Tài liệu Cân bằng công suất - băng thông trong thông tin vệ tinh

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hoàng Vân CÂN BẰNG CÔNG SUẤT – BĂNG THÔNG TRONG THÔNG TIN VỆ TINH LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2010 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hoàng Vân CÂN BẰNG CÔNG SUẤT – BĂNG THÔNG TRONG THÔNG TIN VỆ TINH Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Bạch Gia Dương Hà Nội - 2010 3 MỤC LỤC Trang Mục lục Danh mục hình vẽ, đồ thị Danh mục các ký tự viết tắt Mở đầu Chƣơng 1. Tổng quan về thông tin vệ tinh 1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin vệ tinh 1.2. Đặc điểm của thông tin vệ tinh 1.3 Một số vấn đề liên quan đến thông tin vệ tinh 1.3.1. Quỹ đạo 1.3.2. Tần số trong thông tin vệ tinh 1.3.3. Phân cực sóng 1.4. Hệ thống thông tin vệ tinh 1.5 Suy hao, tạp âm trong hệ thống thông tin vệ tinh 1.5.1. Các nguồn tạp âm 1.5.2 Các loại suy hao 1.6. Các phương pháp đa truy nhập trong thông tin vệ tinh 1.6.1. Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA 1.6.2. Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA 1.6.3. Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Chƣơng 2. Truyền dẫn số trong thông tin vệ tinh 2.1 Ảnh hường của thiết bị trạm mặt đất đến tín hiệu số 2.1.1 Bộ khuếch đại công suất 2.1.2 Bộ khuếch đại tạp âm thấp 2.1.3 Bộ chuyển đổi tần số 2.2 Kỹ thuật điều chế và giải điều chế tín hiệu 2.2.1. Giới thiệu 2.2.2. Kỹ thuật điều chế tần số (FM) 2.2.3. Kỹ thuật giải điều chế sóng mang điều tần (FM) 2.2.4. Điều chế số 2.2.5. Kỹ thuật giải điều chế sóng mang PSK 2.3 Truyền dẫn tín hiệu số trên kênh thực tế 2.3.1 Khái niệm ISI 2 5 6 8 11 12 13 13 15 18 19 21 21 22 23 23 24 27 29 30 31 32 33 33 34 34 34 35 36 36 4 2.3.2. Các đặc tính lọc nhằm truyền dẫn không có ISI 2.3.3. Phân phối đặc tính lọc 2.3.4 Ảnh hưởng của bộ lọc cosine nâng đến băng thông tín hiệu 2.4. Méo tuyến tính 2.5 Méo phi tuyến 2.5.1 Các hiện tượng phi tuyến 2.5.2 Hài (Harmonic) 2.5.3. Điểm nén 1 dB 2.5.4 Điểm chặn bậc 3 - IP3 (Third Intercept Point) 2.5.5 Ảnh hưởng của IM3 đến băng thông 2.5.6 Một số phương pháp khắc phục méo phi tuyến 2.6 Mã hóa kênh 2.6.1 Các phương pháp điều khiển lỗi 2.6.2 Mã khối 2.6.3 Mã chập 2.6.4 Giải mã mã chập bằng thuật toán Viterbi 2.6.5 Mã Turbo 2.6.6 Đánh giá các loại mã 2.7 Tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến băng thông Chƣơng 3. Các hệ thức tuyến và cân bằng công suất – băng thông 3.1. Các mối quan hệ trong hệ thức tuyến 3.1.1. Đơn vị đo lường 3.1.2. Quan hệ sóng mang – nhiễu 36 42 43 43 44 44 45 46 47 50 51 51 52 53 54 54 55 55 56 58 58 60 5 3.1.3. Hệ thức tuyến 3.2. Hệ số tăng ích Anten (G-Gain) 3.3. Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) 3.4. Suy hao đường truyền 3.4.1. Suy hao trong không gian tự do 3.4.2. Khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh 3.5. Nhiệt tạp âm 3.6. Nhiệt tạp âm của Anten 3.6.1. Anten vệ tinh (tuyến lên) 3.6.2. Anten trạm mặt đất (tuyến xuống) 3.7. Nhiệt tạp âm của hệ thống 3.8. Hệ số phẩm chất (G/T) 3.9. Tỷ số sóng mang trên tạp âm (C/N) 3.10. Tổng tỷ số sóng mang trên tạp âm (C/TT) 3.11. Bộ phát đáp vệ tinh 3.11.1. Điểm hoạt động của bộ phát đáp 3.11.2. EIRP hoạt động của bộ phát đáp Chƣơng 4. Tính toán công suất tuyến 4.1 Mục đích của cân bằng công suất – băng thông 4.2 Tính toán thực tế Chƣơng 5. Thực nghiệm 5.1. Giới thiệu công nghệ mạch dải 5.2. Ma trận tán xạ 5.3. Thiết kế và mô phỏng bộ khuếch đại dùng JFET Kết luận Tài liệu tham khảo 60 61 61 62 62 63 63 64 64 65 66 67 67 68 68 69 69 70 70 78 80 80 90 93 6 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình vẽ Trang Hình 1.1: Truyền dẫn bằng vệ tinh 12 Hình 1.2: Các dạng quỹ đạo của vệ tinh 14 Hình 1.3: Quỹ đạo vệ tinh 15 Hình 1.4: Cửa sổ tần số 18 Hình 1.5: Các thành phần của một hệ thống vệ tinh thông tin 19 Hình 1.6: Các bộ phận của trạm mặt đất 20 Hình 1.7: Đa truy nhập theo tần số: FDMA 23 Hình 1.8: Hoạt động của mạng theo nguyên lý TDMA 24 Hình 1.9: Cấu trúc khung TDMA theo tiêu chuẩn INTELSAT 25 Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát của hệ thống truyền dẫn 29 Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống thông tin vệ tinh 30 Hình 2.3: Đặc tính không tuyến tính của bộ khuếch đại công suất 31 Hình 2.4: Nguyên lý bộ trộn 32 Hình 2.5: Bộ chuyển đổi đơn tần số lên 33 Hình 2.6: Nguyên lý của một bộ điều chế số 35 Hình 2.7: Mô hình hệ thống băng gốc với các tín hiệu xung PAM 36 Hình 2.8: Hình thành bộ lọc cosine nâng 38 Hình 2.9: Đáp ứng xung của bộ lọc cosine nâng 39 Hình 2.10: Đáp ứng xung của bộ lọc cosine nâng với 1 số giá trị của  40 Hình 2.11: Điểm nén 1dB 46 Hình 2.12: Gây méo tín hiệu bởi IM3 48 Hình 2.13: Xác định IP3 bằng đồ thị 48 Hình 2.14: Mối liên hệ giữa IP3 và IM3 50 Hình 2.15: Tổng quan các phương pháp điều khiển lỗi 52 Hình 2.16: Sơ đồ khối của mã Turbo 55 Hình 4.1: Sơ đồ tính toán đường truyền cho kênh thông tin 77 Hình 5.1. Các loại vi mạch dải 79 Hình 5.2: Sơ đồ nguyên lý 81 Hình 5.3: Cấu trúc nhánh 1 82 Hình 5.4: Kết quả mô phỏng tham số S11 83 Hình 5.5: Kết quả mô phỏng tham số S21 84 Hình 5.6: Kết quả mô phỏng tham số S22 85 Hình 5.7: Kết quả mô phỏng hệ số sóng đứng tương ứng S11 85 Hình 5.8: Kết quả mô phỏng hệ số sóng đứng tương ứng S22 86 Hình 5.9: Cấu trúc nhánh 2 86 Hình 5.10. Bộ khuếch đại cao tần dùng JFET 87 Hình 5.11: Đo đạc các tham số bằng máy phân tích mạng 88 Hình 5.12: Kết quả đo đạc tham số S11 88 Hình 5.13: Kết quả đo đạc tham số S21 89 7 DANH MỤC CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT Ký tự viết tắt ARQ ATDE AWGN BB BER BPSK C/N CCIR CDMA D/C DEM DE-PSK DE-QPSK DTH Cụm từ Tiếng Anh Automatic Repeat reQuest Adaptive Time Domain Equalizer Additive white Gaussian noise Basic Band Bit error ratio Binary Phase Shift Keying Carrier/Noise International Radio Consultative Committee Code division multiple access Down Converter Demodulation Different Encode PSK Different Encode QPSK Direct to Home FET HF HPA IBO IBPD Equivalent Isotropic Radiated Power Frequency Division Multiple access Forward Error Correction Coding Field-effect transistor High Frequency High Power Amplifier Input Back Off In-Band power difference IM Intermodulation EIRP FDMA FECC Diễn giải Yêu cầu lặp tự động Bộ cân bằng thích nghi Nhiễu Gauss trắng Băng tần cơ sở Tỉ số lỗi bít Điều chế dịch mức pha nhị phân Tỉ số sóng mang/tạp âm Uỷ ban tư vấn quốc tế Đa truy nhập theo mã Bộ đổi tần xuống Bộ giải điều chế Giải điều chế dịch mức pha Giải điều chế cầu phương Truyền hình trực tiếp đến hộ gia đình CS bức xạ đẳng hướng tương đương Đa truy nhập theo tần số Mã hóa sửa lỗi không phản hồi Transistor hiệu ứng trường Cao tần Khuếch đại công suất cao Độ lùi đầu vào Độ lệch băng thực tế so với hoàn hảo Biến điệu 8 IP3 ISI ITU JFET KPA LNA MOD OBO OFDM PAM PCB PCM PSK QAM QPSK QSA S/N SDMA SHF SSPA TDM TDMA TWTA U/C VHF XPD Third Intercept Point InterSymbol Interference International Telecommunication Union Junction Field-effect transistor Klystron Amplifier Low noise Amplifier Modulation Output Back Off Orthogonal frequencydivision multiplexing Pulse Amplitude Modulation Printed circuit board Pulse Code Modulation Phase Shift Keying Quadrature amplitude modulation Quadrature Phase Shift Keying Quasi-static Approximation Signal/Noise Space division Multiple access Super high Frequency Solid State Power Amplifier Time division multiplexing Time division multiple access Travelling Wave Tube Amplifier Up Converter Very high Frequency X-polarization diversity Điểm chặn bậc 3 Xuyên nhiễu giữa các dấu Hiệp hội viễn thông quốc tế Transistor trường điều khiển bằng tiếp xúc N-P Bộ khuếch đại CS Klystron Khuếch đại tạp âm thấp Bộ điều chế Độ lùi đầu ra Điều chế đa sóng mang trực giao Điều chế xung biên Công nghệ chế tạo bảng mạch in Điều chế xung mã Điều chế dịch mức pha Điều chế cầu phương Điều chế pha trực giao Xấp xỉ tĩnh lượng tử Tỉ số tín hiệu/tạp âm Đa truy nhập theo không gian Siêu tần số Bộ khuếch đại CS dùng bán dẫn Ghép kênh theo thời gian Đa truy nhập theo thời gian Bộ khuếch đại công suất ống sóng chạy Bộ đổi tần lên Siêu cao tần Phân cực chéo 9 MỞ ĐẦU Ngày nay, thông tin vệ tinh đã trở thành một dịch vụ phổ thông trên toàn thế giới với các vệ tinh đĩa tĩnh của nhiều hệ thống, đặc biệt là 2 hệ thống Intelsat và Intersputnyk đã cung cấp hàng triệu kênh thoại, truyền hình, số liệu…kết nối hàng trăm quốc gia khác nhau. Ngoài ra các vệ tinh khu vực như: Eusat, Asiasat, Palapa… cung cấp các dịch vụ thoại cố định, phát thanh truyền 10 hình, truyền số liệu, đảm bảo thông tin dẫn đường cho hàng không, cứu hộ hàng hải, thăm dò tài nguyên, đào tạo từ xa… đã đưa thông tin vệ tinh trở thành loại hình có thể cung cấp đa dạng nhiều loại dịch vụ nhất hiện nay. Năm 2008, vệ tinh đầu tiên của Việt Nam – Vinasat đã được đưa vào hoạt động, phục vụ mục đích thiết lập đường truyền dẫn quốc tế và xây dựng các mạng VSAT nội hạt. Trong bài toán xây dựng một hệ thống thông tin vệ tinh, khách hàng cần thuê đường truyền thường dựa trên cơ sở nhu cầu về dung lượng thực tế (Bps) với các điều kiện về chất lượng dịch vụ, còn các nhà cung cấp đường truyền vệ tinh sẽ quy về băng thông (Hz) và công suất tương ứng. Họ sẽ phải tính toán để đảm bảo tỷ lệ băng thông cho thuê trên mỗi transponder cân bằng với công suất bỏ ra tương ứng. Do phải trả tiền cho nhà cung cấp đường truyền về băng thông nên khách hàng sẽ có xu hướng sử dụng các thiết bị nâng cao khả năng tối ưu băng thông để tiết kiệm chi phí. Điều này sẽ đẩy các nhà cung cấp đường truyền vào bài toán cân bằng công suất để đạt được hiệu quả khai thác vệ tinh tốt nhất. Thực tế với sự phát triển công nghệ ngày nay thì các thiết bị trạm mặt đất được đổi mới và phát triển liên tục, còn vệ tinh phải chấp nhận “nằm im” trong suốt thời gian sống của nó trên không gian (15 năm). Vì vậy, cán cân công suất – băng thông đang ngày càng nghiêng về sự tiêu tốn của công suất, băng thông ngày càng tối ưu. Đối với các vệ tinh thế hệ cũ, vấn đề đảm bảo công suất là rất khó khăn và tốn kém. Nhà cung cấp đường truyền thường xuyên phải đối mặt với việc giới hạn công suất, đặc biệt cho các vùng có suy hao lớn do mưa và các suy hao bức xạ khác. Vì vậy, bài toán cân bằng công suất – băng thông là hết sức thiết thực đối với cả nhà cung cấp đường truyền và khách hàng. Các vệ tinh thế hệ mới - do công nghệ chế tạo ngày càng phát triển – đã có thể giảm khối lượng các bộ khuếch đại và điều khiển công suất đủ lớn theo yêu cầu, sẵn sàng phục vụ ở các miền tần số cao như dải tần Ka. Tuy nhiên, số lượng vệ tinh ngày càng gia tăng, mật độ vệ tinh trên quỹ đạo ngày càng dày đặc nên để tránh can nhiễu giữa các hệ thống, ITU cũng ra các quy định về giới hạn công suất phát cho mỗi transponder. Chính vì vậy, việc tăng công suất phát vẫn là vấn đề cần hết sức cân nhắc và bài toán cân bằng công suất – băng thông vẫn rất có ý nghĩa về thực tế, kinh tế. Vì vậy, mục đích của luận văn này là phân tích các yếu tố tác động đến tín hiệu, một số biện pháp để khắc phục, nâng cao chất lượng và những ảnh hưởng của các biện pháp đó đến băng thông. Đồng thời cũng phân tích quá trình tính 11 toán quỹ công suất để đạt được trạng thái cân bằng với băng thông chiếm dụng trên transponder. Trong luận văn cũng đưa ra ví dụ tính toán tuyến để chỉ ra việc cân băng này và nghiên cứu thực nghiệm thiết kế một bộ khuếch đại băng tần C tại tần số 5.5Ghz sử dụng công nghệ mạch dải siêu cao tần. Luận văn gồm 5 chương: Chƣơng 1. Tổng quan về thông tin vệ tinh: Trình bày các đặc điểm, cấu trúc của hệ thống thông tin vệ tinh. Các vấn đề về tần số, quỹ đạo, phân cực, suy hao, nhiễu. Chương 1 cũng phân tích sơ lược về vấn đề đa truy nhập trong thông tin vệ tinh. Chƣơng 2. Truyền dẫn số trong thông tin vệ tinh: Phân tích sự ảnh hưởng của các thiết bị trong hệ thống trạm mặt đất đến tín hiệu số. Các yếu tố gây méo trong truyền dẫn vô tuyến: méo tuyến tính và méo phi tuyến tương ứng các yếu tố ảnh hưởng đến băng thông: bộ lọc cosine nâng để chống ISI, bộ lọc mask để chống IM3. Chương 2 cũng trình bày một số loại mã hóa sử dụng trong thông tin vệ tinh và tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến băng thông tín hiệu. Chƣơng 3. Các hệ thức tuyến và cân bằng công suất – băng thông: Trình bày các công thức tính toán tham số cho một tuyến thông tin vệ tinh. Chƣơng 4. Tính toán công suất tuyến: Tính toán thiết lập đường truyền từ một trạm mặt đất Hà nội đến trạm đầu cuối Hồ chí Minh qua vệ tinh Vinasat. Chƣơng 5: Thực nghiệm: Trên cơ sở nghiên cứu băng tần C, thiết kế thử nghiệm một bộ khuếch đại siêu cao tần sử dụng JFET có ý nghĩa quan trọng trong việc làm chủ kênh truyền với công suất phát cho trước. Vấn đề cân bằng công suất-băng thông không phải là vấn đề mới trong kỹ thuật. Tuy nhiên, trong thương mại, các khách hàng nhiều khi không đánh giá đúng tầm quan trọng của nó để có thể lựa chọn cấu hình phù hợp với yêu cầu của mình. Có thể vì mục tiêu lợi nhuận bằng cách tối giản chi phí thuê băng thông sẽ dẫn đến suy giảm chất lượng nếu nhà cung cấp đường truyền vệ tinh không thể đáp ứng về công suất. Các tài liệu hiện nay cũng không phân tích sâu và có hệ thống về vấn đề này. Vì vậy, luận văn trình bày không tránh khỏi thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô và các bạn. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp và PGS.TS Bạch Gia Dương đã giành nhiều thời gian giúp đỡ, tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài này. 12 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 13 - Tháng 10 - 1957: Liên Xô phóng thành công vệ tinh nhân tạo đầu tiên Sputnik-1vào quỹ đạo quanh trái đất. . - Năm 1958: Bản tin chúc mừng giáng sinh của tổng thống Mỹ Eisenhower lần đầu tiên được phát quảng bá qua vệ tinh có tên là Score (Signal Communication by Orbitdio Equipment) - Năm 1960 - 1962: Một loạt các Vệ tinh như: ECHO, CURIER, TELSTAR, RELAY đã được phóng lên quỹ đạo có độ cao thấp (1000-8000 km). Lúc đầu, vệ tinh đưa vào sử dụng thuộc loại vệ tinh di chuyển so với mặt đất. Vệ tinh này có nhược điểm cơ bản là thời gian phủ sóng cho một trạm mặt đất ngắn, nó chỉ có thể thu, phát thông tin tối đa trong 4 giờ/ ngày và không liên tục. Để khắc phục nhược điểm này, người ta đưa vào sử dụng quỹ đạo địa tĩnh ở độ cao 36.000 km, cho phép vệ tinh duy trì vị trí cố định so với trái đất để thu tín hiệu một cách liên tục. - Năm 1963: Vệ tinh địa tĩnh đầu tiên Syncom bay ở độ cao 36.000 km đã truyền hình thế vận hội Olympic Tokyo từ Nhật sang Mỹ. - Năm 1964: Tổ chức quốc tế về thông tin vệ tinh ra đời, ban đầu có 19 thành viên có tên là Intelsat. Đến năm 1994, số nước thành viên của Intelsat lên đến 133 nước , trong đó có Việt Nam. - Năm 1971: thành lập tổ chức thông tin vệ tinh quốc tế mang tên INTERSPUTNIK tại Liên Xô. Đến năm 1991 đã có trên 40 quốc gia tham gia. - Năm 1979, thành lập tổ chức thông tin hàng hải quốc tê qua vệ tinh INMARSAT có trụ sở lại Anh, chuyên cung cấp dịch vụ thông tin vệ tinh thương mại hàng hải. Ngày nay, các công ty vệ tinh đã và đang phát triển rất mạnh như Intelsat, Inmarsat, Panamsat, Asiasat, Eurostar, Loral Skynet,… 1.2. ĐẶC ĐIỂM CỦA THÔNG TIN VỆ TINH Thông tin liên lạc nhờ chuyển tiếp qua vệ tinh, môi trường truyền sóng là không gian nó có các đặc điểm chính như:  Vùng phủ sóng lớn: Một vệ tinh có thể phủ sóng được một vùng rộng lớn, có nhiều phương thức phủ sóng có thể được sử dụng phù hợp với từng loại hình dịch vụ. Nếu sử dụng vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh có bán kính cách trái đất trung 14 bình khoảng 36.000Km thì một vệ tinh có thể nhìn thấy 1/3 trái đất, như vậy chỉ với 3 vệ tinh có thể phủ sóng toàn cầu trừ vùng cực.  Dung lượng vệ tinh lớn: Với băng tần công tác rộng, nhờ áp dụng các kỹ thuật sử dụng lại băng tần nên hệ thống thông tin vệ tinh cho phép đạt tới dung lượng lớn trong một thời gian ngắn. Hình 1.1: Truyền dẫn bằng vệ tinh (a): Điểm – điểm, (b): Đa điểm  Độ tin cậy thông tin cao: Tuyến thông tin vệ tinh chỉ có 3 trạm trong đó vệ tinh chỉ đóng vai trò trạm lặp còn 2 trạm đầu cuối trên mặt đất do đó xác suất hư hỏng trên tuyến là rất thấp, độ tin cậy trung bình đạt 99,9% thời gian thông tin trong một năm, ngày nay người ta nâng cao chất lượng để đạt 99,99%.  Chất lượng thông tin cao: Đường thông tin có chất lượng cao do các ảnh hưởng nhiễu của khí quyển và Fading là không đáng kể. Tỷ lệ lỗi bit có thể đạt 10-9.  Tính linh hoạt của hệ thống thông tin vệ tinh cao: Hệ thống thông tin được thiết lập nhanh chóng trong điều kiện các trạm mặt đất ở rất xa nhau về mặt địa lý, dung lượng của nó có thể thay đổi rất linh hoạt tuỳ theo nhu cầu sử dụng.  Các loại hình dịch vụ mà hệ thống Thông tin vệ tinh có thể phục vụ là rất đa dạng như: - Dịch vụ thoại, truyền số liệu, Fax, telex... - Dịch vụ phát thanh, truyền hình quảng bá. - Dịch vụ thông tin di động qua vệ tinh. - Dịch vụ DAMA, VSAT, cứu hộ, định vị... 15 1.3 MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN THÔNG TIN VỆ TINH 1.3.1. Quỹ đạo Các quy luật cơ bản sau đây chi phối qũy đạo bay của Vệ Tinh xung quanh quả đất: 1. Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton: Lực hấp dẫn và lực ly tâm của một vật thể cân bằng nhau thì vật thể đó sẽ chuyển động tròn xung quanh quả đất với vận tốc không đổi . 2. Định luật thứ nhất của Kepler: Vệ tinh chuyển động vòng quanh quả đất theo một quỹ đạo hình Elip (hoặc quỹ đạo tròn khi bán trục lớn bằng bán trục bé) với tâm của quả đất trùng với một trong hai tiêu điểm của hình Elip đó. 3. Định luật thứ hai của Kepler: Một vật chuyển động theo quỹ đạo Elip có vận tốc giảm khi bán kính quỹ đạo tăng lên và có vận tốc tăng lên khi bán kính quỹ đạo giảm. Một vật chuyển động theo quỹ đạo tròn sẽ có vận tốc không thay đổi trong toàn quỹ đạo. 4. Định luật thứ 3 của Kepler: Bình phương chu kỳ quỹ đạo thì tỷ lệ với lập phương của bán kính quỹ đạo. Quỹ đạo vệ tinh là dạng đường mà Vệ Tinh chuyển động xung quanh quả đất. Có hai dạng Quỹ đạo là quỹ đạo Elip và quỹ đạo tròn. - Quỹ đạo Elip chỉ có dạng quỹ đạo Elip cao (HEO), độ nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo so với mặt phẳng xích đạo là 650, cận điểm là 1000 km và viễn điểm là 39.400km, chu kỳ quỹ đạo là 11 giờ 58 phút. - Dạng quỹ đạo tròn có thể có ba loại: Quỹ đạo thấp (LEO), quỹ đạo trung bình (MEO), Quỹ đạo cao (HEO) hay quỹ đạo đồng bộ khi vệ tinh bay ở độ cao 35.786 km, lúc đó chu kỳ bay của vệ tinh bằng chu kỳ tự quay của quả đất bằng 23 giờ 56 phút 04 giây. Trong quỹ đạo tròn lại có thể chia ra: + Quỹ đạo cực tròn : Mặt phẳng quỹ đạo vuông góc với mặt phẳng xích đạo, nghĩa là mỗi vòng bay của Vệ Tinh sẽ đi qua hai cực quả đất. + Quỹ đạo tròn nghiêng : Khi mặt phẳng quỹ đạo nghiêng một góc nào đó so với mặt phẳng xích đạo. + Quỹ đạo xích đạo tròn : Khi mặt phẳng quỹ đạo trùng với mặt phẳng xích đạo . Trong quỹ đạo xích đạo tròn nếu chiều bay vệ tinh cùng chiều với chiều quay 16 quả đất và có chu kỳ bằng chu kỳ quay của quả đất gọi là quỹ đạo địa tĩnh ( GEO). Quỹ đạo cực tròn Quỹ đạo elip nghiêng Quỹ đạo xích đạo tròn Hình 1.2: Các dạng quỹ đạo của vệ tinh. Đây là dạng quỹ đạo mà vệ tinh có tốc độ bay gần bằng tốc độ thiên văn của quả đất và được đặt ở độ cao xấp xỉ 36.000Km. ở độ cao này các lực tương tác lên vệ tinh bù trừ cho nhau nên vệ tinh được coi là đứng yên so với trái đất khi quan sát từ một vị trí cố định trên mặt đất. Dạng này rất thích hợp cho các vệ tinh thông tin. Nó có các đặc điểm sau: - Tốc độ bay trung bình của vệ tinh: 23 giờ, 56 phút, 04,09054 giây. - Độ cao của vệ tinh 35.786,04Km được tính từ vệ tinh đến điểm chiếu thẳng dưới vệ tinh trên xích đạo. - Bán kính của quỹ đạo vệ tinh: 42.164,20Km là khoảng cách từ tâm của quỹ đạo vệ tinh đến chu vi của nó. - Chiều quay vệ tinh cùng chiều quay theo trục Bắc-Nam của quả đất. - Tốc độ vệ tinh trên quỹ đạo : 3, 074662Km/giây - Độ dài của cung 1o: 735,904Km là chiều dài của cung tròn trên quỹ đạo vệ tinh khi có góc ở tâm là 1 o. - Thời gian trễ của đường truyền sóng hơn 270ms, là thời gian trung bình để truyền sóng vô tuyến từ một trạm mặt đất qua vệ tinh địa tĩnh đến trạm mặt đất khác. Từ một vị trí trong không gian vệ tinh địa tĩnh có thể phủ sóng được khoảng 42% bề mặt quả đất. Vì vậy chỉ cần có 3 vệ tinh đặt ở 3 vị trí cách đều nhau là có thể phủ sóng toàn bộ bề mặt quả đất. S1 17 Hình 1.3: Quỹ đạo địa tĩnh Mặt phẳng của quỹ đạo trùng mặt phẳng xích đạo, cho nên tên của vệ tinh địa tĩnh nói chung thường lấy tên của kinh độ trực tiếp ở dưới vị trí điạ tĩnh của vệ tinh. Khoảng cách các vệ tinh thường là 3o đối với các vệ tinh thông tin quốc tế và thường là 1o đối với các vệ tinh thông tin nội địa. 1.3.2. Tần số trong thông tin vệ tinh a. Môi trƣờng truyền sóng Trong thông tin vệ tinh môi trường để truyền lan năng lượng điện từ là vùng khí quyển bao quanh trái đất và vùng không gian tự do. Vùng khí quyển bao quanh trái đất là một hỗn hợp các chất khí, bụi và hơi nước. Nó phụ thuộc vào các điều kiện khí tượng, thời tiết và cường độ bức xạ mặt trời ảnh hưởng đến chất lượng và độ tin cậy khi truyền lan sóng điện từ trong khí quyển khi các yếu tố này thay đổi. Vùng khí quyển có thể chia thành 3 tầng: +Tầng điện ly. +Tầng bình lưu. +Tầng đối lưu. - Tầng đối lưu rải từ mặt đất đến độ cao khoảng 10Km. - Tầng bình lưu có độ cao từ giới hạn trên của tầng đối lưu đến khoảng 35Km. - Tầng điện ly là tầng trên cùng có giới hạn đến 400Km. Tầng này có mật độ khí quyển loãng dần, nhưng bức xạ mặt trời lại mạnh dần khi độ cao tăng. Do đó mật độ điện tử và ion sẽ đạt giá trị cực đại ở độ cao trung bình, tại đó mật độ khí quyển đủ lớn và cường độ bức xạ đủ mạnh. Ban ngày tầng điện ly chia thành 3 lớp tính từ dưới lên được đặt tên là lớp D, E và F, trong đó lớp F lại được chia thành lớp F1 (lớp dưới) và F2 (lớp trên): Sự phân chia này chỉ mang tính chất tương đối vì nó luôn được thay đổi tuỳ theo vị trí của mặt trời. Vào lúc giữa trưa bức xạ chiếu thẳng vào tầng điện ly, kết quả là ion hóa cực đại. Vào ban đêm bức xạ và ion hoá cực tiểu bởi vì các lớp điện 18 tử tái hợp lại với các ion dương, do đó các lớp D, E biến mất, lớp F1 và F2 kết hợp lại thành lớp F. Ngoài ra, chu kỳ hoạt động của mặt trời, bão mặt trời, sao băng, bức xạ vũ trụ và mùa trong năm cũng ảnh hưởng đến tầng điện ly. b. Băng tần thông tin vệ tinh Khi chọn băng tần cho thông tin vệ tinh người ta thường phải cân nhắc các yếu tố: can nhiễu, băng tần, các tham số đường truyền và công nghệ thiết bị sử dụng trong hệ thống... Các tần số lý tưởng đối với thông tin vệ tinh nằm trong cửa sổ tần số. Tuy nhiên băng tần sử dụng yêu cầu rất rộng không thể chứa đủ trong khoảng tần số của cửa sổ tần số. Do đó phải sử dụng các băng tần mới nhưng phải thăm dò cẩn thận. Chính vì vậy, hiện nay thông tin vệ tinh sử dụng các băng tần sau: Tên băng tần Băng L+ UHF Băng S Băng C Băng X Băng Ku Băng Ka Tần số (GHz) 0,390 - 1,661 1,662 - 3,399 3,4 - 7,075 7,025 - 8,425 10,9 - 18,1 17,7 - 36 Bước sóng (cm) 76,9 – 18 18 - 8,82 8,82 - 4,14 4,14 - 3,56 2,75 - 1,66 1,95 - 0,833 Trong đó các băng tần C, Ku và Ka đang được sử dụng rộng rãi. - Băng C: Nằm trong cửa sổ tần số ít suy hao do mưa, được sử dụng chung cho hệ thống Intelsat và các hệ thống khác như hệ thống vệ tinh khu vực và nhiều hệ thống vệ tinh nội địa. - Băng Ku : Băng này được sử dụng rộng rãi sau băng C cho viễn thông công cộng. Nó được dùng nhiều cho thông tin nội địa và thông tin giữa các công ty do tần số cao nên cho phép sử dụng được những anten loại nhỏ và sử dụng cho truyền hình trực tiếp đến hộ gia đình (DTH – Direct to home) - Băng Ka: Được sử dụng cho thông tin thương mại, đa dịch vụ. Tuy nhiên nó sẽ bị suy hao lớn do mưa nên thiết bị có giá thành cao để khắc phục suy hao. Hiện nay các vệ tinh thông tin đang được sử dụng có băng thông 500MHz, nó được chia ra các băng nhỏ hơn như 36 hoặc 72 MHz, tương ứng băng thông của một bộ phát đáp (Transponder). Tuy có độ rộng 500MHz nhng nó rất hạn chế việc tăng dung lượng, vì vậy việc tăng độ rộng băng là cần thiết. 19 Các kỹ thuật sử dụng lại băng tần cho phép nâng giá trị hiệu dụng của nó lên 2590MHz bằng một phương pháp sau: - Tái sử dụng tần số bằng cách phân biệt các chùm tia phát xạ từ anten. Các băng tần giống nhau được phát đi bằng các anten trên vệ tinh dùng các bộ phát đáp khác nhau có chùm tia thu và chùm tia phát không trùng nhau. - Tái sử dụng tần số bằng cách chọn phân cực: Các băng tần giống nhau được phát xạ do các anten thông qua các bộ phận phát đáp khác nhau sử dụng phân cực trực giao của các sóng điện từ. - Sử dụng các phương pháp đa truy nhập theo thời gian (TDMA) và đa truy nhập theo mã (CDMA). Việc phân định tần số được thực hiện theo điều lệ vô tuyến ở mỗi khu vực của ITU. Gồm 3 khu vực: - Khu vực 1: châu Âu, châu Phi, Liên xô cũ và các nước Đông Âu. - Khu vực 2: Các nước Bắc và Nam Mỹ - Khu vực 3: châu Á và châu Đại dương Sự phản xạ và truyền lan sóng điện từ trên mặt đất và khi qua tầng điện ly của các băng tần khác nhau - Các tần số thấp bị hấp thụ hoàn toàn. - Các tần số HF, VHF bị hấp thụ một phần và bị bẻ cong quỹ đạo nên không đến được vệ tinh. - Chỉ có tần số siêu cao SHF đến được vệ tinh, thực tế là ít bị ảnh hưởng của tầng điện ly. Hấp thụ dB 1000 100 10 Hấp thụ do tầng điện ly Cửa sổ vô tuyến 1 0,5 1 5 10 50 Tần số (GHz) 20 Hình 1.4: Cửa sổ tần số Sóng ngắn (HF) bị hấp thụ năng lượng rất mạnh khi đi qua tầng điện ly, còn với sóng có tần số siêu cao thì bị suy hao mạnh khi truyền qua lớp khí quyển, qua mây mù và đặc biệt suy hao rất mạnh khi truyền qua vùng mưa. Trong thông tin vệ tinh dải tần từ 1 GHz đến 10 GHz có suy hao tương đối thấp và là giải tần tốt nhất cho thông tin vệ tinh, đã được CCIR khuyến nghị sử dụng cho thông tin vệ tinh. Dải tần này được gọi là cửa sổ tần số vô tuyến. Sóng điện từ trong dải 1 - 10GHz truyền trong vũ trụ được coi như truyền trong không gian tự do, do đó nó cho phép lập các đường truyền thông tin ổn định với chất lượng cao. 1.3.3. Phân cực sóng Một trong các phương pháp sử dụng có hiệu quả băng tần và bộ phát đáp của vệ tinh là phương pháp phân cực sóng. Phân cực sóng là hướng dao động điện trường của sóng vô tuyến điện khi đi qua môi trường truyền sóng theo một hướng nhất định. Có hai phân cực là phân cực tuyến tính và phân cực tròn. a) Phân cực tuyến tính: Có 2 loại là phân cực thẳng đứng và phân cực nằm ngang.  Phân cực thẳng đứng có thể được tạo ra bằng cách dẫn các tín hiệu từ một ống dẫn sóng hình 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 cần phải bố trí giống tư thế của anten phía phát. Khi hai anten đặt vuông góc thì không thể thu được ngay cả khi sóng đi vào ống dẫn sóng, do đó cần phải điều chỉnh hướng của ống dẫn sóng anten thu sao cho song song với mặt phẳng phân cực của sóng đến.  Phân cực nằm ngang: cũng được tạo ra tương tự như phân cực thẳng đứng nhưng hướng sóng dịch đi một góc 90o. b) Phân cực tròn: Phân cực tròn là phân cực mà sóng trong khi truyền lan vừa tịnh tiến vừa quay tròn. Trường điện từ vừa di chuyển vừa quay, được xác định bởi trung tâm quay. Có thể tạo ra phân cực tròn bằng cách kết hợp 2 loại phân cực thẳng đứng và phân cực nằm ngang (hai phân cực vuông góc với nhau). Sóng phân cực tròn là phân cực phải hay trái phụ thuộc vào sự khác pha giữa các sóng phân cực thẳng