công suất đỉnh hay công suất cực đại
17
của trạm mặt đất được đòi hỏi nhiều hơn. Chu kỳ hoạt động của bộ khuếch đại trên
vệ tinh như đó nói ở trên, lối ra công suất được đóng mở một cách ngẫu nhiên cần
được giải quyết khi thiết kế các bộ khuếch đại trên vệ tinh vì nó có ảnh hưởng lớn
đến việc cấp nguồn trên vệ tinh.
Kỹ thuật TDMA rất hạn chế về độ rộng băng tần của kênh thông tin, đặc
tuyến tần số của kênh không tuyến tính trong khi đó phải đảm bảo cho các kênh
PSK hoặc FSK tốc độ cao mà không được phép chồng lấn phổ lên các bộ phát đáp
lân cận. Nói chung giá thành các thiết bị rất cao.
Một hệ thống TDMA thường sử dụng toàn bộ bộ phát đáp theo kiểu một
sóng mang trên một bộ phát đáp nhưng nó vẫn có khả năng dùng chung một bộ phát
đáp với các hệ thống khác như FDMA, CDMA hay một hệ thống TDMA độc lập
khác. Khi làm việc theo phương pháp nhiều sóng mang trên một bộ phát đáp thì
phải giảm mức giữa kí tự mang thông tin và nhiễu giữa các bộ phát đáp kề nhau do
trải phổ.
Việc thay đổi công suất trong hệ thống TDMA bằng các xung sẽ ảnh hưởng
tới các tín hiệu tương tự trong hệ thống FDMA dùng chung bộ phát đáp. Khi thay
đổi công suất đường lên sẽ ảnh hưởng tới đường xuống.
-
Một số đặc điểm cơ bản của TDMA
Công suất bộ phát đáp: Có thể làm việc ở trạng thái bão hoà, sử dụng hiệu
quả độ rộng băng tần, tăng tốc độ truyền tin bằng điều chế tốc độ cao. Bộ khuếch
đại có khả năng hạn chế và loại bỏ Fading tuyến lên, điều khiển công suất đường
lên không phức tạp.
1.4.3. Kỹ thuật CDMA:
Phương pháp này sử dụng một phổ tần số của bộ phát đáp, thông thường
bằng cách trải tín hiệu ra một dải rộng tần số mà về thực chất là rộng hơn băng tần
cần thiết cho nội dung thông tin. Sở dĩ có thể dùng chung một phổ tần số là vì mỗi
một trạm phát sử dụng một mã giả ngẫu nhiên riêng để thực hiện việc trải phổ tín
hiệu truyền đi của trạm. Mỗi trạm thu trong mạng lại có một mã nhiễu giả ngẫu
18
nhiên tương ứng để thực hiện ngược lại với việc trải phổ là nén phổ nhằm thu lại
tín hiệu. Các mạng khác nhau có thể hoạt động đồng thời trong cùng phổ nếu sử
dụng một mã khác không gây ảnh hưởng cho việc trải phổ hay nén phổ của mạng
bên cạnh. Ví dụ 6 mạng dùng chung 5 MHz trong dải phổ tần số. Một hệ thống
CDMA khác sử dụng một sự kết hợp kiểu cố định hay thay đổi giữa thời gian và
băng tần trong truyền dẫn. Các hệ thống CDMA khác nhau chủ yếu dựa vào độ bí
mật của thông tin, mức độ chịu đựng sự ảnh hưởng của các hệ thống khác, độ phức
tạp…nhưng chủ yếu vẫn là tính kinh tế và số trạm mặt đất trong mạng.
1.4.4 Kỹ thuật DAMA:
Hệ thống sử dụng phương thức đa truy nhập DAMA có độ linh hoạt và mềm
dẻo cao, sử dụng bộ phát đáp trên vệ tinh một cách có hiệu quả đặc biệt phù hợp với
các vùng có nhu cầu thấp. Hệ thống truyền thoại bằng việc phân định kênh cho mỗi
cuộc gọi khi có yêu cầu, tức là kênh thông tin được thiết lập giữa hai trạm mặt đất
trong thời gian thông tin với nhau. Hệ thống có khả năng kết nối nội bộ với cấu hình
có dạng hoàn toàn lưới. Một số thuê bao trong một vùng dịch vụ của trạm mặt đất
nào đó qua các kênh vệ tinh để thiết lập đường thông với các vùng dịch vụ của các
trạm khác. Tất cả các thuê bao đều có thể thực hiện được các cuộc gọi trong nước
và quốc tế bằng cấu hình mạng lưới hoàn chỉnh.
Khi bắt đầu mỗi cuộc gọi thì trạm trung tâm chọn kênh vệ tinh và phân định
các bộ Modem ở cả hai trung tâm đường trục có thuê bao gọi đi và thuê bao gọi đến
để thực hiện thiết lập cuộc gọi tại các vị trí xa, mỗi đường trục được nối với Modem
hoạt động theo phương thức SCPC và các Modem được điều hướng tới các tần số
sóng mang được phân định bằng các lệnh điều khiển từ bộ điều khiển phân định
theo nhu cầu từ xa.
Trung tâm điều khiển mạng DAMA được xem như quan trọng nhất, ở trung
tâm này có máy điều khiển chính cũng được nối với các Modem thu phát thoại để
thu tín hiệu báo hiệu. Trung tâm điều khiển DAMA có chức năng chính là phân
19
định các kênh vệ tinh cho các cuộc gọi mới. Nó cũng có thể thay đổi cấu hình hệ
thống, giám sát chất lượng khai thác tổng thể hệ thống thông qua người khai thác.
Tóm lại kỹ thuật DAMA có nhiều ứng dụng trên mạng viễn thông và ngày
nay kỹ thuật này ngày nay càng được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, do trễ truyền dẫn
không dưới 810 ms nên không kinh tế thì dùng DAMA cho dịch vụ truyền số liệu,
mà chỉ nên sử dụng DAMA cho liên lạc thoại. Chẳng hạn, khi muốn truyền một bản
tin số liệu 8 kbps trên thiết bị đầu cuối 2048 kbps chỉ hết 3,9 ms liên lạc, nhưng do
trễ truyền dẫn nên phải không dưới 810 ms thì mới thiết lập được cuộc gọi, như vậy
phải tốn một thời gian khá dài để thực hiện một cuộc gọi lại quá ngắn.
1.5. Cấu trúc trạm mặt đất:
Hệ thống thiết bị trong trạm mặt đất được biểu diễn trên hình vẽ bao gồm:
Anten và 1 hệ thống điều khiển anten tương thích.
Thiết bị phát và thiết bị thu siêu cao.
Các bộ đổi tần tuyến lên và tuyến xuống.
Hệ thống xử lý tín hiệu
Thiết bị đa truy nhập,
điều chế, giải điều chế
Thiết bị anten bám
Máy thu tập âm thấp
Bộ đổi tần
xuống
Bộ khuếch
đại IF
Bộ dải điều
chế
LNA
Thiết bị
bám
Bộ dao động
Thiết bị đa
truy nhập
Hệ thống
fiđơ
Bộ dao động
Bộ đổi tần
Bộ khuếch
đại IF
Bộ điều chế
HPA
lên
Máy phát công suất cao
Hình 1.4: Cấu hình của một trạm mặt đất.
20
Tín hiệu ở băng tần cơ bản từ mạng viễn thông trong nước được đưa tới từ
trạm mặt đất thông qua giao tiếp giữa mạng trong nước và trạm mặt đất, tại đó tín
hiệu càn được ghép kênh rồi được đưa tới thiết bị xử lý dưới trạm mặt đất và được
điều chế thành sóng trung tần IF, sau đó được đổi lên cao tần RF nhờ bộ đổi tần lên.
Các sóng RF qua bộ cộng rồi được khuếch đại công suất, đưa ra anten phát lên vệ
tinh.
Theo chiều ngược lại, tín hiệu từ anten thu qua bộ LNA, bộ chia, qua các bộ
đổi tần xuống, đầu ra các bộ đảo tần xuống ta có các sóng trung tần được đưa tới
các bộ giải điều chế để khắc phục lại tín hiệu ở băng tần cơ bản, qua thiết bị xử lý
tín hiệu rồi đưa tới thiết bị giao tiếp với mạng trong nước.
Hệ thống bám có nhiệm vụ giữ cho anten hướng thẳng tới vệ tinh cho dự có
sự dao động tương đối giữa vệ tinh và anten trạm mặt đất hay trong trường hợp vệ
tinh không được đặt đúng quỹ đạo của nó do các ảnh hưởng bên ngoài tác động vào.
Việc thực hiện yêu cầu bám phải phù hợp với các đặc điểm của búp sóng anten và
quỹ đạo của vệ tinh. Đối với trường hợp anten nhỏ, hệ thống bám có thể được giới
hạn cho phép làm giảm giá thành, kích thước và độ phức tạp của trạm (phần này
được nói rõ hơn trong phần anten trạm mặt đất).
1.5.1. Anten trạm mặt đất:
-
Vị trí của An ten trong trạm mặt đất
Việc truyền sóng điện từ trong không gian thường có thể thực hiện theo hai
cách:
Cách thứ nhất là dùng các hệ truyền dẫn, nghĩa là các hệ dẫn sóng điện từ
như đường dây song hành, đường truyền đồng trục, ống dẫn sóng kim loại
hoặc điện môi... sóng điện từ truyền lan trong các hệ thống này thuộc loại
sóng điện từ ràng buộc.
Cách thứ hai là sử dụng bức xạ ra không gian, trong trường hợp này sóng
điện từ thuộc loại sóng tự do. Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc
dùng để thu nhận sóng từ không gian bên ngoài được gọi là anten. Anten
21
phát có nhiệm vụ biến đổi từ sóng điện ràng buộc thành sóng điện từ không
gian tự do và anten thu thì biến đổi ngược lại.
Trong trạm mặt đất thông tinh thì anten là thiết quan trọng nhất, nó chiếm tới
50% giá thành hoặc có thể hơn, bản thân nó quyết định cấu hình, hoạt động khai
thác và chỉ tiêu của trạm mặt đất.
Các anten thường thực hiện đồng thời cả hai chức năng thu và phát nhờ có
bộ lọc thu/phát siêu cao. Sau đây ta xét một số chỉ tiêu cơ bản của anten ảnh hưởng
đến chất lượng của nó.
-
Các thông số đặc điểm của anten.
Hệ số tăng ích.
Hệ số tăng ích của một anten là tỉ số giữa công suất bức xạ hay thu trong mỗi
đơn vị góc khối giưó anten và một anten chuẩn (thông thường là anten bức xạđẳng
hướng) ở cùng hướng và cùng khoảng cách khảo sát, với giả thiết công suất đặt vào
hai anten là như nhau. Hệ số tăng ích của anten thường được kí hiệu là G và nó
được tính theo công thức:
G = (4/2)Aeff
Trong đó:
= c/f , (c = 3.108m/s là vận tốc ánh sáng, f là tần số làm việc của anten).
Aeff là diện tích mặt phản xạ sóng điện từ tương đương của anten. Với anten
parabol đường kính D thì A = D2/4, và Aeff = A, trong đó là hiệu suất anten.
Từ các kết quả trên ta có:
G = (D/2) = (Df/c)2
Tính theo dB:
G = 10lg[(Df/c)2] [dB]
Hiệu suất anten
Hiệu suất anten là một chỉ tiêu quan trọng nhất của anten và nó quyết định
phẩm chất của trạm mặt đất. Muốn đạt tỷ số G/T cao nhất trong giải tần thì thu phải
có anten hiệu suất cao và để đạt được tổn hao bộ khuếch đại công suất tới mức nhỏ
nhất và để giảm các thành phần nhiễu điều chế trong băng tần phát cũng phải có
22
anten hiệu suất cao. Hiệu suất của anten được xác định bằng tỷ số của công suất bức
xạ trên công suất đặt vào anten.
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất anten được liệt kờ như sau:
Tổn hao mặt phản xạ chính pxc do mất mát công suất ra mộp ngoài mặt phản
xạ chính, vì thế hiệu suất anten giảm.
Tổn hao mặt phản xạ phụ gây ra do phần bức xạ sơ cấp từ feedhorn bị mất
mát một phần công suất ra mộp ngoài mặt phản xạ phụ tạo ra sự suy giảm về
hiệu suất.
Hiệu suất che chắn gây ra bởi mặt phản xạ phụ và các thanh đỡ mặt phản xạ
phụ, ký hiệu của suất che chắn là cc
Suy hao gây ra do sự không bằng phẳng của bề mặt phản xạ, suy hao này tạo
lên hiệu suất bề mặt bm
Với các trạm mặt đất theo tiêu chuẩn A của Intelsat thì giá trị hiệu suất lấy
trong khoảng 50% đến 75%.
Độ rộng búp sóng:
Trong thông tin vệ tinh đòi hỏi anten phải có đặc tính định hướng cao nghĩa
là năng lượng khi anten phát đi có độ tập trung ở búp sóng chính và tương tự như
vậy đối với tín hiệu thu về, độ rộng búp hướng anten cũng thể hiện điều đó. Để so
sánh tính định hướng giữa các anten người ta đưa ra khỏi niệm độ rộng của đồ thị
phương hướng. Theo định nghĩa, độ rộng của đồ thị phương hướng là góc giữa hai
hướng, mà theo hai hướng đó cường độ trường hoặc công suất bức xạ giảm đi đến
một giá trị nhất định. Thường độ rộng của đồ thị phương hướng được xác định ở hai
mức: bức xạ không và bức xạ nửa công suất. Trong đó độ rộng của đồ thị phương
hướng theo mức nửa công suất là góc giữa hai hướng mà theo đó công suất bức xạ
giảm đi một nửa so với hướng cực đại. Góc này thường được kí hiệu là BW3dB được
tính tại điểm -3 dB (tại điểm này hệ thống tăng ích của anten giảm xuống còn một
nửa so với giá trị cực đại).
D
21.1
BW3dB = 70
(độ)
fD
23
Trong đó:
Ta lại có:
suy ra:
f: tần số làm việc tính bằng GHz
D: đường kính anten tính bằng một
D
Df
2
G =
2
c
2
2
f
c
70
3dB
G =
Như vậy hệ số tăng ích G không những phụ thuộc vào hiệu suất của anten mà
nó còn phụ thuộc vào góc nửa công suất 3dB (hình H.2.2). Nói cách khác, hệ số
tăng ích của anten còn phụ thuộc vào tính định hướng anten. Khi độ rộng búp sóng
càng nhỏ (tính định hướng càng cao) thì hệ số tăng ích anten theo hướng búp sóng
chính càng lớn, và ngược lại độ rộng búp sóng càng lớn thì hệ số tăng ích anten
càng nhỏ.
-
Anten CASSEGRAIN
Hiện nay hầu hết các trạm mặt đất tiêu chuẩn A đều dùng loại anten
Cassegrain. Anten Cassegrain thuộc loại anten gương kộp và có cấu tạo như hình vẽ
dưới đây:
D
O2
O1
D
F
Hình 1.5: Anten Cassegrain
24
Hệ thống bức xạ của anten bao gồm: Một mặt phản xạ chính có cấu tạo
Parabol, mặt phản xạ phụ có cấu tạo Hypecbol và một Feedhorn như hình vẽ trong
đó 01 là tiêu điểm của mặt phản xạ chính và 02 là tâm pha tương đương của
Feedhorn. Feedhorn được nối với bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA bằng đường ống
dẫn sóng rất ngắn nhưng giảm được tạp âm phiđơ. Hơn nữa hiện tượng spillover
(hiện tượng tổn thất sóng ở gương phản xạ) đối với Cassegrain xảy ra tại rìa gương
phụ theo hướng truyền của sóng làm giảm biên độ búp sóng phụ nên giảm được
phần nào tạp âm anten do búp sóng phụ gây nên. Giá trị góc mở của anten 2 thông
thường người ta chọn từ 1400 đến 1800 trên cơ sở đặc tính bức xạ và kết cấu cơ khí
anten. Giá trị F/D liên quan chặt chẽ đến chỉ tiêu chất lượng anten như tải trọng gió
chịu đựng và nhiờtj độ tạp âm. Giá trị Ds/D thường được chọn bằng khoảng 1/10, có
cân nhắc đến ảnh hưởng che chắn của mặt phản xạ phụ và khả năng tạo chùm tia
của nó.
Anten cassegrain có ưu điểm so với anten parabol là kích thước theo hướng
trục của nó nhỏ hơn đồng thời do bộ chiếu (feedhorn) đặt gần đỉnh gương nên kết
cấu sẽ đơn giản và tiện lợi hơn. Nhược điểm duy nhất của loại anten này là gương
phụ sẽ chắn mất một phần không gian trước gương chính gây ra một miền nối, làm
ảnh hưởng tới hiệu suất anten.
Góc quay và độ chính xác cơ khí của anten: Anten trạm mặt đất phải có khả
năng quay được tối thiểu 100 cho cả góc phương vị và góc ngẩng xung quanh chiều
hướng tới vệ tinh địa tĩnh mới đáp ứng được tiêu chuẩn một trạm mặt đất làm việc
trên mạng thông tin vệ tinh Intelsat.
Trên phương diện bảo quản, bảo dưỡng và đo thử người ta cần loại anten
quay được càng rộng càng tốt, ngày nay các anten có thể quay được tới 3600 (quan
sát được toàn bộ bầu trời) với các cơ cấu cơ khí gọn nhẹ nhưng chắc chắn.
Ngoài ra để đạt được tính định hướng cao, các mặt phải có độ chính xác bề
mặt cao đồng thời anten phải có độ chắc chắn cơ học để chống các tác động từ bên
ngoài như gió bão, động đất hay các tác động khác.
25
-
Hệ thống bám vệ tinh trong anten trạm mặt đất:
Về mặt lý thuyết, vệ tinh địa tĩnh được xem như đứng yên so với trái đất.
Nhưng thực tế do các tác động của sức hút trái đất, mặt trăng, mặt trời làm cho vệ
tinh không ở đúng vị trí quỹ đạo và độ nghiêng của nó trên quĩ đạo cũng thay đổi.
Vì vậy, để bảo đảm cho anten trạm mặt đất luôn luôn hướng đúng vệ tinh người ta
phải trang bị các thiết bị bám vệ tinh để điều khiển anten luôn hướng đúng vệ tinh.
Các phương pháp bám vệ tinh thường được sử dụng trong kỹ thuật thông tin vệ tinh
ngày nay bao gồm:
-
Bám vệ tinh kiểu xung đơn
Kiểu bám vệ tinh này được ứng dụng rộng rãi trong các trạm mặt đất thuộc
loại tiêu chuẩn A. Việc bám vệ tinh được thực hiện dựa trên cơ sở quan sát các
mode sóng đang làm việc. Nếu phát hiện và tách được các mode sóng làm việc thì
sẽ xác định được mức độ hướng dúng vệ tinh của anten trạm mặt đất.
Cần có một số các Feedhorn phụ đặt gần xung quanh feedhorn chính để hệ
thống có khả năng giám sát được các mode sóng đang làm việc, do vậy sẽ điều
khiển được anten hướng đúng vệ tinh.
Thực hiện việc điều khiển bám vệ tinh phải có các thiết bị phân tích và xử lý
mode sóng. Kiểu điều khiển bám vệ tinh này có ưu điểm là chính xác nhưng nhược
điểm là hệ thống bám liên tục làm việc. Như vậy vừa tốn năng lượng vừa chóng mài
mòn các kết cấu cơ khí của anten.
-
Bám vệ tinh kiểu từng bước
Kiểu bám này dựa trên cơ sở giám sát một tín hiệu phát từ vệ tinh xuống gọi
là tín hiệu dẫn đường (beacon) và được thiết lập theo một chu kỳ thời gian định
trước.
Hệ thống này được thực hiện bởi mạch bám từng nấc dựa trên mức điện áp
một chiều của tín hiệu beacon thu được. Căn cứ vào mức điện áp đó mà xác định
hướng để dịch chuyển anten và tạo tín hiệu triger để khởi động hệ thống điều khiển
các góc phương vị và góc ngẩng của anten.
26
Hiện nay trên mạng vệ tinh dùng các tần số dẫn đường 3947,5MHz;
3948MHz; 3952MHz; 3953MHz. Trong đó các tần số 3947,5MHz thường được sử
dụng. Các tín hiệu khác, thường dùng khi phóng vệ tinh hay trong khi đưa vệ tinh
vào đúng vị trí quỹ đạo.
Hệ thống bám vệ tinh sẽ giám sát tín hiệu dẫn đường của vệ tinh mà trạm sử
dụng tại những khoảng thời gian nhất định. Hệ thống sẽ lấy mẫu tại một số thời
điểm trong cửa sổ. Mức điện của các mẫu sẽ được dem so sánh để xác định xem vệ
tinh có ở trung tâm cửa sổ hay không. Bộ điều khiển sẽ ra lệnh cho anten quay về
hướng có mức beacon lớn nhất. Trong trường hợp tín hiệu beacon bất ngờ bị tụt
xuống dưới mức đã định thì hệ thống bám được khởi động ngay lập tức.
Kiểu bám từng bước không phải liên tục được điều khiển như kiểu bám xung
đơn do đó không tốn năng lượng và làm mòn kết cấu cơ khí. Nhược điểm của
phương pháp này là không chính xác như phương pháp bám theo kiểu xung đơn vì
mức đỉnh của tín hiệu luôn chỉ ở mức gần đạt tới, mức tín hiệu thu luôn luôn được
duy trì trong một khoảng cho phép. Tuy vậy phương pháp này vẫn được dùng phổ
biến nhất trong các trạm mặt đất do có những ưu điểm về kinh tế trong khi đó
nhược điểm về độ chính xác vẫn chấp nhận được trong yêu cầu của hệ thống bám
vệ tinh.
-
Bám vệ tinh theo chương trình
Phương pháp này dựa trên số liệu thiên văn của các vị trí quỹ đạo vệ tinh
được đoán trước do Intelsat cung cấp cho các trạm mặt đất. Các số liệu thích hợp
này thường được cung cấp trước một khoảng thời gian nhất định và sẽ được sử lý,
đưa ra các tín hiệu thích hợp để điều khiển anten bám vệ tinh. Bám vệ tinh theo
chương trình rất phù hợp cho các trạm nhỏ vì nó không cần thu các tín hiệu beacon
cũng như không cần trang bị các thiết bị xử lý tín hiệu kèm theo do đó kinh tế hơn
các kiểu khác.
-
Bám vệ tinh kiểu nhân công:
Chỉ thực hiện ở các trạm mặt đất cỡ nhỏ vì anten ở đấy có búp sóng lớn nên
chỉ cần điều chỉnh hàng tuần hoặc hàng tháng theo kiểu bật điện cho mô tơ chạy
hoặc chỉnh bằng tay.
27
1.5.2. Bộ khuếch đại công suất:
Bộ khuếch đại công suất cao tại các trạm mặt đất có nhiệm vụ khuếch đại
sóng mang cao tần từ bộ cộng cung cấp ở mức công suất thấp thành tín hiệu cao tần
mức công suất cao, cùng với độ tăng ích của anten nó phải đảm bảo cho công suất
phát xạ đẳng hướng tương đương EIRP cho mỗi sóng mang đủ để phát xạ tới vệ
tinh. Hệ số khuếch đại của HPA thường được giới hạn 40 dB.
Bộ khuếch đại HPA sử dụng tại các trạm mặt dất có thể được phân chia theo
công suất từ vài trăm W đến vài KW. Với trạm mặt đất có dung lượng nhỏ có thể
dùng loại có công suất nhỏ hơn 50W, thậm chí trong trường hợp chỉ truyền vài kênh
SCPC có thể sử dụng loại từ 1W đến 10W.
Hai loại HPA thường xuyên được sử dụng nhất đó là bộ khuếch đại KLYS -
TRON (KPA) và bộ khuếch đại đèn sóng chạy (TWT). Chúng có các đặc điểm khác
nhau về mặt kỹ thuật cũng như về mặt công suất hay băng tần làm việc. Do đó khi
lựa chọn bộ khuếch đại công suất cao người sử dụng phải cân nhắc kỹ về các sự
khác nhau này sao cho phù hợp với yêu cầu truyền dẫn cụ thể.
-
Bộ khuếch đại KPA
Các điện tử phát ra từ súng điện tử qua các thiết bị cộng hưởng gồm các hốc
cộng hưởng và các ống hình trụ bằng kim loại giữa chúng. Tín hiệu cao tần đầu vào
được đặt vào các hốc đầu tiên. Tín hiệu này tạo nên dùng dao động ở bên trong hốc
cộng hưởng, sinh ra một điện trường biến thiên trong hốc. Điện trường này lại điều
chỉnh chùm tia điện tử khi đi qua hốc. Sau khi rời khỏi hốc, chùm tia điện tử hướng
tới cực góp chạy qua các ống kim loại, các hốc trung gian và hốc cuối cùng chính là
hốc mà tại đó lấy ra sóng cao tần đã được khuếch đại công suất. Nếu như ta điều
chỉnh để được kích cỡ phù hợp thì dùng điện dao động trong hốc lớn và kết quả là ta
có được tín hiệu cao tần đầu ra mong muốn từ Catcher. Các hốc trung gian được sử
dụng nhằm mục đích đạt được hệ số khuếch đại cao cũng như yêu cầu về bão hoà
công suất của bộ khuếch đại. Sự hội tụ của chùm tia điện tử khi nó đi từ súng điện
tử tới cực góp được thực hiện nhờ cấu trúc hội tụ bằng nam châm (đối với loại ống
ngắn) hay cấu trúc hội tụ SOLENOID (đối với ống dài).
28
1.5.3. Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA)
Tín hiệu thu từ vệ tinh về rất thấp, thường khoảng - 150 dBW trên nền tạp
âm lớn vì vậy khi khuếch đại sẽ khuếch đại luôn cả tạp âm. Do đó bộ khuếch đại tạp
âm thấp có một vai trò đặc biệt quan trọng trong máy thu trạm mặt đất. LNA phải
có nhiệt tạp âm rất thấp, nếu không nó sẽ làm nhiệt tạp âm hệ thống tăng rất cao làm
giảm chất lượng tín hiệu, thậm chí làm mất tín hiệu.
Các yêu cầu về kỹ thuật đối với LNA:
Bộ khuếch đại tạp âm thấp có ảnh hưởng quan trọng hệ số phẩm chất trạm
mặt đất G/T vì nó đóng vai trò quyết định tạo nên nhiệt tạp âm hệ thống bởi nó là
tầng khuếch đại đầu tiên trong tuyến thu, nếu tạp âm của nó lớn thì tạp âm hệ thống
bị tăng đáng kể. Một trạm mặt đất thông tin vệ tinh đạt tiêu chuẩn A tức là phải có
hệ số phẩm chất G/T 35 dB/K, để đạt được tiêu chuẩn đó thì hệ số khuếch đại
anten trạm mặt đất phải đạt G= 57 dB và nhiệt tạp âm LNA phải đảm bảo TLNA< 20
dB. Để đạt được nhiệt tạp âm thấp thì ta phải làm lạnh chúng ở nhiệt độ rất thấp.
Mức đầu ra tín hiệu phải nhỏ hơn mức ra bão hoà của bộ khuếch đại tối thiểu
là 20 dB nhằm giảm tối đa các thành phần điều chế tương hỗ trong bộ khuếch đại
LNA. Băng tần của LNA phải đảm bảo đủ rộng để bao phủ băng tần công tác của
vệ tinh là 500 MHz.
Bộ khuếch đại LNA phải được đặt càng gần đầu thu càng tốt để được lợi về
mức tín hiệu và giảm được tạp âm fide do giảm được chiều dài ống dẫn sóng.
Hiện nay các bộ khuếch đại LNA thông dụng chủ yếu là các bộ khuếch đại
tham số và Transitor trường.
1.5.4. Bộ đổi tần
-
Nguyên lý bộ đổi tần:
Trong bất cứ một bộ đổi tần nào, phần tử quan trọng nhất của nó cũng là bộ
trộn tần, nó được sử dụng để tạo ra các tần số tổng hoặc hiệu của hai tần số đầu vào.
Trong các bộ trộn, hai tín hiệu đầu vào cùng tồn tại đồng thời trong các thiết bị phi
tuyến. Đầu ra của bộ trộn ta thu được các tần số tổng và hiệu của hai tần số đầu vào
Tải về để xem bản đầy đủ
83 trang
24/04/2025
30
Bạn đang xem 30 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Nhiễu trong thông tin vệ tinh kết quả đo và một số giải pháp hạn chế nhiễu", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
File đính kèm:
- luan_van_nhieu_trong_thong_tin_ve_tinh_ket_qua_do_va_mot_so.pdf
