Tìm hiểu và thiết kế hệ thống thu đài truyền hình qua vệ tinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI
---------o0o---------

LUẬN VĂN THẠC SỸ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI

TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
THU ĐÀI TRUYỀN HÌNH QUA VỆ TINH

TRỊNH MINH TRUNG

HÀ NỘI – 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI
---------o0o---------

LUẬN VĂN THẠC SỸ
ĐỀ TÀI

TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
THU ĐÀI TRUYỀN HÌNH QUA VỆ TINH

TRỊNH MINH TRUNG
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ: 60520203

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHẠM VĂN BÌNH

HÀ NỘI - 2016


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Nội dung của
luận văn này có được từ kiến thức bản thân, sự giúp đỡ của thầy hướng dẫn và tổng
hợp từ các tài liệu tham khảo liệt kê ở cuối luận văn. Luận văn này không hoàn toàn
giống với các công trình nghiên cứu cũng như các luận văn trước đây.

Tác giả luận văn

Trịnh Minh Trung

i


LỜI CẢM ƠN

Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với sự giúp đỡ,
hỗ trợ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Trong suốt thời
gian từ khi bắt đầu học tập tại Viện Đại học Mở Hà Nội đến nay, em đã nhận được
rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè.
Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi đến quý Thầy Cô ở Khoa Đào tạo Sau
Đại học đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý
báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường.
Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Phạm Văn Bình đã tận tình
hướng dẫn em qua từng buổi học trên lớp cũng như các buổi thảo luận về lĩnh vực

sáng tạo trong nghiên cứu khoa học. Nếu không có những hướng dẫn, lời khuyên
quý báu của thầy thì chắc rằng em sẽ còn mất rất nhiều thời gian để hoàn thiện luận
văn “Tìm hiểu và thiết kế hệ thống thu đài truyền hình qua vệ tinh”. Em cũng xin
gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, những người đã luôn bên em, động viên và
khuyến khích em trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu của mình.
Luận văn này được thực hiện trong khoảng thời gian không dài, bước đầu đi
vào nghiên cứu, tìm hiểu về lĩnh vực nghiên cứu khoa học, kiến thức của em còn
hạn chế và bỡ ngỡ, do vậy luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong
nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy Cô và các bạn học cùng
lớp để kiến thức của em trong lĩnh vực này được hoàn thiện hơn.
Sau cùng, em xin kính chúc quý Thầy Cô thật dồi dào sức khỏe, niềm tin để tiếp
tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau.
Trân trọng!
Tác giả luận văn

Trịnh Minh Trung
ii


MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ii
MỤC LỤC............................................................................................................ iii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................ vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... x
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................ xi
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1 ........................................................................................................... 2
TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH ......................................................... 2

1.1 Giới thiệu chung ............................................................................................ 2
1.2. Đặc điểm của thông tin vệ tinh .................................................................... 2
1.2.1 Nguyên lý thông tin vệ tinh ....................................................................... 2
1.2.2 Sự ổn định trạng thái vệ tinh ..................................................................... 8
1.2.3 Cấu hình của các vệ tinh thông tin ............................................................ 8
1.2.4 Sự phát triển thiết kế và phóng vệ tinh thông tin ....................................... 9
1.2.5 Quỹ đạo của vệ tinh địa tĩnh.................................................................... 10
1.2.6 Nhược điểm của thông tin vệ tinh ........................................................... 10
1.3. Tần số làm việc ........................................................................................... 11
1.3.1 Khái niệm cửa sổ vô tuyến ...................................................................... 11
1.3.2 Phân định tần số ...................................................................................... 12
1.3.4 Các tần số sử dụng cho thông tin vệ tinh cố định..................................... 14
1.3.6 Độ rộng băng tần thông tin vệ tinh .......................................................... 17
1.4. Cấu hình hệ thống của thông tin vệ tinh ................................................... 18
1.4.1 Phần không gian ..................................................................................... 18
1.4.2 Phần mặt đất ........................................................................................... 18
1.5. Kỹ thuật thông tin vệ tinh số ..................................................................... 20
1.5.1 Giới thiệu chung ..................................................................................... 20

iii


1.5.2 Tạo và xử lý tín hiệu IDR ....................................................................... 21
1.6. Các thông số kỹ thuật hệ thống vệ tinh [3]................................................ 22
1.6.1 Công suất tương đương đẳng hướng ....................................................... 22
1.6.2 Các loại tổn hao ...................................................................................... 23
1.6.3 Độ lợi Anten ........................................................................................... 24
1.6.4 Tạp nhiễu ................................................................................................ 24
1.7 Kết luận chương 1 ....................................................................................... 26
CHUƠNG 2 .......................................................................................................... 27

TIÊU CHUẨN TRUYỀN SỐ VỆ TINH THẾ HỆ THỨ 2................................. 27
( DVB-S2 ) ............................................................................................................ 27
2.1 Giới thiệu ..................................................................................................... 27
2.2 Cấu trúc hệ thống DVB-S2 ......................................................................... 27
2.3. Đặc điểm cấu trúc các khối chức năng trong hệ thống DVB-S2 [2, 5] ..... 29
2.3.1 Mode thích nghi ...................................................................................... 29
2.3.2 Luồng thích nghi ..................................................................................... 36
2.3.3 Mã hóa FEC ............................................................................................ 37
2.3.4 Ánh xạ bít vào các giản đồ chòm sao [4] ................................................. 44
2.3.5 Khung lớp vật lý (PL) ............................................................................. 48
2.3.6 Hình dạng băng cơ sở và điều chế vị trí góc vuông ................................. 55
2.4. Điều chế mã hóa thích nghi trong DVB-S2 ............................................... 55
2.4.1 Giới thiệu ................................................................................................ 55
2.4.2 Nguyên lý mã hóa và điều chế thích nghi ............................................... 57
2.4.3 Sơ đồ khối của hệ thống mã hóa và điều chế thích nghi .......................... 57
2.4.4 Chức năng các khối ................................................................................. 57
2.4.5 Ứng dụng ACM trong truyền dẫn tín hiệu qua vệ tinh ............................. 58
2.5 Kết luận chương 2 ....................................................................................... 59
CHƯƠNG 3 ......................................................................................................... 60
THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU TRUYỀN HÌNH CÁP DỰA TRÊN TRUYỀN
HÌNH SỐ VỆ TINH CHO MỘT TÒA CHUNG CƯ ĐÔ LƯƠNG – NGHỆ AN
.............................................................................................................................. 60
iv


3.1. Yêu cầu chung của hệ thống ...................................................................... 60
3.1.1 Khảo sát đặc điểm tại nơi cần thu............................................................ 60
3.1.2 Yêu cầu cụ thể ........................................................................................ 61
3.2. Mô hình thiết kế ......................................................................................... 62
3.2.1 Phần thu .................................................................................................. 63

3.2.2 Khối phân phối cho các thuê bao ............................................................ 63
3.3. Phương án thiết kế ..................................................................................... 63
3.3.1 Phương án thu kiểu 1 .............................................................................. 63
3.3.2 Phương án thu kiểu 2 .............................................................................. 65
3.4. Phương pháp phân phối cáp ...................................................................... 65
3.4.1 Phân phối theo hình xương cá ................................................................. 65
3.4.2 Phân phối theo hình cây .......................................................................... 66
3.4.3 Cấu trúc của tòa chung cư ....................................................................... 66
3.5. Số liệu cụ thể............................................................................................... 68
3.5.1 Chọn và lắp đặt Anten............................................................................. 68
3.5.2 Chọn bộ LNA và LNB ............................................................................ 69
3.5.3 Chọn máy thu TVRO .............................................................................. 70
3.5.4 Chọn bộ Booster ..................................................................................... 70
3.5.5 Chọn loại cáp .......................................................................................... 70
3.5.6 Chọn các bộ phận và chia đường............................................................. 70
3.5.7 Tính toán suy hao.................................................................................... 71
3.6. Tính toán thiết kế ....................................................................................... 73
3.6.1 Tính mức suy hao ................................................................................... 73
3.6.2 Chọn máy khuếch đại công suất .............................................................. 76
3.7. Chọn vị trí lắp đặt ...................................................................................... 76
3.7.1 Điều tra và nghiên cứu vị trí thiết lập nơi thu tín hiệu ............................. 76
3.7.2 Kế hoạch lắp đặt ..................................................................................... 77
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 82

v


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
16APSK

16-ary Amplitude and Phase Shift

mức

Keying
32APSK

Khóa dịch pha và biên độ 16

32-ary Amplitude and Phase Shift

Khóa dịch pha và biên độ 32
mức

Keying

Khóa dịch pha 8 mức

8PSK

8-ary Phase Shift Keying

ACM

Adaptive Coding and Modulation

AM

Amplitude Modulation

ASI
BB

Asynchronous Serial
Interface
Base Band

BCH

Bose-Chaudhuri-Hocquenghem

Điều chế và mã hóa thích nghi
Điều biên
Giao tiếp nối tiếp không đồng bộ
Băng tần cơ sở
Mã khối nhị phân sửa lỗi

multiple error correction binary
block code
Tốc độ bit không đổi

CBR

Constant-Bit-Rate

CCM
CDMA

Constant Coding and

Modulation
Code Division Multiple Access

CR

Composite Rate

CRC

Cyclic Redundancy Check

D/C

Down Converter

DBS

Direct Broadcasting Satellite

DEM

Demodulator

Điều chế và mã hóa cố định
Đa truy cập phân chia theo mã
Tỷ lệ hỗn hợp
Mã kiểm tra chẵn lẻ vòng
Biến đổi tuyến lên
Vệ tinh phát trực tiếp
Giải điều chế

vi


DFL
DSNG
DVB-S

Chiều dài vùng dữ liệu

Data Field Length
Digital Satellite News
Gathering
Digital Video Broadcasting Satellite

Thu thập tin tức vệ tinh số
Truyền hình kỹ thuật số phát qua
vệ tinh

EHF

Extremely high Frequency

EIRP

Effective Isotropic Radiated Power

ELF

Extremely Low Frequency

FDMA

Frequency Division Multiple

Tần số cực cao
Công suất bức xạ hiệu dụng
Tần số cực thấp
Đa truy cập phân chia theo tần
số

Access

Sửa sai hướng đi

FEC

Forward Error Correction

FM

Frequency Modulation

GS

Generic Stream

Đóng gói chung

HF

High Frequency

Tần số cao

HPA

High Power Amplifier

IDR

Intermediate Digital Rate

Tỷ lệ số trung gian

IF

Intermediate Frequency

Tần số trung gian

INMARSAT

International Marine Satellite

Điều tần

Khuếch đại công suất cao

Tổ chức vệ tinh hàng hải quốc tế

Organization
Tốc độ truyền tin

IR

Information Rate

ISI

Input Stream Synchronizer

Đồng bộ luồng dữ liệu vào

ISSYI

Input Stream Synchronizer
Indicator

Chỉ dẫn đồng bộ luồng dữ liệu

vii

vào


ITU

International Telecommunication

Hiệp hội viễn thông quốc tế

Union
LDPC

Low Density Parity Check (codes)

LF

Low Frequency

LNA

Low Noise Amplifier

LNB

Low Noise Block

MF

Medium Frequency

MIS

Multiple Input Stream

MOD

Moderator

MPEG
MSB

Moving Pictures Experts
Group
Most Significant Bit

NASA

National Aeronautics and Space

Tần số thấp
Khuếch đại tạp âm thấp
Khối tạp nhiễu thấp
Tần số trung bình
Nhập đa stream
Điều chế

Null Packet Deletion

PID

Packet Identifier.

PL

Physical layer

PRBS

Pseudo Random Binary
Sequence

QEF

Quasi- Error-Free

QPSK
RF

Nhóm chuyên gia hình ảnh động
Bit có trọng số lớn nhất
Cơ quan hàng không và không
gian hoa kỳ

Administration
NPD

Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp

Gói không xóa
Nhận dạng gói tin
Lớp vật lý
Chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên
Không có lỗi

Quaternary Phase Shift Keying

Điều chế vuông pha

Tần số radio

Radio Frequency

viii


Thời gian làm giảm sự chỉ thị

RO

Roll-Off.

SHF

Super High Frequency

SIS

Single Input Stream

SOF

Start Of Frame

TDMA

Time Division Multiple Access

Siêu cao tần

Nhập đơn stream
Bắt đầu của 1 khung
Đa truy cập phân chia theo thời
gian
Dòng chuyển tải

TS

Transport Stream

TT&C

Telementry Tracking and

Đo bám sát và điều khiển

Command
Đầu thu hình

TVRO

Television Receive Only

U/C

Up Converter

UHF

Ultra High Frequency

UPL

User Packet Length

Độ dài gói dùng

VCM

Điều chế và mã hóa thay đổi

VF

Variable Coding and
Modulation
Voice Frequency

VHF

Very High Frequency

Tần số rất cao

VLF

Very Low Frequency

Tần số rất thấp

Biến đổi tuyến lên

Siêu cao tần

Tần số thoại

ix


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng1.1: Tên và phân loại sóng vô tuyến. ............................................................. 13
Bảng 1.2:Băng tần và dịch vụ thông tin vệ tinh cố định. ........................................ 14
Bảng 1.3: Các băng tần cho thông tin vệ tinh. ........................................................ 16
Bảng 2.1: Giao diện hệ thống. ............................................................................... 30
Bảng 2.2: Bảng trường MATYPE-1. ..................................................................... 35
Bảng 2.3: BBHEADER (các thuộc tính thích nghi) và chính sách cho dịch vụ quảng
bá đơn luồng truyền tải. ......................................................................................... 35
Bảng 2.4a: Thông số mã hóa (cho khung FEC thường). ......................................... 38
Bảng 2.4b: Thông số mã hóa (khung ngắn)............................................................ 38
Bảng 2.5a: Đa thức sinh BCH (khung thường). ..................................................... 39
Bảng 2.5b: Đa thức sinh BCH (khung ngắn). ......................................................... 39
Bảng 2.6a: Các giá trị q với khung thường............................................................. 42
Bảng 2.6b: Các giá trị của q với khung ngắn.......................................................... 42
Bảng 2.7: Cấu trúc khối chèn bít............................................................................ 44
Bảng 2.8: Tỉ lệ bán kính
Bảng 2.9: Tỷ lệ bán kính

tối ưu (kênh tuyến tính) cho 16APSK .......................... 46
và

tối ưu (kênh tuyến tính) cho 32APSK. ............. 47

Bảng 2.10: S = số khe (M = 90 biểu tượng) mỗi XFECFRAME. ........................... 49
Bảng 2.11: Lập mã MODCOD. ............................................................................. 50
Bảng 2.12: Khối biểu đồ khả dĩ cho xáo trộn tạo chuỗi PL với n = 0 ..................... 54
Bảng 3.1: Tên vệ tinh và vị trí quỹ đạo. ................................................................. 68
Bảng 3.2: Thống kê thiết bị. .................................................................................. 80

x


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Hệ thống thông tin vệ tinh. ....................................................................... 4
Hình 1.2: Đa truy nhập phân chia theo tần số........................................................... 6
Hình 1.3: Đa truy nhập phân chia theo thời gian ...................................................... 7
Hình 1.4: Suy hao của sóng vô tuyến trong khí quyển trái đất................................ 11
Hình 1.5: Hấp thụ của tầng khí quyển theo tần số. ................................................. 12
Hình 1.6: Đường lên và đường xuống. ................................................................... 17
Hình 1.7: Đường liên lạc trên hệ thống thông tin vệ tinh........................................ 19
Hình 1.8: Tạo tín hiệu, mã hoá và giải mã. ............................................................ 22
Hình 2.1: Sơ đồ các khối chức năng trong hệ thống DVB-S2. ............................... 28
Hình 2.2: Sự bổ sung mã hóa CRC-8. .................................................................... 32
Hình 2.3: Định dạng luồng ở lối ra bộ chuyển đổi. ................................................ 33
Hình 2.4: Định dạng khung BBFRAME ở lối ra khối chuyển đổi. ......................... 36
Hình 2.5: Quá trình mã hóa của PRBS. .................................................................. 37
Hình 2.6: Khuôn dạng trước khi chèn bít. .............................................................. 37
Hình 2.7: Phối hợp chèn bít cho 8PSK và các khung FEC thường (trừ tỉ lệ 3/5). ... 43
Hình 2.8: Phối hợp chèn bít với 8PSK và khung FEC thường (cho tỉ lệ 3/5). ......... 43
Hình 2.9: Giản đồ chòm sao tín hiệu QPSK. .......................................................... 45
Hình 2.10: Giản đồ chòm sao tín hiệu 8PSK. ......................................................... 45
Hình 2.11: Giản đồ chòm sao tín hiệu 16APSK. .................................................... 46

Hình 2.12: Giản đồ chòm sao tín hiệu 32APSK. .................................................... 47
Hình 2.13: Định dạng của một “khung lớp vật lý” PLFRAME. ............................. 48
Hình 2.14: (biểu tượng là ký hiệu cho phép logic loại trừ nhị phân EXOR). ..... 51
Hình 2.15: Xáo trộn PL. ........................................................................................ 53
Hình 2.16: Cấu hình của khối xáo trộn mã PL cho n = 0. ....................................... 54
Hình 2.17: Điều chế và mã hóa thích nghi trong DVB-S2...................................... 56
Hình 2.18: Sơ đồ khối hệ thống mã hóa điều chế thích nghi. ................................. 57
Hình 3.1: Sơ đồ khối mô hình thiết kế. .................................................................. 62
Hình 3.2: Phương án thiết kế thu kiểu 1. ................................................................ 64
Hình 3.3: Phương án thiết kế thu kiểu 2. ................................................................ 65
Hình 3.4: Cấu trúc hình xương cá và hình cây. ...................................................... 66
Hình 3.5: Cấu trúc phòng của tòa chung cư. .......................................................... 67
Hình 3.6: Cấu trúc tổng quát của tòa chung cư. ..................................................... 68
Hình 3.7: Sơ đồ thiết kế hệ thống thu..................................................................... 71
Hình 3.8: Hệ thống cáp của tòa nhà. ...................................................................... 72

xi


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong thời đại phát triển của công nghệ thông tin hiện nay, truyền hình số vệ
tinh không còn xa lạ gì với chúng ta. Nhưng để hiểu được nó và khai thác triệt để
những tính năng ưu việt của nó thì vẫn đang còn là một khó khăn và thách thức.
Với sự đầu tư nghiên cứu , tìm hiểu và thiết kế hệ thống thu đài truyền hình
( số ) qua vệ tinh, với nhu cầu nắm bắt thông tin và nâng cao chất lượng cuộc sống,
luận văn tìm hiểu và thiết kế hệ thống thu đài truyền hình qua vệ tinh được xây
dựng và mong muốn áp dụng thực sự hữu ích cho người dân, đặc biệt là các tỉnh
miền xa.
2. Mục đích nghiên cứu

Ở nước ta, công nghệ truyền hình tương tự đã có từ lâu, còn hệ thống truyền
hình số thì chỉ thực sự phát triển và bùng nổ trong những năm gần đây và mục tiêu
của chính phủ là số hóa ngành truyền hình để người dân có thể sử dụng dịch vụ chất
lượng cao hơn, đặc biệt là với những người dân sinh sống ở các tỉnh miền núi, biển
đảo... để giao lưu với thế giới thì lĩnh vực này cần được quan tâm hàng đầu và cần
được đầu tư mạnh mẽ hơn.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Truyền hình số đang là xu hướng tất yếu của công nghệ truyền hình, do đó,
dựa trên kỹ thuật phát thu và thiết bị có sẵn trên thị trường, luận văn Tìm hiểu và thiết
kế hệ thống thu đài truyền hình qua vệ tinh với mong muốn có thể áp dụng hiệu quả
với những nơi có địa hình khó khăn và giảm thiểu chi phí trong việc lắp đặt.
4. Phương pháp nghiên cứu
Tìm hiểu, nghiên cứu nguyên lý làm việc, mô hình thiết kế lắp đặt, từ đó
thiết kế hệ thống thu đài truyền hình qua vệ tinh cho một tòa chung cư tại Huyện Đô
Lương, Tỉnh Nghệ An.

1


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH
1.1 Giới thiệu chung
Trong cuộc sống hiện đại như ngày nay, vai trò của mạng thông tin vệ tinh là
không thể thiếu trong hệ thống thông tin viễn thông và nó trở thành một dịch vụ phổ
biến trên toàn thế giới. Với sự phát triển không ngừng về công nghệ, các vệ tinh
thông tin có khả năng liên kết đồng thời nhiều thuê bao trên mặt đất tạo thành hệ
thống thông tin một điểm – đa điểm. Khả năng này được ứng dụng để truyền thông
tin giữa các trạm cố định và trạm di động trên mặt đất, trên không trung và trên biển.
Nhìn chung các thông tin có thể được phân ra các loại như thông tin dùng
cho cáp đồng trục hoặc cáp sợi quang và thông tin vô tuyến sử dụng sóng vô tuyến

điện nối liền nhiều nơi trên thế giới vượt qua “thời gian”và“không gian”.
Hệ thống cáp biển dung lượng lớn sử dụng các cáp sợi quang đã được đưa
vào sử dụng cho thông tin quốc tế. Đối với thông tin vô tuyến quốc tế, thông tin vệ
tinh đã cung cấp các đường thông tin dung lượng lớn thay thế cho thông tin sóng
ngắn trước đây sử dụng thường xuyên hơn.
Lịch sử hình thành và phát triển của ngành công nghệ thông tin vệ tinh đã
trải qua hàng chục năm qua và đã trở thành phương tiện truyền thông để xây dựng
một xã hội định hướng thông tin tiên tiến. Có thể nói là rất khó kiếm một môi
trường viễn thông nào mà không có vệ tinh tham gia.

1.2. Đặc điểm của thông tin vệ tinh
1.2.1 Nguyên lý thông tin vệ tinh
Một vệ tinh có khả năng thu, phát sóng vô tuyến điện sau khi được phóng
vào vũ trụ dùng cho thông tin vệ tinh; khi đó vệ tinh sẽ khuyếch đại sóng vô tuyến
điện nhận được từ các trạm mặt đất và phát lại sóng vô tuyến điện đến các trạm thu
mặt đất khác. Loại vệ tinh nhân tạo sử dụng cho thông tin vệ tinh như thế được gọi
là vệ tinh thông tin.
Do vệ tinh chuyển động khác nhau khi quan sát từ mặt đất, phụ thộc vào quỹ

2


đạo của vệ tinh. Vệ tinh có thể được phân ra hai loại: Vệ tinh quỹ đạo thấp và vệ
tinh địa tĩnh.
Vệ tinh quỹ đạo thấp là vệ tinh mà nhìn từ mặt đất nó chuyển động liên tục,
thời gian cần thiết cho vệ tinh để chuyển động xung quanh quỹ đạo của nó khác với
chu kỳ quay của quả đất xung quanh trục của nó. (Loại này dùng vào việc nghiên
cứu khoa học, quân sự …).
Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh được phóng lên quỹ đạo tròn ở độ cao khoảng 36
000 km so với đường xích đạo.Vệ tinh loại này bay xung quanh quả đất một vòng

mất 24 giờ. Do chu kỳ bay của vệ tinh bằng chu kỳ quay của quả đất xung quanh
trục của nó theo hướng đông cùng với hướng quay của quả đất (hướng đông). Bởi
vậy vệ tinh dường như đứng yên khi quan sát từ mặt đất. Do vậy nó được gọi là vệ
tinh địa tĩnh. Bởi vì một vệ tinh địa tĩnh có thể bảo đảm thông tin ổn định liên tục
nên có nhiều ưu điểm hơn vệ tinh quỹ đạo thấp dùng làm tin vệ tinh thông tin.
Nếu một quả vệ tinh có thể phát sóng 1/3 diện tích trái đất thì chỉ cần 3 quả
vệ tinh có thể phủ sóng toàn bộ trái đất.
Điều này cho phép xây dựng một mạng thông tin trên toàn thế giới. Cấu hình
khái quát của một hệ thống vệ tinh gồm.:
Một vệ tinh địa tĩnh (trên quỹ đạo )
Các trạm mặt đất (các trạm này có thể truy cập đến vệ tinh)
Đường hướng từ trạm mặt đất phát đến vệ tinh được gọi là đường lên và
đường hướng từ vệ tinh đến trạm mặt đất thu gọi là đường xuống. Vệ tinh làm việc
ở 3 băng tần:
Ví dụ: Băng C: Đường lên (5,9 ÷ 6,4) GHz; Đường xuống (3,7÷4,4) GHz.
Băng Ku: Đường lên (14÷14) GHz; Đường xuống (11,7÷12,2) GHz
Băng Ka: Đường lên 30 GHz; Đường xuống 20 GHz

3


Hình1.1: Hệ thống thông tin vệ tinh.

Như ta đã thấy, thông tin vệ tinh đã phát triển và phổ biến nhanh chóng vì
nhiều ly do khác nhau. Các ưu điểm chính của thông tin vệ tinh so với các phương
tiện thông tin dưới biển và trên mặt đất như hệ thống cáp và hệ thống chuyển tiếp
viba là:
• Có khả năng truy nhập
• Vùng phủ sóng rộng
• Ổn định cao, chất lượng và khả năng cao về thông tin băng rộng.

• Có thể ứng dụng cho thông tin di động.
• Hiệu quả kinh tế cao trong thông tin cự ly lớn, đặc biệt trong thông tin
xuyên lục địa.
Sóng vô tuyến điện phát đi từ một vệ tinh ở quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh có thể
bao phủ 1/3 toàn bộ bề mặt quả đất. Bởi vậy những trạm mặt đất trong vùng đó có
thể thông tin trực tiếp với bất kỳ một trạm mặt đất khác trong vùng qua một vệ tinh
thông tin.
Kỹ thuật sử dụng một vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất và việc tăng hiệu
quả sử dụng của nó tới cực đại được gọi là đa truy nhập. Nói cách khác đa truy nhập
là phương pháp dùng một bộ đáp trên vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất.
Trong đa truy nhập cần làm sao cho sóng vô tuyến điện phát ra từ các trạm
mặt đất riêng lẻ không thể can nhiễu nhau được.

4


Vì mục đích này, nên phải phân chia tần số, thời gian hoặc không gian của
sóng vô tuyến cần thiết để truyền tin tức thông tin và phải phân phối các tần số, các
khe thời gian hoặc không gian đã chia một cách thích hợp cho từng trạm mặt đất.
Từ quan điểm ghép sóng mang trong một bộ phát đáp vệ tinh, đa truy nhập
có thể phân chia ra ba dạng như sau:
FDMA : Đa truy nhập phân chia theo tần số.
TDMA : Đa truy nhập phân chia theo thời gian.
CDMA : Đa truy nhập phân chia theo mã.
FDMA: là loại đa truy nhập được dùng từ thời kỳ đầu của thông tin vệ tinh
và được dùng nhiều nhất trong thông tin. Trong FDMA, các trạm mặt đất riêng phát
đi các sóng mang với các tần số khác nhau nhưng các băng tần bảo vệ thích hợp sao
cho các tần số sóng mang này không chồng lên nhau. FDMA tận dụng được phần
cứng truyền thông hiện có vì vậy giá thành hạ. Đa truy nhập này không cần điều
chỉnh lại mạng thông tin và không hạn chế đối với loại băng cơ sở nào (tiếng nói

hoặc số liệu) hoặc kiểu điều chế (FM hoặc PSK).
TDMA: ở TDMA thời gian gọi là khung TDMA được xác định. Một khung
TDMA được chia ra theo thời gian mà mỗi trạm mặt đất phát đi một sóng mang
trong một khe thời gian đã được phân trong một chu kỳ thời gian nhất định. Mỗi
khung có chứa ít nhất một khe thời gian dành cho đồng bộ, mỗi khe thời gian được
ngăn cách nhau bởi một khe bảo vệ. Kích thước của các khe thời gian phụ thuộc vào
yêu cầu lưu lượng của trạm mặt đất. Transponder của vệ tinh chỉ thu một khe thời
gian tại mỗi điểm, khuyếch đại nó và trở lại mặt đất. Việc điều chế sóng mang được
sử dụng trong TDMA luôn là kỹ thuật điều chế số, vì với việc nén, lưu trữ và xử lý
thông tin thì tín hiệu số là thích hợp nhất.
Yêu cầu ở TDMA sóng mang phát từ mỗi trạm mặt đất cần phải được điều
khiển chính xác sao cho sóng mang của chúng nằm trong khoảng thời gian được
phân phối cách:
• Truyền tín hiệu một cách gián đoạn.
• Dự phòng một thời gian bảo vệ giữa các sóng mang phát gián
đoạn sao cho chúng không chồng lên nhau.
5


Vì vậy phải có một trạm chuẩn để phát đi tín hiệu chuẩn.
TDMA có nhiều ưu điểm hơn FDMA, đặc biệt là đối với các mạng thông tin
lớn và vừa, vì một số các kỹ thuật tiên tiến trong truyền dẫn số vốn thích hợp với
TDMA và nó có thể tăng tối đa lưu lượng chuyển tiếp qua transponder của vệ tinh,
nó tận dụng hết dung lượng của vệ tinh vì nhiễu điều chế được giảm tối thiểu.
TDMA không cần điều chỉnh công suất phát và sơ đồ mạng thông tin có thể thay
đổi dễ dàng, việc quản lý lưu lượng trở lên đơn giản hơn và mền dẻo. Dạng thông
tin số của TDMA cho phép thừa hưởng những tiến bộ của kỹ thuật số.
Cho dù TDMA có nhiều tiến bộ nhưng không có nghĩa là FDMA không có
ưu điểm hơn TDMA. Đối với các mạng thông tin lưu lượng thấp, FDMA sẽ có ưu
thế hơn nhờ giá thiết bị rẻ hơn.

Hình 1.2: Đa truy nhập phân chia theo tần số

6


Hình 1.3: Đa truy nhập phân chia theo thời gian

CDMA: là một phương pháp đa truy nhập trong đó mỗi trạm mặt đất phát
đi một tần số sóng mang như nhau nhưng sóng mang này trước đó đã được điều
chế bằng một mẫu bít đặc biệt quy định cho trạm mặt đất trước khi phát tín hiệu
đã điều chế.
Ở loại đa truy nhập này, ngay cả khi có nhiều tín hiệu điều chế được đưa vào
một bộ phát đáp, thì trạm mặt đất thu có thể tách tín hiệu cần thu từ các tín hiệu
khác bằng cách sử dụng một mẫu bít đặc biệt thực hiện được giả điều chế.
Nếu xét đa truy nhập theo quan điểm phân phối kênh thi có thể được chia ra
hai loại: đa truy nhập phân phối trước và đa truy nhập phân phối theo yêu cầu.
• Đa truy nhập phân phối trước: là phương pháp truy nhập trong đó các kênh
vệ tinh được phân bổ cố định cho các trạm mặt đất khác nhau, bất chấp có hay
không có cuộc gọi phát đi.
• Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu: là phương pháp truy nhập trong đó
các kênh vệ tinh được sắp xếp lại mỗi khi có yêu cầu thiết lập kênh đưa ra từ các
trạm mặt đất liên quan.

7


Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu cho phép sử dụng có hiệu quả dung
lượng kênh của vệ tinh đặc biệt khi một số trạm mặt đất có dung lượng kênh nhỏ sử
dụng chung một bộ phát đáp như trong trường hợp hệ thống hệ thống điện thoại vệ

tinh trên biển INMARSAT (International Marine Satellite Organization).
CDMA có tính năng chống nhiễu cao, do vậy khoảng cách giữa các vệ tinh
có thể giảm đáng kể mà không gây ảnh hưởng tới chất lượng tín hiệu thu phát được,
các hệ thống trải phổ chống nhiễu tốt từ nhiều phía. Như vậy CDMA rất thích hợp
cho các trạm thông tin di động, với CDMA có thể sử dụng anten cỡ nhỏ mà không
bị ảnh hưởng nhiễu từ các vệ tinh lân cận. Kỹ thuật này cho phép độ bảo mật cao
trong thông tin.

1.2.2 Sự ổn định trạng thái vệ tinh
Trạng thái vệ tinh và định hướng anten của một vệ tinh cần phải được điều
khiển sao cho búp sóng anten thông tin hướng bức xạ đúng vào vùng dịch vụ yêu
cầu. Tuy nhiên vệ tinh luôn luôn bị ảnh hưởng của các tác động bên ngoài như áp
lực bức xạ từ mặt trời và mô men xoắn của từ trường quả đất nên cần phải thực hiện
các biện pháp phù hợp để duy trì trạng thái ổn định của vệ tinh. Trong số các biện
pháp có hiệu quả đối với sự ổn định trạng thái vệ tinh, phương pháp điển hình hiện
nay là:
• Ổn định quay.
• Ổn định ba trục.
Ổn định quay là phương pháp ổn định trạng thái vệ tinh dùng nguyên lý con
quay ở tốc độ cao duy trì một trạng thái không đổi. Vệ tinh quay xung quanh một
trục riêng(trục quay), Momen xoắn tạo ra bởi con quay được dùng để hạn chế tác
động của các ảnh hưởng bên ngoài và ổn định trạng thái vệ tinh.
Điều khiển trạng thái ba trục là phương pháp điều khiển trạng thái vệ tinh
bằng cách hấp thụ các momen xoắn nhiễu loạn bên ngoài tạo ra bởi các nguyên
nhân khác nhau. Phương pháp này sử dụng các bánh xe quay trên ba trục vệ tinh đó
là X, Y và Z.

1.2.3 Cấu hình của các vệ tinh thông tin
Một vệ tinh bao gồm tải nhiệm vụ (payload) và thân vệ tinh (bus).Tải nhiệm
8

vụ để thực hiện nhiệm vụ của vệ tinh, thân vệ tinh để mang tải nhiệm vụ.
Tải nhiệm vụ (playload) thực hiện nhiệm vụ của vệ tinh, tải nhiệm vụ bao
gồm anten thu và anten phát, bộ phát đáp. Bộ phát đáp thực hiện chức năng chính
của vệ tinh thông tin là thu sóng vô tuyến điện từ các trạm mặt đất, khuyếch đại và
biến đổi tần số của chúng, rồi chuyển chúng trở lại các trạm mặt đất.
Như vậy bộ phát đáp của vệ tinh thông tin bảo đảm một số các chức năng
như một bộ phát đáp tích cực trên quỹ đạo, nhưng khác bộ phát đáp trên mặt đất, nó
yêu cầu độ tin cậy cao, nhỏ gọn, trọng lượng nhỏ và tiêu thụ ít công suất vì nó phải
tự cung cấp công suất cần thiết.
Thân vệ tinh (Bus) để mang tải nhiệm vụ, tuỳ theo hệ thống ổn định trạng
thái được dùng, thân vệ tinh bao gồm chủ yếu các loại thiết bị sau:
• Thiết bị điều khiển đo lường từ xa
• Thiết bị điều khiển vệ tinh
• Cấu trúc con tàu vũ trụ
• Thiết bị điều khiển nhiệt
• Bộ phận đẩy

1.2.4 Sự phát triển thiết kế và phóng vệ tinh thông tin
Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc, thông tin đã được lan truyền trực tiếp
tới khắp nơi trên thế giới bởi hệ thống thông tin vệ tinh dày đặc trên bầu trời. Không
chỉ phát triển ở các nước tiên tiến như châu âu, Mỹ, mà các nước trong khu vực
Đông Nam Á cũng đã sở hữu một hoặc nhiều hơn một hệ thống vệ tinh gồm Thái
Lan, Indonesia, Philippines, Malaysia và Việt Nam ( với vệ tinh Vinasat 1 và 2 ).
Mỗi vệ tinh thông tin yêu cầu phải có độ tin cậy cao và tuổi thọ hoạt động
càng lâu càng tốt. Vì vậy chúng được sản xuất bằng các quy trình đặc biệt.
Phương pháp lập dự án các giai đoạn do NASA. Trong phương pháp này tất
cả các hoạt động được chia ra 4 giai đoạn và khi hoàn thành mỗi giai đoạn mới
quyết định có hoặc không xử lý giai đoạn tiếp theo.

Thông qua quá trình thiết kế và phát triển cẩn thận như vậy vệ tinh thông tin
mới sang giai đoạn phóng.
Một vệ tinh được phóng theo 2 phương pháp khác nhau hoặc dùng tên một
9


tên lửa đẩy nhiều tầng hay phương tiện phóng, không sử dụng lại hoặc sử dụng tàu
vũ trụ con thoi được sử dụng lại nhiều lần. Hai phương pháp phóng này thực hiện
các phương pháp phóng khác.

1.2.5 Quỹ đạo của vệ tinh địa tĩnh
Quỹ đạo của vệ tinh địa tĩnh là một đường tròn 3600 duy nhất xung quanh
trái đất và có độ cao khoảng 36.000 km trên đường xích đạo nên nó là một nguồn
tài nguyên có giới hạn. Với đà phát triển hiện nay của thông tin vệ tinh, nó không
chỉ giới hạn bởi các vệ tinh thông tin quốc tế, mà bao gồm một số vệ tinh nội địa và
khu vực, cho nên vấn đề ùn tắc trên quỹ địa tĩnh là một vấn đề lớn. Vì vậy người ta
thực hiện các biên pháp sau:
- Giới hạn một số vệ tinh phóng.
- Sử dụng lại tần số bằng cách dùng phân cực vuông góc.
- Sử dụng điều chế nhiều mức, nhiều pha để tăng cường số bít truyền.

1.2.6 Nhược điểm của thông tin vệ tinh
Với tổng chiều dài ở đường lên và đường xuống ở thông tin vệ tinh là trên
70.000km, bởi vậy sóng vô tuyến điện phải mất khoảng ¼ giây để truyền đi hết
đường lên hoặc đường xuống mặc dù tốc độ truyền sóng rất cao 300.000km/sec gây
ra một thời gian trễ đáng kể.
Sóng vô tuyến điện sử dụng trong thông tin vệ tinh cần phải xuyên qua tầng
điện ly và khí quyển bao quanh quả đất, nhưng sóng vô tuyến điện với các tần số
cao bị hấp thụ và bị các suy hao khác trong khí quyển, đặc biệt trong mưa.
Để khắc phục người ta thường chọn khoảng tần số bị suy hao nhỏ nhất từ 1 ÷

10GHz. Khoảng tần số này được gọi là “cửa sổ tần số ”. Khoảng tần số sử dụng
nhiều hơn cả hiện nay trong thông tin vệ tinh là băng C có tần số từ 4 GHz đến 6
GHz, ở trong khoảng của sổ tần số.
Hơn nữa, sóng vô tuyến điện ở băng Ku từ 11 GHz đến 14 GHz bị hấp
thụ lớn trong mưa nhưng cũng được sử dụng thường xuyên, do hiện tại thiếu
các băng tần.

10


(a) Thăng giáng điện ly
(b) Suy hao do mưa
(c) Các chất khí trong khí quyển
(d) Thăng giang tầng số đối lưu
Hình 1.4: Suy hao của sóng vô tuyến trong khí quyển trái đất.

1.3. Tần số làm việc
1.3.1 Khái niệm cửa sổ vô tuyến
Trong một số trường hợp các sóng vô tuyến điện truyền đến hay đi từ các vệ
tinh thông tin chịu ảnh hưởng của tầng điện ly và khí quyển thêm vào tiêu hao
truyền sóng do cự ly xa.
Tầng điện ly là một lớp khí loãng bị oxi hoá bởi các tia vũ trụ, có độ cao
khoảng từ 50 đến 400km so với mặt đất. Lớp mang điện này có tính chất hấp thụ và
phản xạ sóng.
Trong khí quyển, tuy ảnh hưởng của không khí, hơi nước và mưa cần phải
được tính đến nhưng ở các tần số 30GHz hoặc thấp hơn có thể bỏ qua; hiện thời các

11

tần số này đang được sử dụng cho thông tin vệ tinh.
100
50

suy hao do
tÇng ®iÖn ly

suy hao do mua
(2.5mm/gl)

10
5
cña sæv« tuyÕn

1
0.1

0.5

5

1

10

50

100

TÇn sè (GHz)

Hình 1.5: Hấp thụ của tầng khí quyển theo tần số.

Sóng truyền đi từ vệ tinh và trạm mặt đất bị ảnh hưởng bởi tầng điện ly khi
tần số thấp và bị ảnh hưởng do mưa khi tần số cao. Đồ thị (hình trên) chỉ ra tính
chất tiêu hao của sóng do tầng điện ly va do mưa khi tần số thay đổi.Từ đồ thị (hình
trên) ta thấy các tần số nằm khoảng giữa 1GHz và 10 GHz thì suy hao kết hợp do
tầng điện ly và mưa là không đáng kể. Do vậy băng tần số này được gọi là “cửa sổ
tần số vô tuyến ” có nghĩa là “sóng có thể nhìn thấy”. Nếu trong cửa sổ vô tuyến
được sử dụng cho thông tin vệ tinh thì tiêu hao truyền lan gần như bằng tiêu hao
không gian tự do, vì vậy cho phép thiết lập các đường thông tin vệ tinh ổn định .

1.3.2 Phân định tần số
Việc phân định tần số được thực hiên theo Điều lệ vô tuyến ở mỗi khu vực
của ITU. Có 3 khu vực ITU, Nhật Bản nằm ở khu vực 3.
• Khu vực 1 gồm: Châu Âu, Châu Phi, Liên Bang Xô Viết cũ và các nước
Đông Âu.
• Khu vực 2 gồm: các nước Nam và Bắc Mỹ.

12