Tài liệu Luận văn thạc sĩ tính đường truyền cho hệ thống thông tin vinasat

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------- CHU TUẤN LINH TÍNH ĐƢỜNG TRUYỀN CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VINASAT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI - 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------- CHU TUẤN LINH TÍNH ĐƢỜNG TRUYỀN CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VINASAT Chuyên ngành : Vật lý Vô tuyến và Điện tử Mã số: 60 44 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Viết Kính Hà nội - 2012 1 MỤC LỤC DANH MụC HÌNH Vẽ ....................................................................................................................................... 3 DANH MụC CHữ VIếT TắT ............................................................................................................................. 4 MỞ ĐẦU ............................................................................................................................................................. 5 CHƢƠNG 1 :TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH........................................................ 6 1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống vệ tinh..................................................................................................... 6 1.2 Cấu trúc của một hệ thống thông tin vệ tinh ............................................................................................. 7 1.3 Một số đặc điểm của thông tin vệ tinh : .................................................................................................. 12 1.4 Các dạng quỹ đạo vệ tinh ....................................................................................................................... 13 1.5 Các băng tần cho thông tin vệ tinh ......................................................................................................... 15 Tóm Tắt chương : ......................................................................................................................................... 20 CHƢƠNG 2 : ĐẶC ĐIỂM THÔNG TIN VỆ TINH VINASAT ..................................................................... 21 2.1. Thông tin vệ tinh VINASAT-1 ................................................................................................................ 22 2.2Các chỉ tiêu kỹ thuật vệ tinh VINASAT-2 ................................................................................................. 29 2.3 So sánh vệ tinh Vinasat-1 và Vinasat-2 .................................................................................................. 31 2.4 Các dịch vụ cung cấp trên vệ tinh VINASAT-1&2 .................................................................................. 32 Tóm Tắt chương : ......................................................................................................................................... 37 CHƢƠNG 3 : TÍNH TOÁN ĐƢỜNG TRUYỀN THÔNG TIN VỆ TINH KHI CÓ NHIỄU ...................... 38 3.1 Phân tích đường truyền tuyến lên ........................................................................................................... 38 3.2 Phân tích đường truyền tuyến xuống ..................................................................................................... 41 3.3 Các suy hao ảnh hưởng tới chất lượng truyền dẫn ................................................................................. 46 3.4 Các biện pháp nâng cao chất lượng dịch vụ........................................................................................... 52 3.5 Nhiễu trong thông tin vệ tinh .................................................................................................................. 53 Tóm Tắt chương : ......................................................................................................................................... 59 CHƢƠNG 4 : TÍNH TOÁN ĐƢỜNG TRUYỀN THÔNG TIN VỆ TINH KHI CÓ NHIỄU GIỮA CÁC VỆ TINH LÂN CẬN CHO VỆ TINH VINASAT-1 ............................................................................................... 60 4.1 Nhắc lại một số công thức : .................................................................................................................... 60 4.2 Tính toán cho vệ tinh Vinasat ................................................................................................................. 64 4.3 Mô phỏng chất lượng tín hiệu sử dụng công nghệ DVB-S2 .................................................................... 66 4.4 Kết quả mô phỏng ................................................................................................................................... 67 4.5 Phân tích ảnh hưởng của nhiễu vệ tinh lân cận tới đường truyền thông tin vệ tinh ............................... 68 4.6 Xây dựng phần mềm tính chất lượng đường truyền thông tin vệ tinh khi có kể tới nhiễu giữa các vệ tinh lân cận .......................................................................................................................................................... 72 Tóm Tắt chương : ......................................................................................................................................... 73 KếT LUậN ........................................................................................................................................................... 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................................................. 75 PHụ LụC 1: CODE CủA CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ........................................................................... 76 2 Danh mục hình vẽ Hình 1. 1: Cấu trúc hệ thống TTVT [8] .................................................................................................. 8 Hình 1.2: Phân đoạn mặt đất ................................................................................................................ 11 Hình 1.3: Các dạng quỹ đạo của vệ tinh ............................................................................................... 13 Hình 1.4: Sự phụ thuộc hấp thụ khí quyển vào tần số........................................................................... 16 Hình 2.1:Phân bố phổ tần số băng tần C.............................................................................................. 23 Hình 2.2: Sơ đồ phân bổ tần số băng Ku .............................................................................................. 27 Hình 2. 3 Sơ đồ phân bổ tần số băng Ku [3] ........................................................................................ 29 Hình 2.4: Dịch vụ VSAT ........................................................................................................................ 34 Hình 2.5: Truyền dẫn cho mạng Internet qua vệ tinh ........................................................................... 34 Hình 2.6: Mô hình dịch vụ Kênh thuê riêng .......................................................................................... 35 Hình 2.7: Dịch vụ Mobile trunking qua vệ tinh .................................................................................... 35 Hình 2.8: Phát hình quảng bá qua vệ tinh ............................................................................................ 36 Hình 2.9: Đào tạo từ xa qua vệ tinh ...................................................................................................... 36 Hình 2.10: Phát hình lưu động............................................................................................................. 37 Hình 3.1: Nhiễu giữa các vệ tinh lân cận.............................................................................................. 56 Hình 3.2:Nhiễu vệ tinh lân cận do chỉnh anten phát không đúng ......................................................... 56 Hình 3.3: Khắc phục nhiễu vệ tinh lân cận do chỉnh anten phát không đúng ...................................... 57 Hình 3.4 : Nhiễu vệ tinh lân cận do công suất búp sóng phụ lớn ......................................................... 57 Hình 3.5 : Nhiễu vệ tinh lân cận do búp sóng chính quá lớn ................................................................ 58 Hình 3.6 : Nhiễu vệ tinh lân cận do trùng đường đẳng mức ................................................................. 58 Hình 4.1 : Kết quả mô phỏng chất lượng tuyến thông tin vệ tinh ......................................................... 67 Hình 4.2: Kết quả mô phỏng chất lượng tuyến TTVT sau khi điều chỉnh ............................................. 67 Hình 4.3: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tỷ số năng lượng bit trên cường độ tạp âm vào C/I ....... 69 Hình 4.4: Sự phụ thuộc của BER vào tỷ số C/I với băng thông R=2,048mbps..................................... 70 Hình 4.5: Sự phụ thuộc của E/No vào tỷ số C/I với băng thông R=3,072mbps .................................... 70 Hình 4. 6 : Sự phụ thuộc của C/I vào EIRP trạm gây nhiễu ................................................................. 71 Hình 4.7: Giao diện nhập số liệu của phần mềm .................................................................................. 73 Hình 4.8: Giao diện kết quả của phần mềm .......................................................................................... 73 3 Danh mục chữ viết tắt BER Bit Error rate C/I Carrier to noise C/No C/No C/T C/T DVB-S2 Eb/No EIRP Digital Video Broadcasting Satellite Second Generation Eb/No Equivalent isotropic radiated power Tỷ lệ lỗi bit Tỷ số công suất sóng mang tín hiệu hữu ích trên nhiễu Tỷ số công suất sóng mang trên mật độ phổ tạp âm Tỷ số công suất sóng mang trên nhiệt tạp âm hệ thống Truyền hình số qua vệ tinh thế hệ thứ 2 Năng lượng bit trên mật độ phổ tạp âm Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương G anten Antenna Gain Hệ số tăng ích của anten G/T G/T Hệ số phẩm chất GEO GEO-stationary earth orbits Quỹ đạo địa tĩnh HEO Highly elliptical orbit Quỹ đạo elip cao HPA High Power Amplifier Bộ khuyếch đại công suất lớn ISP Internet Service Provider nhà cung cấp dịch vụ Internet ITU International Telecommunication Union Tổ chức viễn thông quốc tế LEO Low earth orbits Quỹ đạo mặt đất tầm thấp LNA Low Noise Amplifier Bộ khuyếch đại tạp âm thấp MEO Medium Earth orbit Quỹ đạo vệ tinh tầm trung NOC Network Operations Center Trung tâm điều hành mạng SES Satellite Earth Station Trạm thông tin vệ tinh mặt đất SFD Saturated Flux Density Mật độ thông lượng bão hòa Thông tin vệ tinh TTVT VNPT Viet Nam Post and Telecommunications Group Tập đoàn bưu chính viễn thông Việt Nam VSAT Very small aperture terminal Đầu cuối có khẩu độ rất nhỏ VTI Vietnam Telecom International Công ty Viễn Thông Quốc tế 4 MỞ ĐẦU Thông tin vệ tinh đã trở thành một phương tiện thông tin phổ biến trên thế giới cũng như Việt Nam. Ngày nay, có thể thấy thông tin vệ tinh trong rất nhiều lĩnh vực, như truyền hình, truyền số liệu, điện thoại vệ tinh ... Với ưu điểm vùng phủ sóng lớn, dịch vụ cung cấp đa dạng đã khiến thông tin vệ tinh trở thành phương tiện hữu hiệu kết nối thông tin giữa các vùng địa lý với nhau, đặc biệt là đối với các vùng xa xôi như biên giới, hải đảo nơi các phương tiện thông tin khác khó đạt đến. Với các ưu thế trên,thông tin vệ tinh đang phát triển mạnh mẽ trên thế giới, Việt Nam cũng không đứng ngoài xu thế đó. Tuy nhiên, việc phát triển hệ thống thông tin vệ tinh dẫn tới số lượng vệ tinh trên quỹ đạo tăng nhanh, thực tế chỉ trong bốn năm ( từ năm 2008-2012) Việt Nam đã đưa vào hoạt động hai vệ tinh Vinasat-1 và Vinasat 2. Do đó vấn đề Tính toán đường truyền cho hệ thống thông tin vệ tinh (khi có kể tới nhiễu giữa các vệ tinh lân cận) là cấp thiết để đảm báo chất lượng dịch vụ cung cấp cho khách hàng. Luận văn sẽ trình bày phương pháp tính, khảo sát ảnh hưởng của nhiễu kênh lân cận tới chất lượng tuyến thông tin vệ tinh cũng như xây dựng phần mềm tính toán chất lượng kênh thông tin vệ tinh khi kể tới nhiễu kênh lân cận. Ngoài ra, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Viết Kính đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi hoàn thành cuốn luận văn này. 5 CHƢƠNG 1 :TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống vệ tinh Ngày nay vệ tinh được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như nghiên cứu, thông tin, truyền hình và có vai trò ngày càng quan trọng. Để hiểu rõ hơn tầm quan trọng của hệ thống thông tin vệ tinh, ta điểm qua lịch sử phát triển của nó [9]: - Vào cuối thế kỷ 19, nhà bác học Nga Tsiolkovsky (1857-1935) đã đưa ra các khái niệm cơ bản về tên lửa đẩy dùng nhiên liệu lỏng. Ông cũng đưa ra ý tưởng về tên lửa đẩy nhiều tầng, các tàu vũ trụ có người điều khiển thăm dò vũ trụ. - Năm 1926 Robert Hutchinson Goddard thử nghiệm thành công tên lửa đẩy dùng nhiên liệu lỏng. - Tháng 5 năm 1945 Arthur Clarke nhà vật lý nổi tiếng người Anh đồng thời là tác giả của mô hình viễn thông thông tin toàn cầu, đã đưa ra ý tưởng sử dụng một hệ thống gồm 3 vệ tinh địa tĩnh dùng để phát thanh quảng bá trên toàn thế giới. - Tháng 10 năm 1957 lần đầu tiên trên thế giới, Liên Xô phóng thành công vệ tinh nhân tạo SPUTNIK – 1. Đánh dấu một kỷ nguyên về thông tin vệ tinh - Năm 1958 bức điện đầu tiên được phát qua vệ tinh SCORE của Mỹ, bay ở quỹ đạo thấp. - Năm 1963 một vệ tinh địa tĩnh đầu tiên có tên là SYNCOM, có độ cao bay 36000 km đã truyền hình trực tiếp thế vận hội Olympic Tokyo từ Nhật về Mỹ. - Năm 1964 thành lập tổ chức TTVT quốc tế INTELSAT. - Năm 1965 ra đời hệ thông TTVT thương mại đầu tiên INTELSAT – 1 với tên gọi Early Bird. - Năm 1965 Liên Xô phóng vệ tinh MOLNYA lên quỹ đạo elip. - Năm 1971 thành lập tổ chức TTVT quốc tế INTERSPUTNIK gồm Liên Xô và 9 nước XHCN. - Năm 1972 – 1976 Canada, Mỹ, Liên Xô, Indonesia sử dụng vệ tinh cho thông tin nội địa. 6 - Năm 1979 thành lập tổ chức thông tin hàng hải quốc tế qua vệ tinh INMARSAT. - Năm 1984 Nhật Bản đưa vào sử dụng hệ thống truyền hình trực tiếp qua vệ tinh. - Năm 1987 thử nghiệm thành công vệ tinh phục vụ cho thông tin di động qua vệ tinh. - Từ 1999 đến nay, ra đời ý tưởng và hình thành hệ thống thông tin di động và thông tin băng rộng toàn cầu sử dụng vệ tinh. Các hệ thống điển hình như GLOBAL STAR, IRIDIUM, ICO, SKYBRIGDE, TELEDESIC Sự phát triển của hệ thống thông tin vệ tinh tại Việt Nam : - Năm 1980 khánh thành trạm TTVT mặt đất HOASEN – 1 nằm trong hệ thống TTVT INTERPUTNIK, được đặt tại làng DO LỄ - KIM BẢNG – HÀ NAM. - Năm 1984 khánh thành trạm mặt đất HOASEN – 2 đặt tại TPHCM. - Lúc 5h50 rạng sáng ngày 19/4, tên lửa Ariane 5 của Arianespace đã kết thúc cuộc hành trình đưa Vinasat-1 của Việt Nam vào quỹ đạo - Được phóng thành công lên không gian vào lúc 5h13 phút ngày 16/5/2012 (theo giờ Việt Nam), vệ tinh VINASAT-2 đã được đưa từ quỹ đạo chuyển đổi đến quỹ đạo địa tĩnh (cách trái đất gần 36.000km) và đến ngày 21/5, vệ tinh VINASAT-2 đã được định vị thành công tại vị trí quỹ đạo 131,8 độ Đông 1.2 Cấu trúc của một hệ thống thông tin vệ tinh Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh được trình bầy trong hình 1.1, trong đó bao gồm phần không gian và trạm mặt đất. Phần không gian ở đây được hiểu là vệ tinh và toàn các thiết bị phục vụ điều khiển theo dõi vệ tinh. Phần mặt đất bao gồm các trạm mặt đất, chúng thường được kết nối tới thiết bị đầu cuối sử dụng thông qua một mạng mặt đất hoặc với các trạm nhỏ như VSAT chúng được kết nối trực tiếp. Sóng vô tuyến phát đi từ trạm mặt đất và được vệ tinh tiếp nhận, gọi là đường lên (Uplink)/ Vệ tinh chuyển tiếp sóng mang này tới trạm thu, gọi là đường xuống (Downlink) 7 PHẦN KHÔNG GIAN Trạm Điều Khiển Đường xuống (Downlink) Đường lên (Uplink) Trạm phát Trạm thu PHẦN MẶT ĐẤT Hình 1. 1: Cấu trúc hệ thống TTVT [8] 1.2.1 Phần không gian Có thể coi vệ tinh là một trạm phát lặp tích cực trên tuyến thông tin siêu cao tần giữa trạm mặt đất – vệ tinh – trạm mặt đất thu, cấu trúc gồm hai phần chính Tải hữu ích ( Payload) Tải hữu ích hay còn gọi là tải thông tin là một bộ phận cơ bản của vệ tinh thông tin, đảm nhiệm vai trò phát lặp của một vệ tinh thông tin. Nó thực hiện các chức năng chính sau: + Thu tín hiệu từ các trạm mặt đất cho phát lên trong dải tần và phân cực đã định. + Khuếch đại tín hiệu thu từ trạm mặt đất phát và giảm mức nhiễu tín hiệu tối đa. + Đổi dải tần tuyến lên thành dải tần tuyến xuống. + Cấp tín hiệu với mức công suất yêu cầu trong dải tần đã định ra anten phát. + Truyền tín hiệu cao tần trong dải tần và phân cực đã định đến anten của trạm thu mặt đất. Tải hữu ích cần đảm bảo các tính năng sau: + Đảm bảo thu và phát các kênh sóng trong dải tần và phân cực đã định. + Đảm bảo các vùng phủ sóng trên mặt đất theo yêu cầu. + Đảm bảo công suất bức xạ đẳng hướng tương đương EIRP trên các vùng phủ sóng của vệ tinh. 8 + Đảm bảo hệ số phẩm chất G/T của máy thu với tín hiệu phát của từng vùng phủ sóng lên. + Đảm bảo yêu cầu về tuyến tính. + Đảm bảo mật độ tin cậy của kênh truyền trong suốt thời gian sống của vệ tinh. Payload trên một vệ tinh gồm : bộ phát đáp và các anten để thu tín hiệu a)Bộ phát đáp Bộ phát đáp là một thiết bị quan trọng của một vệ tinh thông tin, nó thực hiện chức năng thu sóng vô tuyến từ trạm mặt đất phát từ tuyến lên, sau đó khuếch đại và đổi tần tín hiệu rồi phát xuống trạm mặt đất theo hướng xuống b)Anten trên vệ tinh : Anten trên vệ tinh có chức năng nhận tín hiệu cao tần truyền lên từ các trạm mặt đất và gửi tín hiệu cao tần xuống trạm thu. Các vệ tinh địa tĩnh thường dùng loại anten phát tia bao trùm (Global Beam) có độ rộng mức suy hao 3dB là 170 – 180. Anten búp sóng nhọn chừng vài độ dùng để phủ sóng một vùng hẹp nhất định gọi là chùm vết (Spot Beam), loại này đảm bảo công suất không thay đổi trong vùng bao phủ. Để điều khiển hình dáng vùng phủ trên mặt đất và công suất phát ra theo ý muốn, các anten trên vệ tinh được trang bị đầu thu phát sóng và kết cấu bề mặt phản xạ. Ngoài ra để đảm bảo yêu cầu chất lượng trong vùng phủ sóng và không gây can nhiễu ra các vùng khác ngoài vùng phủ sóng của vệ tinh, các anten trên vệ tinh có mặt phản xạ cấu trúc đặc biệt đảm bảo dạng vùng phủ sóng và chất lượng trong vùng phủ sóng theo yêu cầu, đồng thời phần ngoài biên mức giảm 3dB tín hiệu phải giảm rất nhanh. c)Phần thân : Phần thân không tham gia trực tiếp vào quá trình phát lặp của hệ thống thông tin vệ tinh, nhưng nó đảm bảo các điều kiện yêu cầu cho tải hữu ích thực hiện chức năng của một trạm phát lặp. Phần thân có các thành phần sau : - Hệ duy trì vị trí và tư thế bay của vệ tinh Tác dụng để ổn định tư thế bay của vệ tinh. Tư thế bay của vệ tinh liên quan đến việc định hướng trong không gian, phần lớn các thiết bị mang trên tàu vũ trụ là nhằm hỗ trợ cho việc điều khiển tư thế bay của vệ tinh. Tư thế của vệ tinh có thể 9 bị thay đổi do ảnh hưởng bởi trường hấp dẫn của trái đất, của mặt trăng, các bức xạ của mặt trời. Việc điều khiển tư thế vệ tinh cần phải biết các thông số của việc định hướng vệ tinh trong không gian và một vài chiều hướng dịch chuyển. Để phát hiện những sai lệch người ta dùng một hệ thống các cảm biến, con quay hồi chuyển... Ngoài ra, thành phần này còn có tác dụng ổn định vị trí vệ tinh đúng quỹ đạo. Vệ tinh địa tĩnh trên quỹ đạo thường bị xê dịch do nhiều nguyên nhân: đường xích đạo trái đất không tròn lý tưởng, tác động trọng trường của mặt trời- mặt trăng... do vậy phải dùng các động cơ để đưa vệ tinh về lại đúng vị trí. Thông thường dung sai cho phép là 0.050 theo hướng Bắc – Nam và 0.050 theo hướng Đông- Tây. - Hệ giám sát và điều khiển Hệ giám sát điều kiện rất cần thiết cho sự vận hành có hiệu quả của vệ tinh thông tin, nó là một phần trong nhiệm vụ quản lý vệ tinh. Nó thực hiện các chức năng chính : Cung cấp các thông tin vệ tinh cho trạm điều khiển mặt đất, nhận lệnh điều khiển vị trí của trạm điều khiển ở mặt đất, giúp trạm điều khiển ở mặt đất theo dõi tình trạng thiết bị trên vệ tinh. - Hệ cung cấp năng lượng Nguồn điện dùng để cung cấp cho các thiết bị trên vệ tinh được lấy chủ yếu từ các tế bào pin mặt trời. Pin mặt trời có thể làm bằng Si hoặc GaAs. Công suất của pin cung cấp phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu vào, nó đạt công suất cực đại khi tia sáng chiếu tới vuông góc với mặt pin, khi các tia sáng song song với mặt pin thì công suất thu được coi như bằng 0. Để các cánh pin luôn hướng về phía mặt trời đảm bảo cung cấp năng lượng cho các thiết bị thì phải dùng các bộ điều khiển tư thế. - Hệ thống điều hòa nhiệt Không gian vũ trụ là một môi trường nhiệt độ rất khắc nghiệt, vệ tinh trên quỹ đạo có sự chênh lệch rất lớn giữa bên chịu ảnh hưởng của bức xạ mặt trời và một bên là vùng bị che khuất. Ngoài ra vệ tinh cũng nóng lên vì nhiệt độ do các thiết bị của nó tỏa ra và các bức xạ của các thiên thể khác. Nhiệm vụ của hệ điều hòa nhiệt là luôn duy trì cho các thiết bị trên vệ tinh được làm việc trong dải 10 nhiệt độ thích hợp, ổn định. Người ta khống chế nhiệt độ các phần khác nhau trên vệ tinh bằng cách cho trao đổi nhiệt giữa các điểm có nhiệt độ khác nhau hoặc sử dụng thiết bị điều chỉnh nhiệt độ. 1.2.2 Phân đoạn mặt đất Hình 1.2: Phân đoạn mặt đất Phân đoạn mặt đất bao gồm toàn bộ hệ thống trạm thu – phát mặt đất. Khi muốn thiết lập đường liên lạc với 2 điểm trực tiếp với nhau trên Trái đất thông qua trạm chuyển tiếp vệ tinh thông tin người ta phải thiết lập 2 trạm trên mặt đất. Do đó có tên gọi là trạm mặt đất thông tin vệ tinh SES (Satellite Earth Station) làm chức năng phát tín hiệu lên vệ tinh và thu tín hiệu từ vệ tinh về- thực hiện kết nối vệ tinh thông tin với các mạng vệ tinh mặt đất. Cấu trúc của một trạm mặt đất được thể hiện trong hình 1.2.Theo hướng lên, luồng thông tin của các mạng mặt đất được đưa tới trạm mặt đất thông qua giao diện kết nối mạng mặt đất. Các luồng tín hiệu này sau đó được ghép kênh 11 và định dạng lại, được điều chế bởi sóng mang trung tần (thường là 70MHz). Tín hiệu trung tần này tiếp tục được biến đổi tới sóng mang cao tần mong muốn. Các sóng mang cao tần có thể được phát đồng thời và mặc dù có tần số khác nhau nhưng được xác định theo nhóm băng tần chẳng hạn 6GHz, 14 GHz, . . . Các sóng mang có thể là các sóng mang đa điểm, có nghĩa là nó được thu tại nhiều điểm khác nhau. - Các sóng mang cao tần tiếp tục được kết hợp lại với nhau thông qua bộ tổ hợp (Combiner) để thành tín hiệu băng rộng và được đi qua bộ khuyếch đại công suất lớn(HPA). Tín hiệu băng rộng được đưa tới anten thông qua bộ phối hợp (Diplexer), cho phép anten thu và phát tín hiệu đồng thời. - Anten thực hiện đồng thời hai chức năng thu và nhận tín hiệu nhưng ở các dải tần số khác nhau chẳng hạn: trong băng tần C tín hiệu được phát lên ở tần số 6GHz và thu ở tần số 4GHz (6/4 GHz), băng tần Ku tín hiệu được phát lên ở tần số 14GHz và thu ở tần số 12GHz (14/12GHz). - Ở hướng xuống, tín hiệu băng rộng đi qua bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) và đi tới bộ chia (divider), chia thành các sóng mang cao tần riêng rẽ, được biến đổi xuống tần số trung tần đi tới bộ giải điều chế. Tín hiệu sau bộ giải điều chế được đưa tới giao diện mạng mặt đất theo các tuyến mong muốn. 1.3 Một số đặc điểm của thông tin vệ tinh : Ưu điểm - Giá thành TTVT không phụ thuộc vào cự ly giữa hai trạm, trên thực tế giá thành là như nhau ở cự ly truyền 5000 km và 100 km - Có khả năng thông tin quảng bá cũng như thông tin điểm-điểm. Một vệ tinh có thể phủ sóng cho một vùng rộng lớn trên mặt đất (vệ tinh địa tĩnh có búp sóng chính có vùng phủ sóng chiếm 1/3 bề mặt trái đất), như vậy một trạm mặt đất có thể thông tin với nhiều trạm mặt đất khác trong vùng phủ sóng đó. Nếu có 3 vệ tinh địa tĩnh ở 3 vị trí thích hợp thì sẽ phủ sóng toàn cầu, các dịch vụ thông tin toàn cầu sẽ được thực hiện. - Có thể thực hiện nhiều loại dịch vụ thông tin băng rộng cũng như các dịch vụ khác. Độ rộng băng tần của mỗi bộ phát lặp (repeater) có thể lên tới hàng chục 12 MHz. Mỗi bộ lặp có thể sử dụng cho 2 trạm mặt đất trong vùng phủ sóng của vệ tinh. Các hệ thống thông tin trên mặt đất thường giới hạn ở cự ly gần (ví dụ như truyền hình nội hạt) hoặc cho các trung kế dung lượng nhỏ giữa các thị trường chính. - Ít chịu ảnh hưởng của mặt đất : do độ cao lớn nên thông tin vệ tinh ít chịu ảnh hưởng của bởi địa hình thiên nhiên như đồi núi, thành phố, đại dương ... Sóng vô tuyến có thể truyền tới các vùng xa xôi hẻo lánh, bởi vậy đây là lựa chọn tốt nhất cho thông tin liên lạc với các vùng chưa phát triển. Tuy nhiên thông tin vệ tinh cũng có những nhược điểm như : - Khoảng cách truyền dẫn xa nên suy hao lớn - Giá thành hệ thống cao, chi phí phóng vệ tinh tốn kém, có xác suất rủi ro lớn. - Dù giá thành cao nhưng thời gian khai thác ngắn, khi gặp sự cố khó bảo dưỡng, sửa chữa và nâng cấp. - Do quãng đường truyền dài từ trạm mặt đất- vệ tinh nên tín hiệu truyền có độ trễ đáng kể. - Vệ tinh được mong muốn sẽ cố định so với mặt đất nhưng thực tế vệ tinh luôn có sự chuyển động tương đối so với mặt đất. 1.4 Các dạng quỹ đạo vệ tinh Tùy thuộc vào các mục đích khác nhau mà vệ tinh có thể bay ở các quỹ đạo tròn và elip [6] Hình 1.3: Các dạng quỹ đạo của vệ tinh 13 1.4.1 Quỹ đạo tròn Các quỹ đạo thấp (LEO) : loại quỹ đạo này vệ tinh bay ở độ cao khoảng 400 km đến 1200 km có chu kỳ quay khoảng 90 phút. Thời gian quan sát thấy vệ tinh khoảng 30 phút hoặc ít hơn. Dạng quỹ đạo này thường sử dụng cho vệ tinh quan trắc cả quân sự và dân dụng. Nhờ quỹ đạo thấp nên thời gian trễ truyền tín hiệu bé nên cũng thích hợp cho thông tin di động sử dụng các chòm vệ tinh như: các chòm vệ tinh IRIDIUM, GLOBALSTAR. Quỹ đạo trung bình (MEO) : vệ tinh bay ở độ cao trong khoảng 10000 – 20000 km, chu kỳ bay của vệ tinh từ 5 – 12 giờ. Thời gian quan sát thấy vệ tinh từ 2 – 4 giờ. Quỹ đạo loại này có ưu điểm chỉ cần 10 vệ tinh là có thể phủ sóng toàn cầu. Quỹ đạo địa cực: là quỹ đạo tròn đi qua hai cực của Trái Đất, có vùng bao phủ dài hạn là toàn cầu. Ưu điểm của quỹ đạo này là mỗi điểm trên mặt đất nhìn thấy vệ tinh trong một khoảng thời gian nhất định. Việc phủ sóng toàn cầu của dạng quỹ đạo này là khả thi thì quỹ đạo bay của vệ tinh sẽ lần lượt quét tất cả các vị trí trên mặt đất. Quỹ đạo này thường được sử dụng cho các vệ tinh dự báo thời tiết, hàng hải, vệ tinh do thám nhưng ít được sử dụng cho thông tin vì thời gian xuất hiện ít. Quỹ đạo địa tĩnh (GEO) là quỹ đạo tròn nằm trong mặt phẳng xích đạo ở độ cao khoảng 36786 km so với đường xích đạo. Vệ tinh ở quỹ đạo này có tốc độ bay đồng bộ với tốc độ quay của trái đất (chu kỳ T là 23 giờ 56 phút 4 giây). Do đó, vệ tinh gần như đứng yên tại một điểm nào đó so với Trái đất. Quỹ đạo địa tĩnh thích hợp hơn cho các loại hình thông tin quảng bá như: phát thanh, truyền hình...Còn cho thông tin thoại có yêu cầu thời gian thực cao thì không được tốt vì thời gian trễ do truyền sóng lớn. 1.4.2 Quỹ đạo elip Quỹ đạo này với tâm điểm của Trái Đất là một trong hai tiêu điểm của elip. Ưu điểm của loại quỹ đạo này là vệ tinh có thể đạt được tới các vùng cực cao mà các vệ tinh địa tĩnh không thể đạt tới, dạng quỹ đạo càng dẹt thì càng 14 thuận lợi cho thông tin ở vĩ độ cao. Quỹ đạo dạng elip nghiêng có nhược điểm là hiệu ứng Doppler lớn và vấn đề điểu khiển bám vệ tinh phải ở mức cao. 1.4.3 Quỹ đạo đồng bộ mặt trời Là một loại quỹ đạo gần như địa cực, mặt phẳng quỹ đạo giữ một góc không đổi so với trục Trái Đất – Mặt trời, dạng quỹ dạo này được sử dụng cho vệ tinh quan trắc mặt đất 1.5 Các băng tần cho thông tin vệ tinh Thông tin vệ tinh là hệ thống thông tin sử dụng phương thức truyền dẫn vô tuyến, bởi vậy việc lựa chọn và ấn định băng tần công tác cho các dịch vụ thông tin vô tuyến là rất quan trọng. Nó phải thỏa mãn 2 điều kiện cơ bản : không gây can nhiễu lên các hệ thống thông tin vô tuyến khác cũng như các dịch vụ thông tin vô tuyến trong mạng và phải có tổn hao truyền sóng nhỏ để giảm kích thước và giá thành của thiết bị. a.Cửa sổ tần số vô tuyến điện - Khí quyển trái đất được chia thành 3 tầng: lớp khí quyển dưới cùng tới độ cao 11km gọi là tầng đối lưu, các hiện tượng thời tiết như mưa, bão, sương mù ... đều xảy ra trong tầng đối lưu. Tiếp đó là tầng bình lưu, có giới hạn trên khoảng 35 km và trên cùng là tầng điện ly có độ cao khoảng 50 km – 400 km - Tầng điện ly là một lớp khí bị ion hóa mạnh nên mật độ chất khí chủ yếu là các điện tử tự do và các ion. Nó có tính chất hấp thụ và phản xạ sóng vô tuyến điện. Bằng việc khảo sát thực tế người ta thấy tầng điện ly chỉ phản xạ với băng sóng ngắn trở xuống. Tần số càng cao ảnh hưởng bởi tầng điện ly càng ít, ở các tần số trong băng viba hầu như không bị ảnh hưởng bởi tầng điện ly. - Trong tầng đối lưu sóng vô tuyến bị hấp thụ bởi các phân tử khí như oxi, hơi nước, CO2 ...cũng như trong mưa và sương mù. Nhưng ở các tần số khoảng 10 GHZ trở xuống hấp thụ không đáng kể, có thể bỏ qua. Khoảng tần số đó gọi là “cửa sổ vô tuyến”.(hình 1.4) - Nếu sử dụng băng tần nằm trong “cửa sổ vô tuyến” tức là khoảng từ 1GHZ đến10GHZ thì suy hao do tầng điện ly và tầng đối lưu là không đáng kể và suy hao truyền sóng gần như bằng suy hao không gian tự do. 15 Hình 1.4: Sự phụ thuộc hấp thụ khí quyển vào tần số Như đã thấy băng tần lý tưởng nhất sử dụng cho thông tin vệ tinh cũng như các hệ thống vi ba khác là băng tần nằm trong “cửa sổ vô tuyến” vì các tần số nằm trong “cửa sổ vô tuyến” có suy hao trong khí quyển là nhỏ nhất. Trong điều kiện bình thường có thể bỏ qua. b. Bảng phân chia các băng tần [1]  Băng tần C Băng tần C (6/4 GHz) được sử dụng phổ biến trong các mạng FSS vì điều kiện truyền sóng thuận lợi (ít bị ảnh hưởng do mưa) và thiết bị dễ chế tạo. Đặc điểm vệ tinh Các loại vệ tinh sử dụng băng tần C có dải rộng các đặc tính chính tuỳ thuộc vào cấp bao phủ vùng trái đất.(xem bảng 1.1) Bảng1.1 : Các tham số chính của vệ tinh trong băng tần C Tham số Vùng phủ Hệ số khuếch đại anten Toàn cầu Khu vực Nội địa Phát 16-25 23-26 28-32 Thu 16-26 21-25 22-30 EIRP (dBW) 22-29 25-35 25-39 Nhiệt độ tạp âm (K) 800 - 2000 801 - 2000 802 - 2000 G/T (dB/K) -16 tới - 6 -14 tới - 4 -21 tới 3 16 Đặc điểm trạm mặt đất Kể từ khi mới phát triển các trạm mặt đất băng C có kích thước anten lớn. Trong khi các trạm mặt đất hoạt động trong mạng lưới vệ tinh INTELSAT có kích thước lớn (18 đến 32 mét), xu hướng phát triển ngày nay anten trạm mặt đất ngày càng nhỏ đi cùng với việc công suất vệ tinh tăng lên như trong phủ sóng truyền hình hoặc VSAT. Các tham số chính của trạm mặt đất trong băng tần C được ghi trong bảng 1.2 Bảng 1.2 : Các tham số chính của trạm mặt đất trong băng tần C Tham số Vùng phủ Toàn cầu Khu vực Nội địa 4.5-32 3 - 13 1.2 - 30 Phát 43-61 39-53 33-60 Thu 43-61 39-53 33-60 Công suất phát kW 0.01-3 0.03-3 0.001-1.2 EIRP (dBW) 57-99 57-81 36-94 Nhiệt độ tạp âm (K) 50-150 50-150 50-150 G/T (dB/K) 23-41 22 - 38 11- 41 Kích thước anten (m) Hệ số khuếch đại anten(dBi)  Băng tần X 8/7 GHz Băng tần X (7,9-8,4 GHz / 7,25-7,75 GHz) được sử dụng nhiều cho các hệ thống thông tin quân sự. Các đặc tính hệ thống vệ tinh ở băng tần này cũng có phạm vi rộng như các hệ thống băng tần C kể trên.  Băng tần Ku 14/11 GHz hoặc 14/12 GHz Ngày nay, việc sử dụng băng tần Ku đang trở nên rộng rãi, đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu kích thước anten trạm mặt đất càng nhỏ càng tốt. Đặc điểm vệ tinh Đặc điểm chính vệ tinh của các hệ thống sử dụng băng tần Ku thay đổi tùy thuộc vào ứng dụng. 17 Bảng 1.3 Các tham số chính của vệ tinh trong băng tần Ku Tham số Vùng phủ Hệ số khuếch đại anten Toàn cầu Khu vực Nội địa Phát 29-37 24-29 28-35 Thu 28-36 23-28 28-38 EIRP (dBW) 38-48 35-52 44-53 Nhiệt độ tạp âm (độ K) 800 - 2000 801 - 2000 802 - 2000 G/T (dB/K) 0-3 -1 tới 11 -5 tới 9 Đặc điểm trạm mặt đất EIRP của vệ tinh ở băng tần Ku cao cho phép sử dụng anten trạm mặt đất nhỏ, tới 1 mét hoặc nhỏ hơn nữa. Điều đó cho phép anten trạm đất có thể đặt ở nhà khách hàng, giảm giá thành chi phí và tạo điều kiện phát triển các ứng dụng. Băng tần Ku vì thế đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng như phát truyền hình quảng bá tới tận nhà (Direct-To-Home) và VSAT cho các mạng thông tin thương mại. Bảng 1.4 các tham số chính của trạm mặt đất băng tần Ku điển hình Tham số Vùng phủ Toàn cầu Khu vực Nội địa 3.5-17 1-12 1-11 Phát 52-65 42-62 42-61 Thu 50-63 40-59 40-58 Công suất phát kW 0.01-0.6 0.01-0.25 0.01-1 EIRP (dBW) 62-93 52-83 52-91 Nhiệt độ tạp âm (độ K) 150-250 150-250 150-250 G/T (dB/K) 26-41 12-38 16-37 Kích thước anten (m) Hệ số khuếch đại anten(dBi) 18  Băng tần Ka30/20 GHz Băng tần Ka được sử dụng rất hạn chế vì điều kiện truyền sóng rất khó khăn do bị suy hao lớn vì mưa. Một số nước đang nghiên cứu thực nghiệm các ứng dụng trên băng tần này như Mỹ, Đức, Italy, Nhật Bản. Đặc điểm ở băng tần này là do phổ tần của băng tần này rất lớn nên có thể dễ dàng sử dụng lại băng tần nhiều lần bằng các chùm tia nhỏ. Tuy nhiên EIRP của cả vệ tinh và trạm mặt đất phải rất lớn để bù lại suy hao do mưa. Đặc điểm vệ tinh Bảng 1.5 các tham số chính của vệ tinh băng tần Ka : Tham số Vùng phủ Hệ số khuếch đại anten(dBi) Phát Thu Nội địa EIRP (dBW) 37-56 Nhiệt độ tạp âm (độ K) 1300-1600 G/T (dB/K) -5 tới 19 25-50 25-50 Đặc điểm trạm mặt đất Băng tần Ka cho phép sử dụng anten trạm mặt đất rất nhỏ. Tuy nhiên để đảm bảo chỉ tiêu chất lượng của tuyến theo yêu cầu việc sử dụng kỹ thuật Điều khiển Công suất Phát lên (Up-link Power Control UPC) và phân tập trạm mặt đất theo địa lý là cần thiết. Bảng 1.6 các tham số của trạm mặt đất băng tần Ka Tham số Vùng phủ nội địa Kích thước anten (m) 1-13 Hệ số khuếch đại anten(dBi) Phát Thu 45-66 Nhiệt độ tạp âm (độ K) 320-400 G/T (dB/K) 17-42 42-61 19