Thiết kế trạm Anten vệ tinh tự động quay bám trong thông tin vệ tinh (Luận văn thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------

LÊ THỊ HUYỀN TRANG

THIẾT KẾ TRẠM ANTEN VỆ TINH TỰ ĐỘNG
QUAY BÁM TRONG THÔNG TIN VỆ TINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI - 2020


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------

LÊ THỊ HUYỀN TRANG

THIẾT KẾ TRẠM ANTEN VỆ TINH TỰ ĐỘNG
QUAY BÁM TRONG THÔNG TIN VỆ TINH
Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 8.52.02.08
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

(Theo định hướng ứng dụng)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN NGỌC MINH

HÀ NỘI - 2020

1

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác, các tài liệu tham khảo đã được trích
dẫn đầy đủ.
Tác giả luận văn

Lê Thị Huyền Trang


2

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận văn đề tài “Thiết kế
trạm anten vệ tinh tự động quay bám trong thông tin vệ tinh” tác giả đã nhận
được sự quan tâm, giúp đỡ tận tình của quý các thầy cô, các anh chị và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Ngọc Minh đã trực tiếp hướng dẫn,
giúp đỡ, dạy bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình
học tập và hoàn thành luận văn.
Và để có được những kiến thức như ngày hôm nay, cho phép em gửi lời cảm
ơn sâu sắc đến quý thầy cô Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông trong thời
gian qua đã truyền đạt cho em những kiến thức quý báu.
Xin trân trọng cảm ơn!


3

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN......................................................................................................ii
MỤC LỤC...........................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT.......................................iv
DANH MỤC BẢNG...........................................................................................VII
DANH MỤC HÌNH VẼ.....................................................................................VIII
LỜI MỞ ĐẦU........................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH......................................3
1.1. Cấu trúc tổng quát..........................................................................................3
1.2. Đặc điểm của thông tin vệ tinh.......................................................................4
1.3. Băng tần thông tin vệ tinh..............................................................................5
1.4. Phương pháp đa truy nhập trong thông tin vệ tinh..........................................6
1.4.1. Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)...............................................6
1.4.2. Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)..........................................6
1.4.3. Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA).......................................7
1.4.4. Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA )..................................................7
1.5. Phân hệ thông tin vệ tinh................................................................................8
CHƯƠNG 2. TRẠM MẶT ĐẤT TRONG THÔNG TIN VỆ TINH.....................10
2.1. Tổng quan trạm mặt đất................................................................................10
2.2. Anten trạm mặt đất.......................................................................................11
2.2.1. Các loại anten trạm mặt đất.......................................................................11


4
2.2.2. Hệ thống bám vệ tinh.................................................................................13
2.2.3. Hệ số tăng ích của anten............................................................................14
2.2.4. Góc độ rộng búp sóng................................................................................15
2.3. Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA)................................................................15

2.3.1. Giới thiệu...................................................................................................15
2.3.2. Các loại khuếch đại tạp âm thấp LNA........................................................16
2.4. Bộ đổi tần (FC).............................................................................................16
2.3.1. Giới thiệu...................................................................................................16
2.4.2. Các bộ đổi tần kép......................................................................................17
2.4. 3. Bộ dao động nội........................................................................................18
2.5. Bộ khuếch đại công suất cao (HPA).............................................................18
2.5.1. Giới thiệu...................................................................................................18
2.5.2. Phân loại các bộ khuếch đại công suất cao................................................18
2.5.3. Cấu hình của bộ khuếch đại công suất cao................................................19
2.6. Kỹ thuật điều chế và giải điều chế tín hiệu...................................................19
2.6.1. Giới thiệu...................................................................................................19
2.6.2. Kỹ thuật điều chế tần số (FM)....................................................................20
2.6.3. Kỹ thuật giải điều chế sóng mang điều tần (FM).......................................21
2.6.4. Điều chế số.................................................................................................21
2.6.5. Kỹ thuật giải điều chế sóng mang PSK......................................................22
2.7. Kỹ thuật đa truy nhập...................................................................................22
2.7.1. Các vấn đề về lưu lượng.............................................................................22
2.7.2. Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)...............................24


5
2.7.3. Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)...........................28
2.7.4. Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA).................................................32
2.8. Các thiết bị truyền dẫn số của trạm mặt đất.................................................36
2.8.1. Số hoá tín hiệu tương tự.............................................................................37
2.8.2. Thiết bị ghép kênh phân chia theo thời gian TDM.....................................38
2.8.3. Thiết bị bảo mật (Encryption)....................................................................39
2.8.4. Bộ mã hoá kênh (Channel Encoder)...........................................................40
2.8.5. Bộ tiêu tán năng lượng...............................................................................40

CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG VÀ TÍNH TOÁN CẤU HÌNH TRẠM ANTEN VỆ
TINH TỰ ĐỘNG QUAY BÁM TRONG THÔNG TIN VỆ TINH...........................42
3.1. Giới thiệu chung...........................................................................................42
3.2. Lựa chọn Antena..........................................................................................42
3.3. Bộ chuyển đổi đường lên và khuyếch đại công suất (HPA)..........................45
3.4. Bộ chuyển đổi đường xuống và khuyếch tạp âm thấp (LNB).......................55
3.4.1. Xác định hệ số phản xạ đầu vào và đầu ra.................................................56
3.4.2. Mạch tương đương Thevenin.....................................................................57
3.4.3. Độ khuếch đại công suất............................................................................61
3.4.4. Độ lợi công suất bộ chuyển đổi..................................................................63
3.4.5. Độ khếch đại công suất khả dụng..............................................................65
3.4.6. Độ khuếch đại công suất............................................................................65
3.4.7. Độ lợi một phía..........................................................................................67
3.5. Modem vệ tinh.............................................................................................68
3.5.1. Newtec Elevation Series EL478..................................................................68


6
3.5.2. COMTECH CDM625A Advanced..............................................................69
3.5.3. Comtech EFData CDM570........................................................................69
3.5.4. Datum PSM-500L.......................................................................................69
3.5.5. Modem Hughes HX 280.............................................................................70
3.6. Đo đạc và tính toán.......................................................................................70
KẾT LUẬN.........................................................................................................75
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................76


4

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

Thuật
ngữ viết

Nghĩa Tiếng Anh

Nghĩa Tiếng Việt

tắt
AM
BPSK
C/N

A
Amplitude Modulation
B
Binary PSK
C
Carrier/noise

CDMA

Code Division Multiple Access

CCIR

CONSULTATIVE COMMITTEE ON
INTERNATIONAL RADIO

Điều chế biên độ
Khóa chuyển pha nhị phân

Tỷ số sóng mang trên nhiễu
Đa truy nhập phân chia theo
mã
Ủy ban tư vấn quôc tế về radio

D
D/C
DS
DSSS
DE-PSK

EIRP

Down/Convertor
Direct Sequence
Direct Sequence Spead Spectrum
Different Encode PSK
E
Equivalent Isotropic Radiated

Bộ đổi tần tuyến xuống
Trải phổ trực tiếp
Trải phổ trực tiếp
Điều chế chuyển pha vi sai
Công suất phát xạ đẳng hướng

Power

tương đương
F

FDMA

Frequency division multiple access

FH
FHSS
FC

Frequency Hoppping
Freqency Hopping Spead Spectrum
Frequency Converter
G
Gali - Arsenic (GaAs-FET

GaAs–
FET

Đa truy nhập phân chia theo
tần số
Nhảy tần
Trải phổ nhảy tần
Bộ đổi tần
Khuếch đại dùng Transistor
trường loại bán dẫn hỗn tạp

H


5

HP

Horizontal Polariation

Phân cực ngang

HPA

Bộ khuếch đại công suất lớn

IF

High Power Amplifie
I
Inermediate Freqency

IBS

Inbuilding System

INMARS

Trung tần
Hệ thống viễn thông trong tòa
nhà

Internation Maritime Satellite

Tổ chức vệ tinh hàng hải quốc

Organisation

tế

INTELSA

Internation Telecommunications

Tổ chức vệ tinh quốc tế thông

T

tin

SCPC

Satellite Organisation
L
Low Noise Amplifier
Left Hand circular Polariation
Local Oscillator
P
Pseudorandom number
Pulse Code Modulation
Phase Shift Keying
Q
Qudrature
Qudrature Phase Shift Keying
R
Radio Freqency

Right Hand circular Polariation
S
Single Channel Per Carrier

SDMA

Space-division multiple access

SES

Satellite Earth Station
T
Transmit Antenna
Time division multiple access

AT

LNA
LHCP
LO
PN
PCM
PSK
QAM
QPSK
RF
RHCP

TA
TDMA

Bộ khuếch đại tạp âm thấp
Phân cực tròn bên trái.
Tần số dao động nội
Mã tạp âm ngẫu nhiên
Điều chế xung mã
Khóa chuyển pha
Điều chế cầu phương
Khóa chuyển pha cầu phương
Tần số vô uyến
Phân cực tròn bên phải
Một kênh trên sóng mang
Đa truy nhập phân chia theo
không gian
Trạm vệ tinh mặt đất
Anten phát
Đa truy nhập phân chia theo


6

TWTA
U/C

Travelling Wave Tabe Amplifier
U
Up/Convertor
V

VSAT

Very small aperture terminals

VP

Vertical Polariation

thời gian
Bộ khuếch đại đèn sóng chạy
Bộ đổi tần tuyến lên
Thiết bị đầu cuối kích thước
rất nhỏ
Phân cực thẳng đứng


7

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Quy định băng tần thông tin vệ tinh [1].....................................................5
Bảng 2.1: Ví dụ bảng dữ liệu định tuyến [2]............................................................23
Bảng 3.1: Các tham số của TGF2023-01 [6]...........................................................46
Bảng 3.2: Giá trị của các thành phần của mạch hòa hợp trở kháng ra.....................51
Bảng 3.3: Đo kiểm DOA (direction of arrival) của tín hiệu sử dụng USRP............72


8

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô hình truyền nhận thông tin của đường truyền vệ tinh [1]...................3
Hình 1.2: Phân hệ thông tin của vệ tinh [1]...............................................................9

Hình 2.1: Cấu hình trạm mặt đất [1]........................................................................10
Hình 2.2: Anten phản xạ parabol [1]........................................................................11
Hình 2.3: Cấu hình gương Cassegrain [1]................................................................11
Hình 2.4: Anten lệch [1]..........................................................................................12
Hình 2.5: Cấu hình của bộ khuếch đại công suất cao [1].........................................19
Hình 2.6: Nguyên lý của một bộ điều chế số [2].....................................................21
Hình 2.7: Định tuyến lưu lượng a) Mỗi sóng mang một tuyến b) Mỗi sóng mang
một trạm phát [2].....................................................................................................23
Hình 2.8: Cấu hình truyền dẫn [1,2]........................................................................25
Hình 2.9: Hoạt động của một mạng theo nguyên lý TDMA [1,2]............................28
Hình 2.10: Cấu trúc khung TDMA [2].....................................................................30
Hình 2.11: Trải phổ trực tiếp (DS-CDMA) [2]........................................................34
Hình 2.12: Trải phổ nhảy tần (FH-CDMA) [2]........................................................34
Hình 2.13: Các thành phần của một chuỗi truyền dẫn số qua vệ tinh......................37
Hình 2.14: Nguyên lý truyền dẫn bảo mật...............................................................39
Hình 2.15: Nguyên lý mã hoá kênh.........................................................................40
Hình 2.16: a) Bộ xáo trộn b) Bộ bỏ xáo trộn (phục hồi xáo trộn)............................41
Hình 3.1: Mô hình IC..............................................................................................46
Hình 3.2: Mô tả dòng điện drain so với điện áp gate..............................................47
Hình 3.3: Mạch nguyên lý mô phỏng độ ổn định....................................................47
Hình 3.4: Kết quả mô phỏng độ ổn định tại r=55 Ω................................................48
Hình 3.5: (a) Mạch hòa hợp trở kháng Class-F và (b) mạch tương đương tại tần số
cơ bản...................................................................................................................... 48
Hình 3.6: Mô phỏng mạch hòa hợp trở kháng ra.....................................................51


9
Hình 3.7: Kết quả mô phỏng mạch phối hợp trở kháng ra (a) đặc tính bức xạ và
phản xạ (b) trở kháng nhìn từ cổng drain.................................................................52
Hình 3.8: Mô phỏng mạch phối hợp trở kháng đầu vào..........................................52

Hình 3.9: Mô phỏng bộ khuếch đại với mạch phối hợp trở kháng đầu vào và ra.....53
Hình 3.10: Kết quả mô phỏng S11, S21 và độ ổn định của bộ khuếch đại công suất...54
Hình 3.11: Kết quả mô phỏng công suất đầu ra và PAE bộ khuếch đại công suất...54
Hình 3.12: Thành phần bộ khuếch tạp âm thấp.......................................................55
Hình 3.13: Xác định hệ số phản xạ nguồn và tải và ...............................................55
Hình 3.14: Xác định hệ số phản xạ , , và ...............................................................56
Hình 3.15: Biểu diễn sóng của mạch tương đương Thevenin có điện áp mạch mở
của và trở kháng . Cổng đo có điện áp Eo và Zo....................................................57
Hình 3.16: Hình ảnh mạch nguyên lý đơn giản của bộ khuếch đại..........................59
Hình 3.17: Nguồn được kết nối với tải....................................................................59
Hình 3.18: Độ khuếch đại, nguồn được điều chỉnh PL tối đa..................................62
Hình 3.19: Biểu diễn mạch nguyên lý đơn giản của bộ khuếch đại.........................63
Hình 3.20: Mạch khai thác tương đương Thevenin ở mặt phẳng tải........................63
Hình 3.21: Mạch tính độ khuếch đại công suất khả dụng........................................65
Hình 3.22: Mạch tính toán độ khuếch đại................................................................65
Hình 3.23: Đội lợi một phía.....................................................................................68
Hình 3.24: Lưu đồ thuật toán Labview [7]..............................................................71
Hình 3.25: Phổ công suất truyền đạt của antena. Công suất cài đặt ở mức tối đa, kết
quả mô phỏng cho công suất đầu ra là 120mW[7]...................................................71
Hình 3.26: Phổ công suất tín hiệu nhận được tại thiết bị đầu cuối USRP với công
suất truyền là 20,8dBm, công suất nhận là -16dBm [7]...........................................72
Hình 3.27: Phổ công suất tín hiệu nhận được tại thiết bị đầu cuối USRP [7].........74


1

LỜI MỞ ĐẦU
Thông tinh vệ tinh chỉ mới xuất hiệu trong hơn bốn thập kỹ qua nhưng đã
phát triển rất nhanh chóng trên thế giới cũng như trong nước ta, mở ra cho một thời
kỳ mới cho sự phát triển trong mọi lĩnh vực khoa học cũng như đời sống nói chung

và đặc biệt ngành viễn thông nói riêng.
Thông tin vệ tinh đã được ứng dụng vào nước ta bắt đầu từ những năm 80
mở ra một sự phát triển mới của viễn thông Việt Nam. Thông tin vệ tin có nhiều ưu
điểm nổi bật là vùng phủ sóng rất rộng, triển khai lắp đặt nhanh và khả năng cung
cấp dịch vụ đa dạng cho người dụng. Nó là phương tiện hữu hiệu nhất để kết nối
thông tin liên lạc với các vùng xa xôi, biên giới, hải đảo nơi mà mạng cố định
không thể với tới được, đồng thời thông tin vệ tinh nhờ ưu điểm triển khai lắp đặt
và thiết lập liên lạc nhanh sẽ là phương tiện liên lạc cơ động giúp ứng cứu kịp thời
trong các tình huống khẩn cấp.
Trên thế giới xuất hiện nhiều hình thức thông tin liên lạc đáp ứng các yêu cầu
về thoại, truyền dữ liệu, cụ thể là giải pháp truyền dữ liệu qua SIM di động 3G, 4G
cũng là giải pháp đã được triển khai trong thực tế và có một số ưu điểm nhất định
như: thiết bị gọn nhẹ, tín hiệu vẫn đảm bảo khi cơ động, khoảng cách truyền không
giới hạn chỉ cần đảm bảo tại địa điểm thu phát có phủ sóng 3G/4G, dễ dàng triển
khai, giảm thiểu thời gian khi tác nghiệp…Tuy nhiên, giải pháp này cũng tồn tại
một số hạn chế là phụ thuộc vào vùng phủ sóng của các nhà cung cấp dịch vụ, hơn
nữa đối với các mạng công cộng việc bảo mật thông tin là một vấn đề rất đáng quan
tâm. Đặc biệt khi có yêu cầu nghiệp vụ chế áp điện tử, chèn phá sóng di động thì hệ
thống này sẽ không hoạt động. Vì vậy, việc ứng dụng thông tin vệ tinh trong thông
tin liên lạc được sử dụng phổ biến trên thế giới. Đặc biệt, hiện nay yêu cầu việc đảm
bảo thông tin liên lạc thông suốt trong khi di chuyển đang được nhiều ngành chức
năng quan tâm đặc biệt đối với các bộ phận nghiệp vụ như Bộ Quốc phòng, Bộ
Công an . Các nhà cung cấp thiết bị liên lạc vệ tinh trên thế giới đã đưa ra thị trường


2
nhiều chủng loại thiết bị có tính năng hỗ trợ cho việc liên lạc vệ tinh vừa di chuyển
vừa liên lạc, đó là tính năng COTM (Communication On The Move).
Các thiết bị này có thể đáp ứng được các yêu cầu thông tin liên lạc đối với
các phương tiện ở trên không, trên biển và mặt đất. Nguyên tắc cơ bản của COTM

là được trang bị anten vệ tinh có khả năng tự động quan bám, thiết lập đường thông
tin mà không cần phải tạm dừng hoặc dừng lại khi đang di chuyển. Một trong
những thiết bị chính để đáp ứng tính năng vừa liên lạc vừa di chuyển là hệ thống
anten tự động quay bám vệ tinh. Đây là hệ thống anten có định hướng tự động bám
vệ tinh khi đang di chuyển vẫn đảm bảo liên lạc. Chính vì thế em chọn đề tài tài
“Thiết kế trạm anten vệ tinh tự động quay bám trong thông tin vệ tinh”.
Nội dung luận văn được trình bày thành 3 chương sau:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh
Chương 2: Trạm mạt đất trong thông tin vệ tinh
Chương 3: Xây dựng và tính toán cấu hình trạm anten tự động quay
bám vệ tinh


3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH
1.1. Cấu trúc tổng quát
Vệ tinh
Tuyến xuống
Tuyến lên

Trạm mặt đất

Trạm mặt đất

Hình 1.1: Mô hình truyền nhận thông tin của đường truyền vệ tinh [1]
Muốn thiết lập một đường thông tin vệ tinh, trước hết phải phóng một vệ tinh lên
qũy đạo và có khả năng thu sóng vô tuyến điện.Vệ tinh có thể là vệ tinh thụ động, chỉ
phản xạ sóng vô tuyến một cách thụ động và không khuếch đại và biến đổi tần số. Hầu
hết các vệ tinh thông tin hiện nay là vệ tinh tích cực. Vệ tinh sẽ thu tín hiệu từ trạm mặt

đất, (SES) biến đổi, khuếch đại và phát lại đến một hoặc nhiều trạm mặt đất khác.
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 (downlink). 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 công suất đủ lớn và phát trở về mặt đất.
Đường lên (Uplink): là tuyến phát từ trạm mặt đất lên vệ tinh. Điểm kết cuối
đường lên vệ tinh là anten thu (Receive Antenna - Uplink) vệ tinh, thu tín hiệu từ
trạm mặt đất phát lên (rất nhỏ cộng với tạp âm tích luỹ sau khi truyền qua không
gian dài khoảng 36.000 km) sau đó được bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA - Low
Noise Amplifier, có tạp âm nội rất thấp) khuếch đại tín hiệu (bao gồm cả tạp âm thu
được) lên mức cần thiết rồi đưa đến các bộ lọc (filter), tiếp theo đó tín hiệu được
làm cho yếu đi hoặc mạnh lên (Atten/Amp) tuỳ theo yêu cầu khai thác rồi đưa đến
hệ thống xử lý (Processing).


4
Đường xuống (Downlink): Tín hiệu đầu ra của hệ thống xử lý ( Processing) được
đưa đến bộ Atten/Amp để làm yếu đi hoặc mạnh lên tuỳ theo yêu cầu rồi đưa đến các
bộ lọc để lấy các tín hiệu mong muốn đưa đến bộ khuếch đại công suất lớn (High Power
Amplifier) rồi đưa ra anten phát (Transmit Antenna) phát tín hiệu xuống mặt đất.
Toàn bộ hệ thống suy hao, khuếch đại của đường lên và đường xuống cùng hệ
thống dịch tần được điều khiển và đưa đến hệ thống hệ thống xử lý (Processing).

1.2. Đặc điểm của thông tin vệ tinh
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 mặt đất. Vì trạm chuyển tiếp vệ tinh có
độ cao rất lớn nên thông tin vệ tinh có những ưu điểm:
- Cấu hình lại hệ thống mạng mặt đất đơn giản, nhanh chóng và giảm giá
thành so với các loại khác.
- Giá thành tuyến thông tin không phụ thuộc vào cự ly giữa hai trạm. Giá

thành như nhau khi truyền ở cự ly 5000 km và 100 km.
- Có khả năng thông tin quảng bá (điểm - đa điểm) cũng như thông tin nối
điểm. Một vệ tinh có thể phủ sóng cho một vùng rộng lớn trên mặt đất (vệ tinh địa
tĩnh ở búp sóng toàn cầu có vùng phủ sóng chiếm 1/3 bề mặt quả đất), như vậy một
trạm mặt đất có thể thông tin với nhiều trạm mặt đất khác trong vùng phủ sóng đó.
- Có khả năng băng thông rộng. Các bộ lặp trên vệ tinh thường là các thiết bị
có băng tần rộng, có thể thực hiện nhiều loại dịch vụ thông tin băng rộng cũng như
các dịch vụ khác. Độ rộng băng tần của mỗi bộ lặp (repeater) có thể lên đến hàng
chục megahertz. Mỗi bộ lặp có thể được sử dụng cho hai trạm mặt đất trong vùng
phủ sóng của vệ tinh.
- Ít chịu ảnh hưởng bởi địa hình của mặt đất. Do độ cao bay lớn nên thông tin
vệ tinh không bị ảnh hưởng bởi địa hình thiên nhiên như đồi núi, thành phố, sa mạc,
đại dương. Sóng vô tuyến chuyển tiếp qua vệ tinh có thể truyền tới các vùng xa xôi
hẻo lánh, hải đảo, bởi vậy thông tin vệ tinh là phương tiện thông tin tốt nhất cho các
vùng nông thôn và các vùng chưa phát triển. Thông tin vệ tinh có thể cung cấp các


5
loại dịch vụ phổ thông cho cả thành phố, nông thôn cũng như miền núi và hải đảo
(ví dụ: truyền hình, điện thoại dung lượng nhỏ). Thông tin vệ tinh đẩy nhanh sự
phát triển nền công nghiệp và các phương tiện xử lý số liệu ở nông thôn.
- Dịch vụ thông tin vệ tinh có băng tần rộng và có thể truyền tới bất kỳ nơi nào
trên thế giới đã 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
- 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. Trước khi có thông tin vệ tinh
(trước năm 1958), hầu hết các dịch vụ viễn thông quốc tế đều sử dụng sóng ngắn
phản xạ tầng điện ly. Thông tin này đã không đáp ứng được các yêu cầu do chất
lượng xấu, dung lượng thấp, băng tần hẹp, ngay cả khi công nghệ của loại hình viễn
thông này đạt tới mức giới hạn.

- 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 thông tin.

1.3. Băng tần thông tin vệ tinh
Thông tin vệ tinh là hệ thống thông tin có phương thức truyền dẫn vô tuyến,
bởi vậy việc lựa chọn và ấn định băng tần công tác cho các dịch vụ thông tin vệ tinh
là rất quan trọng. Nó phải thoả mãn hai điều kiện cơ bản:
- Không gây can nhiễu lên các hệ thống thông tin vô tuyến khác cũng như dịch
vụ thông tin vệ tinh trong mạng.
- Tổn hao truyền sóng nhỏ để giảm nhỏ kích thước và giá thành thiết bị.

Bảng 1.1: Quy định băng tần thông tin vệ tinh [1]


6

1.4. Phương pháp đa truy nhập trong thông tin vệ tinh
Thông tin vệ tinh là một hệ thống thông tin vô tuyến điểm đến đa điểm,
nghĩa là một vệ tinh có thể thông tin với nhiều trạm mặt đất, vì vậy phải sử dụng
phương pháp đa truy nhập để tiết kiệm tài nguyên. Trong thực tế, một bộ phát đáp
có thể phục vụ cùng một lúc nhiều trạm mặt đất khác nhau. Kỹ thuật đa truy nhập là
kỹ thuật các trạm mặt đất truy nhập bộ phát đáp vệ tinh, với yêu cẩu sóng vô tuyến
điện từ các trạm mặt đất riêng lẻ không can nhiễu với nhau.

1.4.1. Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)
Mỗi trạm mặt đất được ấn định cho một khoảng băng tần nhất định trong
băng tần quy định chung cho hệ thống.
Ưu điểm của FDMA là kỹ thuật đơn giản, độ tin cậy cao, giá thành hạ. Giữa
các trạm không cần sự đồng bộ. Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm:

- Thiếu tính mềm dẻo khi cần thay đổi dung lượng.
- Khi số truy nhập tăng do xuất hiện các sản phẩm nhiễu điều chế nên phải
giảm công suất phát của vệ tinh, nên không tận dụng được hết hiệu suất làm việc
của bộ khuếch đại.
- Phải điều khiển công suất phát của các trạm mặt đất công suất sóng mang
tại đầu vào vệ tinh là như nhau, để tránh hiệu ứng “bắt” (capture effect).

1.4.2. Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)
Phương pháp này mỗi trạm mặt đất được ấn định cho một “khe thời gian”
nhất định và trạm mặt đất chỉ được thu hoặc phát lưu lượng của trạm mình trong
“khe thời gian” quy định đó và được gọi là “cụm” (burst). Các “cụm” của một số
trạm mặt đất được sắp xếp lại trong một khoảng thời gian dài hơn gọi là khung
TDMA.
Đa truy nhập phân chia theo thời gian sử dụng hiệu quả hơn đối với độ rộng
băng tần và tận dụng được công suất của bộ khuếch đại công suất cao do mỗi khung
TDMA (hay một bộ phận đáp trên vệ tinh) chỉ có một sóng mang nên không có


7
nhiễu điều chế khi tầng khuếch đại công suất việc tại điểm bão hoà hay lân cận
điểm bão hoà và sẽ cho ra công suất cực đại.
Hệ thống TDMA có tính mềm dẻo trong việc thay đổi lưu lượng giữa các
trạm chỉ cần thay đổi độ rộng “cụm” của mỗi trạm mặt đất.
Nhưng TDMA yêu cầu về công nghệ trạm mặt đất phức tạp hơn FDMA, bởi
vậy giá thành sẽ đắt hơn vì phải có sự đồng bộ chính xác giữa các trạm và với vệ
tinh. Do vị trí vệ tinh luôn luôn thay đổi nên độ trễ của các trạm mặt đất là khác
nhau, làm cho việc đồng bộ trong mạng gặp nhiều khó khăn và phức tạp hơn nhiều
so với các hệ thống vi ba trên mặt đất.

1.4.3. Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA)

Trong thông tin vệ tinh bằng việc phủ sóng các vùng khác nhau trên mặt đất
và phương pháp sử dụng các phân cực sóng khác nhau thì với phổ tần giống nhau
có thể sử dụng lại vài lần mà can nhiễu bị hạn chế giữa các người sử dụng.
- Phân cực: có các loại phân cực thẳng đứng (VP) và phân cực nằm ngang
(HP). Phân cực tròn có phân cực tròn bên trái (LHCP) và phân cực tròn bên phải
(RHCP), có thể được phát đi cùng tần số từ vệ tinh nhưng với hai phân cực khác
nhau mà các trạm mặt đất thu đúng tín hiệu của trạm mình mà không bị can nhiễu
do sử dụng các anten thu có phân cực khác nhau.
- Vệ tinh với việc sử dụng các loại anten khác nhau có kích thước khác nhau,
có thể phủ sóng lên mặt đất với các vùng phủ sóng có diện tích và hình dạng khác
nhau. Có bốn dạng phủ sóng cơ bản đó là: phủ sóng toàn cầu, là vùng phủ sóng
rộng nhất mà vệ tinh có thể phủ được; phủ sóng bán cầu là phủ sóng một nửa bán
cầu phía đông và phía tây của quả đất; phủ sóng khu vực là vùng phủ sóng một khu
vực khá lớn như bắc Mỹ, châu Âu hoặc Đông nam á và vùng phủ sóng “đốm” là
vùng phủ sóng với diện tích nhỏ nhất so với ba vùng trên.

1.4.4. Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA )
Làm việc theo nguyên lý trải phổ tín hiệu phát rộng hơn nhiều so với độ rộng
thực tế. Chuỗi mã dùng để trải phổ tạo thành “ký hiệu” riêng của máy phát. Máy thu


8
khôi phục lại thông tin hữu ích bằng việc khôi phục lại sóng mang phát ở độ rộng
băng ban đầu. Hoạt động này đồng thời trải phổ của những người sử dụng khác
cũng như sự xuất hiện tạp âm mật độ phổ thấp làm cho tạp âm và can nhiễu ở hệ
thống CDMA rất ít.
Có hai công nghệ được sử dụng ở CDMA là phát trải phổ trực tiếp (DS) và
phát trải phổ nhảy tần (FH).
Trong CDMA mỗi trạm phát sử dụng một mã giả ngẫu nhiên duy nhất để trải
phổ tín hiệu phát. Phía thu mỗi trạm mặt đất thu trong mạng phải có mã tạp âm giả

ngẫu nhiên (PN) giống hệt nhau để khôi phục lại và chọn ra thông tin. Những mạng
khác có thể làm việc đồng thời trong cùng phổ tần nhưng với mã khác nhau thì sẽ
không gây can nhiễu. Đa truy nhập phân chia theo mã có các ưu điểm:
- Đơn giản vì không yêu cầu đồng bộ giữa các trạm
- Bảo mật, ít can nhiễu, có khả năng làm việc với C/N rất thấp.
- Sử dụng ít tần số, giá thành các trạm mặt đất thấp.

1.5. Phân hệ thông tin vệ tinh
Trong hệ thống thông tin vệ tinh, vệ tinh đóng vai trò 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. Ngoài phân hệ thông tin còn có những phân hệ
phụ trợ khác để đo lường, điều khiển, giám sát từ xa v.v….
Chức năng của một vệ tinh thông tin là thu tín hiệu cao tần (RF) từ mặt đất
khuếch đại chúng và sau đó phát trở lại mặt đất. Trên hình chỉ cho ta thấy các bộ
khuếch đại tín hiệu của phân hệ thông tin và các phân hệ khác phụ trợ cho phân hệ
thông tin như thế nào, và các giá trị điển hình của công suất RF cho trước. Anten
thu tín hiệu gồm có một mặt phản xạ (gọi là gương) và một bộ tiếp sóng. Tín hiệu
thu là 10-10 W. Máy thu khuếch đại tín hiệu lên 104 w. Nó cũng có bộ biến đổi hạ
tần, biến đổi tần số thu 6 GHz xuống tần số 4 GHz để phát (nếu công tác ở băng C).


9

Hình 1.2: Phân hệ thông tin của vệ tinh
Trong nhiều vệ tinh tín hiệu đi qua các chuyển mạch, các bộ suy hao, và các
bộ ghép kênh. Sau đó bộ khuếch đại tăng công suất thực tế lên. Cuối cùng tín hiệu
đến anten phát để bức xạ theo hướng mặt đất.
Các chức năng chính của phân hệ thông tin là:

- Thu các tín hiệu vô tuyến ở băng tần và phân cực cho trước của các trạm mặt
đất trong mạng có liên quan. Các trạm này phải nằm trong vùng phủ sóng của vệ
tinh với một góc quy định, góc này phụ thuộc độ rộng búp sóng anten.
- Loại bỏ can nhiễu
- Khuếch đại các tần số thu được và hạn chế tạp âm và nhiễu loạn càng nhiều
càng tốt. Mức tín hiệu mà anten thu nhận được chỉ vài chục picowat (pW).
- Biến đổi tần số sóng mang thu ở đường lên thành tần số phát trở lại mặt đất ở
đường xuống. Thường tần số thu đường lên lớn hơn tần số phát đường xuống. Ví dụ
băng C thu 6 GHz, phát 4 GHz, còn băng Ku là 14 GHz và 11 GHz.
- Bảo đảm mức công suất phát xuống trong băng tần quy định từ anten phát
trong khoảng vài chục đến vài trăm Wat.
- Phát tín hiệu vô tuyến trong băng tần và loại phân cực đã cho xuống vùng
phủ sóng yêu cầu trên mặt đất.


CHƯƠNG 2. TRẠM MẶT ĐẤT TRONG THÔNG
TIN VỆ TINH
2.1. Tổng quan trạm mặt đất
Phân đoạn mặt đất bao gồm toàn bộ hệ thống trạm thu – phát mặt đất. Khi
muốn thiết lập đường liên lạc với 2 điểm trực tiếp với nhau trên Trái Đất thông qua
trạm chuyển tiếp vệ tinh thông tin người ta phải thiết lập 2 trạm trên mặt đất. Do đó
có tên gọi là trạm mặt đất thông tin vệ tinh (SE) làm chức năng phát tín hiệu lên vệ
tinh và thu tín hiệu từ vệ tinh về - thực hiện kết nối vệ tinh thông tin với các mạng
vệ tinh mặt đất. Các trạm này thường nối với các mạng thông tin nội địa mặt đất để
cung cấp các dịch vụ cho người sử dụng hoặc có thể trực tiếp cung cấp các dịch vụ
cho người sử dụng.
Một trạm mặt đất bao gồm: thiết bị thông tin, thiết bị truyền dẫn mặt đất,
thiết bị cung cấp nguồn và hệ thống TT&C vệ tinh. Thiết bị thông tin trong trạm
mặt đất như: anten, thiết bị thu và phát sóng siêu cao tần, các bộ biến đổi tần tuyến
lên và tuyến xuống, hệ thống xử lý tín hiệu, hệ thống thiết bị băng tần cơ bản, hệ

thống bám vệ tinh…

Hình 2.3: Cấu hình trạm mặt đất [1]


2.2. Anten trạm mặt đất
2.2.1. Các loại anten trạm mặt đất
Có nhiều loại anten khác nhau có thể sử dụng ở trạm mặt đất. Tuỳ theo tiêu
chuẩn từng loại trạm mà đường kính của anten thu – phát trạm mặt đất thông
thường có đường kính từ 0.6 ÷ 30 m.

2.2.1.1 Anten Parabol có sơ cấp đặt tại tiêu điểm

Hình 2.4: Anten phản xạ parabol [1]
Đây là loại anten có cấu trúc đơn giản nhất và giá thành thấp nhất, nó được
dùng chủ yếu cho các trạm chỉ thu và các trạm nhỏ đặc biệt với dung lượng thấp.
Tuy nhiên, các đặc tính của nó như hệ số tăng ích, búp sóng phụ không được tốt.
Một nhược điểm nữa là cáp đấu nối từ loa thu đến máy phát và máy thu thường dài.
Bởi vậy nó không được sử dụng ở các trạm mặt đất thông thường.

2.2.1.2. Anten Cassegrain

Hình 2.5: Cấu hình gương Cassegrain [1]