Nghiên cứu thiết kế trạm mặt đất cho hệ thống thông tin vệ tinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN THANH TÙNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TRẠM MẶT ĐẤT
CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

Hà Nội – Năm 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN THANH TÙNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TRẠM MẶT ĐẤT
CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học
PGS.TS VŨ VĂN YÊM

Hà Nội – Năm 2015

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan:
- Những nội dung trong luận văn là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn
của PGS.TS Vũ Văn Yêm.
- Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng tên
tác giả, tên tài liệu trong mục tài liệu tham khảo.
- Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian lận tôi
xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Học Viên

Nguyễn Thanh Tùng


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

LỜI MỞ ĐẦU
Hệ thống thông tin vệ tinh mới chỉ xuất hiện trong hơn bốn thập kỷ qua
nhưng đã có những bước phát triển như vũ bão cùng với cuộc cách mạng công nghệ
viễn thông. Lĩnh vực vệ tinh ngày nay đã trở nên quen thuộc trên phạm vị toàn thế
giới cũng như có những bước tiến vững chắc tại Việt Nam. Các hệ thống thông tin
vệ tinh ngày nay giúp con người cảm nhận và đánh giá được thế giới xung quanh.
Trong tình hình chung của thế giới cũng như sự phát triển công nghệ vệ tinh
tại Việt Nam hiện nay, việc tìm hiểu phát triển công nghệ trong thông tin vệ tinh để
giảm bớt khối lượng, kích thước và tích hợp nhiều chức năng cho hệ thống vệ tinh
mà không phải thay đổi nền tảng phần cứng. Sự ra đời của công nghệ Software
Defined Radio (SDR), hay thiết bị vô tuyến có cấu trúc định nghĩa bằng phần mềm

đã đáp ứng được các nhu cầu đó.
Vì lý dó trên cùng với sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Vũ Văn Yêm tôi
chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết kế trạm mặt đất cho hệ thống thông tin vệ tinh” trong
đó chủ yếu nghiên cứu công nghệ SDR để thiết kế trạm mặt đất cho luận văn tốt
nghiệp của mình.
Mục tiêu của luận văn là tìm hiểu về công nghệ SDR và áp dụng để thiết kế
trạm mặt đất cho hệ thống thông tin vệ tinh. Nội dung chính của luận văn gồm 3
chương:
Chương I: Tổng quan về trạm mặt đất
Chương II: Công nghệ SDR
Chương III: Trạm mặt đất sử dụng công nghệ SDR

Trang 1


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................................ 5
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................................. 7
CÁC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................................................. 8
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TRẠM MẶT ĐẤT ........................................................ 10
1.1

Kiến trúc tổng quan của trạm mặt đất .................................................................. 10

1.2

Phân hệ anten ........................................................................................................ 11

1.2.1

Anten gương Parabol ..................................................................................... 11

1.2.2

Anten Cassegrain ........................................................................................... 12

1.2.3

Bức xạ của búp sóng chính và búp sóng phụ ................................................. 13

1.2.4

Nhiệt độ tạp âm của anten ............................................................................. 14

1.3

Phân hệ tần số vô tuyến ......................................................................................... 15

1.3.1

Phần thu............................................................................................................ 15

1.3.2

Phần phát.......................................................................................................... 16

1.4

Phân hệ xử lý tín hiệu trung tần ............................................................................ 17

1.5

Phân hệ giao diện mạng ......................................................................................... 18

1.5.1

Ghép kênh và tách kênh .................................................................................... 19

1.5.2

Ghép kênh phân chia theo tần số và đa truy nhập FDMA ............................... 19

1.6.

Phân hệ điều khiển và giám sát............................................................................. 20

1.7

Nhận xét chung ...................................................................................................... 21

1.8

Kết luận chương I .................................................................................................. 24

CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ SDR .................................................................................... 25

2.1

Tổng quan về SDR ................................................................................................. 25

2.2

Cấu trúc hệ thống SDR lý tưởng ............................................................................ 26

2.3.

Kiến trúc của máy thu điều khiển bằng phần mềm SDR ....................................... 27

2.3.1

Kiến trúc phần cứng của một máy thu điều khiển bởi phần mềm.................. 27

2.3.2

Kiến trúc phần mềm của một máy thu SDR ................................................... 28

2.3.3

Lấy mẫu tín hiệu thông dải ............................................................................ 29

Trang 2


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

2.4

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

Điều chế số ............................................................................................................ 35

2.4.1

Tổng quan ...................................................................................................... 35

2.4.2

Điều chế số hai trạng thái BPSK ................................................................... 36

2.4.3

Điều chế pha vuông góc (QPSK)..................................................................... 38

2.4.4

Điều chế QAM ................................................................................................. 43

2.5

Upsampling & downsampling ................................................................................. 45

2.5.1

Giảm tốc độ lấy mẫu bởi một interger factor ................................................... 46

2.5.2

Tăng tốc độ lấy mẫu bởi interger factor........................................................... 49

2.6

Sự cân bằng ADC và DAC ................................................................................... 51

2.6.1

Các bộ lọc chống sai số lấy mẫu ...................................................................... 52

2.6.2

Hạn chế nhiễu ................................................................................................... 53

2.6.3

Lượng tử hóa và dải động ................................................................................ 53

2.6.4

Giới hạn của công nghệ.................................................................................... 54

2.6.5

Cân bằng ADC và DAC .................................................................................... 55

2.7

Kết luận chương II ................................................................................................ 61

CHƯƠNG III: TRẠM MẶT ĐẤT SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ SDR .................................. 62
3.1

Cấu trúc hệ thống trạm mặt đất sử dụng công nghệ SDR .................................... 62

3.2

Cấu trúc bộ DDC và DUC .................................................................................... 67

3.2.1 Cấu trúc bộ DDC (digital down conventer) ...................................................... 67
3.2.2 Cấu trúc bộ DUC (digital up converter) ........................................................... 77
3.3 Bộ lọc số ..................................................................................................................... 79
3.3.1

Phân loại bộ lọc số ........................................................................................... 79

3.3.2

Nguyên tắc thiết kế bộ lọc số ............................................................................ 80

3.3.3

Thiết kế bộ lọc FIR bằng phương pháp cửa sổ ................................................ 81

3.4

Bộ chuyển đổi tương tự số ADC.............................................................................. 82

3.4.1

Lấy mẫu tín hiệu ............................................................................................... 83

3.4.2

Lượng tử hóa tín hiệu ....................................................................................... 83

3.4.3

Mã hóa tín hiệu và tính toán SNR cho bộ ADC ................................................ 84

3.5

Ước lượng và khử jitter trong trạm mặt đất.......................................................... 85

3.5.1

Ước lượng jitter từ các tín hiệu âm thanh tham chiếu .................................. 85

Trang 3


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Khử jitter ........................................................................................................... 87

3.5.2
3.6

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

Mô phỏng vấn đề thu phát trạm mặt đất sử dụng công nghệ SDR ....................... 91

3.6.1 Sơ đồ khối hệ thống mô phỏng ........................................................................... 91
3.6.2 Kết quả mô phỏng ............................................................................................... 92
3.7

Kết luận chương III ............................................................................................... 98

KẾT LUẬN........................................................................................................................ 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 101
PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 102

Trang 4


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

DANH MỤC HÌNH VẼ
Chương I
Hình 1. 1: Sơ đồ khối chức năng một trạm mặt đất điển hình ............................................. 10
Hình 1. 2: Mô tả kích thước hình học của anten parabol.................................................... 11
Hình 1. 3: Anten Cassegrain................................................................................................ 13
Hình 1. 4: Tăng ích của anten trạm mặt đất theo khuyến nghị của ITU ............................. 14
Hình 1. 5: Mô tả các tầng đầu vào máy thu ........................................................................ 16
Hình 1. 6: Mô tả sơ đồ khối chức năng phần phát .............................................................. 16
Hình 1. 7: mô tả đường đặc tuyến bộ khuếch đại công suất ra ........................................... 17
Chương II

Hình 2. 1: Cấu trúc của hệ thống SDR lý tưởng .................................................................. 26
Hình 2. 2: Sơ đồ bộ điều chế I/Q ......................................................................................... 31
Hình 2. 3: Tín hiệu tần số Nyquist ở F / 2 ........................................................................... 34
Hình 2. 4: Không gian tín hiệu của BPSK ........................................................................... 37
Hình 2. 5: Sơ đồ khối máy phát và thu BPSK ...................................................................... 38
Hình 2. 6: Vùng quyết định đúng sai ................................................................................... 40
Hình 2. 7: Mật độ phổ công suất của tín hiệu QPSK .......................................................... 41
Hình 2. 8: Máy phát QPSK .................................................................................................. 42
Hình 2. 9: Máy thu QPSK .................................................................................................... 42
Hình 2. 10: sơ đồ khối truyền QAM ..................................................................................... 44
Hình 2. 11: Constellation cho khung chữ nhật 16-QAM ..................................................... 45
Hình 2. 12: Sơ đồ khối tổng quát của quá trình downsample với factor 3 .......................... 48
Hình 2. 13: Phổ sau khi downsampling ............................................................................... 49
Hình 2. 14: Quá trình Upsample với L = 3 ......................................................................... 50
Hình 2. 15: Phổ trước và sau khi upsampling ..................................................................... 51
Hình 2. 16: Các bộ lọc chống sai số lấy mẫu khử các thành phần sai số lấy mẫu ............. 52
Hình 2. 17: Phân tích Walden trong kỹ thuật ADC ............................................................. 54
Hình 2. 18: Oversampling ADC làm đòn bẩy cho kỹ thuật số............................................. 55
Hình 2. 19: Biến đổi Inphase và Quadrature (I&Q) giảm xung lấy mẫu ............................ 58
Chương III
Hình 3. 1: Cấu trúc đơn giản của thiết bị vô tuyến SDR ..................................................... 62
Hình 3. 2: Một kiến trúc máy trạm mặt đất thu phát dùng công nghệ SDR ........................ 63
Hình 3. 3: Kiến trúc hệ thống của thiết bị đầu cuối trạm mặt đất dùng công nghệ SDR .... 64
Hình 3. 4: Cấu trúc 3 tầng của trạm mặt đất ...................................................................... 65
Hình 3. 5: Sơ đồ khối hệ thống ............................................................................................ 66
Hình 3. 6: Cấu trúc chung của hệ thống DDC .................................................................... 68
Hình 3. 7: Sơ đồ nguyên lí bộ DDC ..................................................................................... 68

Trang 5

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

Hình 3. 8: Sơ đồ khối bộ DDC ............................................................................................. 69
Hình 3. 9: Sơ đồ khối bộ trộn tần ........................................................................................ 69
Hình 3. 10: Sơ đồ khối bộ PLL ( phase lock loop) .............................................................. 71
Hình 3. 11: Đồ thị biểu diễn liên hệ giữa độ sai pha 2 tín hiệu đầu vào và giá trị điện áp
trung bình đầu ra ................................................................................................................. 73
Hình 3. 12: Sơ đồ khối bộ dò sai pha .................................................................................. 74
Hình 3. 13: Tín hiệu trước và sau bộ suy giảm .................................................................. 76
Hình 3. 14: Sơ đồ khối bộ DUC ........................................................................................... 77
Hình 3. 15: Tín hiệu trước và sau nội suy trên miền thời gian ............................................ 78
Hình 3. 16: Tín hiệu trước và sau nội suy trên miền tần số ................................................ 78
Hình 3. 17: Bộ suy giảm tỉ số M/L (M>L) ........................................................................... 79
Hình 3. 18: Bộ nội suy tỉ số M/L (M>L) .............................................................................. 79
Hình 3. 19: Sơ đồ nguyên lí ước lượng và khử jitter ........................................................... 88
Hình 3. 20: Sơ đồ khối đầy đủ hệ thống SISO ..................................................................... 91
Hình 3. 21: Tín hiệu vào ra các thành phần phía phát hệ thống SISO............................... 93
Hình 3. 22: Tín hiệu vào ra các thành phần phía thu hệ thống SISO.................................. 94
Hình 3. 23: Tín hiệu điều chế BPSK thu được sau khi qua kênh truyền ............................ 95
Hình 3. 24: Tín hiệu điều chế QPSK thu được sau khi qua kênh truyền ............................ 95
Hình 3. 25: Tín hiệu điều chế 4 - QAM thu được sau khi qua kênh truyền ........................ 96
Hình 3. 26: Đồ thị biểu diễn qua hệ BER và Eb/No của hệ thống sử dụng ước lượng kênh
truyền và hệ thống sử dụng kênh đã biết ............................................................................. 96
Hình 3. 27: Đồ thị biểu diễn qua hệ BER và Eb/No của hệ thống sử dụng các phương thức
điều chế khác nhau .............................................................................................................. 97
Hình 3. 28: Đồ thị mối quan hệ giữa BER với Eb/No hệ thống SISO ................................. 98

Trang 6


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

DANH MỤC BẢNG
Chương I
Bảng 1. 1: Dung lượng và băng tần của ghép kênh tương tự trong thông tin vệ tinh ......... 19
Bảng 1. 2: Các tham số chính của trạm mặt đất trong băng tần C ..................................... 22
Bảng 1. 3: Các tham số chính của trạm mặt đất trong băng tần Ku ................................... 23
Bảng 1. 4: Các tham số chính của trạm mặt đất trong băng tần Ka 30/20 Ghz ................. 24
Chương II
Bảng 2. 1: Độ phân giải cao đòi hỏi Stop Band Attenuation cao........................................ 53
Bảng 2. 2: Tốc độ lấy mẫu phụ thuộc vào ứng dụng ........................................................... 61
Chương III
Bảng 3. 1 : Ba dạng khác nhau của bộ phân tách ............................................................... 75

Trang 7


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

CÁC TỪ VIẾT TẮT
ADC

Analog-to-Digital Converter

AGC

Automatic Gain Control

AM

Amplitude Modulation

AMPS

Advanced Mobile Phone System

ASK

Amplitude-Shift Keying

AWGN

Additive White Gaussian Noise

BPS

Bandpass Sampling

BPSK

Binary phase-Shift Keying

BTS

Base Transceiver Station

BW

Bandwidth

CDMA

Code Division Multiple Access

CPU

Central Processing Unit

DAC

Digital-to-Analog Converter

DPSK

Differential Phase-Shift Keying

DNR

Dynamic Range Budget

DSB

Double-Side Band

DSP

Digital Signal Processing

FM

Frequency Modulation

FPGAs

Field-Programmable Gate Array

FSK

Frequency-Shift Keying

GMSK

Gaussian Minimum-Shift Keying

Trang 8


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

GSM

Global System for Mobile Communications

HDR

Hardware Defined Radio

IF

Intermediate Frequency

IrDA

Infrared Data Association

ISI

Intersymbol Interference

LPS

Lowpass Sampling

LNA

The Low-Noise Amplifier

MIPS

Million Instructions Per Second

NCO

Numberically Controlled Oscillator

OOK

On-Off Keying

OPQSK

Offset QPSK

PA

Power Amplifier

PSD

Power Spectral Density

PSK

Phase-Shift Keying

QAM

Quandrature Amplitude Modulation

QPSK

Quadrature Phase-Shift Keying

RF

Radio Frequency

SDR

Software Defined Radio

SNDR

Signal to Noise and Distortion Ratio

SNR

Signal-to-Noise Ratio

SSB

Single Sideband

TDMA

Time Division Multiple Access

Trang 9


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TRẠM MẶT ĐẤT
Kiến trúc tổng quan của trạm mặt đất

1.1

Cấu trúc tổng quát của một trạm mặt đất gồm năm phân hệ như hình 1.1 bao
gồm:
-

Phân hệ anten

-

Phân hệ thu

-

Phân hệ phát

-

Phân hệ ghép kênh và giao diện

-

Phân hệ bám vệ tình và điều khiển
Khuếch

đại
công
suất

Phân hệ anten

anten
thu/phát

Bộ song
công

Hỗn
hợp

Chuyển
đổi tần
số lên

Điều
chế

Xử lý
tín
hiệu
phát

Phân
chia

Chuyển
đổi tần
số
xuống

Giải
điều
chế

Xử lý
tín
hiệu
thu

Phân hệ phát

Phân hệ thu
Khuếch
đại tạp
âm thấp
Mô tơ điều khiển

Phân hệ ghép kênh và giao diện
Tín hiệu
lỗi

Tín hiệu
lệnh

Bám

Chương trình
bám

Thiết bị
đầu
cuối
người
sử
dụng

Tách kênh

Giao diện kết nối
mạng mặt đất

Ghép kênh

Dữ liệu

Phân hệ bám và điều
khiển vệ tinh

Hình 1. 1: Sơ đồ khối chức năng một trạm mặt đất điển hình
Dưới góc độ phân tích tín hiệu, trạm mặt đất bao gồm năm phân hệ:
Trang 10


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

-

Phân hệ anten

-

Phân hệ tần số vô tuyến

-

Phân hệ xử lý tín hiệu trung tần

-

Phân hệ ghép kênh và giao diện mạng

-

Phân hệ giám sát, bám và điều khiển vệ tinh

1.2 Phân hệ anten
Yêu cầu đầu tiên của anten mặt đất là có độ tăng ích lớn và búp sóng nhọn
hướng về phía vệ tinh. Nhiều trường hợp anten thu và phát của trạm mặt đất được
sử dụng chung và tín hiệu của hai đường thu/phát được tách biệt nhau qua một bộ
chia (bộ phân luồng). Có 2 loại anten được sử dụng phổ biến nhất ở trạm mặt đất là
anten parabol và anten Cassegrain
1.2.1 Anten gương Parabol
Cấu trúc của anten gương Parabol gồm hai bộ phận chủ yếu là là gương phản
xạ (chảo phản xạ hình parabol) và một phần tử tích cực gọi là bộ chiếu xạ. Gương

phản xạ là một thiết bị thụ động có nhiệm vụ phản xạ năng lượng sóng tập trong vào
búp sóng theo hướng ngược lại.

Hình 1. 2: Mô tả kích thước hình học của anten parabol
Như ở hình 1.2 thì: FA + AA’ = FB + BB’ = FC + CC’ = k
Trong đó FX là tiêu cự của parabol
Trang 11


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

k là hằng số
Hệ số tăng ích của anten parabol Gp có thể tính theo biểu thức gần đúng:
Gp =
Trong đó

)2

(1.1)

là hiệu suất của anten

D là đường kính miệng parabol
là bước sóng công tác (m)
Thông thường hiệu suất

của anten chỉ đạt khoảng 55% một số năng lượng

sóng được hấp thụ từ gương và một số năng lượng bị nhiễu xạ xung quanh mép
gương, thêm vào đó bộ chiếu xạ còn tạo nên một vùng tối đối diện với gương.
Bộ chiếu xạ
Bộ chiếu xạ ở anten parabol còn gọi là anten sơ cấp dùng để bức xạ năng
lượng sóng điện từ lên gương phản xạ. Có ba dạng sơ cấp của bộ chiếu xạ đối với
gương phản xạ parabol thường gặp là: chiếu xạ ở tâm, chiếu xạ dạng anten loa và
chiếu xạ kiểu Cassegrain.
1.2.2 Anten Cassegrain
Cấu tạo của anten Cassegrain gồm có: gương phản xạ paraboloid (gương
chính), gương phản xạ hyperboloid và bộ chiếu xạ dùng anten loa nối với ống dẫn
sóng cấp điện. Tiêu ddiemr của gương phụ hyperbol được bố trí trùng với tiêu điểm
của gương chính parabol (F1), tiêu cự của nhánh hyperbol thứ hai (nhánh ảo) nằm ở
đỉnh parabol trên trục chính của gương (F2). Bộ chiếu xạ được bố trí sao cho tâm loa
nằm ở giữa đỉnh parabol (F2).
Ta có:
F2A + AB + BC = F1A + AB +BC + 2a = F1A’ A’B’ + B’C’ = 2f + Z0 + 2a = const
Trong đó:
- f là tiêu cự chung
- Z0 là khoảng cách từ tiêu cự đến mặt phẳng sóng quan sát

Trang 12


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

- 2a là khoảng cách giữa hai gương

Hình 1. 3: Anten Cassegrain

1.2.3 Bức xạ của búp sóng chính và búp sóng phụ
Thông số quan trọng nhất của một anten trạm mặt đất là đặc tính bức xạ của
búp sóng chính đặc trưng bởi độ tăng ích G, độ rộng búp sóng Ө-3dB và độ phân ly
phân cực. Độ tăng ích của anten có quan hệ trực tiếp với công suất bức xạ đẳng
hướng tương đương (EIRP) và tỷ số G/T của trạm mặt đất. Độ rộng của búp sóng
cũng đồng thời liên quan đến hệ thống bám vệ tinh. Giá trị độ cách ly phân cực xác
định dung lượng của một anten trong trường hợp hệ thống sử dụng phân cực trực
giao.
Khuyến cáo các nhà sản xuất anten sao cho giá trị tăng ích búp sóng phụ của
anten trạm mặt đất không vượt quá:
Gbúp phụ(Ө) = 29 – 25lg(Ө)
Khuyến nghị nên lên một số chi tiết trong hình 1.4

Trang 13

(1.2)


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

Hình 1. 4: Tăng ích của anten trạm mặt đất theo khuyến nghị của ITU
1.2.4 Nhiệt độ tạp âm của anten
Tạp âm (noise) là một dạng tín hiệu không chứa nội dung thông tin được trộn
lẫn vào tín hiệu hữu ích. Nó làm giảm độ chính xác của việc phục hồi nội dung
thông tin tại máy thu. Nguồn gây ra tạp âm có thể là :
Tạp âm được phát ra từ những nguồn bức xạ tự nhiên trong vùng thu sóng
của anten.
Tạp âm được tạo ra bởi các thành phần điện tử trong bản thân thiết bị.

Các tín hiệu từ máy phát khác mà không phải là thông tin cần truyền cũng được gọi
là tạp âm, tạp âm này gọi là nhiễu.
Anten thu đặc trưng bởi tham số G/Te, G là độ tăng ích của anten, nhiệt độ
tạp âm hiệu dụng Te bao gồm nhiệt độ tạp âm tương đương của anten và đường dây
phi dơ cộng thêm toàn bộ nhiệt độ tạp âm của máy thu .
Công suất tạp âm toàn bộ:
N = kTeB (W)
K = 1,38.10-23 J/K (hằng số Bolzmann);

Trang 14

(1.3)


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

B (Hz) là băng thông.
Một hiện tượng làm tăng đáng kể nhiệt độ tạp âm của anten trong thực tế là
trường hợp giao hội giữa mặt trời, vệ tinh và anten trạm mặt đất. Việc tăng nhiệt độ
tạp âm của anten làm giảm chất lượng thu tín hiệu của trạm mặt đất và có thể làm
gián đoạn liên lạc.
1.3. Phân hệ tần số vô tuyến
Phân hệ tần số vô tuyến của trạm mặt đất trong trường hợp tổng quát bao
gồm hai phần: phần thu và phần phát
Phần thu bao gồm: bộ khếch đại tạp âm thấp, bộ chuyển đổi tần số xuống và
thiết bị để định tuyến các sóng mang thu được đến các kênh giải điều chế tương
ứng.
Phần phát bao gồm: thiết bị ghép các sóng mang được phát, các bộ chuyển

đổi tần số và các bộ khuếch đại công suất.
1.3.1 Phần thu
Nhiệt độ tạp âm của thiết bị thu (T) :
T = (TA/LFRX) + TF(1 – 1/LFRX) + TR

(1.4)

T là nhiệt độ tạp âm của hệ thống
TA là nhiệt độ tạp âm của anten
LFRX là tổn hao kết nối giữa giao diện anten và đầu vào thiết bị thu
TR là nhiệt độ tạp âm tương đương của máy thu
Sơ đồ khối chức năng của các tầng đầu vào (phần cao tần) của một máy thu
trạm mặt đất:

Trang 15


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

Hình 1. 5: Mô tả các tầng đầu vào máy thu
a) Chuyển đổi tần số theo khối
b) Chuyển đổi tần số theo từng sóng mang
1.3.2 Phần phát
Hình 1.6 mô tả sơ đồ khối chức năng của phần phát điển hình của một trạm
mặt đất. Tín hiệu băng cơ sở dạng FDM hoặc PCM/TDM qua bộ điều chế trung tần
IF, chuyển đổi trung tần IF thành cao tần RF, khuếch đại công suất (HPA) và cung
cấp cho anten phát (tuyến lên).

Hình 1. 6: Mô tả sơ đồ khối chức năng phần phát
Sự liên hệ giữa công suất phát Pr và công suất đầu ra PHPA của bộ khuếch đại
công suất cao HPA (Hight Power Amplifier).
Trang 16


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

Pr = (PHPA)(1/LFTX)(1/LMC)

(1.5)

Trong đó:
LFTX là tổn hao kết nối giữa đầu ra máy phát và anten
LMC là tổn hao đa sóng mang (multi-carrier) phụ thuộc vào số sóng mang
được ghép
Bộ khuếch đại công suất phát có 2 loại là bộ khuếch đại công suất phát dùng
đèn điện tử và bộ khuếch đại công suất phát dùng chất bán dẫn, trong đó bộ khuếch
đại công suất phát dùng đèn điện tử có 2 loại là:
-

Bộ khếch đại công suất dùng đèn klystron

-

Bộ khuếch đại công suất dùng đèn sóng chạy TWT

Hình 1. 7: mô tả đường đặc tuyến bộ khuếch đại công suất ra

1.4.

Phân hệ xử lý tín hiệu trung tần
Phân hệ xử lý tín hiệu trung tần bao gồm các thiết bị để xử lý và chuyển đổi

tín hiệu băng cơ sở thành các tín hiệu sóng mang vô tuyến để khuếch đại nếu là
nhiệm vụ phát và ngược lại nếu là thu thì chuyển đổi các sóng mang từ đầu ra bộ
khuếch đại tạp âm thấp (LNA) thành các tín hiệu băng cơ sở.
Chức năng của xử lý tín hiệu trung tần về phía thu có thể tóm tắt là:
-

Chuyển đổi tín hiệu tần số sóng mang (RF) thành tín hiệu tần số trung bình
(còn gọi là trung tần IF);

Trang 17


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

-

Lọc và cân bằng;

-

Giải điều chế.

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

Chức năng xử lý tín hiệu trung gian về phía phát có thể tóm tắt là:

-

Điều chế tín hiệu băng cơ sở với sóng mang tần số trung gian;

-

Lọc và cân bằng;

-

Chuyển đổi sóng mang đã điều chế thành sóng mang cao tần.

Việc sử dụng trung tần IF chung của nhiều sóng mangcao tần khác nhau cho
phép sử dụng thiết bị được chuẩn hóa (theo trung tần lựa chọn). Việc lựa chọn trung
tần thường dựa theo các điều kiện sau:
-

Giá trị của trung tần IF phải lớn hơn độ rộng phổ chiếm dụng của sóng
mang được điều chế;

-

Giá trị trung tần cần đủ thấp để thuận tiện cho bộ lọc thông dải của sóng
mang được điều chế.

-

Các thiết bị có thể sử dụng một trung tần (biến tần đơn) hoặc hai trung tần
(biến tần hai lần).
Việc điều chế tín hiệu (ở phía phát) và giải điều chế (ở phía thu) được thực

hiện ở khối trung tần. Kỹ thuật điều chế tín hiệu, lựa chọn giải pháp điều chế nào
phụ thuộc vào:
-

Phương thức đa truy nhập (có thể là FDMA, TDMA, CDMA, DAMA,
FAMA hoặc hỗn hợp).

-

Dạng của tín hiệu băng cơ sở được điều chế với sóng mang (điều chế
tương tự hoặc điều chế số);

-

Kênh truyền (đơn kênh hay có ghép kênh).

1.5. Phân hệ giao diện mạng
Phân hệ giao diện mạng là giao diện giữa các tín hiệu băng cơ sở của các
thiết bị của hệ thống thông tin vệ tinh với tín hiệu băng cơ sở theo khuôn dạng của

Trang 18


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

mạng mặt đất. Các chức năng chủ yếu là ghép kênh (và tách kênh) đối với các kênh
thoại , nén (hoặc triệt) hồi âm và một số chức năng cụ thể khác về giao diện.

1.5.1 Ghép kênh và tách kênh
Đối với các kênh thoại trong mạng mặt đất PSTN, mặc dù đã có ghép kênh
theo các chuẩn nhưng khi cần truyền qua kênh thông tin vệ tinh thì tại các trạm mặt
đất các kênh thoại đó cần được sắp xếp lại. Sự sắp xếp đó tùy thuộc vào phương
thức truy nhập của trạm mặt đất đến bộ phát vệ tinh và dung lượng kênh mà trạm
mặt đất được phân phối.
Các kênh thoại có cùng địa chỉ đích sẽ được tập hợp vào một số nhóm để
điều chế với cùng sóng mang và được xem như là một sự ghép kênh đơn sóng
mang. Chúng được tách kênh tại trạm mặt đất thu và kết nối với mạng mặt đất. Các
kênh hoặc nhóm kênh có thể được điều chế với các sóng mang khác nhau.
1.5.2 Ghép kênh phân chia theo tần số và đa truy nhập FDMA
Với phương thức truyền kênh tương tự (analog), ghép kênh phân chia theo
tần số thì việc sắp xếp các kênh thoại đã được ghép kênh ở mạng mặt đất theo
khuyến nghị G.322 và G.432 của CCITT như sau: nhóm đầu tiên là 12 kênh thoại,
mỗi kênh chiếm 4Khz và nằm trong dải tần 60-108 kHZ. Năm nhóm hợp thành một
siêu nhóm có băng tần 312-522 kHz. Việc ghép các nhóm tùy thuộc vào dung lượng
kênh cụ thể và băng tần chiếm dụng của các mức ghép kênh như mô tả ở bảng 1.1.
Bảng 1. 1: Dung lượng và băng tần của ghép kênh tương tự trong thông tin vệ tinh
Dung lượng hệ thống (số kênh thoại)

Giới hạn băng tần chiếm dụng (khz)

12

12 – 60

24

12 – 108

36

12 – 156

48

12 – 204

60

12 – 252

72

12 – 300

Trang 19


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

96

12 – 408

132

12 – 552

192

12 – 804

252

12 – 1052

312

12 – 1300

372

12 – 1548

432

12 – 1796

492

12 – 2044

552

12 – 2292

612

12 – 2540

792

12 – 3284

972

12 -4028

1092

12- 4892

1200

12 – 5340

1332

12 – 5884

1672

12 – 8120

Quá trình ghép kênh ở đây, đa sóng mang được sử dụng, do đó hệ thống cần
thiết lập một khuôn dạng đa truy nhập để cho phép phân biệt được đường truyền
dẫn tuyến lên, tuyến xuống và các trạm mặt đất khác nhau. Mỗi một khuôn dạng có

những đặc điểm, ưu khuyết điểm khác nhau, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể.
1.6.

Phân hệ điều khiển và giám sát
Tùy thuộc vào chức năng và nhiệm vụ mà trạm mặt đất có thể có hoặc không

có thiết bị điều khiển và giám sát. Mục đích cho việc điều khiển và giám sát là:
- Cung cấp cho người điều hành các thông tin cần thiết, chất lượng dịch vụ,
vị trí chuyển mạch … và quản lý lưu lượng.
- Báo động những trường hợp sai lệch về điều hành và nhận dạng các thiết bị
có sự cố.
Trang 20


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

- Cho phép điều khiển các thiết bị của trạm.
1.7.

Nhận xét chung
Từ khi các hệ thống thông tin vệ tinh ra đời cho đến nay, các trạm mặt đất

không ngừng được phát triển và cải tiến. Tuy vậy về cơ bản cấu trúc chủ yếu của
trạm mặt đất không thay đổi.
Sự phát triển cải tiến trước hết là giảm kích thước của trạm mặt đất. Những
trạm mặt đất đầu tiên sử dụng anten đường kính lớn hơn 30m nhưng ngày nay
đường kính anten của trạm mặt đất trong một số trường hợp có thể bé hơn 1m. Sở dĩ
đạt được điều đó là do sự gia tăng công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

(EIRP) của các vệ tinh truyền thông kết hợp với việc sử dụng các kỹ thuật truyền
dẫn có hiệu năng cao. Mặt khác, việc ứng dụng kỹ thuật số cũng làm gia tăng đáng
kể hiệu năng và làm giảm kích thước các thiết bị mặt đất. Các công việc điều hành
và bảo dưỡng hệ thống cũng có nhiều thuận lợi hơn bởi việc thực hiện các chương
trình trên máy tính. Ví dụ việc chuyển đổi tần số trong các bộ tổng hợp tần số theo
chương trình cho phép chọn lựa tần số mang một cách nhanh chóng, chính xác và
có thể kiểm tra bằng các số liệu hiển thị trên màn hình.
Sự cải tiến nâng cao hiệu năng của trạm mặt đất cũng đồng thời dẫn đến việc
khai thác tốt hơn các đặc tính cụ thể của vệ tinh, ví dụ như các dung lượng quảng bá
và khả năng nhiều người sử dụng có thể truy nhập hệ thống, nhiều dạng dịch vụ
khác được mở rộng.
Hiện cũng có nhiều trạm mặt đất loại nhỏ, ví dụ các trạm VSAT cùng các
mạng riêng có thể trực tiếp đến người sử dụng. Không những các hệ thống thông tin
vệ tinh cố địch mà các hệ thống thông tin vệ tinh di động cũng đang được phát triển
nhanh chóng.
Các chỉ tiêu kỹ thuật của trạm mặt đất trong các băng tần
Trước đây các hệ thống vệ tinh chủ yếu sử dụng băng tần C và Ku. Ngày nay
băng tần Ka đã được đẩy mạnh nghiên cứu và phát triển, do đó trong một số năm
gần đây các nước trong khu vực đã triển khai hoặc có kế hoặc triển khai các vệ tinh
hoạt động ở băng tần này.

Trang 21


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

Băng tần C
Băng tần C (6/4 GHz) được sử dụng phổ biến trong các mạng FSS vì điều

kiện truyền sóng thuận lợi (ít bị ảnh hưởng do mưa) và thiết bị dễ chế tạo.
Khi mới phát triển các trạm mặt đất băng C có kích thước anten lớn. Các
trạm mặt đất hoạt động trong mạng lưới vệ tinh INTELSAT có kích thước từ 18 đến
32 mét, xu hướng phát triển ngày nay anten trạm mặt đất ngày càng nhỏ đi cùng với
việc công suất vệ tinh tăng lên như trong phủ sóng truyền hình hoặc VSAT.
Bảng 1. 2: Các tham số chính của trạm mặt đất trong băng tần C
Tham số

Vùng phủ
Toàn cầu

Khu vực

Nội địa

4,5 - 32

3 - 13

1,2 – 30

Phát

47 - 64

42 - 56

36 - 63

Thu

43 - 61

39 - 53

33 – 60

Công suất phát (kW)

0,01 – 3

0,03 – 3

0,001 – 1,2

EIRP (dBW)

57 – 99

57 – 81

36 – 94

Nhiệt độ tạp âm (0K)

50 – 150

50 – 150

50 – 150

G/T (dB/K)

23 – 41

22 – 38

11 – 41

Kích thước anten (mét)
Hệ số khuếch đại của anten (dBi)

Băng tần Ku 14/11 GHz hoặc 14/12 GHz
Ngày nay, việc sử dụng băng tần Ku đã phổ biến, đặc biệt phù hợp cho các
ứng dụng yêu cầu kích thước anten trạm mặt đất càng nhỏ càng tốt.
EIRP của vệ tinh ở băng tần Ku cao cho phép sử dụng anten trạm mặt đất
nhỏ, tới 1 mét hoặc nhỏ hơn nữa. Điều đó cho phép anten trạm đất có thể đặt ở nhà
khách hàng, giảm giá thành chi phí và tạo điều kiện phát triển các ứng dụng. Băng
tần Ku vì thế đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng như phát thanh truyền hình quảng
bá tới tận nhà (Direct-To-Home) và dịch vụ VSAT cho các mạng thông tin thương
mại.

Trang 22