MỤC LỤC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỬ Thiết kế tuyến thông tin vệ tinh tại đà nẵng
LỜI CAM ĐOAN.. 1
MỤC LỤC.. 2
CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU SỬ DỤNG.. 4
LỜI NÓI ĐẦU.. 6
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH.. 8
1.1. Nguyên lý làm việc của thông tin vệ tinh. 8
1.1.1. Quỹ đạo cực tròn. 9
1.1.2. Quỹ đạo elip nghiêng. 10
1.1.3. Quỹ đạo địa tĩnh. 10
1.2. Đặc điểm và cấu hình của hệ thống thông tin vệ tinh. 11
1.2.1. Đặc điểm.. 11
1.2.2. Cấu hình của hệ thống thông tin vệ tinh. 12
1.3. Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh. 14
1.4. Các phương pháp đa truy cập trong thông tin vệ tinh. 14
1.4.1. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA.. 14
1.4.2. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA.. 15
1.4.3. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA.. 17
1.4.4. Phương pháp đa truy nhập phân phối trước và đa truy nhập phân phối theo yêu cầu 18
1.5. Sự phân cực sóng. 18
1.5.1. Sóng phân cực thẳng. 19
1.5.2. Sóng phân cực tròn. 20
1.6. Cửa sổ tần số. 21
1.7. Suy hao trong thông tin vệ tinh. 22
1.7.1. Suy hao trong không gian tự do. 22
1.7.2. Suy hao do tầng đối lưu. 23
1.7.3. Suy hao do tầng điện ly. 24
1.7.4. Suy hao do thời tiết24
1.7.5. Suy hao do đặt anten chưa đúng. 25
1.7.6. Suy hao trong thiết bị phát và thu. 25
1.7.7. Suy hao do phân cực không đối xứng. 26
1.8. Tạp âm trong thông tin vệ tinh. 26
1.8.1. Nhiệt tạp âm hệ thống. 26
1.8.2. Công suất tạp âm hệ thống. 29
1.8.3. Công suất nhiễu tạp âm.. 30
1.9. Hiệu ứng Doppler và trễ tuyền dẫn. 33
1.9.1. Hiệu ứng Doppler. 33
1.9.2. Trễ truyền dẫn. 34
Chương 2: GIỚI THIỆU VỀ TRẠM MẶT ĐẤT VÀ VỆ TINH VINASAT-1 35
2.1. Cấu hình chung của trạm mặt đất. 35
2.1.1. Cấu hình và chức năng của trạm mặt đất35
2.1.2. Các công nghệ quan trọng đối với trạm mặt đất36
2.2. Công nghệ máy phát. 36
2.2.1. Máy phát công suất cao. 36
2.2.2. Phân loại các bộ khuếch đại công suất cao. 37
2.2.3. Cấu hình dự phòng cho bộ khuếch đại công suất cao. 38
2.3. Công nghệ máy thu. 38
2.3.1. Bộ khuếch đại nhiễu thấp LNA.. 38
2.3.2. Hệ số tạp âm.. 39
Trong thông tin vệ tinh khi làm việc với các tín hiệu yếu thì nhiệt tạp âm được thay thế cho hệ số tạp âm (F).39
2.3.3. Các loại khuếch đại nhiễu thấp. 39
2.3.4. Cấu hình dự phòng cho bộ khuếch đại tạp âm thấp. 40
2.4. Bộ chuyển đổi nâng tần và hạ tần. 41
2.4.1 Quá trình của bộ chuyển đổi nâng tần. 41
2.4.2. Quá trình chuyển đổi hạ tần. 42
2.5. Vệ tinh VINASAT-1. 43
2.5.1. Tổng quan. 43
2.5.2. Vị trí quỹ đạo và phối hợp tần số. 44
2.5.3. Kích cỡ vệ tinh và tần số công tác. 45
2.5.4. Kỹ thuật sử dụng. 47
2.5.5. Các loại hình dịch vụ. 47
2.5.6. Các thông số kỹ thuật của VINASAT-1. 48
Chương 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN VỆ TINH TẠI ĐÀ NẴNG.. 52
3.1. Tổng quan về bài toán tính toán thiết kế tuyến thông tin vệ tinh. 52
3.1.1. Kiểm tra khả năng hoạt động của hệ thống. 52
3.1.2. Xác định các tham số của thiết bị để hệ thống hoạt động. 52
3.1.3. Các tham số cơ bản. 54
3.1.4. Các bước tính toán. 54
3.2. Tính toán cự ly thông tin, góc ngẩng và góc phương vị của anten trạm mặt đất. 55
3.2.1. Cự ly thông tin. 55
3.2.2. Tính toán góc ngẩng. 55
3.2.3. Tính toán góc phương vị56
3.3. Tính toán thiết kế tuyến thông tin cụ thể giữa trạm mặt đất tại Đà Nẵng và vệ tinh Vinasat-1. 57
3.3.1. Tính toán cự ly thông tin và góc ngẩng anten trạm mặt đất58
3.3.2. Tính toán tuyến lên. 58
3.3.3. Tính toán tuyến xuống. 63
Chương 4: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG.. 69
VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.. 69
4.1 Giới thiệu. 69
4.2 Sơ đồ tổ chức công việc. 69
4.3 Chương trình mô phỏng. 71
4.4 Kết quả mô phỏng. 72
- Trường hợp 1: ta chọn công suất phát trạm mặt đất là 40W và đường kính anten là 5m .ta có kết quả mô phỏng như sau:72
- Trường hợp 2:ta chọn công suất phát trạm mặt đất là 80W và đường kính anten là 5m .ta có kết quả mô phỏng như sau:73
- Trường hợp 3: ta chọn công suất phát trạm mặt đất là 800W và đường kính anten là 5m .ta có kết quả mô phỏng như sau:73
- Trường hợp 4: ta chọn công suất phát trạm mặt đất là 40W và đường kính anten là 10m .ta có kết quả mô phỏng như sau:74
- Trường hợp 5: ta chọn công suất phát trạm mặt đất là 80W và đường kính anten là 10m .ta có kết quả mô phỏng như sau:74
- Trường hợp 6: ta chọn công suất phát trạm mặt đất là 150W và đường kính anten là 10m .ta có kết quả mô phỏng như sau:75
- Trường hợp 7: ta chọn công suất phát trạm mặt đất là 40W và đường kính anten là 15m .ta có kết quả mô phỏng như sau:. 75
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI77
PHẦN PHỤ LỤC.. 79
CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU SỬ DỤNG
MEO (Medium Earth Orbit : quỹ đạo trung bình
LEO (Low Earth Orbit) :Quỹ đạo thấp
FDMA (Frequency Division Multiple Access) :Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số
TDMA (Time Division Multiple Access) : Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian
CDMA (Code Division Multiple Access): Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã
hao trong không gian tự do
HPA (Hight Power Aplifine):khuếch đại công suất cao
IF (Intermediate Frequency): Trung tần
EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power): Công suất bức xạ đẳng hướng
RF (Radio Frequency): Tần số vô tuyến
LNA (Low Nosie Amplifier): Khuếch đại tạp âm thấp
ITU (International Telecommunication Union): Liên đoàn viễn thông quốc tế
PSK (Phase shift keying): Khóa dịch pha
HEMT (High Electron Mobility Transistor) : Transistor có độ linh hoạt điện tử cao
LỜI NÓI ĐẦU
Thông tin vệ tinh chỉ mới xuất hiện trong hơn bốn thập kỷ qua nhưng đã phát triển rất nhanh chóng trên thế giới cũng như trong nước ta, mở ra cho một thời kỳ mới cho sự phát triển trong mọi lĩnh vực khoa học cũng như đời sống nói chung và đặc biệt ngành viễn thông nói riêng.
Ngày nay chúng ta đang sống trong một thế giới của thông tin, nhu cầu thông tin giữa con người với con người ngày càng lớn thuận lợi hơn và hoàn hảo hơn nhờ vào các hệ thống truyền tin đa dạng như hệ thống thông tin vô tuyến hay hệ thống thông tin hữu tuyến. Các hệ thống này thật sự là phương tiện cực kỳ hữu ích vì nó có khả năng kết nối mọi nơi trên thế giới để vượt qua cả khái niệm về không gian và thời gian giúp con người gần gũi nhau hơn mặc dù quãng đường rất xa, giúp con người cảm nhận cảm nhận được cuộc sống hiện tại của thế giới xung quanh, thông tin qua vệ tinh không chỉ có ý nghĩa truyền dẫn đối với quốc gia, khu vực còn mang tính xuyên lục địa như vệ tinh toàn cầu. Nhờ có vệ tinh mà quá trình truyền thông tin diễn ra giữa các châu lục trở nên tiện lợi và nhanh chóng thông qua nhiều loại hình dịch vụ khác nhau.
Thông tin vệ tinh đã được ứng dụng vào nước ta bắt đầu từ những năm 80 mở ra một sự phát triển mới của viễn thông Việt Nam. Thông tin vệ tinh có nhiều ưu điểm nổi bật là vùng phủ sóng rất rộng, triển khai lắp đặt nhanh và khả năng cung cấp dịch vụ đa dạng cho người dụng. Nó là phương tiện hữu hiệu nhất để kết nối thông tin liên lạc với các vùng xa xôi, biên giới, hải đảo nơi mà mạng cố định không thể với tới được, đồng thời thông tin vệ tinh nhờ ưu điểm triển khai lắp đặt và thiết lập liên lạc nhanh sẽ là phương tiện liên lạc cơ động giúp ứng cứu kịp thời trong các tình huống khẩn cấp.
Trước khi có vệ tinh VINASAT-1, Việt Nam đã thuê vệ tinh của các nước khu vực để phục vụ cho nhu cầu thông tin. Vệ tinh VINASAT-1 đưa vào sử dụng đáp ứng ngày càng tăng về trao đổi thông tin, giảm chi phí thuê vệ tinh của các nước,…mở ra một bước tiến mới cho viễn thông Việt Nam. VINASAT-1 đang vận hành và khai thác tốt, sử dụng gần hết công suất và Việt Nam đã có dự án VINASAT-2 sẽ được phóng và đưa vào sử dụng trong vài năm tới. Do đó việc hiểu biết về thông tin vệ tinh là cần thiết.
Từ những vấn đề đó mà đề tài chỉ đi sâu nghiên cứu khảo sát về hệ thống thông tin vô tuyến mà cụ thể là hệ thống thông tin vệ tinh với đề tài: “Thiết kế tuyến thông tin vệ tinh tại Đà Nẵng”. Phần nội dung của đề tài được phân bố gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh.
Chương 2: Giới thiệu về trạm mặt đất và vệ tinh VINASAT-1.
Chưong 3: Tính toán thiết kế tuyến thông tin vệ tinh tại Đà Nẵng.
Chương 4: Chương trình mô phỏng và kết quả.
Thông tin vệ tinh là một lĩnh vực khoa học kỹ thuật cao, việc tìm hiểu nghiên cứu đòi hỏi phải có thời gian, kinh nghiệm và một kiến thức sâu rộng. Do đó, chắc chắn đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót, cần được xem xét thấu đáo hơn. Em xin chân thành cảm ơn tất cả các ý kiến đóng góp của các thầy cô và toàn thể các bạn để đồ án được hoàn chỉnh hơn.
Xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS-TS Tăng Tấn Chiến, Khoa Điện tử-Viễn thông, Đại học Bách khoa Đà Nẵng đã tạo mọi điều kiện và tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện đồ án này.
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH
Chương này giúp ta hiểu được các loại quỹ đạo và ứng dụng của chúng trong thông tin vệ tinh, hiểu được tổ chức của các hệ thống thông tin vệ tinh, hiểu được quy hoạch tần số cho thông tin vệ tinh.
Chương này sẽ giới thiệu các nội dung như: Nguyên lý làm việc và phân loại hệ thống thông tin vệ tinh; các đặc điểm và cấu hình của hệ thống thông tin vệ tinh; cần số sử dụng trong thông tin vệ tinh; các phương pháp đa truy cập: FDMA, TDMA, CDMA, đa truy cập phân phối trước và đa truy cập theo yêu cầu; phân cực sóng: phân cực đứng, phân cực ngang, phân cực tròn, phân cực elip; cửa sổ tần số và suy hao trong thông tin vệ tinh: suy hao trong không gian tự do, trong các tầng đối lưu, điện ly, do khí quyển, phi đơ, lệch phân cực; nhiễu trong thông tin vệ tinh: do nhiệt tạp âm không gian, anten, phi đơ, máy thu, nhiễu xuyên điều chế, nhiễu cùng tuyến và can nhiễu từ các hệ thống khác; hiệu ứng Doppler và trễ truyền dẫn.
1.1. Nguyên lý làm việc của thông tin vệ tinh
Hình 1.1a: Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh
Sau khi được phóng vào vũ trụ, vệ tinh trở thành trạm thông tin ngoài trái đất. Nó có nhiệm vụ thu tín hiệu dưới dạng sóng vô tuyến từ một trạm ở trái đất, khuếch đại rồi phát trở về trái đất cho một trạm khác. Có hai quy luật chi phối quỹ đạo của các vệ tinh bay xung quanh quả đất là:
- Mặt phẳng quỹ đạo bay của vệ tinh phải cắt ngang tâm Trái đất.
- Quả đất phải là trung tâm của bất kỳ quỹ đạo nào của vệ tinh.
Hình 1.1b: Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh
Dựa vào quỹ đạo vệ tinh có thể chia các vệ tinh thành 3 loại cơ bản là quỹ đạo cực tròn, quỹ đạo elip nghiêng và quỹ đạo địa tĩnh (hay xích đạo tròn), được biểu diễn như hình 1.1a, hình 1.1b và hình 1.1c.
1.1.1. Quỹ đạo cực tròn
Ưu điểm của dạng quỹ đạo này là mỗi điểm trên mặt đất đều nhìn thấy vệ tinh trong một khoảng thời gian nhất định. Việc phủ sóng toàn cầu của dạng quỹ đạo này đạt được vì quỹ đạo bay của vệ tinh sẽ lần lược quét tất cả các vị trí trên mặt đất. Dạng quỹ đạo này được sử dụng cho các vệ tinh dự báo thời tiết, hàng hải, thăm dò tài nguyên và các vệ tinh do thám. Nó ít được sử dụng cho thông tin truyền hình vì thời gian xuất hiện ngắn.
+ Quỹ đạo trung bình MEO (Medium Earth Orbit)
Vệ tinh MEO ở độ cao từ 10.000km đến 20.000 km, chu kỳ của quỹ đạo là 5 đến 12 giờ, thời gian quan sát vệ tinh từ 2 đến 4 giờ. Ứng dụng cho thông tin di động hay thông tin radio. Hệ thống MEO cần khoảng 12 vệ tinh để phủ sóng toàn cầu.
+ Quỹ đạo thấp LEO (Low Earth Orbit)
Độ cao điển hình của dạng quỹ đạo này là 160 km đến 480 km, nó có chu kỳ 90 phút. Thời gian quan sát thấy vệ tinh khoảng dưới 30 phút. Việc bố trí các vệ tinh LEO gần nhau có thuận lợi là thời gian để dữ liệu phát đi đến vệ tinh và đi về là rất ngắn. Do khả năng thực hiện nhanh của nó, tác dụng tiếp sức tương hỗ toàn cầu giữa các mạng và loại hình hội thoại vô tuyến truyền hình sẽ có hiệu quả và hấp dẫn hơn. Nhưng hệ thống LEO đòi hỏi phải có khoảng 60 vệ tinh loại này mới bao trùm hết bề mặt địa cầu.
Hình 1.1c: Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh
1.1.2. Quỹ đạo elip nghiêng
Ưu điểm của loại quỹ đạo này là vệ tinh có thể đạt đến các vùng cực cao mà các vệ tinh địa tĩnh không thể đạt tới. Tuy nhiên quỹ đạo elip nghiêng có nhược điểm là hiệu ứng Doppler lớn và vấn đề điều khiển bám đuổi vệ tinh phải ở mức cao.
1.1.3. Quỹ đạo địa tĩnh
Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh được phóng lên quỹ đạo tròn ở độ cao khoảng 36.000km so với đường xích đạo, vệ tinh loại này bay xung quanh quả đất một vòng mất 24h. Do chu kỳ bay của vệ tinh bằng chu kỳ quay của trái đất xung quanh trục của nó theo hướng Đông cùng với hướng quay của trái đất, bởi vậy vệ tinh dường như đứng yên khi quan sát từ mặt đất, do đó nó được gọi là vệ tinh địa tĩnh. Bởi vì một vệ tinh địa tĩnh có thể đảm bảo thông tin ổn định liên tục nên có nhiều ưu điểm hơn vệ tinh quỹ đạo thấp dùng làm vệ tinh thông tin.
Nếu ba vệ tinh địa tĩnh được đặt ở cách đều nhau bên trên xích đạo thì có thể thiết lập thông tin liên kết giữa các vùng trên trái đất bằng cách chuyển tiếp qua một hoặc hai vệ tinh. Điều này cho phép xây dựng một mạng thông tin trên toàn thế giới.
Hình 1.2: Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh
1.2. Đặc điểm và cấu hình của hệ thống thông tin vệ tinh
1.2.1. Đặc điểm
Trong thời đại hiện nay, thông tin vệ tinh được phát triển và phổ biến nhanh chóng vì nhiều lý do khác nhau. Các ưu điểm chính của thông tin vệ tinh so với các phương tiện thông tin dưới biển và trên mặt đất như hệ thống cáp quang và hệ thống chuyển tiếp viba số là:
- Có khả năng đa truy nhập.
- Vùng phủ sóng rộng, chỉ cần 3 vệ tinh địa tỉnh là có thể phủ sóng toàn cầu.
- Ổn định cao, chất lượng và khả năng cao về thông tin băng rộng.
- Có thể ứng dụng cho thông tin di động.
- Thích hợp với dịch vụ truyền hình
- Hiệu quả kinh tế cao trong thông tin cự ly lớn, đặc biệt trong thông tin xuyên lục địa.
Sóng vô tuyến điện phát đi từ một vệ tinh ở quỹ đạo địa tĩnh có thể bao phủ hơn 1/3 toàn bộ bề mặt trái đất, nên những trạm mặt đất đặt trong vùng đó có thể thông tin trực tiếp với bất kỳ một trạm mặt đất khác trong vùng qua một vệ tinh thông tin.
Kỹ thuật sử dụng một vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất và việc tăng hiệu quả sử dụng của nó tới cực đại được gọi là đa truy nhập. Nói cách khác đa truy nhập là phương pháp dùng một bộ phát đáp trên một vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất.
1.2.2. Cấu hình của hệ thống thông tin vệ tinh
Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm hai phần cơ bản:
- Phần trên không là vệ tinh và các thiết bị liên quan.
- Phần mặt đất bao gồm các trạm mặt đất .
Trong đó vệ tinh đóng vai trò lặp lại tín hiệu truyền giữa các trạm mặt đất, thực chất kỹ thuật thông tin vệ tinh là kỹ thuật truyền dẫn mà trong đó môi trường truyền dẫn là không gian vũ trụ với khoảng cách đường truyền khá dài. Tại đây ta cũng gặp lại một số vấn đề đối với một bài toán truyền dẫn, đó là các vấn đề điều chế tạp âm và nhiễu đường truyền, đồng bộ giữa hai đầu thu phát.
Hình 1.3a: Cấu hình hệ thống thông tin vệ tinh
Hình 1.3b: Hệ thống thông tin vệ tinh với đường lên và đường xuống có tần số khác nhau .
Hình vẽ là một ví dụ đơn giản về liên lạc giữa hai trạm mặt đất thông qua vệ tinh thông tin .
Đường hướng từ trạm mặt đất phát đến vệ tinh được gọi là đường lên (Up link) và đường từ vệ tinh đến trạm mặt đất thu gọi là đường xuống (Down link).
Hầu hết, các tần số trong khoảng 6GHz hoặc 14GHz được dùng cho đường lên và tần số khoảng 4GHz hoặc 11GHz cho đường xuống.
Tại đầu phát, thông tin nhận từ mạng nguồn (có thể là kênh thoại, truyền hình quảng bá, truyền số liệu ...) sẽ được dùng để điều chế một sóng mang trung tần IF.
Sau đó tín hiệu này được đưa qua bộ chuyển đổi nâng tần (Up Converter) cho ra tần số cao hơn RF (Radio Frequency). Tín hiệu RF này được khuếch đại ở bộ khuếch đại công suất cao HPA (High Power Amplifier) rồi được bức xạ ra không gian lên vệ tinh qua anten phát. Tại vệ tinh, tín hiệu nhận được qua anten sẽ được khuếch đại và chuyển đổi tần số xuống (Down Converter), sau đó được khuếch đại công suất rồi được phát trở lại trạm mặt đất. Ở trạm mặt đất thu, tín hiệu thu được qua anten được khuếch đại bởi bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier). Sau đó được chuyển đổi tần số xuống trung tần qua bộ chuyển đổi hạ tần (Down Converter) và cuối cùng được giải điều chế khôi phục lại tín hiệu băng gốc.
1.3. Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh
Các tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh nằm trong băng tần siêu cao SHF (Super High Frequency) từ 3GHz đến 30GHz, trong phổ tần số sử dụng cho vệ tinh người ta còn chia các băng tần nhỏ với phạm vi của dãy phổ như bảng 1.1.
Bảng 1.1. Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh.
|
Hiện nay, băng C và băng Ku được sử dụng phổ biến nhất, băng C (4/6 GHz) nằm ở khoảng giữa cửa sổ tần số, suy hao ít do mưa, trước đây được dùng cho các hệ thống viba mặt đất. 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 (12/14 và 11/14 GHz), được sử dụng rộng rãi tiếp sau băng C cho viễn thông công cộng, dùng nhiều cho thông tin nội địa và thông tin giữa các công ty. Do tần số cao nên cho phép sử dụng những anten có kích thước nhỏ, nhưng cũng vì tần số cao nên tín hiệu ở băng Ku bị hấp thụ lớn do mưa.
Băng Ka (20/30 GHz) lần đầu tiên sử dụng cho thông tin thương mại qua vệ tinh Sakura của Nhật, cho phép sử dụng các trạm mặt đất nhỏ và hoàn toàn không gây nhiễu cho các hệ thống viba. Tuy nhiên băng Ka suy hao đáng kể do mưa nên không phù hợp cho thông tin chất lượng cao.
1.4. Các phương pháp đa truy cập trong thông tin vệ tinh
1.4.1. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA
FDMA (Frequency Division Multiplex Access) là loại đa truy nhập được dùng phổ biến trong thông tin vệ tinh, trong hệ thống này mỗi trạm mặt đất phát đi một sóng mang có tần số khác với tần số sóng mang của các trạm mặt đất khác. Mỗi một sóng mang được phân cách với các sóng mang khác bằng các băng tần bảo vệ thích hợp sao cho chúng không chồng lên nhau. FDMA có thể được sử dụng cho tất cả các hệ thống điều chế: hệ thống điều chế tương tự hay điều chế số như các sóng mang FM (Frequency Modulation) điều chế bằng các tín hiệu điện thoại đã ghép kênh hoặc các tín hiệu truyền hình và các sóng mang PSK (Phase Shift Keying) điều chế số. Một trạm mặt đất thu các tín hiệu có chứa thông tin nhờ một bộ lọc thông dải.
Hình 1.4: Đa truy cập phân chia theo tần số
Phương pháp này cho phép tất cả các trạm truyền dẫn liên tục, nó có ưu điểm là không cần thiết điều khiển định thời đồng bộ và các thiết bị sử dụng khá đơn giản. Hiệu quả sử dụng công suất vệ tinh của nó là khá tốt, tuy nhiên vì các kênh truyền dẫn được phân chia theo một thước đo vật lý là tần số. Nên phương pháp này thiếu linh hoạt trong việc thay đổi cách phân phối kênh và hiệu quả thấp khi số sóng mang tăng. Nhưng bù lại phương pháp này có thủ tục truy nhập đơn giản, các cấu hình phương tiện trạm mặt đất cũng đơn giản hơn.
1.4.2. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA
Hình 1.5: Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA
TDMA là phương pháp đa truy nhập trong đó các trạm mặt đất dùng chung một bộ phát đáp trên cơ sở phân chia theo thời gian như hình 4.5. Trong đó trục hoành chỉ tần số, trục tung chỉ thời gian. Trục thời gian được phân chia thành các khoảng thời gian gọi là các khung TDMA, mỗi khung TDMA được phân chia thành các khe thời gian, các khe thời gian này được ấn định cho mỗi trạm mặt đất.
Tất cả các trạm mặt đất đều dùng chung một sóng mang có tần số trung tâm là f0 và chỉ phát và thu tín hiệu trong các khe thời gian được ấn định. Vì thế, trong một khoảng thời gian nhất định, chỉ có tín hiệu từ một trạm mặt đất chiếm toàn bộ băng tần của bộ phát đáp vệ tinh và không bao giờ xảy ra trường hợp tín hiệu từ hai trạm mặt đất trở lên chiếm bộ phát đáp của vệ tinh trong cùng một thời gian. Độ dài của khe thời gian ấn định cho mỗi trạm mặt đất tuỳ thuộc vào lưu lượng của trạm.
TDMA sử dụng các sóng mang điều chế số và các sóng mang được phát đi từ trạm mặt đất cần phải được điều khiển chính xác sao cho chúng nằm trong khe thời gian được phân phối. Để làm được điều này, cần phải có một tín hiệu chuẩn phát đi từ một trạm chuẩn và các trạm khác lần lượt truyền tín hiệu ngay sau tín hiệu chuẩn.
Trong phương pháp đa truy nhập này, các trạm mặt đất phải truyền tín hiệu một cách gián đoạn và cần phải dự phòng khoảng thời gian bảo vệ giữa các sóng mang để các tín hiệu từ các trạm mặt đất không chồng lấn lên nhau khi đến bộ phát đáp.
Ưu điểm của phương pháp này là có thể sử dụng tốt công suất tối đa của vệ tinh và có thể thay đổi dễ dàng dung lượng truyền tải bằng cách thay đổi khoảng thời gian phát và thu, do đó nó linh hoạt trong việc thay đổi, thiết lập tuyến, đặc biệt là hiệu suất sử dụng tuyến rất cao khi số kênh liên lạc tăng. Mặt khác, TDMA khi kết hợp với kỹ thuật nội suy tiếng nói thì có thể tăng dung lượng truyền dẫn lên ba đến bốn lần. Tuy nhiên, TDMA có một số nhược điểm như sau:
Yêu cầu phải có đồng bộ cụm: Mạng TDMA chứa các trạm lưu lượng và ít nhất một trạm chuẩn. Các cụm được phát đi từ các trạm lưu lượng được gọi là các cụm lưu lượng. Số liệu lưu lượng được phát bằng các cụm lưu lượng. Trạm chuẩn phát một cụm đặc biệt theo chu kỳ gọi là cụm chuẩn. Cụm chuẩn cung cấp chuẩn định thời và chu kỳ của nó đúng bằng một khung TDMA. Mỗi trạm lưu lượng phát các cụm lưu lượng trong các khe thời gian được ấn định ở vệ tinh bằng cách điều khiển định thời phát cụm theo cụm chuẩn, cụm chuẩn được sử dụng làm chuẩn định thời, cụm chuẩn và các cụm lưu lượng được đặt theo thứ tự đúng để tránh chồng lấn trong mỗi khung TDMA. Nếu không có đồng bộ cụm thì các cụm được phát có thể trượt khỏi các khe thời gian được ấn định ở vệ tinh. Nếu xảy ra chồng lấn các cụm ở vệ tinh thì thông tin sẽ bị mất.
Tín hiệu tương tự phải được chuyển sang dạng số khi sử dụng kỹ thuật TDMA.
Giao diện với các hệ thống mặt đất tương tự rất phức tạp dẫn đến giá thành của hệ thống cao.
1.4.3. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA
CDMA (Code Division Multiplex Access) là phương pháp truy nhập ứng dụng kỹ thuật trải phổ, trong đó mọi đối tượng có thể :
Được phép hoạt động đồng thời.
Hoạt động tại tần số như nhau.
Sử dụng toàn bộ băng tần của hệ thống cùng một lúc mà không gây nhiễu sang thông tin của đối tượng khác.
Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA là phương pháp đa truy nhập mà ở đó các trạm mặt đất có thể phát tín hiệu một cách liên tục và đồng thời, và sử dụng cùng một băng tần của kênh. Trong CDMA, mỗi sóng mang phát được điều chế bằng một mã đặc biệt qui định cho mỗi trạm mặt đất và trạm mặt đất thu có thể tách được tín hiệu cần thu khỏi các tín hiệu khác nhờ mã đặc biệt đó. Tập hợp các mã cần dùng phải có các thuộc tính tương quan sau đây:
Mỗi mã phải có thể được phân biệt một cách dễ dàng với bản sao của chính nó bị dịch chuyển theo thời gian.
Mỗi mã phải có thể được phân biệt một cách dễ dàng bất chấp các mã khác được sử dụng trên mạng.
Việc truyền dẫn tín hiệu hữu ích kết hợp với mã đòi hỏi môt băng thông lớn hơn nhiều so với băng thông yêu cầu để truyền dẫn chỉ riêng thông tin hữu ích. Đó là lý do vì sao người ta gọi là truyền dẫn trải phổ.
Đặc điểm của CDMA:
Hoạt động đơn giản, do nó không đòi hỏi bất kỳ sự đồng bộ truyền dẫn nào giữa các trạm. Đồng bộ duy nhất là đồng bộ của máy thu với chuỗi sóng mang thu được.
Nhờ việc trải phổ ở phía phát và thu hẹp phổ ở phía thu nên nó có khả năng chống lại can nhiễu giữa các hệ thống và nhiễu do hiện tượng đa đường truyền rất tốt, đồng thời có tính bảo mật của tín hiệu cao.
Bên cạnh các ưu điểm như trên, CDMA vẫn tồn tại nhược điểm như hiệu quả sử dụng băng tần kém, độ rộng băng tần truyền dẫn yêu cầu lớn. Tuy vậy CDMA rất phù hợp đối với các mạng có các trạm nhỏ với độ rộng chùm tia anten lớn và đối với truyền thông vệ tinh với các máy di động.
1.4.4. Phương pháp đa truy nhập phân phối trước và đa truy nhập phân phối theo yêu cầu
1.4.4.1. Đa truy nhập phân phối trước
Đa truy nhập phân phối trước là một phương pháp đa truy nhập mà trong đó các kênh vệ tinh được phân bố cố định cho tất cả các trạm mặt đất khác nhau, bất chấp có hay không có các cuộc gọi phát đi.
1.4.4.2. Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu
Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu là phương pháp đa truy nhập mà trong đó các kênh vệ tinh được sắp xếp lại mỗi khi có yêu cầu thiết lập kênh từ các trạm mặt đất có liên quan. Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu cho phép sử dụng có hiệu quả dung lượng kênh của vệ tinh đặc biệt khi một số trạm mặt đất có dung lượng nhỏ sử dụng chung một bộ phát đáp như trong trường hợp hệ thống điện thoại vệ tinh trên biển.
1.5. Sự phân cực sóng
Hình 1.6: Sự phân cực sóng
Trường điện từ của sóng vô tuyến điện khi truyền qua một môi trường thì dao động theo một hướng nhất định, tuỳ theo kiểu dao động đó mà ta có hai loại phân cực. Hai loại phân cực sóng vô tuyến điện được sử dụng trong thông tin vệ tinh là sóng phân cực thẳng và sóng phân cực tròn. Trong phân cực tròn được chia làm hai loại là phân cực tròn và phân cực elip như hình vẽ.
1.5.1. Sóng phân cực thẳng
Một sóng phân cực thẳng có thể được tạo ra bằng cách dẫn các tín hiệu từ một ống dẫn sóng chữ nhật đến một 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 phải bố trí giống như tư thế anten phía phát. Trong trường hợp khi đặt anten thu vuông góc với anten phát thì không thể thu được sóng này ngay cả khi sóng đi vào ống dẫn sóng. Ta dễ dàng tạo ra sóng phân cực thẳng, nhưng cần phải điều chỉnh hướng của ống dẫn sóng anten thu sao cho song song với mặt phẳng phân cực sóng đến.
Hình 1.7a: Sóng phân cực thẳng phân cực đứng
Phân cực thẳng có 2 dạng là phân cực đứng và phân cực ngang như hình vẽ:
Hình 1.7b: Sóng phân cực thẳngphân cực ngang
1.5.2. Sóng phân cực tròn
Sóng phân cực tròn là sóng trong khi lan truyền 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 nhau và góc lệch pha là 900.
Hình 1.8a: Sóng phân cực tròn
Sóng phân cực tròn là phân cực phải hay trái phụ thuộc vào sự khác nhau giữa các sóng phân cực thẳng là sớm pha hay chậm pha.
Đối với sóng phân cực tròn mặc dù không cần điều chỉnh hướng của loa thu, nhưng mạch phi-đơ của anten lại trở nên phức tạp hơn đôi chút.
Trong thông tin vệ tinh, sóng phân cực tròn được chọn để sử dụng nhờ có tính ưu việt sau:
- Sự chênh lệch giữa phân cực tròn phải và phân cực tròn trái là khá lớn. Vì vậy mà việc phát và thu tín hiệu không ảnh hưởng lên nhau với kỹ thuật sử dụng lại tần số.
-Trong khoảng tần số từ 4GHz đến 6GHz thì mức độ phân cách giữa hai phân cực phải và phân cực trái rõ rệt, do đó chúng không gây giao thoa hay can nhiễu lên nhau.
1.6. Cửa sổ tần số
Hình 1.9: Đồ thị biểu diễn suy hao do mưa và tầng điện ly theo tần số
Các sóng vô tuyến điện truyền đến hay đi từ các vệ tinh thông tin chịu ảnh hưởng của tầng điện ly và khí quyển. Tầng điện ly là một lớp khí loãng bị ion hoá bởi các tia vũ trụ, có độ cao từ 60km đến 400km so với mặt đất, lớp mang điện này có tính chất hấp thụ và phản xạ sóng. Do các biến đổi trạng thái của tầng điện ly, làm giá trị hấp thụ và phản xạ thay đổi gây ra sự biến thiên cường độ sóng đi vào, gọi là sự thăng giáng. Tuy nhiên tính chất này ảnh hưởng chủ yếu đối với băng tần thấp, khi tần số càng cao ảnh hưởng của tầng điện ly càng ít, các tần số ở băng sóng viba (1GHz) hầu như không bị ảnh hưởng của tầng điện ly. Khi tần số >10GHz thì cần tính toán suy hao do mưa như hình vẽ.
Từ hình vẽ ta thấy các tần số nằm trong khoảng giữa 1GHz và 10GHz thì suy hao kết hợp do tầng điện ly và mưa nhỏ là không đáng kể, do vậy băng tần này được gọi là "cửa sổ tần số". Lúc đó nếu sóng nằm trong cửa sổ vô tuyến thì suy hao truyền dẫn có thể được xem gần đúng là suy hao không gian tự do.
Hình 1.10: Suy hao trong không gian tự do
Vì vậy, cho phép thiết lập các đường thông tin vệ tinh ổn định, nhưng phải lưu ý đến sự can nhiễu với các đường thông tin viba trên mặt đất vì các sóng trong thông tin viba cũng sử dụng tần số nằm trong cửa sổ này. Ngoài ra, khi mưa lớn thì suy hao do mưa trong cửa sổ tần số cần phải được tính toán, xem xét thêm để kết quả tính toán có độ chính xác cao hơn.
1.7. Suy hao trong thông tin vệ tinh
Một tuyến thông tin vệ tinh bao gồm đường truyền sóng từ anten của trạm phát đến vệ tinh (tuyến lên - uplink) và từ vệ tinh đến anten của trạm mặt đất thu (tuyến xuống - downlink).
Do đó suy hao trong thông tin vệ tinh gồm các loại suy hao sau:
1.7.1. Suy hao trong không gian tự do
Đối với vệ tinh điạ tĩnh ở độ cao 35.768km, cự ly thông tin cho một tuyến lên hay một tuyến xuống gần nhất là 35.768km. Do cự ly truyền sóng trong thông tin vệ tinh lớn như vậy nên suy hao trong không gian tự do là suy hao lớn nhất. Gọi suy hao này là , ta có:
[dB]
Trong đó:
d [km]: là chiều dài của tuyến lên hay tuyến xuống.
[m]: bước sóng công tác.
Bước sóng được đổi ra tần số công tác với quan hệ .
c: vận tốc ánh sáng c = 3.108 m/s.
f: tần số công tác [GHz].
Trong đơn vị dB,
Suy hao không gian tự do của tuyến lên hay xuống khi công tác ở băng C 4/6GHz) vào khoảng 200dB. Để bù vào suy hao này, đảm bảo cho máy thu nhận được một tín hiệu đủ lớn cỡ -90dBm đến -60dBm, người ta sử dụng anten có đường kính đủ lớn hàng chục mét để có hệ số tăng ích lớn khoảng 60dB và máy phát có công suất lớn hàng trăm dến hàng ngàn W.
Xét trường hợp một máy phát có công suất bức xạ là 100W cho mỗi sóng mang, công tác ở băng C (6/4GHz). Nếu chỉ tính đến suy hao không gian tự do là 200dB thì công suất thu được ở sóng mang đó sẽ là:
Tính theo dBW: = 20 (dBW) - 200 (dB) = -180 (dBW) = -150 (dBmW).
Với công suất nhỏ như vậy thì máy thu không thể thu được tín hiệu, để có được công suất đầu vào máy thu khoảng -70dBm thì ta phải sử dụng anten phát và thu có hệ số tăng ích lớn. Nếu hệ số tăng ích của anten trạm mặt đất là GR = 50dB thì anten thu trên vệ tinh có hệ số tăng ích GT = 30dB.
Ngoài suy hao chính trong không gian tự do còn có các suy hao khác tuy không lớn nhưng khi tính toán tuyến thông tin vệ tinh mà ta không xét hết các khả năng xấu nhất do ảnh hưởng của môi trường truyền sóng thì khi xảy ra các hiện tượng đó chất lượng thông tin sẽ xấu đi và có thể làm gián đoạn thông tin. Các suy hao đó được trình bày sau đây.
1.7.2. Suy hao do tầng đối lưu
Tầng đối lưu là lớp khí quyển nằm sát mặt đất lên đến độ cao (10km-15km) (theo quy định của tầng đối lưu tiêu chuẩn), bao gồm các chất khí chính hấp thụ sóng gây ra suy hao như hơi nước, Oxy, Ozon, Cacbonic. Suy hao này phụ thuộc nhiều vào tần số và góc ngẩng của anten và chỉ đáng kể khi tần số công tác từ 10GHz trở lên, nghĩa là khi công tác ở băng Ku (14/12GHz) hay băng Ka (30/20GHz). Anten có góc ngẩng càng lớn thì suy hao tầng đối lưu càng nhỏ, do đường truyền của sóng trong tầng đối lưu càng ngắn. Tại các tần số 21GHz và 60GHz có các suy hao cực đại, đó là do sự cộng hưởng hấp thụ đối với các phân tử hơi nước và Oxy.
1.7.3. Suy hao do tầng điện ly
Tầng điện ly là lớp khí quyển nằm ở độ cao khoảng 60km đến 400km, do bị ion hoá mạnh nên lớp khí quyển ở độ cao này bao gồm chủ yếu là các điện tử tự do, các ion âm và dương nên được gọi là tầng điện ly. Sự hấp thụ sóng trong tầng điện ly giảm khi tần số tăng, ở tần số trên 600MHz thì sự hấp thụ không đáng kể.
1.7.4. Suy hao do thời tiết
Suy hao do các điều kiện thời tiết như mây, mưa, sương mù, suy hao này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cường độ mưa hay sương mù, vào tần số, vào chiều dài quãng đường đi của sóng trong mưa, chiều dài này phụ thuộc vào góc ngẩng anten. Khi góc ngẩng tăng, suy hao giảm, với góc ngẩng anten khoảng 400 trở lên thì suy hao không đáng kể, lúc đó suy hao do mưa khoảng 0,6 dB, suy hao do sương mù khoảng 0,2dB, còn suy hao trong các chất khí rất nhỏ có thể bỏ qua. Nói chung khi tần số và cường độ mưa tăng thì suy hao tăng nhanh, đặc biệt trong khoảng tần số từ 10GHz đến 100GHz.
Suy hao thực tế tuỳ thuộc vào góc ngẩng anten, độ cao đặt anten so với mức nước biển, chiều cao cơn mưa và sương mù mà đoạn đường đi thực tế của sóng qua vùng đó là khác nhau. Suy hao trên toàn bộ đoạn đường có chiều dài Le sóng đi qua là:
Trong đó: là hệ số suy hao trên đoạn đường 1km (dB/km), phụ thuộc tần số, môi trường gây suy hao như cường độ mưa hay độ dày của sương mù.
Le : là chiều dài thực tế sóng đi qua vùng gây suy hao (km), phụ thuộc góc ngẩng anten, độ cao đặt anten, được xác định theo công thức:
Với hm là độ cao của cơn mưa (km), theo khuyến nghị 564 của CCIR ở vĩ độ từ 00 đến 560 lấy hm = 3 + 0,028 (km).
hs là độ cao anten trạm mặt đất so với mức nước biển (km).
E là góc ngẩng anten (độ).
1.7.5. Suy hao do đặt anten chưa đúng
Khi anten phát và thu lệch nhau thì sẽ tạo ra suy hao vì búp chính của anten thu hướng không đúng chùm tia phát xạ của anten phát.
Thường thì suy hao do đặt anten chưa đúng từ 0,8 đến 1 dB.
Hình 1.11: Sai lệch do đặt anten chưa đúng
1.7.6. Suy hao trong thiết bị phát và thu
Hình 1.12: Suy hao trong thiết bị phát và thu
Suy hao trong thiết bị phát và thu còn gọi là suy hao do hệ thống fiđơ, có hai loại như sau:
Suy hao LFTX giữa máy phát và anten, để anten phát được công suất PT cần phải cung cấp một công suất PTX ở đầu ra của bộ khuếch đại phát, do vậy:
PT [dB] = PTX – LFTX
Suy hao LFRX giữa anten và máy thu, công suất PRX ở đầu vào máy thu bằng:
PR [dB] = PRX – LFRX
Trong các hệ thống vệ tinh hiện nay, để đơn giản thường lấy hệ số tổn hao fiđơ LFRX = LFTX = 2dB. Suy ra LFTX = LFRX = 10-0,2 lần.
1.7.7. Suy hao do phân cực không đối xứng
Suy hao do phân cực không đối xứng xảy ra khi anten thu không đúng hướng với sự phân cực của sóng nhận. Vớí đường truyền phân cực tròn, sóng phát chỉ được phân cực tròn trên trục anten phát và nó sẽ trở thành elip khi ra khỏi trục anten đó. Khi truyền qua bầu khí quyển cũng có thể làm thay đổi phân cực tròn thành phân cực elip. Còn trong đường truyền phân cực thẳng thì sóng có thể bị quay mặt phẳng phân cực của nó khi đường truyền đi qua khí quyển, do đó anten thu không còn mặt phẳng phân cực của sóng đứng và sóng tới. Suy hao do lệch phân cực thường chỉ 0,1dB.
1.8. Tạp âm trong thông tin vệ tinh
Trong một tuyến thông tin vệ tinh,tạp âm gây ra cho trạm mặt đất do nhiều nguyên nhân như sau:
1.8.1. Nhiệt tạp âm hệ thống
Trong một tuyến thông tin vệ tinh, tạp âm gây ra cho trạm mặt đất do nhiều nguyên nhân và được tính bằng nhiệt tạp âm tương đương TSYS và được gọi là nhiệt tạp âm hệ thống.
Nhiệt tạp âm hệ thống được xem là tổng của bốn thành phần được biểu diễn theo biểu thức:
Trong đó:
TSYS là nhiệt tạp âm hệ thống; TSlà nhiệt tạp âm bên ngoài; TA là nhiệt tạp âm anten
TF là nhiệt tạp âm của hệ thống fi đơ; TR là nhiệt tạp âm hiệu dụng đầu vào máy thu
LF là suy hao của hệ thống fi đơ, được đưa vào tính toán với nhiệt tạp âm bên ngoài, nhiệt tạp âm an ten và nhiệt tạp âm fiđơ vì 3 loại tạp âm này có liên quan đến suy hao của fiđơ. Ta lần lượt xét đến các loại tạp âm này.
Hình 1.13: Các nguồn tạp âm ảnh hưởng đến thông tin vệ tinh
1.8.1.1. Nhiệt tạp âm bên ngoài TS và nhiệt tạp âm anten TA
Nhiệt tạp âm bên ngoài và anten bao gồm:
+ Nhiệt tạp âm không gian: gồm các thành phần sau:
- Nhiệt tạp âm vũ trụ: tác động ở tần số vô tuyến là do bức xạ từ vũ trụ còn dư lại (khoảng 2,760K)
- Nhiệt tạp âm của dải ngân hà: nếu hướng anten vào vùng có số sao cực đại của dải ngân hà thì nhiệt tạp âm có thể lên đến gần 1000K trong vùng tần số từ 0,3GHz đến1,2GHz.
- Nhiệt tạp âm của mặt trời: mặt trời bức xạ ra sóng điện từ ở tất cả các tần số, đặc biệt là ở dải viba (microwave). Nhiệt tạp âm do mặt trời gây ra cho trạm mặt đất phụ thuộc vào hướng anten, nếu mặt trời nằm ngoài vùng phủ sóng của búp chính anten thì nhiệt tạp âm dưới 500K. Còn khi mặt trời chiếu thẳng vào anten thì nhiệt tạp âm lên đến 10.0000K hoặc có thể hơn tuỳ thuộc tần số công tác, kích thước mặt phản xạ và số vết đen của mặt trời (số vết đen thể hiện sự hoạt động mạnh hay yếu của mặt trời).
Trường hợp trạm mặt đất - vệ tinh - mặt trời nằm trên cùng một đường thẳng chỉ xảy ra một vài ngày trong năm vào mùa xuân làm cho thông tin bị gián đoạn vài ba phút.
+ Nhiệt tạp âm do khí quyển (nhiệt tạp âm do tầng đối lưu): nó phụ thuộc vào chiều dài quãng đường đi của sóng trong tầng đối lưu (độ cao 15 km từ mặt đất). Nói cách khác chính là phụ thuộc vào góc ngẩng của anten, tần số công tác.
+ Nhiệt tạp âm do mưa, được xác định bằng công thức:
Trong đó: TM[0K] là nhiệt tạp âm do mưa; LM là suy hao do mưa, LM = 16,57
Tm : nhiệt độ trung bình của cơn mưa
[0K]
Txq [0K] là nhiệt độ xung quang trạm mặt đất.
+ Nhiệt tạp âm từ trạm mặt đất xung quanh trạm:
Vì anten của trạm mặt đất hướng lên bầu trời nên nhiệt tạp âm của mặt đất gây ra chủ yếu do búp phụ và búp ngược, một phần cho búp chính khi anten có tính định hướng kém và góc ngẩng nhỏ.
- Nhiệt tạp âm cho mỗi búp phụ gây ra được tính theo công thức:
Ti = Gi x TD
Trong đó: Gi là hệ số tăng ích của búp phụ
TD là nhiệt độ chiếu sáng mặt đất do mặt trời tạo ra
TD = 1500K khi góc ngẩng từ 00 đến 100
TD = 100K khi góc ngẩng từ 100 đến 900.
Ngoài ra còn nhiệt tạp âm do các chướng ngại ở gần như toà nhà, các mái che (ví dụ như vòm cây), do các bộ phận cản trở trong anten như các thanh đỡ, bộ tiếp sóng (nguồn bức xạ sơ cấp) và bộ suy hao búp phụ gây ra.
1.8.1.2. Nhiệt tạp âm hệ thống fi đơ TF
Nhiệt tạp âm hệ thống fiđơ được tính bởi biểu thức sau:
[0K]
Trong đó; T0: nhiệt độ môi trường (0K).
LF:suy hao của hệ thống fiđơ.
TF tăng khi LF tăng dẫn đến công suất tạp âm bên trong gây ra bởi hệ thống fiđơ tăng lên. Do đó cần thiết kế các phương tiện sao cho có hệ thống fiđơ là nhỏ nhất. Một cách gần đúng có thể coi nhiệt tạp âm fiđơ là 2900K.
1.8.1.3. Nhiệt tạp âm máy thu TR
Nhiệt tạp âm máy thu bằng tổng nhiệt tạp âm gây ra trong mỗi phần của máy thu. Nó được tính bởi công thức sau:
Trong đó: TR: nhiệt tạp âm máy thu
G1,G2,…,Gk: hệ số khuếch đại từng phần
T1,T2,…,Tk: nhiệt tạp âm đầu vào
Nếu hệ số khuếch đại tầng đầu đủ lớn thì tạp âm tại các tầng tiếp theo có thể bỏ qua. Do đó yêu cầu tầng đầu tiên phải có hệ số khuếch đại lớn và tạp âm thấp, vì vậy trong thông tin vệ tinh dùng các bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA-Low Noise Amplifier). Một cách gần đúng ta coi nhiệt tạp âm tầng đầu này cũng là nhiệt tạp âm của máy thu.
1.8.2. Công suất tạp âm hệ thống
Công suất tạp âm hệ thống N được biểu thị bởi biểu thức:
Trong đó; N: công suất tạp âm do nguồn tạp âm gây ra trong độ rộng băng tần B[Hz].
TSYS: nhiệt tạp âm hệ thống.
k: hằng số Boltzman.
k = 1,38.10-23 W/Hz.0K = -228,6 dBW/Hz.K
B: băng thông cấp cho mỗi sóng mang.
Trường hợp âm tính trong độ rộng băng tần 1 Hz thì công suất tạp âm sinh ra gọi là mật phổ tạp âm N0 và bằng: N0 = N/B [W/Hz], nhiệt tạp âm tương đương sẽ bằng:
TSYS = No/k
1.8.3. Công suất nhiễu tạp âm
1.8.3.1. Can nhiễu khác tuyến
Các tuyến thông tin vệ tinh có thể bị nhiễu trong các trường hợp như sau:
+ Tuyến viba mặt đất đến vệ tinh thông tin.
+ Tuyến viba mặt đất đến trạm mặt đất.
+ Vệ tinh thông tin khác đến trạm mặt đất.
+ Can nhiễu giữa viba và trạm mặt đất: Có hai trường hợp
Trường hợp thứ nhất, đường thông tin viba mặt đất có cùng tần số làm việc với đường lên của hệ thống thông tin vệ tinh, bởi vậy tín hiệu viba mặt đất được trộn với tín hiệu ở đầu vào máy thu vệ tinh.
Trường hợp thứ hai, đường thông tin vi ba mặt đất có tần số bằng tần số đường xuống của hệ thống thông tin vệ tinh, bởi vậy ở đầu vào máy thu trạm mặt đất cũng bị trộn với tín hiệu của đường thông tin viba mặt đất.
Hình 1.14a: Can nhiễu giữa viba và trạm mặt đất và vệ tinh
Trong thiết kế tuyến thực tế, phải đặt trạm mặt đất sao cho nhiễu xảy ra ít nhất, nhiễu nhỏ nhất bằng cách sử dụng anten có các đặc tính búp phụ tốt. Mặc dù mục tiêu cơ bản thiết kế tuyến đối với vệ tinh thông tin là để loại bỏ nhiễu, nếu điều này không thể thực hiện được thì trong thiết kế tuyến phải bao hàm cả lượng nhiễu cho phép. Nhiễu thường không thể đánh giá được bằng tính toán, ví dụ như trong thành phố có nhiều vật cản phản xạ quanh nơi đặt trạm mặt đất. Vì thế phải dùng phương pháp đo thực tế để đo nhiễu.
+ Sự can nhiễu từ vệ tinh thông tin khác đến trạm mặt đất:
Hình 1.14 cho ta thấy can nhiễu xảy ra do các vệ tinh đặt gần nhau. Ta xem xét tín hiệu can nhiễu từ vệ tinh 1 tác động lên trạm mặt đất 2 và tín hiệu can nhiễu từ vệ tinh 2 tác động lên trạm mặt đất 1. Khi góc càng nhỏ (tương ứng với 2 vệ tinh đặt càng gần nhau) thì ảnh hưởng của chúng lên trạm mặt đất càng lớn.
Hình 1.14b: Can nhiễu giữa viba và trạm mặt đất và vệ tinh
Trong thực tế, tỷ số công suất của sóng mang trên sóng can nhiễu C/N giữa các vệ tinh có thể lớn hơn hoặc bằng 30dB (1000 lần) khi hai vệ tinh đặt cách nhau khoảng 30 ngay trên quỹ đạo, ngay cả nếu các anten của chúng cùng chiếu vào cùng một vị trí.
Hình 1.15: Can nhiễu giữa các hệ thống thông tin vệ tinh
1.8.3.2. Nhiễu cùng tuyến
Nhiễu có thể tạo ra ngay trong tuyến, gọi là nhiễu cùng tuyến, bao gồm:
+ Tạp âm nhiễu khử phân cực
Loại nhiễu này thường xảy ra trong hệ thống thông tin phân cực kép, nó bị chi phối bởi các đặc tính của anten. Để triệt tạp âm nhiễu khử phân cực, chọn loại anten có XPD (khả năng phân biệt phân cực chéo) lớn, thường thì XPD của anten khoảng 30dB, nhưng ở tần số 10GHz thì XPD của anten lại giảm do mưa.
+ Tạp âm nhiễu kênh lân cận.
Nhiễu này gây ra bởi kênh lân cận có cùng phân cực với tuyến vệ tinh đang xét. Có thể triệt nhiễu kênh lân cận bằng một bộ lọc có đặc tính cắt nhọn.
1.8.3.3. Tạp âm méo xuyên điều chế
................
: Tỉ số công suất sóng mang trên nhiễu tuyến xuống.
: Tỉ số công suất sóng mang trên nhiễu xuyên điều chế.
: Tỉ số công suất sóng mang trên nhiễu giao thoa với tuyến lên.
: Tỉ số công suất sóng mang trên nhiễu giao thoa với tuyến xuống.
Trong trường hợp sử dụng phương pháp tuyến tính hóa, chèn vào tầng trước của mạch khuếch đại công suất cao HPA một mạch điện với đặc tính bổ sung (bù) đặc tuyến không đường thẳng của bộ khuếch đại để cải thiện tuyến tính của toàn bộ mạch điện thì có thể bỏ qua nhiễu xuyên điều chế. Ngoài ra, nếu nhiễu giao thoa tuyến lên và tuyến xuống đủ nhỏ để có thể bỏ qua thì biểu thức tính toán tỉ số công suất sóng mang trên nhiễu toàn tuyến được biểu diễn như sau:
Đổi ra đơn vị dB ta được:
[dB]
Bảng 3.3: Quan hệ giữa C/N và chất lượng tín hiệu thu được.
|
C/N |
Tình trạng chất lượng hình ảnh và âm thanh |
|
>14 |
Hình ảnh và âm thanh hoàn hảo, đạt mọi tiêu chuẩn cấp cao. |
|
12 |
Hình ảnh rất tốt, chưa có nhiễu. Chất lượng tương đương với truyền hình cáp. |
|
10 |
Hình ảnh còn xem được. Màu sắc bình thường nhưng đã xuất hiện ít nhiễu bột. |
|
8 |
Hình ảnh và âm thanh còn trong giới hạn cho phép xem được, tuy chưa mất màu nhưng thấy rõ hạt nhiễu và nghe được âm thanh. |
|
<8 |
Nhiễu hột tạp âm lớn, thỉnh thoảng mất màu, khó xem. |
Vậy, nếu tín hiệu truyền dẫn là tín hiệu hình ảnh và âm thanh, dựa vào bảng 3.3 ta có thì tín hiệu thu được có hình ảnh và âm thanh hoàn hảo, đạt mọi tiêu chuẩn cấp cao.
Vậy tuyến được thiết kế trên đạt yêu cầu đề ra.
Chương 4: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG
VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
4.1 Giới thiệu
Việc tính toán thiết kế tuyến của hệ thống thông tin vệ tinh đòi hỏi quá trình lựa chọn thông số của hệ thống không chỉ một lần mà phải thực hiện nhiều lần để đạt được sự tối ưu. Với sự trợ giúp của máy tính thì việc tính toán trở nên đơn giản hơn nhiều. Đây là chương trình tính toán tỉ số (C/No) tuyến lên, tuyến xuống và đường ra dữ liệu dựa vào các công thức khi nhập các thông số liên quan. Kết quả tính toán này được so sánh với (C/No) cho phép). Nếu như tuyến không đạt thì ta thay đổi các thông số nhập vào (với những thông số có thể thay đổi được) và thực hiện lại. Nếu được thì tuyến xem như đạt được yêu cầu.
4.2 Sơ đồ tổ chức công việc
4.3 Chương trình mô phỏng
- Trên giao diện chính cho phép ta nhập các thông số cần thiết để tính toán tuyến thông tin.
-Sau khi nhập đầy đủ thông số ta chọn “TÍNH” để chương trình đưa ra kết quả tính toán và kết luận.
- Khi ta cần nhập lại thông số ta chọn “xóa” để các mục thông số về trạng thái ban đầu để ta nhập lại để tính.
4.4 Kết quả mô phỏng
- Trường hợp 1: ta chọn công suất phát trạm mặt đất là 40W và đường kính anten là 5m .ta có kết quả mô phỏng như sau:
- Trường hợp 2:ta chọn công suất phát trạm mặt đất là 80W và đường kính anten là 5m .ta có kết quả mô phỏng như sau:
- Trường hợp 3: ta chọn công suất phát trạm mặt đất là 800W và đường kính anten là 5m .ta có kết quả mô phỏng như sau:
- Trường hợp 4: ta chọn công suất phát trạm mặt đất là 40W và đường kính anten là 10m .ta có kết quả mô phỏng như sau:
- Trường hợp 5: ta chọn công suất phát trạm mặt đất là 80W và đường kính anten là 10m .ta có kết quả mô phỏng như sau:
- Trường hợp 6: ta chọn công suất phát trạm mặt đất là 150W và đường kính anten là 10m .ta có kết quả mô phỏng như sau:
- Trường hợp 7: ta chọn công suất phát trạm mặt đất là 40W và đường kính anten là 15m .ta có kết quả mô phỏng như sau:
NHẬN XÉT:
Qua kết quả mô phỏng:
khi ta chọn đường kính anten là 5m thì cần một công suất trạm mặt đất rất lớn gần 1000W mới đảm bảm yêu cầu.
khi ta chọn đường kính anten là 10m thì cần một công suất trạm mặt đất gần 150W mới đảm bảm yêu cầu.
khi ta chọn đường kính anten là 15m thì cần một công suất 40W sẽ đảm bảm yêu cầu.
Từ đó ta có thể thấy được chọn đường kính anten là 15m và công suất phát trạm mặt đất là 40W là phù hợp nhất để thiết kế.
Qua việc mô phỏng ta thấy được rằng để một tuyến thông tin được đảm bảo cần phải lựa chọn các thông số một cách hợp lý phù hợp với yêu cầu mà tuyến cần cũng cần quan tâm đến lợi ích về kinh tế mà tuyến đem lại.
Qua kết quả mô phỏng ta thấy có 2 sự lựa chọn phù hợp với yêu cầu đó là:đường kính anten10m với công suất trạm mặt đất là 150W và đường kính anten15m với công suất trạm mặt đất là 40W. Ở đây em chọn phương án đường kính anten15m với công suất trạm mặt đất là 40W bởi vì khi công suất lớn sẽ ảnh hưởng nhiều đến tuyến cũng như những lợi ích về kinh tế.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Khi vệ tinh VINASAT-1 đi vào hoạt động đã giải quyết được mọi khó khăn tồn tại trước đây như: địa hình, khoảng cách, giải quyết được những nơi mà mạng thông thường không thể triển khai được, giảm được chi phí cho việc thuê vệ tinh từ các nước khác ,…Vệ tinh VINASAT-1 kết hợp mạng viễn thông mặt đất có sẳn đảm bảo thông tin liên lạc vững chắc cho hệ thống thông tin quân sự, phục vụ nhu cầu thông tin liên lạc của nhân dân.
Đồ án này đã trình bày tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh và lịch sử phát triển của thông tin vệ tinh cùng với các dịch vụ triển khai qua vệ tinh.
Mục đích của đồ án là phân tích nguyên lý hoạt động ,phương pháp truyền dẫn thông tin qua vệ tinh. cũng như các vấn đề ảnh hưởng đến quá trình truyền thông tin qua vệ tinh. Dựa vào các nghiên cứu và phân tích đó để trang bị các thiết bị và kỹ thuật phù hợp để truyền dẫn thông tin qua vệ tinh tốt nhất trong điều kiện xấu nhất có thể.
Trong đồ án này bằng việc sử dụng chương trình mô phong tính toán ta có thể dễ dàng thay đổi các thông số tuyến để lựa chọn thông số thiết kế phù hợp. Để đánh giá chất lượng tuyến em dựa vào tỉ số chất lượng trên nhiễu của toàn tuyến .
Trong thời gian sớm tới vệ tinh VINASAT-2 được phóng lên, do đó đạo cơ hội rất lớn để học tập và nghiên cứu cũng như mở ra nhiều dịch vụ mới. Đối với nước ta vệ tinh vẫn là lĩnh vực mới lạ so nhiều nước phát triển. Trong thời gian không lâu chúng ta sẽ làm chủ được lĩnh vực này với sự giúp đỡ của nhiều nước có kinh nghiệm. Hướng phát triểm của đề tài là tiếp tục nghiên cứu sâu hơn nữa để từng bước làm chủ các khâu kỹ thuật quan trọng của vệ tinh.
Do những hạn chế từ khách qun và chủ quan nên trong đồ án này chắc không thể tránh được những thiếu sót , em rất mong nhận được sự góp ý nhiều hơn nữa từ các thầy cô để đề tài này hoàn thiện hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Văn Tuấn,”Thông tin vi ba vệ tinh”, Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam
[2] Vệ tinh địa tĩnh, đại học công nghệ,đại học quốc gia Hà Nội.
[3] Lý thuyết thông tin vệ tinh, đại học công nghệ,đại học quốc gia Hà Nội.
[4] Nguyễn Trung Tấn, Bài giảng thông tin vệ tinh, trung tâm kỹ thuật viễn thông, Nxb Học viện Quân Sự.
[5] Tổng quan Dự án Thông tin vệ tinh(2008), Nxb Bộ Tư lệnh thông tin
Tài liệu tiếng Anh
[6] Thaicom Satellite System Seminar, Shinawatra Satellite Public Co Ltd,1998
[7] Television by Satellite Seminar, Melbourne, Australia,1998
Tài liệu trên Internet
[8] http://www. ebooks.edu.vn/
[9] http://www.dvb.org/
[10] http://www.lyngsat.com/
[11] http://gralib.hcmuns.edu.vn/sachmoi/2010/01-10/vetinh1.pdf
[12] http://www.vinasat.com.vn/32/115/441.html
[13] http://vi.wikipedia.org/wiki/Vinasat-1
[14] http://doc.edu.vn/tai-lieu/tim-hieu-ve-vinasat-4541/
PHẦN PHỤ LỤC
*Chương trình tính toán tuyến thông tin
Public Function Arcsin(X As Double) As Double
'tinh arcsin cua 1 so x
If (Sqr(1 - X * X) <= 0.000000000001) And (Sqr(1 - X * X) >= -0.000000000001) Then
Arcsin = PI / 2
Else
Arcsin = Atn(X / Sqr(-X * X + 1))
End If
End Function
Public Function Arccos(X As Double) As Double
'tinh arccos cua 1 so x
If Round(X, 8) = 1# Then Arccos = 0#: Exit Function
If Round(X, 8) = -1# Then Arccos = PI: Exit Function
Arccos = Atn(-X / Sqr(-X * X + 1)) + 2 * Atn(1)
End Function
Private Sub UniButton1_Click()
'click de xoa cac thong so va ket qua
UniTextBox1.Text = 132
UniTextBox2.Text = 108.2
UniTextBox3.Text = 16
