Bài giảng thông tin vệ tinh viễn thông

ỏ hơn mức cực đại 3 dB. Tuỳ theo đặc điểm thông tin, loại dịch vụ... mà vùng phủ sóng có hình dạng, khu vực phủ sóng và do đó anten sẽ có cấu tạo khác nhau. Có bốn loại vùng phủ sóng cơ bản lên mặt đất của anten trên vệ tinh - Phủ sóng toàn cầu: là vùng phủ sóng rộng lớn nhất của một vệ tinh lên mặt đất. Với vệ tinh địa tĩnh có độ cao bay 35.786 km, vùng phủ sóng có đ−ợc lớn nhất bằng 42% bề mặt quả đất, với “góc nhìn” từ vệ tinh là 17,4o. Hình 2.21: Phủ sóng toàn cầu đối với một góc ngẩng đã cho và Phủ sóng bán cầu Trang: 39 -Phủ sóng bán cầu: là vùng phủ sóng cho một nửa bán cầu phía đông và một nửa bán cầu phía tây, nếu quan sát từ vệ tinh, hai khu vực phủ sóng này cách ly nhau. - Phủ sóng vùng: khu vực phủ sóng có thể nhiều khu vực khác nhau trên mặt đất nh− vùng Đông-Bắc, vùng Tây-Bắc... . - Phủ sóng “dấu” (spot footprin): vùng phủ sóng nhỏ nh− các dấu in trên mặt đất, dùng để thông tin trong một n−ớc nhỏ hay một vùng của một n−ớc lớn nh− chỉ ra trên hình 2.24. Trong hệ thống thông tin di động qua vệ tinh vùng phủ sóng “dấu” phải kế tiếp nhau và chồng lấn lên nhau để có thể thông tin một cách liên tục khi đầu cuối di động trong vùng phục vụ của mạng, nh− chỉ ra trên hình 2.25.Vùng phủ sóng có thể là tròn, elip hay dạng tuỳ ý Hình 2.23: Phủ sóng khu vực và phủ sóng “dấu” Hình 2.25: Vùng phủ sóng l−ới - Giản đồ bức xạ, mức búp sóng phụ và đặc tính phân cực: + Giản đồ bức xạ đ−ợc quy định trong khuyết nghị của ITU-R S.672-4 Trang: 40 + Mức búp sóng phụ: không làm ảnh h−ởng tới các vùng khác. + Đặc ính phân cực: Phân cực đứng, ngang, tròn (quay trái hay quay phải), elíp (quay trái hay quay phải). 2.4.3. Các loại anten Để có đ−ợc các vùng phủ sóng khác nhau anten trên vệ tinh th−ờng sử dụng hai loại chính anten loa và anten mặt phản xạ với các bộ chiếu xạ khác nhau đ−ợc tiếp sóng theo các ph−ơng pháp khác nhau 1)Anten loa: Có −u diểm độ tin cậy và đơn giản nh−ng tính h−ớng kém nên đ−ợc sử dụng để phủ sóng với búp sóng toàn cầu Hệ số tính h−ớng đ−ợc tính theo công thức: D = 4πSν/λ2 ( 2.4) Trong đó: S là diện tích của miệng loa ν là hiệu suất sử dụng bề mặt bằng 0,6 ữ 0,8 Ví dụ: Với băng tần C, để đạt đ−ợc vùng phủ sóng toàn cầu thì cần anten loa có đ−ờng kính 30m. 2) Anten phản xạ (reflector): Là loại anten th−ờng đ−ợc sử dụng nhất để tạo ra búp sóng dạng vết và dạng hình thù riêng rẽ (shaped). Anten này bao gồm một mặt phản xạ parabol và một hoặc nhiều nguồn phát xạ đặt tại tiêu điểm của mặt phản xạ. Để điều chỉnh đ−ợc h−ớng chùm sóng của anten trên quỹ đạo bằng các lệnh điều khiển từ xa. Việc thay đổi búp sóng đ−ợc thực hiện bằng cách thay đổi pha của các phần tử bức xạ. Việc lắp đặt bộ phát xạ đ−ợc đặt theo kiểu đồng trục hay lệch trục (offset). Để tạo ra búp sóng dạng tròn hay elíp đ−ợc thực hiện bằng cách thay đổi hình dạng mặt phản xạ cho phù hợp với vùng phủ sóng. Còn để tạo ra búp sóng dạng hình thù riêng rẽ hay phức tạp thì có thể đ−ợc thực hiện bằng cách đặt một dãy các phần tử bức xạ tại tiêu điểm của mặt phản xạ đ−ợc tiếp điện của cùng một tín hiệu nh−ng biên độ và pha lệch nhau nhờ các mạch tạo búp sóng. 3) Anten dãy (array): sử dụng một bộ rất nhiều các phần tử bức xạ để tạo nên một góc mở bức xạ. Biểu đồ bức xạ của anten này đ−ợc tạo ra bằng cách kết hợp biên độ và pha của sóng đ−ợc bức xạ bởi dãy các phần tử bức xạ. Các phần tử bức xạ đ−ợc đặt cách nhau 0,6λ, biểu đồ bức xạ đ−ợc điều chỉnh bằng cách thay đổi pha và biên độ của tín hiệu tiếp điện bằng một độ dịch pha, chia công suất có thể điều khiển đ−ợc. 4.4. Các hệ thống bộ trở. Để vệ tinh hoàn thành đ−ợc chức năng quan trọng nhất của nó là đảm bảo thông tin liên lạc liên tục 24/24 trong suốt thời gian sống, ngoài phân hệ thông tin còn có các phân hệ phù trợ cho hoạt động của phân hệ thông tin. Các phân hệ cũng có chức năng và tính chất quan trọng của nó và đ−ợc liệt kê trong bảng sau: Hình 2.27 : Anten phản xạ Anten loa hình chữ nhật Trang: 41 Phân hệ Chức năng chính Đặc tr−ng bởi Phân hệ điều khiển quỹ đạo và t− thế vệ tinh Duy trì t− thế cử vệ tinh (t− thế an ten, cánh pin mặt trời) và xác định các thông số về quỹ đạo Độ chính xác vị trí quỹ đạo và vùng phủ sóng của vệ tinh Phân hệ động cơ đẩy Tạo ra gia tốc cần thiết Các loại đọng cơ phản lực và khối l−ợng nhiên liệu Phân hệ đo l−ờng từ xa, bám và lệnh (TT&C) Trao đổi các thông tin liên quan đến thông số quỹ đạo vệ tinh, thu nhận các lệnh điều khiển TT&C từ mặt đất. Số l−ợng kênh TT&C, tính bảo mật thông tin Phân hệ điều khiển nhiệt Duy trì nhiệt độ các thiết bị trên vệ tinh trong giới hạn hoạt động cho phép Khả năng phân tán nhiệt Khung vệ tinh Hỗ trợ lắp ghép các thiết bị Các tính của chất vật liệu chế tạo Trong quá trình thiết kế và chế tạo vệ tinh, ba tính chất sau luôn phải đ−ợc đề cập đến: - Tối thiểu hoá trọng l−ợng của mỗi phân hệ - Công suất tiêu thụ tối thiểu - Độ tin cậy cao a. Phân hệ điều khiển quỹ đạo và t− thế của vệ tinh: Chuyển động của vệ tinh có thể đ−ợc chia làm hai thành phần là chuyển động xung quanh trái đất có tâm đặt tại tâm quả đất (địa tĩnh) và chuyển động nội tại của vệ tinh xung quanh nó. • Nhiệm vụ: Duy trì các búp sóng của anten vệ tinh luôn h−ớng đúng về vùng cần phủ sóng trong suốt thời gian sống của vệ tinh. Để thực hiện nhiệm vụ trên, phân hệ này phải có khả năng bù các mô men xoắn nhiễu loạn ảnh h−ởng đến trạng thái của vệ tinh nh− lực hấp dẫn, áp suất bức xạ của mặt trời, các đồng cơ điều chỉnh trạng thái trên vệ tinh khởi động không đồng bộ hoặc không cân bằng. Có thể điều khiển bằng hệ thống thụ động hoặc tích cực. Với hệ thống điều khiển tích cuạc có liên quan đến quá trình sau: - Đo t− thế vệ tinh so với các điểm chuẩn bên ngoại nh− mặt trời, trái đất, các ngôi sao. - Xác định t− thế vệ tinh so với giá trị đ−ợc định nghĩa - −ớc tính các lệnh điều khiển động cơ hiệu chỉnh - Thực hiện quá trình hiệu chỉnh bằng các động cơ gắn trên vệ tinh - Xác định t− thế vệ tinh sau khi có tác động của động cơ đẩy. Có hai kỹ thuật đ−ợc sử dụng để điều khiển trạng thái là: - ổn định theo kiểu con quay: Vệ tinh đ−ợc chế tạo hình trụ sao cho thân vệ tinh cân bằng xung quanh trục đứng của hình trụ. Đối với vệ tinh địa tĩnh trục đ−ợc điều chỉnh song song với trục Bắc-Nam của quả đất, tốc độ quay của thân là 40ữ60 vòng/ phút Trang: 42 - ổn định theo kiểu ba trục: Thân vệ tinh cố định so với trái đất. T− thế vệ tinh đ−ợc biểu diễn theo các trụ là trục lệch h−ớng (yaw), trục quay (roll) và trục độ cao (pitch) của hệ toạ độ có tâm đặt tại trọng tâm của quả vệ tinh. b. Phân hệ động cơ: Nhiệm vụ: tạo ra lực đẩy, mô men xoắn dùng để điều khiển quỹ đạo cũng nh− t− thế của vệ tinh. - Động cơ đẩy công suất nhỏ cỡ vài millinewton đến vài newton đ−ợc dùng để điều khiển t− thế và quỹ đạo vệ tinh. - Động cơ đẩy công suất trung bình cớ vài trăm newton đến vài ngàn newton đ−ợc dùng để thay đổi quỹ đạo trong quá trình phóng vệ tinh Hình : Các trục ổn định của vệ tinh quỹ đạo bay vệ trục “quay” trong mặt phẳng quỹ đạo quả đất B N trục “độ cao” ổn định mặt phẳng quỹ đạo tr ụ định vị Trang: 43 c. Phân hệ cung cấp năng l−ợng điện: Nhiệm vụ: Bảo đảm cung cấp nguồn điện cho vệ tinh hoạt động ổn định liên tục 24/24 giờ trong suốt thời gian làm việc của vệ tinh. - Nguồn cung cấp chính là hệ thống pin mặt trời - Nguồn cung cấp dự phòng là hệ thống ăcquy để cung cấp cho vệ tinh trong thời gian vệ tinh bị che khuất. VD: Vệ tinh Intelsat VI có công suất hệ thống 2 kW sau 10 năm hoạt động, diện tích 59 m2 và trọng l−ợng 250 kg d. Phân hệ đo l−ờng từ xa, bám và lệnh (TT&C): Nhiệm vụ: - Thu các tín hiệu điều khiển từ d−ới mặt đất để thay đổi trạng thái hoặc ph−ơng thức hoạt động của cavsd thiết bị trên vệ tinh thông qua tuyến điều khiển từ xa (TC). - Phát các kết quả đo, thông tin liên quan đến hoạt động của vệ tinh, hoạt động của các thiết bị và các kết quả thực hiện các lệnh điều khiển d−ới mặt đất thông qua tuyến đo l−ờng từ xa (TM) - Cho phép đo khoảng cách giữa mặt đất và vệ tinh, tốc độ h−ớng tâm để xác định thông số quỹ đạo. - Cung cấp các tín hiệu chuẩn cho các trạm mặt đất phục vụ công việc bám. e. Phân hệ điều khiển nhiệt: Nhiệm vụ: duy trì nhiệt độ của vệ tinh trong một giới hạn cho phép ở độ cao của quỹ đạo địa tĩnh là chân không. Nhiệt độ trung bình của vệ tinh do hấp thụ trực tiếp năng l−ợng mặt trời, sự tiêu tán điện năng nội tại Q, và sự bức xạ nhiệt vào không gian. Các yếu tố này phụ thuộc vào tính chất bề mặt của vệ tinh, và hình dạng của nó. Công suất bức xạ mặt trời đầu vào bằng tích của hấp thụ bề mặt α với diện tích đ−ợc chiếu sáng, và mức chiếu xạ của mặt trời SC (giá trị trung bình = Trang: 44 1370W/m2). Công suất bức xạ đầu ra của vệ tinh bằng tích hệ số phát xạ ε, tổng diện tích bề mặt A, hằng số Stefan-Boltzmann σ (=5,6703.10-8 W/m2.K4), và luỹ thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối. Sự cân bằng nhiệt giữa công suất hấp thụ và công suất bức xạ chỉ ra ở hình 2.11 Trong điều kiện bình th−ờng, mật độ công suất bức xạ của mặt trời đầu vào, sự tiêu tán điện Q phải bằng công suất bức xạ đầu ra của vệ tinh Nhiệt độ trung bình của vệ tinh T sẽ là: σ.T4 = (αa/εA).SC + Q/εA (W/m2 ) (2.2) Nhiệt độ trung bình của vệ tinh phụ thuộc vào tỷ số hệ số hấp thụ bề mặt α trên khả năng phát xạ ε, tỷ số diện tích chiếu sáng a trên tổng diện tích bề mặt A, và sự tiêu tán bên trong vệ tinh. Để điều khiển nhiệt độ trung bình của vệ tinh, các đặc tính nhiệt (phát xạ và hấp thụ nhiệt đối với ánh sáng mặt trời) của các bề mặt khác nhau phải đặc biệt chú ý. Có thể thay đổi nhiệt độ của các bộ phận trong vệ tinh bằng cách thay đổi sự kích thích nhiệt (thermal coupling) và sử dụng các bộ nhiệt điện. Một vài nhiệm vụ về nhiệt quan trọng hơn trong một vệ tinh thông tin là bảo quản nguồn pin trong giới hạn nhiệt độ ít thay đổi, giữ nhiên liệu của bộ phận đẩy trong các buồng lạnh, và toả nhiệt hầu hết nhiệt phát ra bởi các bộ khuếch đại công suất. f. Khung vệ tinh: Cấu trúc vệ tinh đ−ợc thiết kế nhằm bảo đảm hỗ trợ về cơ khí cho tất cả các bộ phận của vệ tinh, bảo đảm sự đồng chỉnh chính xác ở nơi cần thiết và hỗ trợ cho điều khiển nhiệt. Cấu trúc đ−ợc quyết định bởi một số điều kiện bắt buộc. Các giới hạn ph−ơng tiện phóng, hình dạng, kích th−ớc của cấu trúc cũng nh− khối l−ợng tổng. Hệ thống điều khiển t− thế th−ờng xuyên giới hạn sự sắp xếp khối l−ợng. Nhiệt độ bị ảnh h−ởng bởi tính chất bề mặt và độ dẫn nhiệt. Sự đồng chỉnh anten, bộ cảm biến, và bộ phận σT4 = α/ε.(a/A).SC + Q/εA Hình 2.11: Sự cân bằng nhiệt của vệ tinh εAσT4 đầu ra đầu vào αaSc bức xạ nhiệt bức xạ mặt trời Q tiêu tán bên trong Trang: 45 đẩy yêu cầu độ cứng trong cấu trúc hoặc các bộ phận của nó. Cuối cùng điều quan trọng là dễ dàng xâm nhập trong khi tập hợp, tổ hợp, và kiểm tra. Cấu trúc cần phải chịu đựng các tải trong khi đo thử môi tr−ờng, điều khiển mặt đất, phóng lên quỹ đạo thấp, sự đốt cháy viễn điểm và cận điểm, và bất kỳ sự triển khai anten hoặc các dãy tấm pin mặt trời. Trong khi hoạt động trên quỹ đạo các tải là nhỏ nhất, nh−ng yêu cầu độ chính xác phải cao hơn. Bảng 2.1 chỉ ra tóm tắt khối l−ợng của một vệ tinh thông tin. Khối l−ợng tổng của các vệ tinh có thể khác nhau, nh−ng tỷ lệ của các phân hệ thì t−ơng tự. Ngoài phân hệ thông tin, các bộ phận quan trọng khác trong khối l−ợng tổng bao gồm nhiên liệu, cấu trúc, và nguồn điện. Nhiều vệ tinh thông tin có các bộ phận đẩy và nhiên liệu để đ−a vệ tinh lên quỹ đạo tại viễn điểm (động cơ kích hoạt). Điều này chiếm một nửa khối l−ợng tổng của vệ tinh trên quỹ đạo chuyển giao, tr−ớc khi sử dụng động cơ kích hoạt viễn điểm. Bảng 2.1: tóm tắt khối l−ợng của một vệ tinh Tên phân hệ Khối l−ợng (kg) Thông tin Điều khiển và quyết định trạng thái Nguồn điện Đẩy qua lại Đo l−ờng từ xa, lệnh, đo cự ly Cấu trúc/nhiệt Toàn bộ điện và cơ khí Các bộ phận không cháy của động cơ kích hoạt Tổng khối l−ợng con tàu khi đã sử dụng hết (EOL) Nhiên liệu/áp suất Tổng phi thuyền không gian (BOL) Bộ phối hợp Các bộ phận của động cơ kích hoạt Khối l−ợng giữ trữ Tổng khối l−ợng trên quỹ đạo chuyển giao 233 73 141 39 26 184 69 61 826 187 1013 21 871 24 1929 Trang: 46 Các từ viết tắt: EOL (end of life): hết tuổi thọ; BOL (beginning of life): bắt đầu tính tuổi thọ Nhiều lực tác động lên vệ tinh trong khi phóng. Khởi đầu tạp âm ồn rất lớn. Không khí do động cơ tên lửa bị đốt cháy sẽ phát ra tạp âm ồn rất lớn. Khối l−ợng tên lửa phóng giảm, gia tốc tăng lên vài lần so với lực hấp dẫn. Nếu vệ tinh 1000 kg khi đó nặng lên nhiều nghìn kg. Sự rung động của nhiều tần số đ−ợc phát ra thông qua giá đỡ phi thuyền không gian từ các động cơ tên lửa. Các thiết bị phát hoả dùng để tách các tầng và bắt đầu các triển khai, gửi các va chạm nhỏ qua cấu trúc. Hình 2.10: Cấu trúc của vệ tinh thông tin Cấu trúc một vệ tinh đ−ợc chỉ ra ở hình 2.10. Vỏ ngoài đỡ thiết bị thông tin, bình chứa nhiên liệu, nguồn pin dự phòng v.v... Yêu cầu phải có cấu trúc chắc chắn cần thiết giữa các tải và sự tiếp xúc tên lửa phóng. Cấu trúc vỏ cơ bản chỉ ra trên hình là hình vuông với cấu trúc anten tách rời để giữ các bộ tiếp sóng RF và mặt phản xạ (g−ơng). Bộ tiếp sóng đ−ợc cố định tại vị trí của nó, nh−ng các mặt phản xạ mở ra sau khi phóng. Các dàn pin mặt trời gồm các tấm đ−ợc gập lại khi phóng, và mở ra sau khi phóng Trang: 47 Ch−ơng 5: Trạm mặt đất vμ cấu hình mạng VSAT. (8 tiết) 5.1. Nhiệm vụ, chức năng trạm mặt đất. Trạm mặt đất (SES: Satellite Earth Station) là để tiếp nhận các luồng tín hiệu d−ới dạng số hay t−ơng tự từ mạng mặt đất hoặc trực tiếp từ các thiết bị đầu cuối của ng−ời sử dụng, xử lý nó và phát lên vệ tinh ở tần số và mức công suất thích hợp cho sự hoạt động của vệ tinh. Đối với trạm mặt đất thu, thu các sóng mang trên đ−ờng xuống của vệ tinh ở những tần số chọn tr−ớc, xử lý tín hiệu này trong trạm để chuyển thành các tín hiệu băng gốc sau đó cung cấp cho mạng mặt đất hoặc trực tiếp tới các thiết bị đầu cuối của ng−ời sử dụng. Một trạm mặt đất có thể có khả năng thu và phát l−u l−ợng một cách đồng thời hoặc trạm mặt đất chỉ phát hay thu. 5.2. Cấu hình trạm mặt đất. Một trạm mặt đất có thể truy nhập bộ phát đáp vệ tinh theo nhiều ph−ơng pháp khác nhau (FDMA, TDMA, CDMA...) cho nên cấu hình cho từng loại đa truy nhập cũng khác nhau. Một trạm mặt đất lớn bao gồm bốn khu vực chính: phân hệ thông tin, phân hệ truyền dẫn trên mặt đất, phân hệ nguồn cung cấp và phòng điều khiển, Tín hiệu từ mạng mặt đất đ−a tới qua bộ đấu nối đến bộ ghép kênh số (TDM) hay ghép kênh t−ơng tự (FDM), đến bộ đa truy nhập để phân ra các luồng khác nhau để đ−a đến các bộ điều chế số (th−ờng là PSK) hay là điều chế t−ơng tự (FM). Th−ờng là điều chế ở tần số trung gian gọi là trung tần (70 ± 18) MHz hay (140 ± 36) MHz. Sau bộ điều chế sẽ là trung tần đã đ−ợc điều chế bởi băng tần cơ sở, tần số trung tần đ−ợc đ−a đến bộ biến đổi tần số đ−ờng lên (U/C), để nâng tần lên tần số bức xạ (RF). Điển hình băng C nâng lên 6 GHz. Tín hiệu cao tần đã điều chế sau các bộ nâng tần đ−ợc đ−a đến bộ kếp hợp thành một băng tần chung với nhiều sóng mang và độ rộng băng lớn sau đó đ−a đến bộ khuếch đại công suất để có công suất ra lớn, gọi là bộ khuếch đại công suất cao (HPA). Tr−ờng hợp để tận dụng đ−ợc hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại công suất cao mà không gây nhiễu do điều chế thì mỗi bộ khuếch đại chỉ khuếch Hệ thống phân phối Bộ LNA Biến đổi xuống K.Đại IF Điều chế Giải Đ.Chế Thiết bị đa truy nhập Tới bộ ghép kênh bộ HPA Biến đổi lên K.Đại IF Thiết bị đa truy nhập, điều chế và giải Đ.chế Máy thu tạp âm thấp Máy phát công suất lớn Thiết bị bám Thiết bị an ten và bám Trang: 48 đại một sóng mang, lúc đó từ mỗi bộ nâng tần sẽ đ−a đến bộ khuếch đại công suất cao t−ơng ứng, sau đó mỗi sóng mang đã đ−ợc khuếch đại lên công suất theo yêu cầu sẽ đ−ợc đ−a đến bộ kết hợp qua bộ lọc phân h−ớng để đ−a ra anten phát lên vệ tinh, nh− chỉ ra trên hình 3.3 Khi thu cả băng tần thu sẽ đ−ợc anten cảm ứng với mức công suất rất thấp do cự ly thông tin lớn, bởi vậy tín hiệu thu đ−ợc từ anten sau khi qua đoạn ống dẫn sóng đến bộ lọc phân h−ớng (D) qua bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) để nâng mức tín hiệu thu đ−ợc lên khoảng 40 dB ữ 60 dB, và phải có mức tạp âm nhỏ để tạp âm tổng tăng lên không đáng kể. Bởi vậy LNA đặt càng gần anten càng tốt để giảm nhỏ nhất tạp âm đ−a vào hệ thống. LNA sẽ khuếch đại toàn bộ băng tần thu, sau đó đ−a tới bộ chia để phân ra các băng tần con rồi đ−a tới bộ biến đổi hạ tần (D/C) xuống trung tần (IF) 70 MHz hoặc 140 MHz, sau đó đ−a tới các bộ giải điều chế (DEMOD) để lấy ra tín hiệu băng tần cơ sở, đến thiết bị xử lý tín hiệu, qua thiết bị phân kênh đến thiết bị đấu nối ra mạng mặt đất để đi tới ng−ời sử dụng. Nguyên lý hoạt động của các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ tinh là nh− nhau, nh−ng các chỉ tiêu kỹ thuật, băng tần công tác, hệ số phẩm chất G/T và các ứng dụng chủ yếu thì có các yêu cầu khác nhau. Dựa vào đó Intelsat đã phân loại các trạm mặt đất từ A đến Z. 5.3. Anten trạm mặt đất. a. Nhiệm vụ anten trạm mặt đất Trong thông tin vệ tinh, anten trạm mặt đất đóng vai trò quan trọng. Nhiệm vụ chung của anten là biến năng l−ợng cao tần của máy phát thành sóng điện từ bức xạ về phía anten thu của vệ tinh ở phần phát và thu sóng điện từ trên đ−ờng xuống đ−a vào đầu vào máy thu. b. Các yêu cầu đối với anten trạm mặt đất Các yêu cầu đối với anten trạm mặt đất theo khuyến nghị 390 của CCIR (CCIR rep - 390) là: HP A bộ kết hợp U/C U/C U/C MOD MOD MOD bộ kết hợp U/C U/C U/C MOD MOD MOD HP A HP A HP A HPA khuyếch đại nhiều sóng mang HPA khuyếch đại một sóng mang Hình 3.3: HPA khuyếch đại một và nhiều sóng mang Trang: 49 - Hệ số tăng ích và hiệu suất cao - Tính h−ớng cao, búp phụ nhỏ để không gây can nhiễu lên các hệ thống vi ba khác - Đặc tính phân cực tốt để sử dụng các dạng phân cực khác nhau khi sử dụng lại tần số - Tạp âm thấp, phải giảm tạp âm xuống mức thấp nhất có thể đ−ợc. Mức tạp âm của anten phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh− góc tà, vị trí đặt, h−ớng và cấu tạo anten Để đạt đ−ợc các yêu cầu trên, trạm mặt dất th−ờng sử dụng các loại anten mặt phản xạ còn gọi là anten g−ơng. • Anten g−ơng parabol: nguyên lý cấu tạo gồm một mặt phản xạ cong theo đ−ờng cong parabol, làm bằng các vật liệu có hệ số phản xạ cao (Rpx≈1), th−ờng bằng nhôm hay hợp kim của nhôm, mặt phản xạ phải nhẵn để sóng phản xạ không bị tán xạ. Tại tiêu điểm của g−ơng parabol đặt một nguồn bức xạ sơ cấp (th−ờng là một anten loa: feed horn ) gọi là bộ chiếu xạ, sao cho tâm pha của bộ chiếu xạ trùng với tiêu điểm của g−ơng, nh− chỉ ra trên hình 3.4 Khoảng cách từ tiêu điểm F đến đỉnh g−ơng O gọi là tiêu cự f, trục đi qua đỉnh g−ơng và tiêu điểm gọi là trục quang (trục ox), nếu g−ơng parabol tròn xoay thì đ−ờng kính miệng g−ơng L đ−ợc gọi là khẩu độ (aperture). Theo tính chất của g−ơng parabol, các tia sóng xuất phát từ tiêu điểm của g−ơng rồi phản xạ từ mặt g−ơng sẽ trở thành các tia sóng song song nhau và có tổng đ−ờng đi từ tiêu điểm đến mặt phản xạ tới miệng g−ơng là bằng nhau và bằng một hằng số f + h ( ở đây h là độ sâu của g−ơng). Nh− vậy nếu nguồn sơ cấp đặt tại tiêu điểm g−ơng bức xạ sóng cầu thì sau khi phản xạ từ mặt g−ơng sẽ trở thành sóng phẳng. Bởi vậy anten g−ơng parabol có bức xạ đơn h−ớng, với tính h−ớng hẹp hệ số tăng ích cao. y L F xO θ r f Hình 3.4: Anten g−ơng parabol Trang: 50 Anten g−ơng parabol có cấu tạo đơn giản nhất và giá thành thấp nhất trong các anten dùng ở các trạm mặt đất trong thông tin vệ tinh. Nó có nh−ợc điểm bộ chếu xạ đặt xa đỉnh g−ơng nên hệ thống đỡ bộ chiếu xạ có kết cấu phức tạp, cồng kềnh, cùng với bộ chiếu xạ sẽ chắn đi một phần sóng phản xạ từ g−ơng, gây ra hiệu ứng che tối làm méo đồ thị tính h−ớng, tăng búp phụ và làm giảm hiệu suất của anten. Fide tiếp sóng cho bộ chiếu xạ dài gây nên tổn hao và tạp âm lớn. Do đó anten g−ơng parabol không đ−ợc sử dụng ở các trạm mặt đất thông th−ờng, mà chỉ đ−ợc sử dụng chủ yếu ở các trạm thu và các trạm nhỏ, dung l−ợng thấp. • Anten hai g−ơng (anten Cassegrain) Nguyên lý cấu tạo gồm hai g−ơng, một g−ơng chính với đ−ờng kính lớn là g−ơng parabol, một g−ơng phụ nhỏ là g−ơng hypebol, đ−ợc đặt sao cho tiêu điểm của hai g−ơng trùng nhau tại F1, nh− chỉ ra trên hình 3.5 Bộ chiếu xạ đ−ợc đặt sao cho tâm pha trùng với tiêu điểm của g−ơng phụ ảo hypebol F2. Do tính chất của g−ơng hypebol là hiệu đ−ờng đi của tia sóng từ tiêu điểm của g−ơng ảo đến mặt phản xạ với đ−ờng đi từ tiêu điểm của g−ơng thật đến mặt phản xạ là một hằng số và tính chất của g−ơng parabol nh− đã nói trên, nên các tia sóng xuất phát từ bộ chiếu xạ (có nghĩa là từ tiêu diểm của g−ơng phụ ảo hypebol, phản xạ làn thứ nhất tại g−ơng phụ Hypebol, rồi phản xạ lần thứ hai tại g−ơng chính parabol sẽ trở thành các tia sóng song song với nhau và có đoạn đ−ờng đi đến mặt phẳng song song với miệng g−ơng là hằng số. Do đó nguồn sơ cấp bức xạ sóng cầu sau khi phản xạ từ hai g−ơng sẽ trở thành sóng phẳng. Nh− vậy, anten Cassegrain cung có tác dụng nh− anten một g−ơng parabol, nh−ng nó có −u điểm kích th−ớc theo h−ớng trục quang ngắn hơn so với anten g−ơng parabol (ngắn hơn một đoạn bằng tiêu cự của g−ơng hypebol), bộ chiếu xạ đặt gần đỉnh g−ơng parabol hơn nên giá đỡ nó đơn giản hơn và g−ơng phụ H g−ơng chính F2 o F1 z Hình 3.5: Anten hai g−ơng Cassegrain Trang: 51 fide tiếp sóng sẽ ngắn hơn do đó tổn hao và tạp âm sẽ nhỏ hơn. Bởi vậy anten Cassegrain đ−ợc sử dụng phổ biến cho các trạm mặt đất thông th−ờng và với các anten có kích th−ớc trung bình và lớn • Anten lệch (offset antenna) Các anten một g−ơng parabol và anten hai g−ơng Cassegrain có một nh−ợc điểm chung là bộ chiếu xạ hay g−ơng phụ đặt thẳng hàng với đỉnh g−ơng làm chắn một bộ phận các tia sóng phản xạ từ g−ơng chính parabol gây ra một “miền tối” phía sau g−ơng làm giảm hệ số tăng ích, hiệu suất và tăng búp phụ. Để khắc phục nh−ợc điểm này ng−ời ta sử dụng anten lệch nghĩa là bộ chiếu xạ đ−ợc đặt lệch ra ngoài h−ớng của các tia phản xạ từ g−ơng parabol, nh− chỉ ra trên hình 3.6 Các anten lệch đ−ợc sử dụng trong tr−ờng hợp yêu cầu chất l−ợng cao nh− khi cần phải giảm can nhiễu từ các mạng vi ba trên mặt đất, hoặc từ các vệ tinh khác nằm gần nhau trên quỹ đạo c. Đặc tính phân cực Nh− đã nghiên cứu ở môn học Lý thuyết tr−ờng điện từ, sóng bức xạ ra từ anten gồm hai thành phần điện tr−ờng E hà từ tr−ờng H, vuông góc nhau và vuông góc với ph−ơng truyền lan. Theo quy −ớc, khi xét phân cực ng−ời ta xét sự biến thiên của véc tơ c−ờng độ điện tr−ờng E. Phân cực đ−ợc đặc tr−ng bởi các thông số sau: - Ph−ơng quay của véc tơ E: nếu nhìn từ h−ớng sóng truyền lan đi thẳng vào ng−ời quan sát thì véc tơ E có thể quay theo chiều kim đồng hồ (từ trái sang phải) gọi là quay phải, hay quay ng−ợc chiều kim đồng hồ (từ phải sang trái) gọi là quay trái. - Tỷ số trục (AR: Axial Ratio): là tỷ số độ dài giữa trục chính và trục phụ của hình êlíp do đầu mũi véc tơ E trong quá trình biến đổi tạo nên: AR = Emax/Emin. + Nếu Emax = Emin thì AR=1 là sóng phân cực tròn + Nếu Emin = 0 thì AR=∞ là sóng phân cực thẳng + Nếu Emax ≠ Emin thì AR có giá trị bất kỳ là sóng phân cực êlíp Hình 3.6 : Các anten lệch (offset antenna) anten parabol lệch anten Cassegrain lệch Trang: 52 5.4. Bám vệ tinh a. Tại sao phải có hệ thống điều khiển bám Vệ tinh địa tĩnh về nguyên lý là đứng yên khi quan sát từ một điểm cố định trên mặt đất, nh−ng trong thực tế nó luôn luôn chuyển động theo mọi h−ớng do tác động của nhiều nguyên nhân khác nhau nh− lực hấp dẫn của mặt trời, mặt trăng và các hành tinh khác, tác động của lực bức xạ ánh sáng mặt trời và tr−ờng hấp dẫn của quả đất, làm cho vệ tinh “tr−ợt” theo các h−ớng Nam-Bắc và Đông-Tây so với vị trí định tr−ớc, giới hạn cho phép là ±0,10. Hàng năm mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh nghiêng đi một góc khoảng 0,9o theo h−ớng Bắc-Nam so với mặt phẳng xích đạo Việc duy trì vệ tinh ở vị trí ban đầu, với chu kỳ hiệu chỉnh đ−ợc thực hiện bởi lệnh phát đi từ trạm đo l−ờng từ xa, bám, điều khiển và giám sát (TTC&M: telemetry, tracking, control and monitoring) đặt trên mặt đất. Vùng cho phép vệ tinh dao động trong đó mà không cần điều chỉnh vị trí vệ tinh gọi là cửa sổ giữ trạm (station keeping window) Kích th−ớc cửa sổ cho phép vệ tinh chuyển động tự do ở trong đó có độ dài của cung ở các h−ớng Đông- Tây và Bắc-Nam chắn góc ở tâm quỹ đạo là 0,1o, theo độ cao thấp là 0,001o, t−ơng ứng với độ dài các cạnh cửa sổ là 75 km và 85 km theo độ cao. Hình 3.18: Sự nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo địa tĩnh Quỹ đạo địa tĩnh đúng Quỹ đạo bị nghiêng Bắc Na x y τ Emi E anten h−ớng truyền lan ó E y x P Tỉ số trục (AR ) = Emax/Emin Hình 4.6: Tính chất phân cực của sóng điện từ Trang: 53 Do sự chuyển động của vệ tinh nên với các anten trạm mặt đất có búp sóng hẹp thì khi vệ tinh chuyển động lệch khỏi h−ớng thu cực đại mức thu sẽ bị giảm xuống đáng kể. Để bảo đảm mức thu tốt anten trạm mặt đất phải có hệ thống điều khiển bám theo vệ tinh (hệ thống tracking) b. Các hệ thống tự động điều khiển anten bám vệ tinh: - Bám xung đơn (monopulse tracking) - Bám từng nấc (steptrac tracking) - Bám theo ch−ơng trình/bộ nhớ (program/memory tracking) - Bám bằng tay (Manual Tracking) • Bám bằng xung đơn Đây là thuật ngữ th−ờng dùng trong kỹ thuật rada để chỉ lỗi góc do h−ớng thu lệch sẽ nhận đ−ợc một xung đơn. Khi h−ớng thu tín hiệu từ vệ tinh đến đúng h−ớng thu cực đại của anten (h−ớng thẳng góc với bộ chiếu xạ), thì trong ống dẫn sóng của bộ tiếp sóng sẽ xuất hiện loại sóng TE10, khi h−ớng thu bị lệch thì trong ống dẫn sóng sẽ xuất hiện loại sóng bậc cao hơn là TE20 (nh− chỉ ra trên hình 3.20) . Pha của loại sóng TE20 sẽ thay đổi phụ thuộc vào h−ớng của góc lệch từ đó máy thu điều khiển bám sẽ ra lệnh phù hợp để quay anten Hình 3.20: Các loại sóng thu đ−ợc ở các h−ớng khác nhau Các loại sóng bậc cao mà hệ thống bám thu đ−ợc sẽ tạo ra tín hiệu lỗi đ−a tới máy thu của hệ thống điều khiển để xử lý. Cuối cùng điện áp lỗi sẽ đ−ợc đ−a tới hệ thống “trợ động” (serve system) để điều khiển anten cũng nh− huỷ bỏ điện áp lỗi 0,1o0,1o N 85 km 75 km 75 km B Hình 3.19: Cửa sổ cho phép vệ tinh chuyển động tự do mặt phẳng xích đạo Trang: 54 • Hệ thống điều khiển bám theo ch−ơng trình Khi các vệ tinh quỹ đạo nghiêng xuất hiện thì hệ thống điều khiển bám theo ch−ơng trình đ−ợc đ−a ra Anten đ−ợc điều khiển bởi máy tính dựa trên số liệu dự đoán các vị trí vệ tinh do Intelsat cung cấp cho mỗi vệ tinh và các trạm mặt đất có liên quan, theo một chu kỳ nhất định th−ờng là hai tuần một lần. Số liệu dự đoán vị trí vệ tinh đ−ợc cài đặt vào phần mền của máy tính điều khiển, từ đó biến đổi thành các lệnh để điều khiển anten bám theo vệ tinh ở từng thời gian nhất định • Hệ thống bám từng nấc Hệ thống tự động bám theo xung đơn có nh−ợc điểm là mô tơ điều khiển anten làm việc liên tục nên chóng hỏng Nguyên lý chung của hệ thống bám từng nấc sau khi nhận đ−ợc tín hiệu điều khiển bám vệ tinh (hay tín hiệu h−ớng dẫn) phát đi từ vệ tinh ở mức không đổi trong búp sóng “toàn cầu”. Mức tín hiệu thu đ−ợc so sánh với mức mẫu đ−ợc quy định, nếu nhỏ hơn một giá trị quy định nào đó thì anten sẽ đ−ợc lệnh quay một góc ban đầu. Bằng cách so sánh mức tín hiệu thu tr−ớc và sau khi di chuyển, h−ớng di chuyển tiếp theo đ−ợc quyết định. Có nghĩa là nếu mức tín hiệu có chiều h−ớng tăng lên thì anten tiếp tục di chuyển theo h−ớng cũ, nếu mức tín hiệu có chiều h−ớng giảm thì h−ớng di chuyển của anten sẽ quay trở lại. Các xử lý này liên tục và thay đổi luân phiên giữa hai trục vuông góc với anten. Ưu điểm của anten bám từng nấc là bộ phận mô tơ quay anten không làm việc liên tục nên ít bị hỏng, nh−ợc điểm là ít khi anten h−ớng đúng cực đại vào vệ tinh do hệ thống chỉ làm việc khi mức thu giảm đến một giá trị quy định • Bám bằng tay (Manual Tracking) Chỉ những anten có đ−ờng kính lớn là cần thiết phải có hệ thống bám tự động. Khi đ−ờng kính anten giảm yêu cầu này không cần thiết lắm. Trong thực tế đối với các anten có kích th−ớc bằng hoặc nhỏ hơn 8m thì bám tự động là không cần thiét mà chỉ cần điều chỉnh bằng tay hàng tuần hoặc hàng tháng bởi vì độ rộng búp sóng an ten lớn. Đoềi chỉnh này có thể thực hiện bằng cách làm cho các chuyển mạch phù hợp với mô tơ góc ph−ơng vị và góc ngẩng, hoặc dùng biện pháp cơ khí để quay trực tiếp anten. Điều khiển bám bằng tay cũng th−ờng đ−ợc sử dụng nh− là một biện pháp dự phòng cho các loại điều khiển trên. 5.5. Cấu hình trạm VSAT. a. Sơ l−ợc: Nhờ sự phát triển của thành tựu khoa học công nghệ, đã chế tạo ra đ−ợc các bộ khuếch đại có công suất lớn, các bộ khuếch đại có tạp âm nhỏ, cùng với sự ra đời của các trạm vệ tinh có công suất khuếch đại cao. Nên đã đ−a tới sự phát triển Trang: 55 của các trạm vệ tinh có khẩu độ an ten nhỏ VSAT (VSAT: Very Small Aperture Terminal). Hệ thống thông tin VSAT đợc sử dụng đầu tiên (1980) tại Mỹ. Hệ thống VSAT cho phép các trạm mặt đất có kích th−ớc rất nhỏ, giá thành thấp, đ−ờng kính anten có thể nhỏ từ 0,9m đến 1,8m và công suất phát của trạm cớ vài oát. Hệ thống TTVT VSAT đ−ợc sử dụng trong quân sự, viễn thông nông thôn, hội nghị truyền hình, ngân hàng.... Một mạng VSAT bao gồm một vệ tinh hay một phần vệ tinh, một trạm chính có anten khoảng 4,5m đến 10m và gồm một số l−ợng lớn từ vài chục đến vài trăm ngàn trạm đầu cuối VSAT với các anten nhỏ. Quỹ đạo của vệ tinh VSAT là quỹ đạo địa tĩnh và phải có vùng phủ sóng rộng. Hình : Các thành phần chính của trạm VSAT b. Ưu điểm và nh−ợc điểm của hệ thống thông tin VSAT: ♣ Ưu điểm: - Vùng phủ sóng rộng - Truyền số liệu với dung l−ợng lớn. - Lắp đặt nhanh. - Dễ dàng nâng cấp hệ thống - Dễ dàng nâng cấp băng thông. - Có khả năng cung cấp băng thông theo yêu cầu - Cung cấp đ−ợc cho các vùng sâu vùng xa và hải đảo. ♣ Nh−ợc điểm: - Chất l−ợng đ−ờng truyền phụ thuộc nhiều vào thời tiết. - Tính bảo mật không cao - Trễ truyền lan lớn. c. Cấu hình trạm VSAT Cấu hình trạm VSAT đ−ợc chia làm ba thành phần bao gồm: Anten, khối ngoài trời (ODU-Outdoor unit) và khối trong nhà (IDU-Indoor unit). Bộ HPA có thể đ−ợc gắn thêm để khuếch đại công suất phát lên 20W. Th−ờng chỉ đ−ợc sử dụng ở trạm HUB Khối ngoài trời Khuếch đại tạp âm thấp và biến đổi xuống Khuếch đại công suất cao và biến đổi lên Khối trong nhà Điều chế Giải điều chế Xử lý băng gốc Tới thiết bị đầu cuối dữ liệu Cáp IFL Thu truyền hình (tuỳ chọn) Tới lắp đặt truyền hình An ten Trang: 56 a. Cấu hình modem TRES (Trunking Earth Station - trạm trung kế mặt đất)với phát 70MHz và thu băng L: • An ten: - Loại anten: Th−ờng là anten Offset nhằm hạn chế búp sóng phụ, đồng thời tăng hiệu suất anten. Để giảm tổn hao trong các mạch ghép nối nên bộ chiếu xạ th−ờng đ−ợc thích hợp với khối ODU và đ−ợc đặt tại tiêu điểm của mặyt phản xạ Parabol. Mặt phản xạ th−ờng đ−ợc làm bằng nhôm và đ−ợc gắn với thiết bị giá đỡ đơn giải nhằm có thể lắp ráp một cách linh hoạt. Do phạm vị chuuyển động của anten vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh luôn nằm trong búp sóng chính cuả anten tram mặt đất VSAT, nên anten tram mặt đất không cần có hệ thống bám - Đ−ờng kính: Tuỳ thuộc vào hệ số phẩm chất yêu cầu, công suất bức xạ t−ơng đ−ơng đẳng h−ớng của trạm VSAT khi xét đến yêu cầu của dịch vụ cũng nh− khả năng của vệ tinh và vùng địa lý của trạm. + Với băng Ku đ−ờng kính anten là 1,2mữ1,8m, song vời vùng có nhiều m−a nh− Việt Nam thì đ−ờng kính anten là 1,8mữ2,4m. + Với băng C để hạn chế gây nhiễu sang các hệ thống vệ tinh lân cận nên đ−ờng kính anten th−ờng yêu cầu lớn hơn băng Ku. Tuy nhiên bằng cách sử dụng kỹ thuật trải phổ anten trạm VSAT băng C có đ−ờng kính anten chỉ cần 0,6mữ1,2m. Thiết bị đầu cuối M&C Modem TRES Điện áp AC Ng−ời sử dụng: ữ liệu, video, điện thoại số và Fax, truy cập Internet) RS-232 (RJ-11) Phát Thu PDS-M HUGHES PDS-M POWER Điện áp vμo 90- Cáp IFL An ten vệ tinh Thiết bị cuối RF băng-C hoặc băng-Ku ODU HPA LNB Chiếu xạ Modem TRES Điện áp vμo 110V AC Ng−ời sử dụng: ữ liệu, video, điện thoại số và Fax, truy cập Internet) RS-232 (RJ-11) Phát 70 MHz Thu 950-1700 Thiết bị đầu cuối M&C Trang: 57 • Khối ngoài trời: Bao gồm bộ biến đổi tạp âm thấp LNB (khuếch đại tạp âm thấp LNA và biến đổi xuống), bộ biến đổi lên và bộkhuếch đại công suất cao HPA. • Cáp IFL(Inter Facility Link): là cáp đồng trục có trở kháng 50Ω, có chiều dài < 300m. Có nhiệm vụ truyền tải tín hiệu IF (th−ờng 1GHzữ2GHz) từ khối ODU tới khối IDU, truyền điện áp DC, tín hiệu chuẩn 10MHz, tín hiệu M&C, tín hiệu thu và phát. • Khối trong nhà: Th−ờng bao gồm modem IF (điều chế/ giải điều chế ) và bộ xử lý băng gốc đ−ợc kết nối với thiết bị đầu cuối DTE qua giao diện chuẩn. Đối với VSAT cho dịch vụ thoại cần có thiết bị ADC để chuyển đổi tín hiệu thoại t−ơng tự sang tín hiệu số. • Tuyến phát: → TRES nhận dữ liệu từ DTE qua giao tiếp vào ra để truyền tới bộ điều chế. → Bộ điều chế sẽ mã hoá sau đó xử dụng điều chế dịch pha thành sóng mang trung tần (185MHz) đa ra ngõ phát. → Sóng mang trung tần đợc ghép tại thiết bị phân phối nguồn (PDS-M) để đa tới thiết bị ngoài trời bằng cáp IFL. → Tại ODU, sóng mang đợc tách kênh sau đó dịch tần lên băng C và đợc khuếch đại trớc khi tới OMT của anten. • Tuyến thu: → Sóng mang thu về từ vệ tinh đợc LNB khuếch đại và dịch tần xuống băng L trớc khi đa vào ODU.→ Tại ODU, sóng mang thu đợc ghép trớc khi đa xuống thiết bị phân phối nguồn (PDS-M) bằng cáp IFL.→ Tại thiết bị phân phối nguồn (PDS-M), sóng mang thu đợc tách kênh rồi đa xuống modem TRES.→ Bộ giải điều chế sẽ Bộ vỉ xử lý V3 ODU băng C LO 1 LO 2 HPA 20W LNB IFL Ra cao tần 5,850 ữ 6,425GHz Cao tần vào 3,8250 ữ 4,2GHz M U X DTE Modem TRES Mã hoá Điều chế Đệm Bộ vi xử lý Giải mã hoá Giải điều chế M&C M&C DTE M U X ữ ∑ IFL PDS-M Trang: 58 giải điều chế, dịch tần sóng mang xuống băng L, giải mã thành chuỗi dữ liệu truyền qua cổng I/O tới DTE. Modem TRES có chức năng: Mã hoá sửa sai, điều chế và giải điều chế. • Thiết bị phân phối nguồn PDS-M có chức năng: Cung cấp nguồn DC cho ODU, tách ghép tần số phát và tần số thu và cung cấp tín hiệu ổn đinh 10MHz làm chuẩn cho ODU. • Giám sát và điều khiển M&C: - Việc giám sát và điều khiển đợc thực hiện bằng phần mềm TRES M&C (Monitor And Control) của Hughes. - Chơng trình M&C đợc cài đặt trên nền Window 95/98. - Kết nối máy tính với Modem TRES qua cổng COM1 (mặc định) - Tốc độ Boud là 24Kb/s. 5.6. Cấu hình các trạm VSAT. Các trạm VSAT đ−ợc kết nối với nhau bằng các tuyến Uplink và Downlink. Tuỳ thuộc vào loại hình dịch vụ đ−ợc cung cấp, tổ chức mạng các trạm VSAT có thể theo các cấu hình sau: • Cấu hình hình sao (Điểm nối đa điểm): Là kiểu tổ chức đ−ợc dùng phổ biến nhất hiện nay. Trong đó các trạm VSAT muốn liên lạc với nhau đều phải thông qua trạm HUB để quản lý và điều hành hoạt động của mạng. Trạm này đ−ợc nối với máy tính chủ và đ−ợc kết nối với mạng thông tin công cộng. Tất cả các đầu cuối ở xa đều đ−ợc chuyển tiếp qua bộ xử lý trung tâm của trạm. Đ−ờng thông tin phải đi qua vệ tinh hai lần nên trễ đ−ờng truyền lớn khoảng 513ms, điều này đã làm giảm chất l−ợng liên lạc thoại đối với các dịch vụ hội nghị. Với cấu hình này trễ đ−ờng truyền lớn. Với trạm mặt đất HUB: Có quy mô lớn hơn trạm VSAT lẻ (Remote), đ−ờng kính an ten băng C là từ 7mữ18m, đ−ờng kính an ten băng Ku là từ 3,5mữ11m, mức khuêch đại công suất của HPA khoảng 400W. • Cấu hình hình l−ới (Điểm nối điểm: Các trạm VSAT có thể liên lạc trực tiếp với nhau mà không cần phải thông qua trạm HUB dể điều khiển. Là kiểu cấu hình mà các trạm VSAT đều có vai trò nh− nhau. Yêu cầu các trạm VSAT phải có anten kích th−ớc lớn hơn các trạm VSAT tổ chức theo cấu hình hình sao, nhằm đạt đ−ợc EIRP lớn đáp ứng yêu cầu của đ−ờng lên và phải tăng công suất vệ tinh nên cấu hình này ít đ−ợc sử dụng. Trễ đ−ờng truyền nhỏ khoảng 240ms. • Cấu hình lai ghép: Để bảo đảm yêu cầu dịch vụ và độ tin cậy ng−ời ta dùng cấu hình lai ghép giữa cấu hình hình sao và ấu hình hình l−ới. VSAT VSAT VSAT VSAT VSAT VSAT HUB Cấu hình hình sao Cấu hình hình l−ới VSAT VSAT VSAT VSAT VSAT VSAT Trang: 59 3.4. Tổng hợp các đặc tính kỹ thuật của thông tin vệ tinh VINASAT Đặc tính kỹ thuật Tham số Quỹ đạo bay Địa tĩnh Vị trí quỹ đạo 1320 Nguyên lý ổn định 3 trục Khối l−ợng: -Khối l−ợng khô -Khối l−ợng phóng 1.200Kg 2650kg Công suất vệ tinh: -Tại thời điểm đầu -Tại thời điểm cuối 5.650W 4.700W Thời gian sống 15 năm ổn định quỹ đạo +/- 0,050 ổn định t− thế 0,090 Độ tin cậy đến thời điểm cuối > 0,78 Tên lửa phù hợp Proton (Nga); Delta (Mỹ)... Tần số thông tin Băng C và băng Ku Vùng phủ sóng băng C Nhật Bản, Triều Tiên, Trung Quốc, Đài Loan, các n−ớc ASEAN, Đông Ân Độ và Đông úc. Vùng phủ sóng băng Ku Các n−ớc đông d−ơng, khu vực lân cận, đảo Tr−ờng sa và Hoàng sa. Tần số TT&C Băng C và băng Ku Vị trí trạm điều khiển mặt đất 1 Hà Nội và 1 TP.HCM Thiết bị thông tin Băng C Băng Ku Số l−ợng bộ phát đáp 18 10 Số bộ phát đáp trao đổi 1 nối sang băng Ku 1 nối sang băng C Số l−ợng bộ phát đáp dự phòng >20% >20% Độ rộng dải thông phát đáp 36MHz 36MHz VSAT TRES 1 Trạm HUB VSAT TRES 2 VSAT TRES n Cấu hình điểm nối đa điểm VSAT TRES 1 VSAT TRES 2 Cấu hình điểm nối điểm Trang: 60 Tần số Lên/Xuống 6GHz/ 4GHz 14GHz/ 11GHz Phân cực Tuyến tính Tuyến tính Công suất ra 75W 100W Dự phòng công suất >20% >20% EIRP trong vùng pbủ sóng 37,5/41 dBW 52/65 dBW Máy thu ở mỗi phân cực 1 làm việc/1 dự phòng 1 làm việc/1 dự phòng Hình thức truyền dẫn số PCM/TDM/PSK/TDMA; PCM/TDM/PSK/FDMA; MPEG-2/TDM/PSK/FDM; MPEG-2/TDM/PSK/TDMA Trang: 61 Ch−ơng 7: Thiết kế năng l−ợng đ−ờng truyền (4 tiết) 7.1. Khái niệm Một điểm quan trọng khi xét đến việc thiết kế một đ−ờng truyền vô tuyến là có thể cho phép giảm chất l−ợng tuyến xuống bao nhiêu đối với truyền lan trong không gian. Vì thế, không chỉ thiết kế đ−ờng vô tuyến với chất l−ợng cao nhất, mà cần thiết phải xem xét đến tính kinh tế. Trạm mặt đất chất l−ợng cao: sẽ có thông tin chất l−ợng cao do khắc phục đ−ợc sự giảm chất l−ợng đ−ờng truyền và có giá thành cao. Mục tiêu thiết kế: Bảo đảm một đ−ờng truyền có chất l−ợng đạt yêu cầu có giá thành càng rẽ càng tốt 7.2. Các chỉ tiêu kỹ thuật. Theo uỷ ban t− vấn vô tuyến quốc tế CCIR thiết lập các chỉ tiêu chất l−ợng cần thoả mãn cho nhiều loại hình dịch vụ và các quá trình điều chế thực hiện. Nhìn chung, họ đ−a ra ba ng−ỡng chất l−ợng không đ−ợc phép v−ợt quá trong một phần trăm thời gian cho tr−ớc. (các khuyết nghị 353-4 và 522 đối với thoại; khuyết nghị 567-1 và 568 đối với truyền hình). Bảng chỉ tiêu chất l−ợng Các điều kiện đo Thoại t−ơng tự (Công suất tạp âm tại mức chuẩn) Thoại số (PCM) (BER) 20% của thàng bất kỳ (giá trị trung bình 1’) 10.000 pWOp --- 20% của thàng bất kỳ (giá trị trung bình 10’) --- 10 -6 0,3% của thàng bất kỳ (giá trị trung bình 1’) 50.000 pWOp 10 -4 0,01% của nămbất kỳ (giá trị tổng trên 5ms) 1.000.000pWO (không trọng số) --- 0,01% của nămbất kỳ (giá trị trung bình 1s) --- 10 -3 Đối với truyền hình, chỉ tiêu chất l−ợng đối với tất cả các tuyến truyền dẫn truyền hình khoảng cách xa (mặt đất hay vệ tinh) thì tỷ số S/N ≥53dB trong 99% thời gian và 45dB trong 99,9% thời gian (khuyết nghị 567-1 và 568). Tuy nhiên chỉ tiêu trên là khá cao nên th−ờng dùng cho hệ thống mạng quảng bá, trong các tr−ờng Điểm hoà hợp Tuyến chất l−ợng cao Khả năng tiết kiệm Hình 7,1: Các mục tiêu thiết kế tuyến Trang: 62 hợp sau này phần lớn ng−ời ta hoàn toàn chấp nhận chất l−ợng thiết kế chỉ bằng 40dB. 7.3. Công suất tạp âm vμ sóng mang. 7.3.1. Công suất sóng mang Công suất thu (PThu) là một yếu tố quan trong nhất trong việc xác định chất l−ợng của một tuyến thông tin vệ tinh. - Hệ số tăng ích: th−ờng dùng là anten Parabol ηλ π .. 2DG = trong đó λ là b−ớc sóng, η là hiệu suất và D là đ−ờng kính mặt g−ơng. - Suy hao hệ thống phi đơ trạm mặt đất th−ờng đ−ợc thiết kế là 1ữ2dB và trên vệ tinh là ≤1dB. - Công suất phát xạ đẳng h−ớng t−ơng đ−ơng: (EIRP) nó biểu thị công suất thực tế phát tới vệ tinh, nghĩa là nó t−ơng đ−ơng với công suất phát cần thiết khi sử dụng anten không có tăng ích và hệthống phi đơ không có suy hao. EIRP = PT – LT + GT - Suy hao truyền sóng LP = Γ + LI + LA + LR LP là suy hao truyền sóng, LI là suy hao hấp thụ trong tầng điện ly, LA Suy hao hấp thụ trong không khí, LR suy hao m−a, Γ là suy hao không gian tự do 24 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛=Γ λ πR . R là khoảng cách truyền, λ là b−ớc sóng. Trong đó suy hao không gian tự do chiếm phần lớn suy hao đ−ờng truyền. Trong cựa sổ tần số vô tuyến điện (1ữ10) GHz thì suy hao do tầng điện ly và không khí là không đáng kể và có thể bỏ qua. Tuy nhiên ở tần số > 10GHz thì suy hao do m−a có thể là nhân tố quan trong nhất quyết địnhđến chất l−ợng tuyến. Máy phát Vệ tinh Suy hao hệ thông phu đơ thu LR Hệ số tăng ích anten thu GR Suy hao đ−ờng truyền LP Hệ số tăng ích anten phát GT Suy hao hệ thống phi đơ phát LT Công suất phát PT PR = PT – LT + GT – LP + GR – LR (dB) * Trang: 63 7.3.2. Công suất tạp âm a. Công suất tạp âm nhiệt - Tạp âm nhiệt đ−ợc tạo ra trong máy phát: Là đáng kể nh−ng giảm dần dọc theo đ−ờng truyền lan nên không cần xét. - Tạp âm bên ngoài đi vào anten thu: Bao gồm tạp âm không gian, tạp âm bề mặt trái đất, tạp âm khí quyển và tạp âm m−a. + Tạp âm m−a: là nguyên nhân chính làm suy hao tín hiệu + Tạp âm không gian: Khi trời quang là nguyên nhân chính làm suy hao tín hiệu + Tạp âm khí quyển: có thể bỏ qua khi thiết kế vì nhiệt độ đo đ−ợc của tạp âm khí quyển <10oK. + Tạp âm bề mặt trái đất: Tạp âm từ bề mặt trái đất không ảnh h−ởng tới trạm mặt đất bởi vì ta dùng anten định h−ớng nh−ng ảnh h−ởng đến vệ tinh thông tin vì anten của nó h−ớng về trái đất, Nhiệt độ tạp âm của tạp âm bề mặt trái đất thu bằng vệ tinh thông tin gần giống nh− trên bề mặt trái đất. - Tạp âm bên trong tạo ra từ máy thu, anten và hệ thống phi đơ: Tạp âm tổng bên trong TIN là: ( ) R F PA IN TL ITT T +−+= 10 trong đó TA là nhiệt tạp âm ânten, TR là nhiệt tạp âm máy thu, TO nhiệt độ môi tr−ờng, LF là suy hao hệ thống phi đơ (giá trị thực), TO(LF-1) là tạp âm hệ thống phi đơ,. - Tạp âm hệ thống: cả tạp âm bên ngoài và tạp âm bên trong đều tồn tại trong một hệ thống, vì thế tạp âm tổng đối với hệ thống đó bằng tổng công suất tạp âm bên trong và bên ngoài của nó. + Nhiệt tạp âm của trạm mặt đất trên đ−ờng xuống là: ( ) R F FOAS SYS TL LTTT T +−++= 1 trong đó, TS là nhiệt tạp âm ngoài. + Nhiệt tạp âm của vệ tinh trên đ−ờng lên là: nguyên nhân gây ra tạp âm chính là TR và TS: TSYS = TS + TR (**) + Công suất tạp âm của toàn bộ hệ thống là: NSYS = 10 log (k . TSYS . B) dB trong đó, k là hằng số Boltzman=1,38.10-23 (W/Hz/0K), B là độ rộng băng tần (Hz) Trang: 64 + Từ (*) và (**) ta có C/N = PR - NSYS = PT – LT + GT – LP + GR – LR - NSYS b. Công suất tạp âm nhiễu - Can nhiễu tuyến khác: xẩy ra giữa các tuyến thông tin khác + VTTT khác -> TMĐ + TMĐ -> VTTT + Tuyến viba mặt đất -> VTTT + Tuyến viba mặt đất ->TMĐ Trong đó nhiễu giữa tuyến viba mặt đất và TMĐ là lớn nhất. Để thiết kế tuyến ta cần đặt TMĐ sao cho nhiễu xẩy ra là ít nhất, với C/N là nhỏ nhất. - Nhiễu cùng tuyến: đ−ợc tạo ra ngay trong tuyến, có nguyên nhân sau + Tạp âm nhiễu khử phân cực, xẩy ra trong hệ thống thông tin phân cực kép, nó bị chi phối bởi các đặc tính của anten. Để triệt nhiễu cần tăng khả năng phân biệt phân cục chéo của anten. + Tạp âm nhiễu kênh lân cận, các thành phần kênh lân cận có cùng phân cực với tuyến VTTT bị điều h−ởng bởi các đặc tính bộ lọc máy thu. Để triệt nhiễu sử dụng bộ lọc có đặc tính sắc nhọn. c. Phối hợp tạp âm Trong thiết kế tuyến thực tế, phần lớn các thủ tục sử dụng không xác định các chỉ tiêu kỹ thuật và tính toán số l−ợng tạp âm và nhiễu. Thật vậy, mức nhiễu do tạp âm đ−ợc đánh giá đối với mỗi yếu tố. Sau đó các yêu cầu kỹ thuật đ−ợc xác định đối với vị trí và các đặc tính của anten. loại thủ tục này gọi là phân bổ tạp âm. Hinh 7.2: Phân bổ tạp âm Thông th−ờng để cải thiện chất l−ợng chỉ bằng việc sửa đổi một phần thiết bị. Vì thế phải xét đến sự cân bằng của toàn bộ hệ thống đối với thiết kế kinh tế của các C/N + I thích hợp khi đạt đ−ợc chất l−ợng tuyến theo yêu cầu C/N đối với đ−ờng lên C/N đối với đ−ờng xuống Tạp âm nhiệt C/N Tạp âm nhiễu C/I Tạp âm nhiệt C/N Tạp âm nhiễu C/I Tạp âm nội bộ Tạp âm ngoài Can nhiễu khác HT Can nhiễu cùng tuyến Tạp âm bên trong Tạp âm bên ngoài Can nhiễu khác HT Can nhiễu cùng tuyến Tạp âm máy thu Tạp âm bề mặt trái đất Nhiễu khử phân cực Nhiễu kênh lân cận Tạp âm máy thu Tạp âm anten Tạp âm hệ thống phi đơ Tạp âm bầu trời Tạp âm m−a Nhiễu đ−ờng viba trên m.đất Nhiễu khử phân cực Can nhiễu kênh lân cận Trang: 65 ph−ơng tiện. khái niệm phân bố tạp âm cũng là quan trọng khi xác định chất l−ợng của từng thiết bị riêng lẻ trong hệ thống. trong hệ thống TTVT hiện nay, tạp âm nhiễu trong máy thu là yếu tố chính gây ra tạp âm, vì thế các yếu tố khác kém kém quan trọng hơn khi đánh giá về kinh tế. 7.4. Tính toán độ sẵn sμng. a. Các chỉ tiêu sẵn sàng Một tuyến thông tin vệ tinh cố định thiết lập giữa các đầu cuối của một tuyến chuẩn giả định hoặc đ−ờng số chuẩn giả định phải đ−ợc xem là không sẵn sàng theo khuyết nghị 352-1 và 521-1, nếu nh− một hoặc nhiều điều kiện sau tồn tại ở một trong số các đầu cuối thu của tuyến lâu hơn 10 giây liên tiếp. - ở truyền dẫn t−ơng tự, tín hiệu mong muốn đ−a vào tuyến đ−ợc thu tại một đầu cuối khác ở một mức nhỏ nhất là 10dB d−ới mức mong muốn. - ở tuyến truyền dẫn số, tín hiệu bị ngắt (có nghĩa là mất đồng bộ khung hoặc định thời khung). - ở truyền dẫn t−ơng tự kênh thoại, công suất tạp âm không trong số tại mức không t−ơng đối, với thời gian thích hợp là 5ms, v−ợt quá 10-6pwo. - Trong truyền dẫn số, BER v−ợt quá 10-3. Theo khuyết nghị 579 quy định tạm thời rằng, độ sẵn sàng của đ−ờng truyền đ−ợc định nghĩa là (1- thời gian gián đoạn/ thời gian yêu cầu) phải lớn hơn 99,8% trong một năm, khi chỉ xét đến giai đoạn do thiết bị. b. Tính toán độ sẵn sàng Chất l−ợng tuyến đ−ợc quyết định bằng khả năng không sẵn sàng của hệ thống, trong các yếu tố không sẵn sàng tác động tới hệ thống có m−a, nhiễu mặt trời và sự cố thiết bị. Trong đó, độ không sẵn sàng m−a là ảnh h−ởng lớn nhất tới hệ thống nên khi thiết kế tuyến chủ yếu ta xét đến độ không sẵn sàng m−a. • Khi sử dụng các tần số >10GHz trong các hệ thống TTVT, chất l−ợng tuyến đ−ợc quyết định bằng khả năng không sẵn sàng do m−a chứ không phải BER thông th−ờng (số) hoặc S/N (t−ơng tự). Vì vậy, khi thiết kế các tuyến sử dụng tần số Quyết định về độ không sẵn sàng cho phép Quan hệ giữa xác suất m−a và tốc độ m−a Suy hao tín hiệu, tăng nhiễu và tạp âm Xác định các chỉ tiêu trong từng phần thiết bị trong trạm mặt đất Hình 7.3: Thủ tục thiết kế tuyến có xét đến độ không sẵn xàng do m−a Tốc độ m−a cho phép C/N trong khi m−a Trang: 66 >10GHz, phải xác định khả năng không sẵn sàng có thể cho phép để xác định các chỉ tiêu kỹ thuật đối với trạm mặt đất. Ta cần phải xét đến l−ợng tăng về tạp âm bầu trời và nhiễu khử phân cực do m−a, không chỉ về suy hao công suất thu. Nh− hình trên, khi xác định tỷ số thời gian không sẵn sàng, ta cần tìm ra l−ợng m−a cho phép từ các đặc tính m−a ở vị trí trạm mặt đất. Nghĩa là thiết kế hệ thống thông tin phân phối các trạm mặt đất và các chỉ tiêu kỹ thuật đối với thiết bị để cải thiện chất l−ợng của tuyến phải cao hơn và sẽ đạt đ−ợc tại nơi đó. Để thiết kế kinh tế trạm mặt đất phải chấp nhận một mức độ không sẵn sàng nào đó nh−ng tuỳ thuộc vào các dịch vụ thông tin (ví dụ Truyền hình quảng bá), phải tối thiểu hoá khả năng không sẵn sàng. Đối với dịch vụ thông tin nh− thế tốt nhất là thiết lập hai hoặc nhiều trạm mặt đất hơn là dùng anten lớn hơn để làm tăng đầu ra truyền dẫn. Hình trên đ−a ra giải pháp phân tập không gian, triển khai các trạm mặt đất đặt cách nhau vài chục Km và đ−ợc nối với nhau bởi tuyến thông tin mặt đất. Giải pháp này cho phép ta khắc phục đ−ợc ảnh h−ởng mất thông tin khi m−a cục bộ. Lúc này độ không sẵn sàng là: • Đối với nhiễu mặt trời: cần tính đến độ không sẵn sàng một vài phút trên ngày, trong 2 hoặc 3 ngày vào lúc thu phân và xuân phân. Có thể thay đổi thời gian không sẵn sàng do nhiễu mặt trời bằng cách dử dụng anten có h−ớng nh−ng cũng không thể tránh đ−ợc cho tất cả các trạm mặt đất. Trạm mặt đất phát Trạm mặt đất thu A Trạm mặt đất thu B Tuyến thông tin mặt đất M−a Phân tập không gian Hình 7.4: Lắp đặt trạm mặt đất phân tập không gian Độ không sẵn sàng = (độ không sẵn sàng của một trạm) ì (t−ơng quan m−a) + (độ không sẵn sàng đối với một trạm)2. Trang: 67 • Đối với thiết bị: sự cố cho phép từ 0,01ữ0,1% thời gian hoạt động nếu nh− không có hệ thống dự phòng và cho phép từ 0,001ữ0,1% thời gian hoạt động nếu có hệ thống dự phòng. Ôn tập, thi vμ kiểm tra: 3 tiết