Thông tin vệ tinh

Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
Chơng 1
Khái quát về hệ thống thông tin vệ tinh
1.1. Lịch sử phát triển của thông tin vệ tinh
Số lợng các hệ thống thông tin vệ tinh đã tăng rất nhanh trong một vài
năm gần đây. Ngày nay, các hệ thống thông tin vệ tinh chuyển tiếp lu lợng
điện thoại xuyên đại dơng lớn hơn rất nhiều so với lu lợng điện thoại gửi qua
cáp ngầm. Hơn thế nữa, các hệ thống thông tin vệ tinh còn có thể chuyển tiếp
các tín hiệu dữ liệu, âm thanh, hình ảnh đến bất kỳ ngời sử dụng nào trên trái
đất.
Công nghệ thông tin vệ tinh bắt nguồn từ hai công nghệ đợc phát triển mạnh
trong thế chiến thứ II, đó là công nghệ tên lửa và công nghệ viba.
.....Kỷ nguyên sử dụng không gian vũ trụ làm môi trờng truyền dẫn cho các
hệ thống viễn thông đợc bắt đầu vào năm 1957, khi Liên Xô phóng thành công
vệ tinh nhân tạo SPUTNIK vào quỹ đạo ( 04.10.1957 ).
Thuật ngữ vệ tinh nhân tạo đợc dùng để phân biệt với vệ tinh thiên tạo và ở
đây đợc gọi tắt là vệ tinh ( ký hiêu SL-satellite ), những vệ tinh đầu tiên của
Liên Xô và Mỹ đa vào quỹ đạo là thuộc loại vệ tinh địa tĩnh. Chúng có nhợc
điểm là chỉ dừng trong phạm vi thu sóng của trạm thu mặt đất tối đa là 4
giờ/ngày.
Ngày 14.02.1963, tập đoàn hàng không vũ trụ NaSa (Mỹ) đã phóng vào quỹ
đạo vệ tinh địa tĩnh mang tên SYNCOM I và sau đó tiếp SYNCOM- III để
phục vụ đại hội thể thao Olympic Tokyo.
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
4
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
Các vệ tinh đa vào quỹ đạo đầu tiên bị giới hạn bởi trọng lợng vệ tinh cho
nên các bộ phát đáp đặt trên vệ tinh thờng có công suất nhỏ. Tín hiệu đó phải

đợc một trạm vệ tinh mặt đất thu và truyền lại cho ngời sử dụng.
1.2 Lợi thế của thông tin vệ tinh
* Ngày nay thì các hệ thống thông tin vệ tinh có thể truyền trực tiếp đến
ngời sử dụng. Thông tin vệ tinh tuy ra đời muộn nhng phát triển rất nhanh bởi
vì nó có rất nhiều lợi thế so với các hệ thống truyền thông khác, những lợi thế
đó là :
+ Vùng phủ sóng rộng, chỉ cần ba vệ tinh là phủ sóng đợc toàn cầu
+ Việc lắp đặt hoặc di chuyển một hệ thống thông tin vệ tinh trên mặt đất tơng
đối nhanh và không phụ thuộc vào cấu hình mạng cũng nh hệ thống truyền
dẫn.
+ Thiết bị phát sóng của hệ thống thông tin vệ tinh chỉ cần công suất nhỏ
+ Hệ thống thông tin vệ tinh có thể phục vụ nhiều dịch vụ khác nhau nh viễn
thông thoại và phi thoại, nghiên cứu khí tợng, địa chất, truyền hình ảnh, quan
sát mục tiêu.
+ Thông tin vệ tinh rất ổn định, ít chịu ảnh hởng của thời tiết
+ Các thiết bị đặt trên vệ tinh có thể tận dụng nguồn năng lợng mặt trời cả
ngày và đêm.
* Tuy vậy, thông tin vệ tinh cũng có một số nhợc điểm :
+ Kinh phí ban đầu để phóng một vệ tinh vào quỹ đạo là rất lớn và công nghệ
phóng cũng nh sản xuất vệ tinh không phải nớc nào cũng có thể làm đợc.
+ Bức xạ của sóng vô tuyến trong thông tin vệ tinh bị tổn hao lớn trong môi tr-
ờng truyền sóng, đặc biệt ở những vùng có nhiều ma hoặc mây mù. Nếu muốn
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
5
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
dùng anten nhỏ, thiết bị nhẹ thì tổn hao sóng truyền sẽ lớn và giá thành sẽ
tăng.
+ Vùng phủ sóng của một vệ tinh tối đa là 1/3 diện tích bề mặt trái đất do đó
cờng độ trờng tại điểm thu phụ thuộc vào búp sóng của anten vệ tinh phủ sóng.

Điều đó cũng có nghĩa là phụ thuộc vào vị trí toạ độ của vệ tinh trên quỹ đạo,
mà các vị trí đó lại tập trung vào một số giới hạn các vị trí có những thuận lợi.
Tín hiệu truyền qua tuyến lên và tuyến xuống của hệ thống thông tin vệ tinh
phải chịu một thời gian trễ ( khoảng 0,25 giây với vệ tinh địa
tĩnh ).
1.3. Các dạng quỹ đạo của vệ tinh và các yếu tố đặc
trng của chúng.
Quỹ đạo của vệ tinh là hành trình của vệ tinh trong không gian mà trong
đó vệ tinh đợc cân bằng bởi hai lực đối nhau. Hai lực đó là lực hấp dẫn của trái
đất và lực ly tâm đợc hình thành do độ cong của hành trình vệ tinh.
GMm
Lực hấp dẫn =
r
2
mV
2
Lực ly tâm =
2

Vệ tinh khối lợng M
Khoảng cách r

Quỹ đạo vệ tinh
Trái đất khối lợng M

Hình 1.1 Các lực tác động lên truyển động của vệ tinh trong quỹ đạo
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
6
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh

Quỹ đạo của vệ tinh nằm trên một mặt phẳng có thể là hình tròn hoặc elíp.
Nếu quỹ đạo là hình tròn thì tâm quỹ đạo tròn trùng với tâm của trái đất. Nếu
quỹ đạo là hình elíp thì có một đầu elíp nằm xa trái đất nhất và một đầu nằm
gần trái đất nhất. Điểm xa nhất của vệ tinh trên quỹ đạo so với trái đất gọi là
viễn điểm ( apogee ) và điểm gần nhất đợc gọi là cận điểm
( perigee ). Vệ tinh trên quỹ đạo elíp sẽ di truyển trên quỹ đạo chậm hơn khi
khoảng cách giữa vệ tinh và trái đất tăng lên ( theo định luật kepler ).
* Quỹ đạo thông dụng hiện nay của vệ tinh là những dạng quỹ đạo sau :
+ Các quỹ đạo hình elíp có góc nghiêng 64
0
so với mặt phẳng xích đạo của
trái đất.
Loại này có tính ổn định cao và nhờ có độ nghiêng đó mà cho phép vệ tinh
có thể phủ sóng ở những vùng vĩ tuyến cao thuộc phần lớn quỹ đạo khi vệ tinh
qua điểm cực viễn so với trái đất. Hệ thống có thể dùng nhiều vệ tinh ở một
vài quỹ đạo khác nhau với góc nghiêng 64
0
. Ví dụ hệ thống ELLIPSSAT dùng
24 vệ tinh ở hai quỹ đạo khác nhau.
+ Các quỹ đạo tròn nghiêng
Vệ tinh có quỹ đạo tròn và có độ cao không đổi so với mặt nớc biển xấp xỉ
vài nghìn km. Với góc nghiêng gần 90
0
, loại quỹ đạo này đảm bảo rằng vệ tinh
có thể đi qua các vùng của trái đất. Đó là lý do để ngời ta sử dụng loại quỹ đạo
này cho các vệ tinh quan sát ( observation satellite ). Ví dụ vệ tinh Sport có độ
cao 830 km, quỹ đạo nghiêng là 98,70 và chu kỳ là 101 phút. Một số vệ tinh đ-
ợc tổ chức thành chùm vệ tinh có quỹ đạo dạng tròn này, ở độ cao thấp cỡ
( 1000km ) có khả năng phủ sóng toàn cầu trực tiếp tới ngời sử dụng cũng đợc
ra đời gần đây nh ( I ridium Global, Odyssey, Aries,...)

+ Các quỹ đạo tròn với góc nghiêng bằng 0
0
Quỹ đạo trong trờng hợp này nằm trong mặt phẳng xích đạo của trái
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
7
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
đất và các vệ tinh trên quỹ đạo đợc gọi là vệ tinh địa tĩnh (Geogeostationary
satellite ). Độ cao quỹ đạo theo tính toán tối u là 35.768km. Vệ tinh trong tr-
ờng hợp này xuất hiện nh một điểm cố định trên bầu trời và đảm bảo hoạt
động nh một trạm chuyển tiếp vô tuyến theo thời gian thực ( liên tục ngày đêm
) với vùng phủ sóng 43% diện tích của trái đất vì thế chỉ cần 3 vệ tinh địa tĩnh
có thể phủ sóng toàn cầu.
Các vệ tinh có quỹ đạo tròn nghiêng và các vệ tinh có quỹ đạo nghiêng 64
0
gọi chung là vệ tinh địa tĩnh ( Non-geostationary satellite ). Việc lựa chọn loại
quỹ đạo nào trong thực tế còn phụ thuộc vào các ứng dụng cụ thể, độ can
nhiễu mà hệ thống có thể chấp nhận đợc và khả năng tầm phóng xa của bệ
phóng.
Quỹ đạo của vệ tinh đợc đặc chng bởi các yếu tố sau :
+ Quy mô và phạm vi các vùng đợc vệ tinh phủ sóng :
Trong thực tế với nhiều lý do đã xác nhận rằng, độ cao của vệ tinh không
phải là nhân tố quyết định trong liên lạc đối với vùng phủ sóng cụ thể. Lý
thuyết truyền sóng đã chứng minh rằng sự suy giảm của sóng trên đờng truyền
trong không gian tỷ lệ nghịch với bình phơng khoảng cách và điều này phù
hợp với vệ tinh có quỹ đạo thấp vì chúng có độ cao bé hơn. Tuy nhiên trong tr-
ờng hợp này vệ tinh nhìn vùng phủ sóng dới một góc khối lớn hơn. Kết quả là,
tuy có lợi về độ cao nhng lại giảm độ tăng ích của anten
+ Góc ngẩng của anten trạm mặt đất :
Một vệ tinh có quỹ đạo nghiêng hay quỹ đạo cực xuất hiện trên bầu trời tơng

ứng với vùng phủ sóng của mặt đất trong một khoảng thời gian nhất định và có
thể cho phép thiết lập các liên lạc tại các vùng thành thị có các toà nhà cao
tầng gây cản trở sóng truyền với một góc ngẩng cho phép trong khoảng từ 0
0
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
8
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
đến 70
0
. Đối với vệ tinh địa tĩnh thì góc ngẩng đó sẽ giảm khi sự trênh lệch về
kinh tuyến và vĩ tuyến giữa trạm mặt đất và vệ tinh gia tăng.
+ Thời gian truyền và thời gian trễ :
Vệ tinh địa tĩnh cung cấp một sự chuyển tiếp liên lạc liên tục cho các trạm
trong khoảng tầm nhìn của vệ tinh và trong trờng hợp tổng quát, tín hiệu từ
trạm mặt đất này đến trạm mặt đất khác bị trễ một thời gian khoảng 0,25s.
Điều này dẫn đến việc phải có thiết bị điều khiển tiếng vọng ( echo control
device ) cho các kênh thoại cần phải có các giao thức đặc biệt để truyền dẫn
tín hiệu số. Nếu nh vệ tinh di truyển ở quỹ đạo thấp thì thời gian truyền dẫn sẽ
giảm. Thời gian truyền dẫn cũng có thể lâu hơn nếu nh phơng thức truyền dẫn
lu trữ - chuyển tiếp đợc sử dụng.
+ Nhiễu :
Mỗi một vệ tinh địa tĩnh chiếm một vị trí có toạ độ tơng ứng với các trạm
mặt đất trong vùng phủ sóng của chúng. Hiện nay có hàng trăm vệ tinh đang
hoạt động trên quỹ đạo địa tĩnh và chúng có thể gây nhiễu cho nhau. Các hệ
thống Viba mặt đất cũng có thể gây nhiễu cho thông tin vệ tinh và ngợc lại. Để
chống nhiễu hay nói đúng hơn là để hạn chế tối đa nhiễu giữa các hệ thống ng-
ời ta phải đa ra những quy định về phân phối vị trí quỹ đạo và băng tần sử
dụng. Khoảng không gian nhỏ giữa các vệ tinh trên quỹ đạo của các vệ tinh
gần kề nhau tại cùng băng tần sẽ làm gia tăng độ nhiễu và cản trở việc thiết lập

các vệ tinh mới. Các hệ thống khác nhau có thể sử dụng các tần số hoặc băng
tần khác nhau, nhng điều này bị hạn chế bởi số lợng và giới hạn của băng tần
đợc sự phân bổ của hiệp hội viễn thông quốc tế ITU ( International
Telecomunication Union ) cho các vùng địa lý trên trái đất và các dịch vụ khác
nhau. Trong trờng hợp này một số băng tần bị giới hạn bởi phổ tần của quỹ
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
9
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
đạo. Mặt khác các thông số hình học của vệ tinh so với hệ thống khác cũng sẽ
biến đổi và việc đồng bộ sẽ đợc đặt ra.
+ Hiệu suất của bệ phóng :
Khối lợng của vệ tinh đợc phóng dảm đi khi độ cao vệ tinh yêu cầu phóng
tăng.
1.4 Phân bổ tần số trong thông tin vệ tinh.
Các băng tần số vô tuyến dùng cho các hệ thống thông tin vệ tinh , hiển
nhiên phải tuân theo quy chế vô tuyến. Liên minh viễn thông quốc tế ITU đã
quy định các điều khoản rằng buộc để các nghiệp vụ vô tuyến có thể dùng
chung các băng tần một cách hợp lý mà không gây can nhiễu có hại đến nhau.
Đặc biệt, các băng tần đợc phân định cho các dịc vụ vệ tinh cố định phải tuân
theo quy định của quốc tế.
Để thuận lợi cho công tác quy hoạch tần số, liên minh viễn thông quốc tế đã
phân bố thế giới thành ba khu vực bao gồm :
Khu vực một : Châu âu, Châu phi, Liên Xô cũ và Mông Cổ.
Khu vực 2 : Châu Mỹ.
Khu vực 3 : Chây á ( trừ những nớc thuộc khu vực 1 ) và Châu úc
Dựa vào đặc tính của sóng trong môi trờng truyền lan và trong thực tế ứng
dụng ngời ta phân thành các dải sóng mà trong mỗi dải sóng đó đặc tính
truyền lan của chúng là giống nhau. Bảng dới đây giới thiệu một số băng tần
dùng cho vệ tinh cố định và một số laọi vệ tinh khác:

Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
10
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
Dịch vụ
( a )
Các tần số tuyến lên
( MHz )
Các tần số tuyến xuống
( MHz )
Chú thích
( b )
FS 2500 2690 Chỉ R2
FS 2500 2535 Chỉ R3
BS 2500 2690
FS 2655 2690
FS 3400 4200 Chỉ R3
FS 4500 4800
FS 5725 5850
FS 5850 7075
FS 7250 7750 Chỉ R1
FS 7900 8400
FS 10700 11700
FL 10700 11700 Chỉ R1
BS 11700 12500 Chỉ R1
BS 11700 12200 Chỉ R3
FS 11700 12300 Chỉ R2
BS 12100 12700 Chỉ R2
FS 12500 12750 Chỉ R1,R3
BS 12500 12700 Chỉ R3

FS 12500 12750 Chỉ R1
FS 12700 12750 Chỉ R2
FS 14000 14500
FS,FL 14000 14800
FL 17300 21200
FS 17700 21200
FS 27000 27500 Chỉ R2,R3
FS 27500 31000
Bảng : Các băng tần dùng cho dịch vụ vệ tinh cố định và dịch vụ quảng bá qua
vệ tinh tới 31 GHz.
( a ) FS - dịch vụ vệ tinh cố định
BS - dịch vụ vệ tinh quảng bá
FL - tuyến phi dơ cho dịch vụ vệ tinh quảng bá
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
11
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
( b ) Vùng ( R1 ), vùng (R2), vùng (R3) đợc xác định theo các vùng đã
quy định.
ITU đã xác lập riêng các phần nào đó của phổ tần để sử dụng trong các hệ
thống thông tin vệ tinh, đáng chú ý là các băng tần nh 2,5 -2,7; 3,4- 7,1 và
10,7 - 14,5 GHz. Một số nào đó trong các băng tần này đợc phân định để sử
dụng cho các dịch vụ đặc biệt trong các vùng địa lý xác định. Trong bảng trên
R2 ám chỉ vùng 2 bao gồm Bắc Mỹ và Nam Mỹ; R3 là vùng 3 bao gồm Châu
úc và Châu á và R1 là vùng 1 bao gồm Châu Âu, Liên Xô cũ và Châu Phi.
Trong bảng các vùng đợc phép sử dụng băng tần đợc chỉ thị bởi R1, R2 và R3.
Nêukhông có bất kì chỉ định vùng nào thì có nghĩa là tất cả các vùng đều có
thể sử dụng băng tần đó.
* Băng tần 2500 2690 MHz.
Tất cả các tần số trong băng tần này là để dành cho các nớc vùng 2 và

vùng 3 ( không có sự phân định nào đối với băng tần 2,5 - 2,7 GHz cho các
dịch vụ vệ tinh cố định trong vùng 1 ). Tại băng tần 2,5 - 2,7 GHz, suy hao khí
quyển nhỏ hơn bất kỳ băng tần nào khác, song vì bớc sóng tơng đối dài cho
nên kích thớc của anten trạm mặt đất sẽ phải lớn hơn so với việc sử dụng các
băng tần khác. Ngoài ra, vì băng tần này còn cha đợc sử dụng rộng rãi nên rất
ít nhà sản xuất chế tạo các thiết bị tiêu chuẩn thuộc lĩnh vực này. Băng tần này
tỏ rõ lợi thế cho những yêu cầu khiêm tốn ở những yêu cầu khiêm tốn ở những
điểm không có tắc nghẽn và các khe quỹ đạo là luôn luôn có sẵn để sử dụng.
Tuy nhiên, băng tần này chung phần với các hệ thống tán xạ đối lu và cần phải
phối hợp chúng.
*Băng tần 3400 7075 MHz.
Băng tần này đợc sử dụng nhiều nhất so với tất cả các băng tần khác. Do
đó, việc xắp xếp các khe quỹ đạo là tơng đối khó. Mặt khác vì có sẵn thị trờng
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
12
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
rộng lớn cho nên nhiều nhà sản xuất chế tạo thiết bị chuẩn, giảm đợc đáng kể
giá thành đo cạnh tranh và đảm bảo tính hiệu quả kinh tế do quy mô lớn. Mặc
dù suy hao khí quyển hơi lớn so với băng tần 2,5-2,7GHz, kinh nghiêm lịch sử
cho thấy rằng có thể đạt đợc dịch vụ tông tin chất lợng cao thực tế tại tất cả
các vùng trên thế giới. Vì có can nhiễu với các hệ thống vi ba mặt đất sử dụng
băng tần này, các trạm mặt đất không đợc phép lắp đặt tại nhiều vùng thành
phố. Do vậy việc sử dụng băng tần này đòi hỏi phải phối hợp chặt chẽ với các
hệ thống trên mặt đất đang hoạt động hoặc đang trong dự án.
* Băng tần 10700 - 14500 GHz.
Băng tần này vừa có lợi thế vừa có bất lợi so với băng tần 3,4 - 7,1 GHz vốn
đợc sử dụng rộng rãi, nơi nào có băng tần này nói chung không đợc sử dụng
cho các tuyến Viba mặt đất thì có thể cho các trạm mặt đất hoạt động tại các
trung tâm thành thị. Các anten tại băng tần này rất nhỏ so với các băng tần

khác, do vậy chúng có thể lắp đặt tại các mái nhà của các toà nhà cao ốc. Nơi
nào thực tế không có các sóng mang chung trong băng này thì các vệ tinh có
thể đợc sử dụng các công suất cao hơn vì không có các vấn đề can nhiễu với
các hệ thống trên mặt đất. Điều bất lợi chính của băng này là các đặc tính suy
hao của nó gia tăng mạnh trong miền khí hậu có nhiều sơng mù, có ma hoặc
có mây.
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
13
Phần không gian
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
Chơng 2
Cấu trúc một hệ thống thông tin vệ tinh
Cấu trúc của một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm hai phần: phần không
gian ( space segment ) và phần mặt đất ( ground segment ).

Tuyến lên Tuyến xuống



Hình 2.1 Mô tả cấu trúc tổng quát một hệ thông vệ tinh
2.1. Phần không gian
Phần không gian bao gồm vệ tinh cùng các thiết bị đặt trong vệ tinh và
hệ thống các trang thiết bị đặt trên mặt đất để kiểm tra, theo dõi và điều khiển
vệ tinh ( các hệ thống bám, đo đạc và điều khiển ).
Bản thân vệ tinh bao gồm phần tải ( payload ) và phần nền ( platform ).
Phần tải bao gồm các anten thu, phát và tất cả các thiết bị điện tử phục vụ cho
phần tải hoạt động. Chúng bao gồm :

+ Cấu trúc.

Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
14
Trạm điều khiển
Thiết bị phát Thiết bị thu
Phần mặt đất
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
+ Nguồn cung cấp điện.
+ Điều khiển nhiệt độ.
+ Điều khiển hớng và quỹ đạo.
+ Thiết bị đẩy.
+ Thiết bị bám, đo đạc và điều khiển thực hiện
Các sóng vô tuyến truyền từ trạm mặt đất lên vệ tinh đợc gọi là tuyến lên
( Uplink ). Vệ tinh đến lợt mình lại truyền các sóng vô tuyến tới các trạm thu
vệ tinh đặt trên mặt đất và đợc gọi là tuyến xuống ( Downlink ).
Chất lợng của một liên lạc qua sóng vô tuyến đó đợc xác định bởi thông
số sóng mang trên tạp âm (C/N ).
*Vệ tinh có các vai trò sau :
+ Khuyếch đại các sóng mang thu đợc từ tuyến lên để sử dụng cho việc
truyền dẫn lại trên tầng xuống. Năng lợng sóng mang tại đầu vào của máy thu
vệ tinh yêu cầu từ 100pW đến 1nW, còn năng lợng tại đầu ra của bộ khuyếch
đại công suất phát cho tuyến xuống yêu cầu từ 10 100W. Do đó độ lợi công
suất yêu cầu từ 100 130WdB.
+ Thay đổi tần số sóng mang nhằm tránh hiện tợng một phần công suất
phát đi quay trở về đầu thu, khả năng loại bỏ của đầu vào các bộ lọc tần số
tuyến xuống kết hợp với độ tăng ích anten thấp giữa đầu ra ( phần phát ) với
đầu vào ( phần thu ) để đảm bảo công suất cỡ 150dB.
Để hoàn thành chức năng của mình thì vệ tinh có thể hoạt động nh một rơle
đơn giản. Sự thay đổi tần số thông qua một bộ biến đổi tần số. Điều này thấy
rõ trong các vệ tinh thơng mại đợc vận hành hiện nay. Ngời ta gọi chúng là các

vệ tinh quy ớc hay trong suất . Tuy nhiên, một thế hệ vệ tinh mới ( bắt
đàu từ ACTS và ATALSAT ) đang nổi lên tái sinh và đợc trang bị các bộ giải
điều chế, các tín hiệu băng cơ bản đợc đặt trên vệ tinh. Sự thay đổi tần số đạt
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
15
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
đợc bởi việc điều chế một sóng mang mới cho tầng xuống. Việc vận hành cặp
điều chế và giải điều chế có thể đợc đi kèm theo với việc xử lí tín hiệu băng cơ
bản ở các mức độ phức tạp khác nhau. Để đảm bảo tính sẵn sàng cung cấp các
dịch vụ, một hệ thống vệ tinh phải bao gồm một số vệ tinh để dự trữ, để thay
thế cho một vệ tinh nào đó bị hỏng hay đã hết hạn sử dụng. Trong trờng hợp
này chúng ta cần phân biệt tuổi thọ và độ tin cậy của một vệ tinh. Độ tin cậy
của một vệ tinh đợc đánh giá dựa trên các yếu tố : khả năng dẫn đến hỏng hóc,
độ tin cậy thiết bị của vệ tinh và các phơng án dự phòng. Tuổi thọ của vệ tinh
phụ thuộc vào khả năng duy trì vệ tinh trên các trạm trong trạng thái tối thiểu.
2.2. Phần mặt đất
Phần mặt đất bao gồm tất cả các trạm mặt đất và chúng thờng đợc nối với
các thiết bị của ngời sử dụng thông qua các mạng mặt đất hoặc trong trờng
hợp sử dụng các trạm VSAT (VerySmall Aperture Terminal) thì có thể liên lạc
trực tiếp đến thiết bị đầu cuối của ngời sử dụng. Các trạm mặt đất đợc phân
loại tuỳ thuộc và kích cỡ trạm và loại hình thông tin đợc truyền cũng nh xử lý (
thoại, hình ảnh hoặc dữ liệu ). Có thể có trạm mặt đất vừa thu vừa phát cũng có
loại trạm mặt đất chỉ làm nhiệm vụ thu (ví dụ trạm TVRO Television Receiver
Only ). Các trạm mặt đất lớn đợc trang bị anten có đờng kính 30-40 m, trong
khi đó các trạm mặt đất loại nhỏ chỉ dùng anten đờng kính 60 cm hoặc thậm
trí có thể nhỏ hơn ( các trạm di động, các máy cầm tay ). H 2.2 mô tả trạm mặt
đất đơn giản bao gồm cả thu và phát.
Đối với các trạm mặt đất cỡ lớn, do độ rộng của búp sóng chính của anten
rất hẹp cho nên trạm mặt đất cần phải có các thiết bị bám vệ tinh để đảm bảo

chất lợng đờng truyền ( trục anten hớng đúng vệ tinh ).
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
16
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
Với các trạm mặt đất cỡ nhỏ do độ rộng của búp sóng anten khá lớn cho nên
trong trờng hợp này không cần thiết có các thiết bị bám vệ tinh.
Trong thực tế một bộ phát đáp của vệ tinh có thể phục vụ cùng một lúc nhiều
trạm mặt đất khác nhau. Kỹ thuật mà các trạm mặt đất dùng để truy nhập bộ
phát đáp vệ tinh cũng tơng tự nh kỹ thuật đa truy nhập trong mạng điện thoại
( FDMA,TDMA,CDMA ), tuy vậy do một số tính chất đặc điểm của thông tin
vệ tinh cho nên chúng đợc sử dụng một cách linh hoạt.
Góc ngẩng
Các tín hiệu băng cơ sở
(Từ ngời sử dụng)
Các tín hiệu băng cơ sở

(Đến ngời sử dụng)
Hình 2.2 . Cấu trúc tổng quát của một trạm mặt đất
2.3. Các thông số đặc trng cho tính toán liên lạc
trong thông tin vệ tinh
2.3.1. Các thông số của anten .
Độ tăng ích của anten.
Độ tăng ích của anten là tỉ số giữa năng lợng bức xạ ( hấp thụ ) trên một
đơn vị góc đầy đủ của một anten tại hớng xác định và năng lợng bức xạ (hay
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
17
Dẫn đường và
bám vệ tinh
Bộ phân tuyến

Khuyếch đại
công suất RF
Điều chế
IF
Khuyếch đại tạp
âm thấp LNA
Giải điều chế
IF
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
hấp thụ ) trên một đơn vị góc đầy của một anten đẳng hớng. Hai anten này đợc
cung cấp cùng một mức công suất.
Độ tăng ích đạt giá trị lớn nhất lại hớng bức xạ cực đại và đợc xác định bởi
công thức :
G
Max
= ( 4/
2
) A
eff

Trong đó :
= c/f
C : tốc độ ánh sáng C = 3.10
8
m/s
f : tần số sóng điệ trờng
Aeff : diện tích hiệu dụng của anten.
Đối với anten có khe hở tròn hay đờng kính phản xạ là D thì diện tích hình
học của A có giá trị

A = .D
2
/4
và giá trị hiệu dụng của anten sẽ là A
eff
= A với là hiệu suất của anten
Do đó : G
Max
= (.D.f/c )
2
(2.1)
Nếu biểu diễn dới dạng dB thì độ tăng ích của anten trong thực tế là :
G
Max
= 10.log (.D/)
2
= 10log (.D.f/c )
2
Hiệu suất là tích các hiệu suất thành phần, bao gồm hiệu suất chiếu sáng,
suy hao do tràn, sự suy bề mặt, những suy hao do điện trở hay ghép không đối
xứng ..v.v..
=
i
.
s
.
f
.
z
(2.3)

Hiệu suất chiếu sáng đợc xác định theo luật chiếu sáng của vật phản xạ
trong môi trờng chiếu sáng đồng nhất. Sự chiếu sáng đồng nhất (
i
=1) tạo ra
mức cao của các cực đại thứ cấp. Cần phải có điều kiện đối với sự suy giảm
chiế sáng tại các đờng biên của vật phản xạ.
Hiệu suất tràn
s
đợc định nghĩa là tỷ số giữa công suất của nguồn chính bị
chắn bởi vật phản xạ so với toàn bộ công suất của nguồn chính càng lớn thì
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
18
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
hiệu suất tràn càng lớn. Tuy nhiên, đối với nguồn bức xạ cụ thể, mức chiếu
sáng tại các đờng biên sẽ bị nhỏ đi khi các giá trị giá trị của góc nhìn lớn và
hiệu suất chiếu sáng sẽ giảm xuống
Hiệu suất kết thúc bề mặt n
f
có tính đến tác động của sự suy yếu bề mặt nên
độ tăng ích của anten. Mặt nghiêng của đờng Parbol trong thực tế khác với lý
thuyết. Gia số về độ tăng ích của anten đợc tính theo công thức sau :

G = exp [ -B(4/)
2
]
Trong đó :
+ là sai số do sản xuất
+ B là hệ số, hệ số này tăng khi bán kính cong của mặt lõm giảm ( B < 1)
Trong thực tế, B cỡ 0,7 và cỡ /16. Điều này làm cho hiệu suất kết thúc bề

mặt đạt 90%.
Những suy hao khác, bao gồm suy hao nhiệt và suy hao do trở kháng của
ghép không đối xứng
z
thì ít quan trọng hơn.
Tổng quát, hiệu suất tổng thể của anten là tích của các hiệu suất biến
đổi , thông thờng nằm trong khoảng (55 ữ 75 )%
2.3.2 Đồ thị phơng hớng bức xạ
Đồ thị phơng hớng bức xạ của anten cho biết sự biến đổi độ tăng ích của
anten hớng. Đối với một anten có góc mở tròn hay vật phản xạ thì đồ thị này
có dạng đối xứng tròn xoay và có thể biểu thị chúng trong một mặt phẳng
dạng toạ độ cực hay dạng toạ độ Đecac.
Các cực đại phụ và các cực đại chính bao gồm hớng bức xạ cực đại có thể đ-
ợc xác định.

Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
19
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
Toạ độ cực Toạ độ vuông góc Đecac
G
30dB
typ
D
3dB
side
labes

major
labes

3dB
Hình 2.3 : Đồ thị phơng hớng bức xạ của anten
2.3.3. Độ rộng của búp sóng.
Đây là góc đợc xác định bởi các hớng trong đồ thị phơng hớng cụ thể
biểu diễn giá trị lớn nhất độ tăng ích của anten. Độ rộng 3dB tơng ứng với góc
giữa hai hớng mà tại đó giá trị lớn nhất của độ tăng ích giảm một nửa, độ rộng
3dB phụ thuộc vào tỷ số /D bởi hệ số mà giá trị của nó phụ thuộc vào luật
chiếu sáng đợc chọn. Đối với chiếu sáng đồng nhất, hệ số này đạt giá trị 58.5
0
.
Đối với luật chiếu sáng không đồng nhất, gây sự suy giảm lại các đờng biên
của vật phản xạ, độ rộng 3dB tăng và giá trị của hệ số phụ thuộc vào các tính
chất đặc biệt của luật.
Giá trị mà hiệ nay sử dụng là 70
0
, do đó ta có công thức sau:

3dB
= 70 (/D) = 70( c/f.D ) ( độ ) ( 2.3 )
Tại hớng , đối với tầm nhìn thẳng, giá trị độ tăng ích đợc xác định bởi biểu
thức:
G()
dB
= G
maxdB
12(/
3dB
)

2
(dB) ( 2.4 )
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
20
3dB
=
1
3dB down
G
max
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
Công thức này chỉ đúng khi các góc đủ nhỏ
Kết hợp công thức (2.2) và (2.3) sẽ cho ta giá trị lớn nhất của độ tăng ích là
hàm độ rộng 3dB và quan hệ này không phụ thuộc vào tần số
.D.f 2 70 2
G
max
= . = ( 2.5 )
c
3dB

2.3.4.Sự phân cực của sóng
y
p o E
max
x E


Anten E

min


Hình 2.4: Mô tả sự phân cực của sóng điện từ trong không gian
Sóng điện từ đợc bức xạ bởi anten bao gồm một thành phần điện trờng và
một thành phần từ trờng. Hai thành phần này trực giao và vuông góc với hớng
truyền sóng, chúng biến đổi theo tần số của sóng. Theo quy ớc sự phân cực
của sóng đợc xác định bởi hớng điện trờng. Nói chung hớng của điện trờng
không cố định và biên độ không phải là một hằng số.
* Các tính chất của sự phân cực thể hiện qua các thông số sau:
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
21
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
+ Hớng quay ( đối với hớng truyền dẫn ) tay phải ( theo hớng kim đồng
hồ ) hoặc tay trái ( ngợcchiều kim đồng hồ ).
+ Tỷ lệ trục (AR- Axial Radio) AR = E
max
/E
min
; đó là tỷ lệ của trục lớn
trên trục nhỏ của hình elip. Khi elip giảm xuống chỉ còn một trục thì tỷ số trục
không xác định, điện trờng là một hớng không xác định, đó gọi là phân cực
thẳng.
+ Độ nghiêng của elip
Hai sóng đợc gọi là phân cực trực giao nhau nếu nh các elíp biểu thị điện
trờng đó giống hệt nhau nhng ở các phơng đối nhau.

a a
0

b
x
Tại anten phát
a
x

b b
0
Hình 2.5: Mô tả biên độ của cờng độ điện trờng phát và thu trong hợp
phân cực tuyến tính trực giao
Theo hình vẽ, giả thiết rằng a và b là các biên độ ( đợc xem là bằng nhau),
điện trờng của hai sóng đợc truyền song song với phân cực thẳng a
c
và b
c
là
các biên độ đợc thu cùng với một phân cực a
x
đợc thu với phân cực trực giao
có thể xác định đợc
- Sự cách ly phân cực chéo : XPI = a
c
/ b
x
hoặc b
c
/ a
x
do đó :
XPI = 20log ( a

c
/ b
x
) hay 20log ( b
c
/ a
x
)
- Sự phân cực chéo ( khi một phân cực đơn đợc truyền ):
XPD (dB) = 20log ( a
c
/ a
x
)
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
22
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
Trong thực tế XPI và XPD có thể so sánh đợc và thờng bị nhầm lẫn về mặt
cách ly. Đối với phân cực tròn, các tính chất đợc xác định thông qua tỷ lệ trục,
sự phân biệt phân cực chéo đợc định nghĩa là :
XPD (dB) = 20log [( AR + 1)/(AR 1)]
Trái lại, tỷ lệ trục AR đợc biểu diễn theo hàm XPD qua công thức :
AR = ( 10
XP/20
+ 1 )/( 10
XP/20
1)
Bởi vậy, anten đợc đặc trng bởi một phân cực đã cho bởi một đồ thị phơng
hớng bức xạ của phân cực danh nghĩa và một đồ thị bức xạ của phân cực trực

giao. Sự phân cực chéo thông thờng có giá trị lớn nhất trên trục anten và suy
biến đổi với các hớng khác.
2.4. Công suất bức xạ (phát)
2.4.1. Công suất bức xạ đẳng hớng tơng đơng (EIRP)
Công suất đợc bức xạ trên một đơn vị góc đặc bởi một anten đẳng hớng
đợc cung cấp từ một nguồn công suất tần số vô tuyến P
T
đợc xác định bởi biểu
thức :
P
T
/ 4 ( W/ Steradian )
Tại một hớng, với giá trị độ tăng ích của truyền dẫn là G
T
bức xạ công
suất của bất kì anten nào trên một đơn vị góc đầy tơng đơng với :
G
T
. P
T
/ 4 ( W/ Steradian )
Tích ( G
T
.P
T
) đợc gọi là công suất bức xạ đẳng hớng tơng đơng với kí
hiệu là EIRP, đơn vị là W.
2.4.2. Mật độ thông lợng công suất
Bề mặt của diện tích hiệu dụng A nằm cách anten một khoảng R trơng
cung một góc đầy A/R

2
đối với anten phát, nó nhận công suất P
R
bằng với giá
trị :
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
23
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
P
R
= ( G
T
. P
T
/4R
2
)/( A/R
2
) = .A ( W ) ( 2.6 )
Đại lợng = G
T
.P
T
/4R
2
đợc gọi là mật độ thông lợng, đơn vị của nó là W/
m
2
.

2.5. Công suất tín hiệu thu
2.5.1. Công suất nhận đợc bởi anten thu
P
T
P
R
A
Reff
G
T
G
R
Hình 2.6 : Công suất thu đợc từ anten thu.
Một anten thu có diện tích hiệu dụng A
Reff
cách anten phát một khoảng cách
R, thu đợc công suất là :
P
R
= .A
Reff
= G
T
P
T
/4R
2
.A
Reff
( W ) ( 2.7 )

Diện tích tơng đơng của một anten đợc biểu diễn với độ tăng ích G
R
của
anten thu thông qua biểu thức :
A
Reff
= G
T
.P
T
/(4/
2
) ( 2.8 )
Do đó công suất thu đợc là :
P
R
= (G
T
.P
T
/ 4R
2
)(
2
/4).G
R
= ( G
T
.P
T

)(/4R)
2
.G
R

= (G
T
.P
T
)(1/L
ES
).G
R
(2.9)
Trong đó : L
ES
= (4R/)
2
đợc gọi là suy hao không gian tự do và biểu thị cho
tỷ số công suất thu và phát trong một liên lạc giữa hai anten đẳng hớng.
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
24
Distance R
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
2.5.2. Trờng hợp thực tế
Trong trờng hợp thực tế, cần phảI tính đến những suy hao khác nh :
- Suy hao do sự suy giảm của các sóng khi truyền trong không gian.
- Suy hao tại bản thân thiết bị thu và phát.
- Suy hao do sự không thẳng hàng của anten.

- Suy hao do sự phân cực ghép không đối xứng.
a. Sự suy giảm trong không khí
Sự suy giảm của các sóng trong khí quyển đợc xác định bởi L
A

(A : Atmotphere), là sự xuất hiện các thành phần thể khí trong tầng đối lu ( n-
ớc, mây, ma, tuyết, ...) và tầng iôn. Bởi vậy tác động tổng thể lên công suất tín
hiệu thu trong thực tế làm thay đổi L
ES
trong công thức (2.9) thành L đợc gọi
là suy hao tuyến
Trong đó : L = L
ES
.L
A
b.Sự suy hao tại thiết bị thu và phát
L
T
X
P
TX
P
T
P P
RX
G
T
G
R
Hình 2.7. Suy hao trên thiết bị đầu cuối

- Suy hao L
FTX
giữa máy phát và anten : để cấp cho anten một công suất P
T
cần cấp một công suất P
TX
tại đầu ra máy khuyếch đại phát là :
P
TX
= P
T
.L
FTX
(W )
- Công suất của bộ khuyếch đại phát có thể biểu thị dới dạng hàm của
thông số, do đó công suất bức xạ đẳng hớng hiệu dụng EIRP có thể viết :
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
25
L
FRX
R
XL
FTX
Tổn hao trên
Phidơ
Tổn hao trên
Phidơ
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
EIRP = P

T
G
T
= ( G
T
.P
T
)/L
FTX
( W )
- Suy hao gia anten và máy thu : Công suất tín hiệu thu P
RX
tại đầu vào của
máy thu đợc xác định bởi biểu thức :
P
RX
= P
R
/ L
LRX
b. Suy hao do sự không thẳng hàng của anten.
Góc không thẳng hàng
antenphát anten thu

T

R
L
P
T

G
T
G
R
P
R
Hình 2.8. Mô tả hình học biểu thị sự không thẳng hàng giữa hai
anten phát và thu
L
T
là suy hao do không thẳng hàng trên tuyến phát còn L
R
là suy hao do sự
không thẳng hàng trên tuyến thu. Những suy hao này là hàm của các góc
không thẳng hàng của các góc không thẳng hàng trên tuyến phát (
R
) đợc xác
định theo công thức
G ()
dB
= G
Max.dB
12.(/
3dB
)
2
Giá trị của chúng tính theo dB đợc xác định bởi :
L
T
= 12.(

T
/
3dB
)
2
( dB )
L
R
= 12.(
R
/
3dB
)
2
( dB )

d. Suy hao do ghép không đối xứng phân cực :
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
26
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
Cần phải tính đến suy hao do sự ghép không đối xứng L
POL
của phân cực
khi anten thu không đợc đinh hớng tơng đơng với sự phân cực sóng đợc thu.
Trong một liên lạc với phân cực tròn, sóng đợc phát bị phân cực tròn trên trục
của anten và trở thành Elip khi rời trục anten. Việc truyền qua tầng khí quyển
có thể làm thay đổi phân cực tròn thành phân cực Elip. Trong phân cực đờng
thẳng, sóng có thể quay trong mặt phẳng phân cực của nó khi nó truyền qua
tầng khí quyển.

Cuối cùng, anten thu có thể không có mặt phẳng phân cực tơng ứng với
mặt phẳng phân cực của sóng tới. Nếu là góc giữa hai mặt phẳng, suy hao do
sự ghép không đối xứng của phân cực đó có giá trị :
L
POL
(dB) = 20log(cos)
Trong trờng hợp anten thu phân cực tròn nhng thu sóng phân cực trong mặt
phẳng thì giá trị : L
POL
=3 dB.
Giả sử rằng nếu tính tất cả các nguồn của suy hao, công thức ( 2.9 ) của
công suất tín hiệu thu tại đầu vào máy thu trở thành :(2.10)
P
R
.G
Max
1 G
Rmax
P
RX
= . . (2.10)
L
T
.L
FTX
L
ES
.L
A
L

R
.L
FRN
.L
POL
e. Kết luận
Biểu thức (2.9) và (2.10) biểu diễn công suất tín hiệu tại đầu vào của
máy thu là cùng một dạng, chúng là tích của 3 thành phần :
1. ( EIRP ) nêu đặc tính của thiết bị phát
2. ( 1/L ) nêu đặc tính của môi trờng truyền dẫn
3. ( Độ tăng ích của máy thu ) nêu đặc tính của thiết bị thu
ở dạng tổng quát nhất là trong biểu thức ( 2.10 ) thì giá trị của 3 thành
phần này là :
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
27