Thiết kế, chế tạo thiết bị tự động điều khiển công suất trạm điều khiển trung tâm (hub) băng ku của hệ thống thông tin vệ tinh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Thiết kế, chế tạo thiết bị tự động điều khiển
công suất trạm điều khiển trung tâm (HUB)
băng Ku của hệ thống thông tin vệ tinh
PHẠM KIM ANH

Ngành Kỹ thuật viễn thông

Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Tài Hưng
Viện:

Điện tử - viễn thông

HÀ NỘI, 7/2022

Chữ ký của GVHD



CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : Phạm Kim Anh
Đề tài luận văn: Thiết kế, chế tạo thiết bị tự động điều khiển công suất trạm
điều khiển trung tâm (HUB) băng Ku của hệ thống thông tin vệ tinh
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số SV: 20202204M
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác

nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
11/7/2022 với các nội dung sau:
- Hiệu chỉnh phần Mở đầu rõ ràng, đầy đủ, phản ánh đủ bối cảnh nghiên
cứu, lý do chọn đề tài, mục tiêu, đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu
- Chỉnh sửa các mục 2.4, 3.5, 4.4, 5.5 thành các Kết luận Chương 2,3,4,5.
- Hiệu chỉnh kết luận của luận văn, bổ sung đóng góp của bản thân tác giả
đối với đề tài.
- Chỉnh sửa lại bìa và lỗi chính tả của luận văn.
Ngày
Giáo viên hướng dẫn

tháng

năm 2022

Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG



ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
Thiết kế, chế tạo thiết bị tự động điều khiển công suất trạm điều khiển trung
tâm (HUB) băng Ku của hệ thống thông tin vệ tinh.

Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên

Lời cảm ơn
Lời đầu tiên, xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Nguyễn Tài Hưng đã ln tận
tình hướng dẫn, quan tâm, tạo điều kiện trong q trình hồn thành luận văn của
bản thân.
Xin chân thành cảm ơn ban Đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị tự
động điều khiển công suất trạm điều khiển trung tâm (HUB) băng Ku của hệ thống
thông tin vệ tinh quân sự” đã nhiệt tình giảng dạy, hướng dẫn tác giả hồn thành
các nội dung kiến thức của luận văn.
Xin cảm ơn PGS.TS Lê Nhật Thăng, TS. Trần Thị Ngọc Lan đã cho tôi
những những nhận xét quý báy, chỉnh sửa những sai sót của tơi trong bản thảo
luận văn.
Do giới hạn về kiến thức lý luận và kinh nghiệm do vậy trong q trình thực
hiện khơng tránh được những thiếu sót, kính mong nhận được sự chỉ dẫn và đóng
góp của các thầy, cơ để luận văn của tơi được hồn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!

Tóm tắt nội dung luận văn
Hệ thống trạm HUB của mạng thông tin vệ tinh đang sử dụng hai loại thiết
bị UPC-A và UPC-2 của hãng Miteq, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về thiết kế đối
với các hệ thống trạm HUB hiện tại được triển khai. Tuy nhiên hãng khơng cịn
hỗ trợ kỹ thuật cho UPC-A. Thiết bị UPC-2 là sản phẩm mới được đưa ra thị
trường từ năm 2014, được triển khai lắp đặt cho các trạm HUB thuộc dự án
Vinasat 2 vào năm 2016 với nhiều tính năng mới và hỗ trợ triển khai đa mạng tích
hợp, tuy nhiên thiết bị này khơng sử dụng để thay thế cho UPC-A.
Chính vì lý do trên, việc “Thiết kế, chế tạo thiết bị tự động điều khiển công
suất trạm điều khiển trung tâm (HUB) băng Ku của hệ thống thơng tin vệ tinh” có
ý nghĩa quan trọng trong bảo đảm hoạt động của mạng thơng tin vệ tinh và giảm
giá thành sản phẩm.
Mục đích của đề tài cần đạt được: Nghiên cứu, chế tạo thành công thiết bị
tự động điều khiển công suất đường lên (UPC) trạm điều khiển trung tâm (HUB)

có tính năng khơng thấp hơn thiết bị nhập ngoại. Nhằm mục đích thay thế các thiết
bị UPC hiện đang sử dụng trong hệ thống thông tin vệ tinh.
Cấu trúc luận văn gồm 5 chương
Chương 1: Tổng quan mạng thông tin vệ tinh
Chương 2: Xây dựng tính năng, chỉ tiêu thiết bị UPC
Chương 3: Thiết kế phần cứng thiết bị UPC


Chương 4: Thiết kế phần mềm thiết bị UPC
Chương 5: Kết quả thử nghiệm sản phẩm
Trong quá trình thực hiện đề tài cần sử dụng: phần mềm thiết kế mạch
Altium, phần mềm thiết kế cơ khí AutoCAD. Các thiết bị đo: máy phân tích phổ,
máy hiện sóng và một số thiết bị, phần mềm khác.
Kết quả luận văn đẫ đạt được các mục tiêu và phù hợp với các vấn đề đã
đặt ra.
Hướng phát triển: nghiên cứu, chế tạo thành công thiết bị UPC, tạo tiền đề để
nghiên cứu, chế tạo thay thế các bộ phận khác của hệ thống Thông tin vệ tinh, đặc
biệt là các bộ phận hay xảy ra hư hỏng như bộ khuếch đại công suất (BUC). Nâng
cao khả năng làm chủ, duy trì hoạt động ổn định của Hệ thống thông tin vệ tinh.
HỌC VIÊN

Ký và ghi rõ họ tên


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN .......................................................... 1
1.1. Nghiên cứu tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh...................................... 1
1.1.1. Giới thiệu chung .................................................................................. 1
1.1.2. Quỹ đạo vệ tinh ................................................................................... 4
1.1.3. Băng tần sử dụng trong thông tin vệ tinh ............................................ 5

1.1.4. Các phương pháp đa truy nhập đến một vệ tinh ................................. 7
1.1.5. Trạm mặt đất ..................................................................................... 11
1.1.6. Hệ thống VSAT................................................................................. 12
1.2. Nghiên cứu về suy hao tín hiệu trên đường truyền tự do ........................ 13
1.2.1. Các điều kiện mơi trường truyền sóng .............................................. 13
1.2.2. Suy hao tín hiệu trên đường truyền tự do ......................................... 18
1.2.3. Các biện pháp khắc phục các ảnh hưởng .......................................... 19
1.3. Cơ chế điều chỉnh tín hiệu dựa trên sóng mang beacon .......................... 20
1.3.1. Nguyên lý giám sát đường truyền vệ tinh dựa trên sóng mang Beacon
..................................................................................................................... 20
1.3.2. Phân tích phổ tín hiệu siêu cao tần dải băng L và băng Ku sử dụng
trong thông tin vệ tinh băng rộng ................................................................ 22
1.3.3. Cơ chế điều chỉnh tín hiệu dựa trên sóng mang Beacon................... 23
1.4. Nội dung nghiên cứu ................................................................................ 29
CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ TÍNH NĂNG, CHỈ TIÊU KỸ
THUẬT CỦA THIẾT BỊ UPC ........................................................................... 30
2.1. Giới thiệu chung ....................................................................................... 30
2.2. Nguyên lý hoạt động của thiết bị UPC .................................................... 30
2.3. Tính năng và chỉ tiêu kỹ thuật của thiết bị UPC ...................................... 33
2.3.1. Thiết bị UPC đang sử dụng trong hệ thống thông tin vệ tinh ........... 33
2.3.2. Thiết bị UPC nghiên cứu thiết kế...................................................... 35
Kết luận chương 2 ........................................................................................... 37
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG THIẾT BỊ UPC ................................. 38
3.1 Giới thiệu tổng quan thiết kế phần cứng của thiết bị UPC ....................... 38
3.2. Bảng mạch điều khiển suy hao ATT........................................................ 39
3.2.1. Thiết kế các khối mạch con của khối ATT ....................................... 39
3.2.2. Mạch in khối suy hao ATT ............................................................... 43
3.3. Bảng mạch giám sát và điều khiển MCU ................................................ 44

3.3.1. Tính năng và tổng quan phần cứng bảng mạch MCU ...................... 44
3.3.2. Thiết kế các khối mạch con của bảng mạch MCU ........................... 45
3.3.3. Mạch in của bảng mạch MCU........................................................... 49
3.4. Bảng mạch điều khiển trung tâm.............................................................. 50
3.4.1. Chức năng và tổng quan phần cứng của bảng mạch CPU ................ 50
3.4.2. Thiết kế các khối mạch con của bảng mạch CPU ............................. 51
3.4.3. Mạch in của bảng mạch CPU ............................................................ 55
Kết luận chương 3 ........................................................................................... 57
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN MỀM THIẾT BỊ UPC.................................... 58
4.1. Giới thiệu chung ....................................................................................... 58
4.2. Lưu đồ thuật toán điều khiển của thiết bị UPC ........................................ 58
4.2.1. Bảng mạch CPU ................................................................................ 58
4.2.3. Bảng mạch MCU ............................................................................... 69
4.2.4. Bảng mạch ATT ................................................................................ 76
4.3. Chương trình giám sát và điều khiển thiết bị UPC qua giao diện Web và
giao diện phần mềm......................................................................................... 80
4.3.1. Giao diện Web ................................................................................... 80
4.3.2 Giao diện phần mềm........................................................................... 85
Kết luận chương 4 ........................................................................................... 87
CHƯƠNG 5: KIỂM TRA VÀ HOÀN THIỆN THIẾT BỊ ................................. 88
5.1. Giới thiệu chung ....................................................................................... 88
5.2. Hình ảnh thiết bị UPC .............................................................................. 88
5.3. Kiểm tra chỉ tiêu kỹ thuật của thiết bị UPC ............................................. 89
5.3.1. Phương tiện đo kiểm ......................................................................... 89
5.3.2. Tổn hao thông qua thiết bị................................................................. 89
5.3.3. Khả năng điều chỉnh công suất và hệ số dự trữ công suất tối đa ...... 91
5.3.4. Bước điều chỉnh công suất cực tiểu .................................................. 92
5.3.5. Công suất đầu ra tại điểm nén 1 dB .................................................. 93
5.3.6. Điểm chặn bậc 3 tín hiệu vào ............................................................ 94
5.3.7. Số kênh điều khiển tuyến phát .......................................................... 95

5.3.8. Trở kháng đầu vào/ra danh định trên mỗi kênh tín hiệu ................... 96
5.3.9. Điện áp nguồn cấp ............................................................................. 96
5.3.10. Dòng điện tiêu thụ ........................................................................... 97
5.4. Hiệu chỉnh thiết bị .................................................................................... 99
5.4.1. Hiệu chỉnh phần cứng........................................................................ 99


5.4.2. Hiệu chỉnh phần mềm ..................................................................... 100
Kết luận chương 5 ......................................................................................... 101
KẾT LUẬN ....................................................................................................... 102
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................. 104


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ
viết tắt
ARM
BUC
C/N
CPU
CUCM
DC
DTR
ĐL-CL
HPA
HUB
IC
IF
iNMS
ITU

KHCN
KHQS
LCD
LNA
LNB
M&C
PC
PCB
PP
RBU
TC-ĐL-CL
UC
UPC
VSAT

Tiếng Anh

Tiếng Việt

Advanced RISC Machine
Block Upconverter
Carrier-to-Noise
Central Processing Unit
Cisco Unified Communications
Manager
Down Converter
Digital Tracking Receiver

Kiến trúc RISC nâng cao
Khối chuyển đổi đường lên

Tỉ số tín/tạp
Bộ xử lý trung tâm
Quản lý truyền thông hợp nhất
của Cisco
Bộ chuyển đổi xuống
Bộ thu bám số
Đo lường – Chất lượng
Khối khuếch đại cơng suất lớn
Trạm quản lý Trung tâm
Mạch tích hợp
Tần số trung tần

High Power Amplifier

Integrated Circuit
Intermediate Frequency
Integrated Network Management
Hệ thống quản lý mạng tích hợp
System
International
Liên hiệp viễn thơng quốc tế
Telecommunication Union
Khoa học cơng nghệ
Khoa học qn sự
Liquid Crystal Display
Màn hình tinh thể lỏng
Low Noise Amplifier
Bộ khuếch đại tạp âm thấp
Khối chuyển đổi đường xuống
Low-Noise Block Downconverter

tạp âm thấp
Monitor and Control
Giám sát và điều khiển
Personal Computer
Máy tính cá nhân
Printed Circuit Board
Bảng mạch in
Process Protocol
Khối xử lý giao thức
Redundant Block
Khối điều chỉnh chuyển đổi
Upconverter
đường lên
Tiêu chuẩn – Đo lường – Chất lượng
Up Converter
Bộ chuyển đổi lên
Uplink Power Control
Điều khiển công suất đường lên
Very
Small
Aperture Trạm thông tin vệ tinh mặt đất
Terminal
cỡ nhỏ


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ đường thơng tin vệ tinh ............................................................... 3
Hình 1.2. Đường liên lạc thơng tin vệ tinh ........................................................... 3
Hình 1.3. Ba dạng quỹ đạo cơ bản trong thơng tin vệ tinh................................... 4
Hình 1.4. Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh ........................................................................ 5

Hình 1.5. Đa truy nhập phân chia theo tần số ...................................................... 8
Hình 1.6. Đa truy nhập phân chia theo thời gian ................................................. 8
Hình 1.7. Hệ thống VSAT .................................................................................... 12
Hình 1.8. Suy hao phụ thuộc vào thành phần hơi nước trong khơng khí ........... 14
Hình 1.9. Phân bố mây có thời gian tồn tại 20% thời gian cả năm với thành phần
hơi nước chuẩn hóa ............................................................................................. 15
Hình 1.10. Cường độ mưa với thời gian 0.01% thời gian của cả năm............... 17
Hình 1.11. Pointing để xác định góc nhìn của Đài trái đất tới vệ tinh .............. 21
Hình 1.12. Tín hiệu beacon băng Ku của vệ tinh VINASAT 1 được thu đo bởi một
trạm HUB ............................................................................................................ 22
Hình 3.1. Sơ đồ khối tổng quát của thiết bị UPC. .............................................. 38
Hình 3.2. Sơ đồ khối của bảng mạch điều khiển suy hao. .................................. 39
Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý khối mạch điều khiển trung (MCU1)........................ 40
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp RS485................................................. 41
Hình 3.5. Nguyên lý mạch suy hao RF................................................................ 42
Hình 3.6. Nguyên lý mạch nguồn suy hao. ......................................................... 43
Hình 3.7. Hình ảnh mặt trước bảng mạch ATT .................................................. 44
Hình 3.8. Hình ảnh mặt sau bảng mạch ATT ..................................................... 44
Hình 3.9. Sơ đồ khối của bảng mạch giám sát và điều khiển MCU. .................. 45
Hình 3.10: Tín hiệu beacon băng Ku của vệ tinh VINASAT 1 được thu đo bởi
Trạm trung tâm - HUB A61 của Lữ đồn 134 - Binh chủng Thơng tin liên lạc. 46
Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý khối mạch xử lý tín hiệu Beacon. ........................... 47
Hình 3.12. Sơ đồ ngun lý khối mạch điều khiển của MCU. ............................ 47
Hình 3.13. Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp của MCU. ...................................... 48
Hình 3.14. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn MCU. ................................................. 49
Hình 3.15. Hình ảnh mặt trước bảng mạch MCU. ............................................. 49
Hình 3.16. Hình ảnh mặt sau bảng mạch MCU. ................................................ 49
Hình 3.17. Hình ảnh thực tế bảng mạch MCU ................................................... 50
Hình 3.18. Sơ đồ khối của bảng mạch CPU. ...................................................... 50
Hình 3.19. Nguyên lý mạch điều khiển trung tâm............................................... 51

Hình 3.20. Sơ đồ nguyên lý khối mạch bàn phím và hiển thị. ............................ 52
Hình 3.21. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển bàn phím và LCD. ....................... 53
Hình 3.22. Sơ đồ nguyên lý mạch giao thức Ethernet. ....................................... 53


Hình 3.23. Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp......................................................... 54
Hình 3.24. Sơ đồ nguyên lý mạch RAM. ............................................................. 54
Hình 3.25. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn của CPU. ............................................ 55
Hình 3.26: Hình ảnh mặt trước bảng mạch CPU. .............................................. 55
Hình 3.27. Hình ảnh mặt sau bảng mạch CPU................................................... 56
Hình 3.28. Hình ảnh thực tế bảng mạch CPU. ................................................... 56
Hình 4.1. Mơ hình kết nối giữa CPU và các khối khác ...................................... 58
Hình 4.2. Lưu đồ thuật tốn của bảng mạch CPU.............................................. 59
Hình 4.3. Lưu đồ thuật tốn xử lý dữ liệu TTL ................................................... 61
Hình 4.4. Lưu đồ thuật tốn tạo luồng xử lý dữ liệu RS485/RS422.................... 62
Hình 4.5: Lưu đồ thuật tốn xử lý truyền thơng Ethernet ................................... 64
Hình 4.6. Lưu đồ thuật tốn xử lý bàn phím ....................................................... 66
Hình 4.7. Lưu đồ thuật toán xử lý hiển thị LCD ................................................. 67
Hình 4.8. Mơ hình kết nối giữa khối MCU và các khối khác.............................. 69
Hình 4.9. Lưu đồ thuật tốn tổng thể của khối MCU ......................................... 70
Hình 4.10. Lưu đồ thuật tốn xử lý dữ liệu RS485.............................................. 71
Hình 4.11. Lưu đồ thuật tốn xử lý dữ liệu TTL ................................................. 73
Hình 4.12. Lưu đồ thuật toán tạo luồng xử lý dữ liệu điều khiển ....................... 75
Hình 4.13. Lưu đồ thuật tốn tổng quát của khối ATT ....................................... 76
Hình 4.14. Lưu đồ thuật tốn tạo luồng giám sát nhiệt độ ................................. 77
Hình 4.15. Lưu đồ thuật toán điều khiển mức suy hao ....................................... 79
Hình 4.16. Lưu đồ thuật tốn xử lý dữ liệu RS485.............................................. 80
Hình 4.17. Nguyên lý hoạt động của chức năng quản lý giám sát và điều khiển từ
xa của thiết bị UPC thơng qua giao diện Web .................................................... 81
Hình 4.18. Giao diện Web trang chủ “index.html” của thiết bị UPC ................ 82

Hình 4.19. Giao diện Web trang cài đặt “UPC_setting.html” của thiết bị UPC
............................................................................................................................. 83
Hình 4.20. Giao diện Web trang sự kiện “UPC_event.html” của thiết bị UPC 84
Hình 4.21. Giao diện Web trang báo lỗi truy cập “404.html” của thiết bị UPC.
............................................................................................................................. 85
Hình 4.22. Sơ đồ kết nối thiết bị .......................................................................... 85
Hình 4.23. Giao diện hiển thị, cài đặt tham số hoạt động của kênh tín hiệu tham chiếu
đầu vào ................................................................................................................. 86
Hình 4.24. Giao diện hiển thị, cài đặt tham số hoạt động của kênh suy hao ..... 87
Hình 5.1. Mặt trước thiết bị UPC........................................................................ 88
Hình 5.2. Mặt sau thiết bị UPC ........................................................................... 89
Hình 5.3. Sơ đồ đo kiểm thiết bị UPC ................................................................. 90
Hình 5.4. Sơ đồ đo điểm chặn bậc 3 tín hiệu vào thiết bị UPC .......................... 94


Hình 5.5. Sơ đồ đo điện áp nguồn cấp cho thiết bị UPC .................................... 97
Hình 5.6. Sơ đồ đo dịng điện tiêu thụ của thiết bị UPC .................................... 97


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Bảng phân chia tần số........................................................................... 6
Bảng 1.2. Phân loại mây ..................................................................................... 16
Bảng 1.3. Suy hao theo tần số ứng với các loại mây .......................................... 16
Bảng 2.1. Bảng cơng thức tính tốn mức suy hao kênh. ..................................... 31
Bảng 2.2. Thuật ngữ thường dùng liên quan đến thiết bị UPC. ......................... 32
Bảng 2.3. Chỉ tiêu kỹ thuật của thiết bị UPC-L và UPC2 đang sử dụng trong hệ
thống thông tin vệ tinh nước ta............................................................................ 34
Bảng 2.4. Chỉ tiêu kỹ thuật của thiết bị UPC nghiên cứu ................................... 36
Bảng 5.1. Danh mục phương tiện đo kiểm chỉ tiêu kỹ thuật thiết bị UPC. ......... 89
Bảng 5.2. Kết quả đo chỉ tiêu kỹ thuật của thiết bị UPC .................................... 98

LỜI NÓI ĐẦU
Thiết bị UPC (Uplink Power Control) – tự động điều khiển công suất đường
lên trạm điều khiển trung tâm (HUB) băng Ku có vai trị rất quan trọng đối với
hoạt động của trạm HUB nói riêng và mạng thơng tin vệ tinh nói chung.
Ở Việt Nam, cơng nghệ truyền thông ở dải siêu cao tần đã và đang được
nghiên cứu phát triển, ứng dụng nhiều trên thực tế. Tuy nhiên việc nghiên cứu,
sản xuất các thiết bị sử dụng mạch siêu cao tần có phẩm chất tốt vẫn cịn là một
vấn đề khó khăn, phần lớn vẫn phụ thuộc vào thị trường nước ngồi với chi phí
nhập khẩu rất cao.
Hiện nay thiết bị UPC đi kèm dự án Vinasat 1 (2008) và Vinasat 2 (2012)
sau hơn 10 năm hoạt động đã xuất hiện nhiều hiện tượng hư hỏng và không sửa
chữa được. Đồng thời hãng sản xuất cũng ngừng hỗ trợ thiết bị phiên bản cũ này.
Do vậy để duy trì hoạt động của UPC nói riêng và của hệ thống Vinasat nói chung
cần phải sản xuất được thiết bị thay thế các sản phẩm trên.
Mục đích của luận văn “Nghiên cứu, chế thử thiết bị tự động điều khiển công
suất phát trạm điều khiển trung tâm (HUB) băng Ku” là chế thử thành cơng thiết bị
UPC có thể thay thế cho các thiết bị đang hoạt động trên mạng lưới hiện nay.
- Nghiên cứu, chế tạo thành công thiết bị tự động điều khiển công suất
trạm điều khiển trung tâm (HUB) băng Ku có tính năng khơng thấp hơn thiết bị
nhập ngoại.
- Đưa thiết bị vào khai thác, sử dụng, nâng cao chất lượng, độ vững chắc
của hệ thống thông tin vệ tinh của nước nhà.
Ý nghĩa:
- Tăng cường khả năng bảo đảm thông tin liên lạc, ln thơng suốt, vững
chắc trong mọi tình huống.
- Tạo điều kiện nâng cao khả năng thiết kế và chế tạo của đội ngũ cán bộ
trong lĩnh vực hệ thống thông tin vệ tinh.

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1. Nghiên cứu tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh
1.1.1. Giới thiệu chung
Trong những năm trở lại đây, thơng tin vệ tinh đã có những phát triển vượt
bậc, việc sử dụng những kỹ thuật mới làm cho các dịch vụ của thông tin vệ tinh
trở thành một dịch vụ phổ thông trên khắp thế giới. Hàng ngày hai hệ thống thơng
tin vệ tinh tồn cầu lớn là Intelsat và Intersputnyk bay xung quanh trái đất cung
cấp hàng ngàn kênh thoại cố định nối hàng trăm quốc gia với nhau. Ngồi ra cũng
có các vệ tinh khu vực như Aussat, Eusat, Arbsat… cung cấp các dịch vụ thoại cố
định, phát thanh truyền hình, truyền số liệu, đảm bảo thông tin dẫn đường cho
hàng không, cứu hộ hàng hải, thăm dò tài nguyên bằng hệ thống vệ tinh tầm thấp,
các chương trình đào tạo giáo dục từ xa… Tóm lại, ngày nay thơng tin vệ tinh có
mặt hầu hết trong mọi lĩnh vực về viễn thơng. Thông tin vệ tinh là thông tin giữa
các trạm mặt đất nhờ trạm lặp là trạm vệ tinh và là một trong ba loại thông tin vô
tuyến vũ trụ để phân biệt với hai loại thông tin vô tuyến vũ trụ khác là thông tin
giữa một trạm mặt đất với một trạm vũ trụ hay thông tin giữa hai trạm vũ trụ với
nhau.
Intelsat là một tổ chức viễn thông quốc tế hoạt động phi lợi nhuận do hơn
một trăm nước thành viên góp vốn. Mạng thơng tin vệ tinh do Intelsat cung cấp
ngày nay đang là mạng vệ tinh lớn nhất thế giới, cung cấp hơn 2/3 tổng số kênh
liên lạc quốc tế tồn cầu.
Intersputnyk có mạng vệ tinh cho hơn chục nước tham gia vào mạng thông
tin liên lạc cố định và phủ sóng phát thanh truyền hình.
a) Đặc điểm
Thông tin vệ tinh là một trong những hệ thống truyền dẫn vô tuyến, sử dụng
vệ tinh để chuyển tiếp tín hiệu đến các trạm trên mặt đất. Vì trạm chuyển tiếp vệ
tinh có độ cao rất lớn nên thơng tin vệ tinh có những ưu điểm [1, 2] so với các hệ
thống viễn thơng khác đó là:

- Giá thành thông tin vệ tinh không phụ thuộc vào cự ly giữa hai trạm. Giá
thành như nhau khi truyền ở cự ly 5000km và 100 km.
- Có khả năng thơng tin quảng bá cũng như thông tin điểm nối điểm. Một
vệ tinh có thể phủ sóng cho một vùng rộng lớn trên mặt đất (vệ tinh địa tĩnh ở búp
sóng tồn cầu có vùng phủ sóng chiếm 1/3 bề mặt quả đất). Như vậy một trạm
mặt đất có thể thơng tin với nhiều trạm mặt đất khác trong vùng phủ sóng đó. Nếu
có 3 vệ tinh địa tĩnh phóng lên ở vị trí thích hợp thì sẽ phủ sóng tồn cầu do đó
các dịch vụ thơng tin tồn cầu sẽ được thực hiện.
1


- Có khả năng băng rộng.
- Ít chịu ảnh hưởng bởi địa hình của mặt đất.
- Dịch vụ thơng tin vệ tinh có băng tần rộng và có thể truyền tới bất kỳ nơi
nào trên thế giới đưa đến việc tìm ra các thị trường mới cũng như mở rộng các
thị trường dịch vụ hạ tầng và các đường thông tin đã được sử dụng trên mặt đất.
Nhờ vệ tinh đã đẩy nhanh sự phát triển của các mạng truyền hình, đào tạo từ xa,
ngân hàng, y tế...
- Các dịch vụ mới do những khả năng đặc biệt của thông tin vệ tinh nên đã
đưa vào các khái niệm mới cho lĩnh vực viễn thông. Các dịch vụ cá nhân của
khách hàng. Các trạm mặt đất nhỏ với anten kích thước bé có thể truy nhập đến
các cơ sở dữ liệu, các cơ quan bộ và các hệ thống quản lý thơng tin. Các trạm này
có các thiết bị đầu cuối kích thước rất nhỏ, gọi là VSAT (very small aperture
terminals). Các đầu cuối này thường được đặt tại nhà của khách hàng hay các khu
vực có các yêu cầu dịch vụ phổ thông với dung lượng nhỏ.
b) Cấu trúc đường thông tin vệ tinh
Muốn thiết lập một đường thông tin vệ tinh, trước hết phải phóng một vệ
tinh lên quỹ đạo và có khả năng thu phát sóng vơ tuyến điện. Vệ tinh có thể là vệ
tinh thụ động, chỉ phản xạ sóng vơ tuyến một cách thụ động mà không khuếch đại
và biến đổi tần số. Hầu hết các vệ tinh thơng tin là vệ tinh tích cực. Vệ tinh sẽ thu

tín hiệu từ một trạm mặt đất, biến đổi, khuếch đại và phát lại đến một hoặc nhiều
trạm mặt đất khác.
Không giống như trong các hệ thống thông tin khác là thông tin giữa các
phần tử trên mặt đất, mà tuyến thông tin trong thông tin vệ tinh là tuyến liên lạc
giữa một phần tử trên mặt đất và một phần tử trong không gian vũ trụ là vệ tinh
nên trong tuyến liên lạc thông tin vệ tinh bao gồm hai phần là phần không gian và
phần mặt đất.
- Phần không gian bao gồm vệ tinh, các thiết bị trên vệ tinh, thiết bị điều
khiển đo xa, các thiết bị cung cấp nguồn.
- Phần mặt đất cũng gọi là các trạm mặt đất bao gồm anten thu phát và các
thiết bị điều khiển bám vệ tinh, ống dẫn sóng các bộ chia cao tần và ghép cơng
suất, máy thu tạp âm thấp và các bộ giải điều chế, các bộ đổi tần lên xuống, các
bộ khuếch đại cơng suất lớn và các bộ điều chế.
Hình 1.1 chỉ ra một đường thông tin qua vệ tinh giữa hai trạm mặt đất.
Tín hiệu từ một trạm mặt đất đến vệ tinh, gọi là đường lên (uplink) và tín
hiệu từ vệ tinh trở về một trạm mặt đất khác, đường xuống (dowlink). Thiết bị
thông tin trên vệ tinh bao gồm một số bộ phát đáp sẽ khuếch đại tín hiệu ở các
băng tần nào đó lên một cơng suất đủ lớn và phát trở về mặt đất.
2


Vệ tinh

Máy phát

Máy thu

Trạm mặt đất phát

Trạm mặt đất thu

Hình 1.1. Sơ đồ đường thơng tin vệ tinh

Hình 1.2. Đường liên lạc thông tin vệ tinh
- Tại trạm phát: Các tín hiệu có băng tần cơ bản được điều chế thành trung
tần, sau đó được đổi lên cao tần nhờ bộ đổi tần tuyến lên UC (Up Converter) rồi
được khuếch đại lên mức công suất cao nhờ bộ khuếch đại công suất lớn HPA
(High Power Amplifier) và được phát lên vệ tinh qua anten phát.
- Tại trạm thu: Tín hiệu cao tần phát từ vệ tinh được thu bởi anten thu qua
bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier) và được đổi xuống trung
tần nhờ bộ đổi tần xuống DC (Down Converter), sau đó qua bộ giải điều chế để
kh phục lại băng tần cơ bản giống bên phát.
3


1.1.2. Quỹ đạo vệ tinh
Sau khi được phóng vào vũ trụ, vệ tinh trở thành trạm thơng tin ngồi trái
đất. Nó có nhiệm vụ thu tín hiệu dưới dạng sóng vô tuyến từ một trạm ở trái đất,
khuếch đại rồi phát trở về trái đất cho một trạm khác.
Có hai quy luật chi phối quỹ đạo của các vệ tinh bay xung quanh quả đất
là:
- Mặt phẳng quỹ đạo bay của vệ tinh phải cắt ngang tâm Trái đất.
- Quả đất phải là trung tâm của bất kỳ quỹ đạo nào của vệ tinh.
Hình 3 biểu diễn 3 dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh.
Quỹ đạo
cực tròn

Quỹ đạo elip
nghiêng

Quỹ đạo
xích đạo

Hình 1.3. Ba dạng quỹ đạo cơ bản trong thơng tin vệ tinh
Có hai dạng quỹ đạo là quỹ đạo êlíp và quỹ đạo trịn. Quỹ đạo êlíp chỉ có
một dạng quỹ đạo êlíp cao (HEO-Quỹ đạo có độ cao lớn so với trái đất), độ
nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo so với măt phẳng xích đạo là 65o, cận điểm là
1000 km và viễn điểm là 39400 km, chu kỳ quỹ đạo là 11gi58ph.
Dạng quỹ đạo trịn có thể có ba loại: quỹ đạo thấp (LEO-Quỹ đạo có độ cao
thấp so với trái đất), quỹ đạo trung bình (MEO-Quỹ đạo có độ cao trung bình so
với trái đất), quỹ đạo cao (HEO) hay quỹ đạo đồng bộ khi vệ tinh bay ở độ cao
35786 km, lúc đó chu kỳ bay của vệ tinh bằng chu kỳ tự quay của quả đất bằng
23gi56ph04s. Trong quỹ đạo trịn lại có thể chia ra:
- Quỹ đạo cực tròn, mặt phẳng quỹ đạo vng góc với mặt phẳng xích đạo,
nghĩa là mỗi vòng bay của vệ tinh sẽ đi qua hai cực quả đất. Ưu điểm của dạng
quỹ đạo này là mỗi điểm trên mặt đất đều nhìn thấy vệ tinh trong một khoảng thời
gian nhất định. Việc phủ sóng tồn cầu của dạng quỹ đạo này đạt được vì quỹ đạo
bay của vệ tinh sẽ lần lược quét tất cả các vị trí trên mặt đất. Dạng quỹ đạo này
4


được sử dụng cho các vệ tinh dự báo thời tiết, hàng hải, thăm dò tài nguyên và
các vệ tinh do thám. Nó ít được sử dụng cho thơng tin truyền hình vì thời gian
xuất hiện ngắn.
- Quỹ đạo trịn nghiêng khi mặt phẳng quỹ đạo nghiêng một góc nào đó so
với mặt phẳng xích đạo. Ưu điểm của loại quỹ đạo này là vệ tinh có thể đạt đến
các vùng cực cao mà các vệ tinh địa tĩnh không thể đạt tới. Tuy nhiên quỹ đạo
elip nghiêng có nhược điểm là hiệu ứng Doppler lớn và vấn đề điều khiển bám
đuổi vệ tinh phải ở mức cao.
- Quỹ đạo xích đạo trịn, khi mặt phẳng quỹ đạo trùng với mặt phẳng xích

đạo. Trong quỹ đạo xích đạo trịn nếu chiều bay vệ tinh cùng chiều với chiều quay
quả đất và có chu kỳ bằng chu kỳ quay của quả đất gọi là quỹ đạo địa tĩnh (GEO).

Hình 1.4. Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh
1.1.3. Băng tần sử dụng trong thông tin vệ tinh
Trong hệ thống thông tin vệ tinh, vệ tinh đóng vai trị là một trạm chuyển
tiếp, làm chức năng của một trạm lặp (repeater). Thu tín hiệu từ các trạm mặt đất,
khuếch đại, biến đổi sang một tần số khác và khuếch đại lên một công suất yêu
cầu rồi phát trở lại mặt đất. Là một trạm ở rất xa quả đất và bay xung quanh quả
đất, được điều khiển từ xa nên có cấu tạo phức tạp. Ngồi phân hệ thơng tin cịn
phải có những phân hệ phụ trợ khác để đo lường, điều khiển, giám sát từ xa. Trong
thông tin vệ tinh được chia làm nhiều loại băng tần khác nhau[3].

5


Bảng 1.1. Bảng phân chia tần số
Khoảng tần số

Ký hiệu

Sử dụng điển hình

1,5 - 1,6 GHz

L

Dịch vụ thơng tin di động

2,0 - 2,7 GHz

S

Dịch vụ phát thanh, truyền hình

3,7-7,25 GHz
C
Dịch vụ vệ tinh cố định
7,25-8,4 GHz
X
Các vệ tinh nội địa
10,7 -18 GHz
Ku
Dịch vụ vệ tinh cố định
18 - 31 GHz
Ka
Dịch vụ vệ tinh cố định, di động
44 GHz
Q
Các vệ tinh nội địa
Trong phân hệ thông tin được chia làm các bộ phát đáp (Transporder), mỗi
bộ phát đáp đảm nhiệm một khoảng tần số khác nhau.
Sóng điện từ có dải rộng được dùng trong thông tin vệ tinh tuỳ vào sự khác
nhau về mục đích sử dụng. Sóng có tần số cao dễ bị hấp thụ và tiêu hao trong tầng
khí quyển, trong sương mù và đặc biệt là mưa. Sóng tần thấp lại bị yếu đi nhiều
khi đi qua nhiều tầng điện ly do bị hấp thụ hay bị phản xạ. Uỷ ban tư vấn quốc tế
về vô tuyến CCIR khuyến nghị dải tần làm việc trong thông tin vệ tinh là 1 GHz10 GHz, đó là dải tần thực tế nhất trong thơng tin vệ tinh và nó được gọi là “cửa
sổ vô tuyến”.
Hiện nay thông tin vệ tinh sử dụng chủ yếu hai băng tần C và Ku với tần số
cho tuyến lên và tuyến xuống là 4/6 cho băng tần C và 11/14 cho băng

tần Ku, ngoài ra hiện nay băng tần 30/20 cũng mới được đưa vào sử dụng (tần số
tính bằng đơn vị GHz).
- Băng C (6/4 GHz, cho đường lên gần 6 GHz và đường xuống gần 4 GHz)
Nằm ở khoảng giữa cửa sổ tần số, băng tần này chỉ suy hao ít do mưa và trước
đây nó được sử dụng cho hệ thống Viba dưới mặt đất; do đó sự phát triển của thiết
bị đó ở mức tiên tiến, nó được sử dụng chung cho hệ thống Intelsat và các hệ
thống khác bao gồm các hệ thống vệ tinh khu vực và nhiều hệ thống vệ tinh nội
địa.
- Băng Ku (các băng 14/12 GHz và 14/11 GHz): Băng này được sử dụng
rộng rãi tiếp sau băng C cho viễn thơng cơng cộng. Nó được ưu tiên dùng hơn
trong thông tin nội địa và thông tin giữa các công ty, do tần số cao nên cho phép
trạm mặt đất sử dụng được những Anten kích thước nhỏ.
- Băng Ka (30/20 GHz): Băng Ka lần đầu tiên được sử dụng cho một đường
thông tin thương mại qua vệ tinh thông tin “SAKURA” của Nhật. Ưu điểm của
thông tin vệ tinh sử dụng băng tần này là cho phép sử dụng các trạm mặt đất nhỏ.
Mặt khác nó cũng có những nhược điểm là giá thành thiết bị tương đối cao để
khắc phục suy hao lớn do mưa. Ở Nhật khi sử dụng băng C và Ku vì hai băng tần
6


này dễ gây nhiễu cho hệ thống viba đặt ở các vùng khác nhau trên nước Nhật.
Băng Ka 30/20 GHz có một ưu điểm là khơng gây nhiễu với các hệ thống viba
trước đó đã được sử dụng.
Độ rộng băng tần của thông tin vệ tinh là 500 MHz và nó được chia ra thành
các băng tần nhỏ hơn 36 MHz hoặc 70 MHz.
Tuy vậy để nâng cao giá trị hiệu dụng của băng tần nhằm tăng dung lượng
thông tin người ta đó sử dụng kỹ thuật sử dụng lại băng tần cho phép nâng băng
tần hiệu dụng lên tới 2590 MHz. Các kỹ thuật sử dụng lại băng tần thường được
sử dụng gồm có:
- Tái sử dụng băng tần bằng cách chọn phân cực: Các băng tần giống nhau

được phát xạ do các anten thông qua các bộ phát đáp khác nhau sử dụng phân cực
trực giao của sóng điện từ. Trong thơng tin vệ tinh sóng điện từ phân cực theo hai
loại trịn và tuyến tính để truyền đi trong khơng gian, và để thu được những sóng
điện từ đó thì anten thu cũng phải có phân cực tương ứng. Anten có thu phân cực
tuyến tính thu được với mức lớn nhất sóng điện từ cùng phân cực nếu góc nghiêng
sóng điện từ và anten trong khơng gian là như nhau.
- Tái sử dụng băng tần 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 các chùm tia thu và các chùm tia phát không trùng lên nhau
1.1.4. Các phương pháp đa truy nhập đến một vệ tinh
a) Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA
FDMA (Frequency Division Multiplex Access) là loại đa truy nhập được
dùng phổ biến trong thông tin vệ tinh, trong hệ thống này mỗi trạm mặt đất phát
đi một sóng mang có tần số khác với tần số sóng mang của các trạm mặt đất khác.
Mỗi một sóng mang được phân cách với các sóng mang khác bằng các băng tần
bảo vệ thích hợp sao cho chúng khơng chồng lên nhau. FDMA có thể được sử
dụng cho tất cả các hệ thống điều chế: hệ thống điều chế tương tự hay điều chế số
như các song mang FM (Frequency Modulation) điều chế bằng các tín hiệu điện
thoại đã ghép kênh hoặc các tín hiệu truyền hình và các sóng mang PSK (Phase
Shift Keying) điều chế số [4,5]. Một trạm mặt đất thu các tín hiệu có chứa thơng
tin nhờ một bộ lọc thông dải.

7