Cân bằng công suất băng thông trong thông tin vệ tinh

1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Hoàng Vân

CÂN BẰNG CÔNG SUẤT – BĂNG THÔNG TRONG
THÔNG TIN VỆ TINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2010


2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Hoàng Vân

CÂN BẰNG CÔNG SUẤT – BĂNG THÔNG TRONG
THÔNG TIN VỆ TINH

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 70
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. Bạch Gia Dương

Hà Nội - 2010

3

MỤC LỤC
Mục lục
Danh mục hình vẽ, đồ thị


Danh mục các ký tự viết tắt
Mở đầu
Chƣơng 1. Tổng quan về thông tin vệ tinh
1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin vệ tinh
1.2. Đặc điểm của thông tin vệ tinh
1.3 Một số vấn đề liên quan đến thông tin vệ tinh
1.3.1. Quỹ đạo
1.3.2. Tần số trong thông tin vệ tinh
1.3.3. Phân cực sóng
1.4. Hệ thống thông tin vệ tinh
1.5 Suy hao, tạp âm trong hệ thống thông tin vệ tinh
1.5.1. Các nguồn tạp âm
1.5.2 Các loại suy hao
1.6. Các phương pháp đa truy nhập trong thông tin vệ tinh
1.6.1. Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA
1.6.2. Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA
1.6.3. Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA
Chƣơng 2. Truyền dẫn số trong thông tin vệ tinh
2.1 Ảnh hường của thiết bị trạm mặt đất đến tín hiệu số
2.1.1 Bộ khuếch đại công suất

2.1.2 Bộ khuếch đại tạp âm thấp
2.1.3 Bộ chuyển đổi tần số
2.2 Kỹ thuật điều chế và giải điều chế tín hiệu
2.2.1. Giới thiệu
2.2.2. Kỹ thuật điều chế tần số (FM)
2.2.3. Kỹ thuật giải điều chế sóng mang điều tần (FM)
2.2.4. Điều chế số
2.2.5. Kỹ thuật giải điều chế sóng mang PSK
2.3 Truyền dẫn tín hiệu số trên kênh thực tế
2.3.1 Khái niệm ISI


2.3.2. Các đặc tính lọc nhằm truyền dẫn không có ISI
2.3.3. Phân phối đặc tính lọc
2.3.4
2.4. Méo tuyến tính
2.5 Méo phi tuyến
2.5.1
2.5.2
2.5.3. Điểm nén 1 dB
2.5.4
2.5.5
2.5.6
2.6 Mã hóa kênh
2.6.1
2.6.2
2.6.3
2.6.4
2.6.5
2.6.6

2.7 Tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến băng thông
Chƣơng 3. Các hệ thức tuyến và cân bằng công suất – băng thông
3.1. Các mối quan hệ trong hệ thức tuyến
3.1.1. Đơn vị đo lường
3.1.2. Quan hệ sóng mang – nhiễu

Ảnh hưởng của bộ

Các hiện tượng ph
Hài (Harmonic)

Điểm chặn bậc 3 Ảnh hưởng của IM
Một số phương ph

Các phương pháp
Mã khối
Mã chập
Giải mã mã chập
Mã Turbo
Đánh giá các loại


5
3.1.3. Hệ thức tuyến
3.2.
Hệ số tăng ích Anten (G-Gain)
3.3.
Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP)
3.4.
Suy hao đường truyền

3.4.1. Suy hao trong không gian tự do
3.4.2. Khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh
3.5.
Nhiệt tạp âm
3.6.
Nhiệt tạp âm của Anten
3.6.1. Anten vệ tinh (tuyến lên)
3.6.2. Anten trạm mặt đất (tuyến xuống)
3.7.
Nhiệt tạp âm của hệ thống
3.8.
Hệ số phẩm chất (G/T)
3.9.
Tỷ số sóng mang trên tạp âm (C/N)
3.10. Tổng tỷ số sóng mang trên tạp âm (C/TT)
3.11. Bộ phát đáp vệ tinh
3.11.1. Điểm hoạt động của bộ phát đáp
3.11.2. EIRP hoạt động của bộ phát đáp
Chƣơng 4. Tính toán công suất tuyến
4.1 Mục đích của cân bằng công suất – băng thông
4.2 Tính toán thực tế
Chƣơng 5. Thực nghiệm
5.1.
Giới thiệu công nghệ mạch dải
5.2.
Ma trận tán xạ
5.3.
Thiết kế và mô phỏng bộ khuếch đại dùng JFET
Kết luận
Tài liệu tham khảo

6

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình vẽ
Hình 1.1: Truyền dẫn bằng vệ tinh
Hình 1.2: Các dạng quỹ đạo của vệ tinh
Hình 1.3: Quỹ đạo vệ tinh
Hình 1.4: Cửa sổ tần số
Hình 1.5: Các thành phần của một hệ thống vệ tinh thông tin
Hình 1.6: Các bộ phận của trạm mặt đất
Hình 1.7: Đa truy nhập theo tần số: FDMA
Hình 1.8: Hoạt động của mạng theo nguyên lý TDMA
Hình 1.9: Cấu trúc khung TDMA theo tiêu chuẩn INTELSAT
Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát của hệ thống truyền dẫn
Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống thông tin vệ tinh
Hình 2.3: Đặc tính không tuyến tính của bộ khuếch đại công suất
Hình 2.4: Nguyên lý bộ trộn
Hình 2.5: Bộ chuyển đổi đơn tần số lên
Hình 2.6: Nguyên lý của một bộ điều chế số
Hình 2.7: Mô hình hệ thống băng gốc với các tín hiệu xung PAM
Hình 2.8: Hình thành bộ lọc cosine nâng
Hình 2.9: Đáp ứng xung của bộ lọc cosine nâng
Hình 2.10: Đáp ứng xung của bộ lọc cosine nâng với 1 số giá trị của ∝
Hình 2.11: Điểm nén 1dB
Hình 2.12: Gây méo tín hiệu bởi IM3
Hình 2.13: Xác định IP3 bằng đồ thị
Hình 2.14: Mối liên hệ giữa IP3 và IM3
Hình 2.15: Tổng quan các phương pháp điều khiển lỗi

Hình 2.16: Sơ đồ khối của mã Turbo
Hình 4.1: Sơ đồ tính toán đường truyền cho kênh thông tin
Hình 5.1. Các loại vi mạch dải
Hình 5.2: Sơ đồ nguyên lý
Hình 5.3: Cấu trúc nhánh 1
Hình 5.4: Kết quả mô phỏng tham số S11
Hình 5.5: Kết quả mô phỏng tham số S21
Hình 5.6: Kết quả mô phỏng tham số S22
Hình 5.7: Kết quả mô phỏng hệ số sóng đứng tương ứng S11
Hình 5.8: Kết quả mô phỏng hệ số sóng đứng tương ứng S22
Hình 5.9: Cấu trúc nhánh 2
Hình 5.10. Bộ khuếch đại cao tần dùng JFET
Hình 5.11: Đo đạc các tham số bằng máy phân tích mạng
Hình 5.12: Kết quả đo đạc tham số S11
Hình 5.13: Kết quả đo đạc tham số S21


7

DANH MỤC CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT
Ký tự viết tắt
ARQ
ATDE
AWGN
BB
BER
BPSK
C/N
CCIR
CDMA

D/C
DEM
DE-PSK
DE-QPSK
DTH
EIRP
FDMA
FECC
FET
HF
HPA
IBO
IBPD
IM


IP3
ISI
ITU
JFET
KPA
LNA
MOD
OBO
OFDM
PAM
PCB
PCM
PSK
QAM

QPSK
QSA
S/N
SDMA
SHF
SSPA
TDM
TDMA
TWTA
U/C
VHF
XPD

T
In
In
Te
Ju
tr
K
L
M
O
O
di
P
P
P
P
Q

m
Q
K
Q
Si
S
ac
S
S
T
T
T
A
U
V
X


9

MỞ ĐẦU
Ngày nay, thông tin vệ tinh đã trở thành một dịch vụ phổ thông trên toàn
thế giới với các vệ tinh đĩa tĩnh của nhiều hệ thống, đặc biệt là 2 hệ thống
Intelsat và Intersputnyk đã cung cấp hàng triệu kênh thoại, truyền hình, số liệu…
kết nối hàng trăm quốc gia khác nhau. Ngoài ra các vệ tinh khu vực như: Eusat,
Asiasat, Palapa… cung cấp các dịch vụ thoại cố định, phát thanh truyền


10
hình, truyền số liệu, đảm bảo thông tin dẫn đường cho hàng không, cứu hộ hàng

hải, thăm dò tài nguyên, đào tạo từ xa… đã đưa thông tin vệ tinh trở thành loại
hình có thể cung cấp đa dạng nhiều loại dịch vụ nhất hiện nay.
Năm 2008, vệ tinh đầu tiên của Việt Nam – Vinasat đã được đưa vào hoạt
động, phục vụ mục đích thiết lập đường truyền dẫn quốc tế và xây dựng các
mạng VSAT nội hạt.
Trong bài toán xây dựng một hệ thống thông tin vệ tinh, khách hàng cần
thuê đường truyền thường dựa trên cơ sở nhu cầu về dung lượng thực tế (Bps)
với các điều kiện về chất lượng dịch vụ, còn các nhà cung cấp đường truyền vệ
tinh sẽ quy về băng thông (Hz) và công suất tương ứng. Họ sẽ phải tính toán để
đảm bảo tỷ lệ băng thông cho thuê trên mỗi transponder cân bằng với công suất
bỏ ra tương ứng. Do phải trả tiền cho nhà cung cấp đường truyền về băng thông
nên khách hàng sẽ có xu hướng sử dụng các thiết bị nâng cao khả năng tối ưu
băng thông để tiết kiệm chi phí. Điều này sẽ đẩy các nhà cung cấp đường truyền
vào bài toán cân bằng công suất để đạt được hiệu quả khai thác vệ tinh tốt nhất.
Thực tế với sự phát triển công nghệ ngày nay thì các thiết bị trạm mặt đất
được đổi mới và phát triển liên tục, còn vệ tinh phải chấp nhận “nằm im” trong
suốt thời gian sống của nó trên không gian (15 năm). Vì vậy, cán cân công suất
– băng thông đang ngày càng nghiêng về sự tiêu tốn của công suất, băng thông
ngày càng tối ưu.
Đối với các vệ tinh thế hệ cũ, vấn đề đảm bảo công suất là rất khó khăn và
tốn kém. Nhà cung cấp đường truyền thường xuyên phải đối mặt với việc giới
hạn công suất, đặc biệt cho các vùng có suy hao lớn do mưa và các suy hao bức
xạ khác. Vì vậy, bài toán cân bằng công suất – băng thông là hết sức thiết thực
đối với cả nhà cung cấp đường truyền và khách hàng.
Các vệ tinh thế hệ mới - do công nghệ chế tạo ngày càng phát triển – đã có thể
giảm khối lượng các bộ khuếch đại và điều khiển công suất đủ lớn theo yêu cầu,
sẵn sàng phục vụ ở các miền tần số cao như dải tần Ka. Tuy nhiên, số lượng vệ
tinh ngày càng gia tăng, mật độ vệ tinh trên quỹ đạo ngày càng dày đặc nên để
tránh can nhiễu giữa các hệ thống, ITU cũng ra các quy định về giới hạn công
suất phát cho mỗi transponder. Chính vì vậy, việc tăng công suất phát vẫn là vấn

đề cần hết sức cân nhắc và bài toán cân bằng công suất – băng thông vẫn rất có ý
nghĩa về thực tế, kinh tế.
Vì vậy, mục đích của luận văn này là phân tích các yếu tố tác động đến tín
hiệu, một số biện pháp để khắc phục, nâng cao chất lượng và những ảnh hưởng
của các biện pháp đó đến băng thông. Đồng thời cũng phân tích quá trình tính


11
toán quỹ công suất để đạt được trạng thái cân bằng với băng thông chiếm dụng
trên transponder. Trong luận văn cũng đưa ra ví dụ tính toán tuyến để chỉ ra việc
cân băng này và nghiên cứu thực nghiệm thiết kế một bộ khuếch đại băng tần C
tại tần số 5.5Ghz sử dụng công nghệ mạch dải siêu cao tần.
Luận văn gồm 5 chương:
Chƣơng 1. Tổng quan về thông tin vệ tinh: Trình bày các đặc điểm, cấu trúc
của hệ thống thông tin vệ tinh. Các vấn đề về tần số, quỹ đạo, phân cực, suy hao,
nhiễu. Chương 1 cũng phân tích sơ lược về vấn đề đa truy nhập trong thông tin
vệ tinh.
Chƣơng 2. Truyền dẫn số trong thông tin vệ tinh: Phân tích sự ảnh hưởng
của các thiết bị trong hệ thống trạm mặt đất đến tín hiệu số. Các yếu tố gây méo
trong truyền dẫn vô tuyến: méo tuyến tính và méo phi tuyến tương ứng các yếu
tố ảnh hưởng đến băng thông: bộ lọc cosine nâng để chống ISI, bộ lọc mask để
chống IM3. Chương 2 cũng trình bày một số loại mã hóa sử dụng trong thông tin
vệ tinh và tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến băng thông tín hiệu.
Chƣơng 3. Các hệ thức tuyến và cân bằng công suất – băng thông: Trình
bày các công thức tính toán tham số cho một tuyến thông tin vệ tinh.
Chƣơng 4. Tính toán công suất tuyến: Tính toán thiết lập đường truyền từ
một trạm mặt đất Hà nội đến trạm đầu cuối Hồ chí Minh qua vệ tinh Vinasat.
Chƣơng 5: Thực nghiệm: Trên cơ sở nghiên cứu băng tần C, thiết kế thử
nghiệm một bộ khuếch đại siêu cao tần sử dụng JFET có ý nghĩa quan trọng
trong việc làm chủ kênh truyền với công suất phát cho trước.

Vấn đề cân bằng công suất-băng thông không phải là vấn đề mới trong kỹ thuật.
Tuy nhiên, trong thương mại, các khách hàng nhiều khi không đánh giá đúng
tầm quan trọng của nó để có thể lựa chọn cấu hình phù hợp với yêu cầu của
mình. Có thể vì mục tiêu lợi nhuận bằng cách tối giản chi phí thuê băng thông sẽ
dẫn đến suy giảm chất lượng nếu nhà cung cấp đường truyền vệ tinh không thể
đáp ứng về công suất. Các tài liệu hiện nay cũng không phân tích sâu và có hệ
thống về vấn đề này. Vì vậy, luận văn trình bày không tránh khỏi thiếu sót. Rất
mong nhận được sự góp ý của các thầy cô và các bạn.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp và PGS.TS Bạch Gia
Dương đã giành nhiều thời gian giúp đỡ, tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá
trình thực hiện đề tài này.


12

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH


13
Tháng 10 - 1957: Liên Xô phóng thành công vệ tinh nhân tạo đầu tiên
Sputnik-1vào quỹ đạo quanh trái đất. .
- Năm 1958: Bản tin chúc mừng giáng sinh của tổng thống Mỹ Eisenhower lần
đầu tiên được phát quảng bá qua vệ tinh có tên là Score (Signal Communication
by Orbitdio Equipment)
- Năm 1960 - 1962: Một loạt các Vệ tinh như: ECHO, CURIER, TELSTAR,
RELAY đã được phóng lên quỹ đạo có độ cao thấp (1000-8000 km).

Lúc đầu, vệ tinh đưa vào sử dụng thuộc loại vệ tinh di chuyển so với mặt đất. Vệ
tinh này có nhược điểm cơ bản là thời gian phủ sóng cho một trạm mặt đất ngắn,
nó chỉ có thể thu, phát thông tin tối đa trong 4 giờ/ ngày và không liên tục.
Để khắc phục nhược điểm này, người ta đưa vào sử dụng quỹ đạo địa tĩnh ở độ
cao 36.000 km, cho phép vệ tinh duy trì vị trí cố định so với trái đất để thu tín
hiệu một cách liên tục.
- Năm 1963: Vệ tinh địa tĩnh đầu tiên Syncom bay ở độ cao 36.000 km đã
truyền hình thế vận hội Olympic Tokyo từ Nhật sang Mỹ.
- Năm 1964: Tổ chức quốc tế về thông tin vệ tinh ra đời, ban đầu có 19 thành
viên có tên là Intelsat. Đến năm 1994, số nước thành viên của Intelsat lên đến
133 nước , trong đó có Việt Nam.
- Năm 1971: thành lập tổ chức thông tin vệ tinh quốc tế mang tên
INTERSPUTNIK tại Liên Xô. Đến năm 1991 đã có trên 40 quốc gia tham gia.
- Năm 1979, thành lập tổ chức thông tin hàng hải quốc tê qua vệ tinh
INMARSAT có trụ sở lại Anh, chuyên cung cấp dịch vụ thông tin vệ tinh
thương mại hàng hải.
Ngày nay, các công ty vệ tinh đã và đang phát triển rất mạnh như Intelsat,
Inmarsat, Panamsat, Asiasat, Eurostar, Loral Skynet,…
-

1.2. ĐẶC ĐIỂM CỦA THÔNG TIN VỆ TINH
Thông tin liên lạc nhờ chuyển tiếp qua vệ tinh, môi trường truyền sóng là không
gian nó có các đặc điểm chính như:
 Vùng phủ sóng lớn: Một vệ tinh có thể phủ sóng được một vùng rộng lớn, có
nhiều phương thức phủ sóng có thể được sử dụng phù hợp với từng loại hình
dịch vụ. Nếu sử dụng vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh có bán kính cách trái đất trung


14
bình khoảng 36.000Km thì một vệ tinh có thể nhìn thấy 1/3 trái đất, như vậy chỉ

với 3 vệ tinh có thể phủ sóng toàn cầu trừ vùng cực.
 Dung lượng vệ tinh lớn: Với băng tần công tác rộng, nhờ áp dụng các kỹ thuật
sử dụng lại băng tần nên hệ thống thông tin vệ tinh cho phép đạt tới dung lượng
lớn trong một thời gian ngắn.

Hình 1.1: Truyền dẫn bằng vệ tinh
(a): Điểm – điểm, (b): Đa điểm
 Độ tin cậy thông tin cao: Tuyến thông tin vệ tinh chỉ có 3 trạm trong đó vệ tinh
chỉ đóng vai trò trạm lặp còn 2 trạm đầu cuối trên mặt đất do đó xác suất hư
hỏng trên tuyến là rất thấp, độ tin cậy trung bình đạt 99,9% thời gian thông tin
trong một năm, ngày nay người ta nâng cao chất lượng để đạt 99,99%.
 Chất lượng thông tin cao: Đường thông tin có chất lượng cao do các ảnh
hưởng nhiễu của khí quyển và Fading là không đáng kể. Tỷ lệ lỗi bit có thể đạt
10-9.
 Tính linh hoạt của hệ thống thông tin vệ tinh cao: Hệ thống thông tin được
thiết lập nhanh chóng trong điều kiện các trạm mặt đất ở rất xa nhau về mặt địa
lý, dung lượng của nó có thể thay đổi rất linh hoạt tuỳ theo nhu cầu sử dụng.
 Các loại hình dịch vụ mà hệ thống Thông tin vệ tinh có thể phục vụ là rất đa
dạng như:
- Dịch vụ thoại, truyền số liệu, Fax, telex...
- Dịch vụ phát thanh, truyền hình quảng
bá. - Dịch vụ thông tin di động qua vệ tinh.
- Dịch vụ DAMA, VSAT, cứu hộ, định vị...


15
1.3 MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN THÔNG TIN VỆ TINH
1.3.1. Quỹ đạo
Các quy luật cơ bản sau đây chi phối qũy đạo bay của Vệ Tinh xung quanh quả
đất:

1. Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton: Lực hấp dẫn và lực ly tâm của
một vật thể cân bằng nhau thì vật thể đó sẽ chuyển động tròn xung quanh
quả đất với vận tốc không đổi .
2. Định luật thứ nhất của Kepler: Vệ tinh chuyển động vòng quanh quả đất
theo một quỹ đạo hình Elip (hoặc quỹ đạo tròn khi bán trục lớn bằng bán
trục bé) với tâm của quả đất trùng với một trong hai tiêu điểm của hình
Elip đó.
3. Định luật thứ hai của Kepler: Một vật chuyển động theo quỹ đạo Elip có
vận tốc giảm khi bán kính quỹ đạo tăng lên và có vận tốc tăng lên khi bán
kính quỹ đạo giảm. Một vật chuyển động theo quỹ đạo tròn sẽ có vận tốc
không thay đổi trong toàn quỹ đạo.
4. Định luật thứ 3 của Kepler: Bình phương chu kỳ quỹ đạo thì tỷ lệ với lập
phương của bán kính quỹ đạo.
Quỹ đạo vệ tinh là dạng đường mà Vệ Tinh chuyển động xung quanh quả đất.
Có hai dạng Quỹ đạo là quỹ đạo Elip và quỹ đạo tròn.
- Quỹ đạo Elip chỉ có dạng quỹ đạo Elip cao (HEO), độ nghiêng của mặt phẳng
quỹ đạo so với mặt phẳng xích đạo là 65 0, cận điểm là 1000 km và viễn điểm là
39.400km, chu kỳ quỹ đạo là 11 giờ 58 phút.
- Dạng quỹ đạo tròn có thể có ba loại: Quỹ đạo thấp (LEO), quỹ đạo trung bình
(MEO), Quỹ đạo cao (HEO) hay quỹ đạo đồng bộ khi vệ tinh bay ở độ cao
35.786 km, lúc đó chu kỳ bay của vệ tinh bằng chu kỳ tự quay của quả đất bằng
23 giờ 56 phút 04 giây.
Trong quỹ đạo tròn lại có thể chia ra:
+ Quỹ đạo cực tròn : Mặt phẳng quỹ đạo vuông góc với mặt phẳng xích đạo,
nghĩa là mỗi vòng bay của Vệ Tinh sẽ đi qua hai cực quả đất.
+ Quỹ đạo tròn nghiêng : Khi mặt phẳng quỹ đạo nghiêng một góc nào đó so với
mặt phẳng xích đạo.
+ Quỹ đạo xích đạo tròn : Khi mặt phẳng quỹ đạo trùng với mặt phẳng xích đạo
. Trong quỹ đạo xích đạo tròn nếu chiều bay vệ tinh cùng chiều với chiều quay

16
quả đất và có chu kỳ bằng chu kỳ quay của quả đất gọi là quỹ đạo địa tĩnh
( GEO).
Quỹ đạo cực tròn

Quỹ đạo elip nghiêng

Quỹ đạo xích đạo tròn

Hình 1.2: Các dạng quỹ đạo của vệ tinh.
Đây là dạng quỹ đạo mà vệ tinh có tốc độ bay gần bằng tốc độ thiên văn của
quả đất và được đặt ở độ cao xấp xỉ 36.000Km. ở độ cao này các lực tương tác
lên vệ tinh bù trừ cho nhau nên vệ tinh được coi là đứng yên so với trái đất khi
quan sát từ một vị trí cố định trên mặt đất. Dạng này rất thích hợp cho các vệ
tinh thông tin. Nó có các đặc điểm sau:
- Tốc độ bay trung bình của vệ tinh: 23 giờ, 56 phút, 04,09054 giây.
- Độ cao của vệ tinh 35.786,04Km được tính từ vệ tinh đến điểm chiếu thẳng
dưới vệ tinh trên xích đạo.
- Bán kính của quỹ đạo vệ tinh: 42.164,20Km là khoảng cách từ tâm của quỹ
đạo vệ tinh đến chu vi của nó.
- Chiều quay vệ tinh cùng chiều quay theo trục Bắc-Nam của quả đất.
- Tốc độ vệ tinh trên quỹ đạo : 3, 074662Km/giây
Độ dài của cung 1o: 735,904Km là chiều dài của cung tròn trên quỹ đạo vệ
tinh khi có góc ở tâm là 1o.
- Thời gian trễ của đường truyền sóng hơn 270ms, là thời gian trung bình để
truyền sóng vô tuyến từ một trạm mặt đất qua vệ tinh địa tĩnh đến trạm mặt đất
khác.
Từ một vị trí trong không gian vệ tinh địa tĩnh có thể phủ sóng được khoảng
42% bề mặt quả đất. Vì vậy chỉ cần có 3 vệ tinh đặt ở 3 vị trí cách đều nhau là

có thể phủ sóng toàn bộ bề mặt quả đất.
-

S1


17

Hình 1.3: Quỹ đạo địa tĩnh
Mặt phẳng của quỹ đạo trùng mặt phẳng xích đạo, cho nên tên của vệ tinh địa
tĩnh nói chung thường lấy tên của kinh độ trực tiếp ở dưới vị trí điạ tĩnh của vệ
tinh. Khoảng cách các vệ tinh thường là 3 o đối với các vệ tinh thông tin quốc tế
và thường là 1o đối với các vệ tinh thông tin nội địa.
1.3.2. Tần số trong thông tin vệ tinh
a. Môi trƣờng truyền sóng
Trong thông tin vệ tinh môi trường để truyền lan năng lượng điện từ là vùng khí
quyển bao quanh trái đất và vùng không gian tự do. Vùng khí quyển bao quanh
trái đất là một hỗn hợp các chất khí, bụi và hơi nước. Nó phụ thuộc vào các điều
kiện khí tượng, thời tiết và cường độ bức xạ mặt trời ảnh hưởng đến chất lượng
và độ tin cậy khi truyền lan sóng điện từ trong khí quyển khi các yếu tố này thay
đổi. Vùng khí quyển có thể chia thành 3 tầng:
+Tầng điện ly.
+Tầng bình lưu.
+Tầng đối lưu.
- Tầng đối lưu rải từ mặt đất đến độ cao khoảng 10Km.
- Tầng bình lưu có độ cao từ giới hạn trên của tầng đối lưu đến khoảng 35Km.
- Tầng điện ly là tầng trên cùng có giới hạn đến 400Km. Tầng này có mật độ khí
quyển loãng dần, nhưng bức xạ mặt trời lại mạnh dần khi độ cao tăng. Do đó
mật độ điện tử và ion sẽ đạt giá trị cực đại ở độ cao trung bình, tại đó mật độ khí
quyển đủ lớn và cường độ bức xạ đủ mạnh.

Ban ngày tầng điện ly chia thành 3 lớp tính từ dưới lên được đặt tên là lớp
D, E và F, trong đó lớp F lại được chia thành lớp F1 (lớp dưới) và F2 (lớp trên):
Sự phân chia này chỉ mang tính chất tương đối vì nó luôn được thay đổi tuỳ theo
vị trí của mặt trời. Vào lúc giữa trưa bức xạ chiếu thẳng vào tầng điện ly, kết quả
là ion hóa cực đại. Vào ban đêm bức xạ và ion hoá cực tiểu bởi vì các lớp điện


18
tử tái hợp lại với các ion dương, do đó các lớp D, E biến mất, lớp F1 và F2 kết
hợp lại thành lớp F.
Ngoài ra, chu kỳ hoạt động của mặt trời, bão mặt trời, sao băng, bức xạ vũ
trụ và mùa trong năm cũng ảnh hưởng đến tầng điện ly.
b. Băng tần thông tin vệ tinh
Khi chọn băng tần cho thông tin vệ tinh người ta thường phải cân nhắc
các yếu tố: can nhiễu, băng tần, các tham số đường truyền và công nghệ thiết bị
sử dụng trong hệ thống... Các tần số lý tưởng đối với thông tin vệ tinh nằm trong
cửa sổ tần số. Tuy nhiên băng tần sử dụng yêu cầu rất rộng không thể chứa đủ
trong khoảng tần số của cửa sổ tần số. Do đó phải sử dụng các băng tần mới
nhưng phải thăm dò cẩn thận. Chính vì vậy, hiện nay thông tin vệ tinh sử dụng
các băng tần sau:
Tên băng tần
Băng L+ UHF
Băng S
Băng C
Băng X
Băng Ku
Băng Ka
Trong đó các băng tần C, Ku và Ka đang được sử dụng rộng rãi.
- Băng C: Nằm trong cửa sổ tần số ít suy hao do mưa, được sử dụng chung cho
hệ thống Intelsat và các hệ thống khác như hệ thống vệ tinh khu vực và nhiều hệ

thống vệ tinh nội địa.
Băng Ku : Băng này được sử dụng rộng rãi sau băng C cho viễn thông công
cộng. Nó được dùng nhiều cho thông tin nội địa và thông tin giữa các công ty do
tần số cao nên cho phép sử dụng được những anten loại nhỏ và sử dụng cho
truyền hình trực tiếp đến hộ gia đình (DTH – Direct to home)
-

Băng Ka: Được sử dụng cho thông tin thương mại, đa dịch vụ. Tuy nhiên nó sẽ
bị suy hao lớn do mưa nên thiết bị có giá thành cao để khắc phục suy hao.
Hiện nay các vệ tinh thông tin đang được sử dụng có băng thông
500MHz, nó được chia ra các băng nhỏ hơn như 36 hoặc 72 MHz, tương ứng
băng thông của một bộ phát đáp (Transponder). Tuy có độ rộng 500MHz nhng
nó rất hạn chế việc tăng dung lượng, vì vậy việc tăng độ rộng băng là cần thiết.
-


19
Các kỹ thuật sử dụng lại băng tần cho phép nâng giá trị hiệu dụng của nó lên
2590MHz bằng một phương pháp sau:
- Tái sử dụng tần số bằng cách phân biệt các chùm tia phát xạ từ anten. Các
băng tần giống nhau được phát đi bằng các anten trên vệ tinh dùng các bộ phát
đáp khác nhau có chùm tia thu và chùm tia phát không trùng nhau.
- Tái sử dụng tần số bằng cách chọn phân cực: Các băng tần giống nhau được
phát xạ do các anten thông qua các bộ phận phát đáp khác nhau sử dụng phân
cực trực giao của các sóng điện từ.
- Sử dụng các phương pháp đa truy nhập theo thời gian (TDMA) và đa truy
nhập theo mã (CDMA).
Việc phân định tần số được thực hiện theo điều lệ vô tuyến ở mỗi khu vực của
ITU. Gồm 3 khu vực:
- Khu vực 1: châu Âu, châu Phi, Liên xô cũ và các nước Đông Âu.

- Khu vực 2: Các nước Bắc và Nam Mỹ
- Khu vực 3: châu Á và châu Đại dương
Sự phản xạ và truyền lan sóng điện từ trên mặt đất và khi qua tầng điện ly của
các băng tần khác nhau
- Các tần số thấp bị hấp thụ hoàn toàn.
- Các tần số HF, VHF bị hấp thụ một phần và bị bẻ cong quỹ đạo nên không đến
được vệ tinh.
- Chỉ có tần số siêu cao SHF đến được vệ tinh, thực tế là ít bị ảnh hưởng của
tầng điện ly.

Hấp thụ dB

100
0

100

10

Hấp
thụ do
tầng
điện ly


0,5

1

5

10

50

Tần số (GHz)


20

Hình 1.4: Cửa sổ tần số
Sóng ngắn (HF) bị hấp thụ năng lượng rất mạnh khi đi qua tầng điện ly, còn với
sóng có tần số siêu cao thì bị suy hao mạnh khi truyền qua lớp khí quyển, qua
mây mù và đặc biệt suy hao rất mạnh khi truyền qua vùng mưa.
Trong thông tin vệ tinh dải tần từ 1 GHz đến 10 GHz có suy hao tương đối thấp
và là giải tần tốt nhất cho thông tin vệ tinh, đã được CCIR khuyến nghị sử dụng
cho thông tin vệ tinh. Dải tần này được gọi là cửa sổ tần số vô tuyến. Sóng điện
từ trong dải 1 - 10GHz truyền trong vũ trụ được coi như truyền trong không gian
tự do, do đó nó cho phép lập các đường truyền thông tin ổn định với chất lượng
cao.
1.3.3. Phân cực sóng
Một trong các phương pháp sử dụng có hiệu quả băng tần và bộ phát đáp của vệ
tinh là phương pháp phân cực sóng. Phân cực sóng là hướng dao động điện
trường của sóng vô tuyến điện khi đi qua môi trường truyền sóng theo một
hướng nhất định. Có hai phân cực là phân cực tuyến tính và phân cực tròn.
a) Phân cực tuyến tính:
 Phân

cực thẳng đứng có thể được tạo ra bằng cách dẫn các tín hiệu từ một ống
dẫn sóng hình chữ nhật đến một anten loa. Nhờ đó sóng được bức xạ theo kiểu

phân cực thẳng đứng song song với cạnh đứng của anten loa.
Để thu được sóng này anten thu cần phải bố trí giống tư thế của anten phía phát.
Khi hai anten đặt vuông góc thì không thể thu được ngay cả khi sóng đi vào ống
dẫn sóng, do đó cần phải điều chỉnh hướng của ống dẫn sóng anten thu sao cho
song song với mặt phẳng phân cực của sóng đến.
 Phân

cực nằm ngang: cũng được tạo ra tương tự như phân cực thẳng đứng
nhưng hướng sóng dịch đi một góc 90o.
b) Phân cực tròn:
Phân cực tròn là phân cực mà sóng trong khi truyền lan vừa tịnh tiến vừa quay
tròn. Trường điện từ vừa di chuyển vừa quay, được xác định bởi trung tâm quay.
Có thể tạo ra phân cực tròn bằng cách kết hợp 2 loại phân cực thẳng đứng và
phân cực nằm ngang (hai phân cực vuông góc với nhau). Sóng phân cực tròn là
phân cực phải hay trái phụ thuộc vào sự khác pha giữa các sóng phân cực thẳng


21
là sớm pha hay muộn pha. Phân cực có thể quay theo chiều kim đồng hồ với tần
số bằng tần số của sóng mang.
- Phân cực quay theo chiều kim đồng hồ: APOL là phân cực ở đó đường lên có
phân cực tròn phía tay trái (LHCP) và đường xuống có phân cực tròn phía tay
phải (RHCP).
- Phân cực quay theo chiều ngược kim đồng hồ: BPOL là phân cực ở đó đường
lên có phân cực tròn phía tay phải (RHCP) và đường xuống có phân cực tròn
phía tay trái (LHCP).
1.4. HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH
Hệ thống thông tin vệ tinh được hình thành từ hai phần chính đó là phần không
gian và phần mặt đất.

Đường xuống

Đường lên

Trạm điều
khiển(TT & C)

Phần không gian

Rx

Tx

Phần mặt đất

Hình 1.5 Các thành phần của một hệ thống vệ tinh thông
 Phần

không gian: gồm có vệ tinh, các thiết bị thông tin trên vệ tinh, các thiết bị
điều khiển và đo từ xa, các thiết bị cung cấp nguồn lấy từ năng lượng mặt trời.
Trong hệ thống thông tin vệ tinh thì vệ tinh thông tin đóng vai trò là một trạm
lặp tín hiệu của tuyến thông tin siêu cao tần.
 Phần

mặt đất: hay còn gọi là các trạm thu phát mặt đất, bao gồm: anten thu
phát và các thiết bị điều khiển, bám vệ tinh, ống dẫn sóng, các bộ chia cao tần và


22
ghép công suất, máy thu tạp âm thấp và cac bộ điều chế, giải điều chế, các bộ

đổi tần tuyến lên và tuyến xuống, bộ khuếch đại công suất cao (HPA)
Đường liên lạc hệ thống thông tin vệ tinh được mô tả theo hình sau:

Hình 1.6: Các bộ phận của trạm mặt đất
LNA: Bộ khuyếch đại tạp âm thấp
BB: Băng tần cơ sở
D/C: Bộ đổi tần xuống
MOD : Bộ điều chế
DEM: Bộ giải điều chế
U/C: Bộ đổi tần lên
HPA: Bộ khuyếch đại
Hoạt động của hệ thống thông tin vệ tinh như hình trên được mô tả như sau:
- Tại đầu phát băng tần cơ sở (BB) như: Tín hiệu thoại, video, telex, facsimile...
được điều chế lên thành tần số trung tâm tần IF sau đó được đổi lên cao tần RF
nhờ bộ đổi tần tuyến lên U/C. Tín hiệu được khuyếch đại lên mức công suất cao
nhờ bộ HPA và qua anten phát lên vệ tinh.
- Tại đầu anten thu của vệ tinh, tín hiệu thu được qua bộ khuyếch đại, qua đổi
tần từ tần số tuyến lên thành tần số của tuyến xuống, khuyếch đại công suất rồi
phát xuống mặt đất nhờ anten phát.
- Anten thu trạm mặt đất thu tín hiệu từ vệ tinh về, tín hiệu qua bộ khuyếch đại
tạp âm thấp LNA, tần số siêu cao được biến đổi thành trung tần IF nhờ bộ D/C,
sau đó qua bộ giải điều chế DEM để phục hồi lại băng tần cơ bản như ở trạm
mặt đất phát.
- Đường hướng từ trạm mặt đất phát đến vệ tinh được gọi là đường lên (uplink)
và đường hướng từ vệ tinh đến trạm mặt đất thu gọi là đường xuống (dowlink).
Trong một băng tần, tần số của tuyến lên: fu bao giờ cũng lớn hơn tần số của
tuyến xuống: fd để phân biệt tần số lên và tần số xuống tại các bộ phận đáp trên
vệ tinh. Ví dụ: Hầu hết các tần số trong khoảng 6 GHz (băng C) và 14 GHz

23
(băng Ku) được dùng cho tuyến lên và các tần số trong khoảng 4 GHz (băng C)
và 11GHz (băng Ku) được dùng cho tuyến xuống.
1.5 SUY HAO, TẠP ÂM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH
Tạp âm là những tín hiệu không mong muốn sinh ra khi luồng tín hiệu
truyền qua môi trường truyền dẫn hay thiết bị, do đó làm giảm chất lượng tín
hịêu thu, như: Làm giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) hoặc giảm tỷ số sóng
mang trên tạp âm (C/N) hoặc làm tăng tỷ số lỗi bit (BER).
Trên thực tế đối với các hệ thống thông tin khác thì tạp âm thường rất nhỏ so với
tín hiệu có ích, nhưng trong thông tin vệ tinh thì tín hịêu thu được rất nhỏ sau
khi phải truyền qua một khoảng cách truyền dẫn quá lớn (≈ 40.000km), trong
khi đó tổng các nguồn gây ra tạp âm lại lớn, do đó C/N rất nhỏ. Vì vậy nghiên
cứu tạp âm là cần thiết để khắc phục tạp âm.
1.5.1. Các nguồn tạp âm
a) Tạp âm vũ trụ: Tạp âm vũ trụ hình thành do nhiễu bức xạ siêu cao tần từ các
dải ngân hà, nhiễu do mặt trời hoạt động mạnh, phát xạ của mặt trăng ... tác
động mạnh ở dải tần dưới 1 GHz.
b) Tạp âm khí quyển: Khí quyển (oxy, nitơ, hơi nước, sương mù ...) hấp thụ
năng lượng của sóng điện từ có bước sóng xấp xỉ bằng tần số dao động của các
phần tử khí nói trên khi tràn qua nó, làm cho sóng điện từ suy yếu đi, tạp âm
sinh ra từ đó. Trong điều kiện trời trong, nhiệt độ tạp âm tương đương là một
hàm phụ thuộc vào góc ngẩng trong dải tần từ 400 MHz đến 40 GHz.
c) Tạp âm do mƣa: Sóng điện từ ở băng tần 1 GHz - 10 GHz chẳng những bị
suy hao khi truyền qua mưa mà còn phải cộng thêm tạp âm do mưa gây nên. Đó
là các bức xạ siêu cao của mưa, nhiệt độ nước mưa gây tạp âm nhiệt. Vì vậy cần
phải tính năng lượng dự trữ.
Khi đường truyền sóng xuất hiện mưa, sóng vô tuyến không những bị hấp thụ
bởi các hạt mưa mà còn bị phân tán đi các hướng khác nhau. Như vậy sóng vô
tuyến khi truyền qua vùng mưa bị suy hao đáng kể. Tín hiệu bị suy hao nhiều
hay ít phụ thuộc vào tuyến truyền đi qua mưa dài hay ngắn, chiều cao của vùng

mưa, tốc độ mưa, hình dạng hạt mưa...
Ngoài việc làm suy giảm tín hiệu, mưa còn làm tăng nhiệt độ tạp âm của hệ
thống máy thu trạm mặt đất do hạt mưa cũng là phần tử bức xạ nhiệt. Điều đó
làm giảm hệ số phẩm chất của trạm mặt đất.
Việc đánh giá lượng tăng nhiệt độ tạp âm máy thu do mưa thường được đo thực
tế.


24
Tạp âm trái đất: Mặt đất có tác dụng phản xạ sóng điện từ đối với các búp
sóng phụ của anten trạm mặt đất. Các búp sóng phụ này gây ra tạp âm ảnh
hưởng trực tiếp từ mặt đất và tạp âm khí quyển phản xạ từ mặt đất. Nhiệt độ tạp
âm do ảnh hưởng của trái đất khoảng từ 30K - 250K.
e) Tạp âm giao thoa: Tạp âm giao thoa sinh ra do sự giao thoa sóng điện từ của
trạm mặt đất thông tin vệ tinh với các trạm Viba trên mặt đất. Để đảm bảo thông
tin cho các hệ thống này, CCIR qui định công suất giao thoa trung bình phải nhỏ
hơn 1000pw trong một giờ bất kỳ.
f) Tạp âm mặt trời: Được sinh ra khi mặt trời hoạt động mạnh theo các chu kỳ
khác nhau và ảnh hưởng ở các mức độ khác nhau. Nếu trạm mặt đất nào ở vị trí
nhìn thẳng mặt trời thì có thể mất liên lạc hoàn toàn vì bức xạ mặt trời quá lớn.
1.5.2 Các loại suy hao:
a) Suy hao đƣờng truyền:
- Suy hao trong không gian tự do: là suy hao khi sóng điện từ truyền lan qua
đường truyền sóng. Suy hao này phụ thuộc vào khoảng cách truyền sóng, tần số
tín hiệu.
- Suy hao do hấp thụ của môi trường truyền sóng.
b) Suy hao feeder: Suy hao do tín hiệu truyền dẫn qua feeder nối giữa máy phát
(hoặc máy thu) với anten và suy hao tại các điểm đấu nối. Suy hao này thường
được cho trước bởi nhà sản xuất.
c) Suy hao do lệch hƣớng: Suy hao do anten thu và anten phát lệch hướng

nhau, tức là búp sóng chính của anten thu không hướng đúng chùm tia phát xạ
từ búp sóng chính của anten phát.
d) Suy hao lệch phân cực: Suy hao sinh ra do anten thu không hướng đúng
hướng phát của sóng mang phân cực của phía phát hay do sóng mang phân cực
bị xoay mặt phẳng phân cực do các tác động trên đường truyền sóng như:
Phading, Faraday.
d)

1.6. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐA TRUY NHẬP TRONG THÔNG TIN VỆ
TINH
Đa truy nhập là một phương pháp để nhiều trạm mặt đất sử dụng chung cho bộ
phát đáp. Thông tin chuyển tải giữa nhiều trạm mặt đất (tức là thiết lập nhiều
tuyến liên lạc trạm - trạm) đồng thời được thực hiện trên cùng một kênh vệ tinh.
Một cách tổng quát đa truy nhập trong thông tin vệ tinh được phân loại như sau: