Kỹ thuật thông tin vệ tinh và thiết kế trạm mặt đất

..

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

LÊ ANH TUẤN

KỸ THUẬT THÔNG TIN VỆ TINH VÀ THIẾT KẾ TRẠM MẶT ĐẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2004


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

LÊ ANH TUẤN

KỸ THUẬT THÔNG TIN VỆ TINH VÀ THIẾT KẾ TRẠM MẶT ĐẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. ĐỖ HỒNG TIẾN

Hà Nội - 2004

1

Lời nói đầu
Công nghệ thông tin vệ tinh đóng một vai trò rất quan trọng trong thông
tin liên lạc. Thông tin vệ tinh đảm bảo các kết nối giữa các lục địa, các quốc
gia trong khu vực các vùng trong một quốc gia. Thông tin vệ tinh rất đa dạng
về loại hình dịch vụ cung cấp (thoại, dữ liệu, hình ảnh, phát thanh- truyền
hình, thông tin di động, định vị dẫn đ-ờng, khí t-ợng...). Một tuyến liên lạc vệ
tinh có thể cung cấp dung l-ợng lớn có thể thay đổi theo nhu cầu với độ tin
cậy cao, việc thiết lập tuyến cũng nhanh chóng.
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin quang thì
thông tin quang và thông tin vệ tinh trở thành hai ph-ơng thức chính đảm bảo
các kết nối khu vực và quốc tế. Hai ph-ơng thức này song song tồn tại và bổ
trợ cho nhau. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi điện tử số, giá
thành các thiết bị đầu cuối thông tin giảm trong khi các tính năng thì ngày
càng đ-ợc bổ xung và hoàn thiện. Các nhà sản xuất trên thế giới đang nỗ lực
sản xuất các thiết bị thu phát tín hiệu vệ tinh cho gia đình có giá thành d-ới
300USD phục vụ cho các dịch vụ DTH (Direct to Home) t-ơng tác hai chiều.
Đây sẽ là một trong những h-ớng phát triển chính của dịch vụ thông tin vệ
tinh trong thế kỷ 21 này bên cạnh các dịch vụ truyền thống.
Với sự h-ớng dẫn của TS. Đỗ Hoàng Tiến tôi đà thực hiện luận văn với
đề tài Kỹ thuật thông tin vệ tinh và thiết kế trạm mặt đất. Bản luận văn này
đề cập các kiến thức cơ bản của thông tin vệ tinh và thiết kế một trạm vệ tinh
mặt đất cho Công ty Viễn thông Quân đội (Viettelsat-1). Nội dung của luận
văn gồm:


2

Ch-ơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh.
Ch-ơng 2: Một số ph-ơng pháp điều chế số dùng trong thông tin vệ tinh.
Ch-ơng 3: MÃ Turbo.
Ch-ơng 4: Tính toán đ-ờng truyền.
Ch-ơng 5: Thiết kế trạm vệ tinh mặt đất Viettelsat-1.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự h-ớng dẫn tận tình của TS. Đỗ Hoàng Tiến,
ThS. D-ơng Thanh Ph-ơng, các thầy cô giáo trong Trung tâm đào tạo và bồi
d-ỡng sau đại học, Khoa Điện tử Viễn thông Tr-ờng Đại học Bách khoa Hà
nội. Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ, góp ý quý báu của các đồng nghiệp, bạn bè
để bản luận văn này đ-ợc hoàn thành. Vì thời gian có hạn nên bản luận văn
chắc chắn còn rất nhiều thiếu sót. Tôi rất mong nhận đ-ợc sự chỉ bảo của các
Thầy, Cô, đồng nghiệp, bạn bè để hoàn thiện các vấn đề đà nêu trong bản
luận văn này.
Hà nội, ngày tháng năm 2004
Ng-ời viết

Lê Anh Tuấn


3

Ch-ơng 1

Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh
1.1. Tại sao lại sử dụng thông tin vệ tinh:
Thông tin là một nhu cầu cơ bản của một xà hội phát triển. Có nhiều
ph-ơng thức truyền thông tin : hữu tuyến ( cáp đồng trục, cáp quang...), vô
tuyến ( vi ba, vệ tinh...),... Việc chọn ph-ơng thức truyền thông tin phụ thuộc
vào loại dịch vụ, giá thành, độ tin cậy yêu cầu. Cùng với sự phát triển của

công nghệ chế tạo, phóng vệ tinh, các thiết bị viễn thông...phạm vi sư dơng vƯ
tinh ngµy cµng më réng sang nhiỊu lÜnh vực: truyền số liệu, truyền hình, thông
tin di động, định vị dẫn đ-ờng...
Thông tin vệ tinh có những đặc điểm sau:
Vùng phủ sóng lớn: với 3 vệ tinh địa tĩnh có thể phủ sóng toàn cầu.
Dung l-ợng thông tin lớn: do có băng tần công tác rộng và áp dụng
kỹ thuật sử dụng lại băng tần.
Độ tin cËy th«ng tin cao: tuyÕn th«ng tin chØ cã 3 trạm hai trạm đầu
cuối mặt đất, vệ tinh đóng vai trò nh- trạm lặp xác suất lỗi do khí quyển và
do fading là không đáng kể. Tỉ lệ lỗi bit có thể đạt 10 9 .
Tính linh hoạt cao: hệ thông thông tin đ-ợc thiết lập nhanh chóng
trong điều kiện các trạm ở mặt đất ở rất xa nhau, dung l-ợng thông tin có thể
thay đổi theo yêu cầu.
Đa dạng về loại dịch vụ : có rất nhiều loại dịch vụ nh-:
+ Dịch vụ thoại, fax, telex cố định.
+ Dịch vụ phát thanh truyền hình quảng bá.
+ Dịch vụ định vị dẫn đ-ờng, cứu hộ.
+ Dịch vụ thông tin di động.
+ Dịch vụ khôi phục cáp.


4

1.2. Quỹ đạo vệ tinh
Có ba loại quỹ đạo sau:
Quỹ đạo địa tĩnh ( Geostationary orbit ):
Đây là quỹ đạo mà vệ tinh nằm tại một điểm t-ơng đối so với mặt đất.
Vệ tinh có chu kỳ quay của trái đất. Vệ tinh địa tĩnh có độ cao khoảng
36.000km trên đ-ờng xích đạo. H-ớng quay của vệ tinh trùng với h-ớng quay
của quả đất. Vị trí cố định của vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh đ-ợc gọi là vị trí

quỹ đạo. Vị trí này đ-ợc xác định bằng kinh tun chøa vƯ tinh. C¸c vƯ tinh
cđa mét qc gia phải đ-ợc xác lập trên một cung quỹ đạo theo sự phân chia
của chuẩn quốc tế. Vị trí quỹ đạo của từng vệ tinh đ-ợc xác lập theo quy định
của quốc gia.
Quỹ đạo nghiêng elíp (Elliptically incline orbit).
Đây là quỹ đạo đ-ợc sử dụng thành công bởi hệ thông Intersputnik cho
hệ thông viễn thông của Liên Xô cũ. Chu kỳ quay của vệ tinh là 12h, trong đó
8h vệ tinh chuyển động chậm, trong thời gian này vệ tinh sẽ phủ sóng cho
miền cực của trái đất. Đặc điểm của quỹ đạo này là do chuyển động t-ơng đối
của vệ tinh ở xa là rất nhỏ nên có thể thu đ-ợc tín hiệu liên tục với anten thu
cố định, trong khi đó anten trên vệ tinh phải đ-ợc ®iỊu chØnh theo sù chun
®éng cđa vƯ tinh.
 Q ®¹o cực tròn ( Circular polar orbit ):
Đây là quỹ đạo chỉ tồn tại trên lý thuyết, thực tế trong viễn thông không
sử dụng quỹ đạo này do khó khăn về mỈt kü tht, kinh tÕ.


5

Quỹ đạo nghiêng elip

Quỹ đạo địa tĩnh

Satellite

Satellite

Satellite

Quỹ đạo cực tròn

Hình 1.1: Quỹ đạo của vệ tinh.
1.3 Vùng phủ sóng của vệ tinh:
Vì bề mặt của trái đất có diện tích 2/3 là n-ớc nên việc phủ sóng toàn
cầu không đáp ứng tốt cho các dịch vụ của các trạm mặt đất. Giảm vùng phủ
sóng dẫn đến việc tăng hệ số tăng ích của anten trong vùng phủ sóng đó. Mặt
khác giới hạn vùng phủ sóng lên các vùng dịch vụ có thể sử dụng lại tần số
phân chia theo không gian; hai búp sóng không chồng lấn lên nhau có thể sử
dụng cùng một tần số mà can nhiễu lên nhau giảm.
1.3.1.Phạm vi phủ sóng:
Hiện nay trong kỹ thuật vệ tinh sử dụng các phạm vi phủ sóng sau:
Phủ sóng cơc bé:
Phđ sãng cơc bé bao gåm trun dÉn trong 1 vùng xác định( trong một
thành phố hoặc một vùng) cung cấp các dịch vụ phân phối địa ph-ơng nhằm
đáp ứng yêu cầu của khách hàng trong thành phố, hay trong một vùng. Chùm
sóng của vệ tinh có độ tăng ích định h-ớng cao trong những vùng phủ sóng
đặc biệt. Các chùm sóng đ-ợc tối -u hoá cho dung l-ợng cao nhất của hệ
thống và hoạt động cho các nội dung dÞch vơ miỊn
Phđ sãng vïng:


6

Sự phân chia phủ sóng vùng dựa trên cơ sở ngôn ngữ hay địa lý (đất
n-ớc). Vùng phủ sóng này đ-ợc tạo ra bởi một chùm sóng anten đơn hoặc
nhiều chùm sóng nhỏ bao phủ vùng đ-ợc yêu cầu. Phủ sóng vùng tạo ra để
phát xạ năng l-ợng cho khách hàng nhằm đáp ứng các nhu cầu về ngôn ngữ và
các vấn đề về chính trị ( sự đồng sắp xếp tần số, sự giới hạn nội dung) chùm
sóng vùng cung cấp khả năng định h-ớng cao có thể đ-ợc sử dụng để tăng
hiệu suất năng l-ợng của vệ tinh hay giảm chi phí của hệ thống trên mặt đất.

Phủ sóng toàn cầu :
Vệ tinh phủ sóng toàn cầu cung cấp khả năng truyền dẫn trong vùng
đ-ợc tạo nên bởi nhiều miền (ngôn ngữ, chính trị) hay nhiều đất n-ớc vÝ dơ:
vïng bao phđ cđa Pan European cung cÊp cïng 1 nội dung dịch vụ cho tất cả
các khách hàng ở nhiều đất n-ớc khác nhau trong Châu âu. Chùm phủ sóng
rộng bao phủ các n-ớc Châu âu cung cấp vïng phđ sãng cho Pan European.
ViƯc sư dơng nhiỊu chïm sóng bao phủ cũng có thể làm cho hiệu quả của hệ
thống tăng lên. Một ví dụ cho các chùm của vệ tinh Pan European đ-ợc chỉ ra
trong hình 1.2:

Hình 1.2: Vïng phđ sãng cđa vƯ tinh Pan European


7

1.3.2. Tăng c-ờng dung l-ợng của vệ tinh:
Khả năng của hệ thống vệ tinh đ-ợc tăng c-ờng bằng cách sử dụng
băng thông khả dụng cao hơn tại các băng tần cao hơn (Ka, V) và thực hiện sử
dụng lại tần số bao gồm tối -u hoá, đa dạng hoá các kế hoạch kênh truyền
dẫn. Số l-ợng và sự phức tạp của việc thực hiện các bộ phát đáp trên vệ tinh
giới hạn sự tăng c-ờng dung l-ợng kênh truyền hệ thống. Số l-ợng lớn nhất
của các bộ phát đáp bị giới hạn bởi các khả năng(khối l-ợng, công suất, cỡ
của vệ tinh) của loại tàu vũ trụ sử dụng để phóng vệ tinh.
Sử dụng lại tần số:
Dung l-ợng của hệ thống sẽ tăng lên bằng cách sử dụng lại phổ tần cho
phép nhờ tối -u hoá việc phân định tần số và việc phân cực trên tuyến liên lạc.
Nhiều b-ớc sóng bao phủ và đa dạng hoá kế hoạch tần số sẽ tăng c-ờng hơn
nữa dung l-ợng hệ thống. Các tần số đ-ợc sử dụng lại trong hệ thống cho
vùng Châu á Thái Bình D-ơng đ-ợc minh hoạ trong hình 1.3.

Hình 1.3a: Một chùm phủ sóng đơn

Hình 1.3b: Nhiều chùm sãng

Cã hai c¸ch phđ sãng : Dïng 1 chïm sãng đơn rộng và 1 tập hợp các
chùm sóng điểm. Ví dụ 1 hệ thống sử dụng phân cực đôi và gồm 50 chùm
điểm lúc đó băng thông hiệu dụng thực chất đ-ợc tăng lên. Sử dụng lại tần số


8

đ-ợc tạo ra 310 bộ phát đáp t-ơng ứng (36 MHz) gấp 10 lần khả năng bộ phát
đáp trong vệ tinh sử dụng một chùm sóng đơn .
Ta có:
ESB =(Số ô)x(Độ rộng băng thông dự định)/ Hệ số sử dụng lại tần số
=

(50x2) x(500MHz)
12,5GHz
4

Số l-ợng bộ phát đáp t-ơng đ-ơng 36M là:
ENT = 12,5GHz/40MHz=310(bộ)
ESB:Effective System Bandwith
ENT:Equivalent Number Transponder
Kế hoạch phát đa tần số:
Kế hoạch phát đa tần số dùng cùng tần số cho nhiều phần khác nhau
của vùng phủ sóng với các vị trí khác nhau. Sự thực hiện những kĩ thuật này
tăng c-ờng thêm dung l-ợng của hệ thống.
Ví dụ :Bằng cách kết hợp ph-ơng pháp trên cho 1 vệ tinh( Sử dụng lại

và đa dạng hoá tần số ), dung l-ợng của hệ thống có thể tăng trên 58% (5696%) sử dụng cùng 1 khe tần số chỉ định mà không cần thay đổi bất kì thiết bị
mặt đất nào. Hệ thống cung cấp dung l-ợng cao hơn trong 6 vùng với 6 thứ
tiếng khác nhau. Sự tăng dung l-ợng thực sự của hệ thống phụ thuộc vào khả
năng của phần tải trọng không gian vệ tinh để cài đặt các phần cứng và cung
cấp công suất hoạt động.
1.4. Băng tần của vệ tinh:
Để thực hiện đ-ợc liên lạc giữa mặt đất và vệ tinh thì các sóng mang
phải có tần số cao hơn tần số giới hạn xuyên qua tầng điện ly. Qua kết quả
nghiên cứu truyền sóng thấy rằng các tần số nhỏ hơn 1GHz bị tiêu hao lớn do
tầng điện ly, còn các sóng cao hơn 10GHz thì bị khí quyển, mây, m-a hấp thụ,
chỉ có giới hạn từ 1 đến 10GHz là bị tiêu hao nhỏ nhất và được gọi là cửa sổ
vô tuyến truyền các tín hiệu sóng vô tuyến trong dải này đ-ợc xem là truyền


9

sãng trong kh«ng gian tù do. Th«ng tin vƯ tinh cũng là một dạng truyền sóng
trong không gian tự do. Ng-ời ta chọn các dải tần trong khoảng 1 đến 30GHz
để đảm bảo thông tin vệ tinh.
Để phân bổ tần sè ng-êi ta chia thÕ giíi ra 3 khu vùc sau:
- Khu vực 1: bao gồm Châu Âu, Châu Phi, Trung Đông và Nga.
- Khu vực 2: bao gồm các n-ớc Châu Mỹ.
- Khu vực 3: bao gồm Châu á (trừ Trung Đông, Nga) và Châu Đại
D-ơng.
Tần số phân phối cho một loại dịch vụ nào đó có thể phụ thuộc vào khu
vực. Trong một khu vực một dịch vụ có thể đ-ợc dùng toàn bộ băng tần của
khu vực này hoặc phải chia sẻ với các dịch vụ khác. Các dịch vụ cố định sử
dụng các băng tần sau:
- Băng L:
- Tuyến lên khoảng 1,6GHz; tuyến xuống khoảng 1,5GHz dùng cho

thông tin di động vệ tinh.
- Băng C:
- Tuyến lên 5,925 đến 6,425GHz; tuyến xuống 3,7 đến 4,2GHz. Băng
này đ-ợc sử dụng bởi hệ thống Intelsat và các vệ tinh nội hạt: Westar, Satcom,
Comstar (Mỹ), Anik (Canada), STW và Chinasat (Trung Quốc), Palapa
(Indonexia), Telecom1(Pháp) và CS2(Nhật).
- Tuyến lên: 5,725 ®Õn 6,275GHz; tuyÕn xuèng: 3,4 ®Õn 3,9GHz Dïng
trong hÖ thèng Intersputnik (Nga)
- Tuyến lên: 5,850 đến 7,075GHz; tuyến xuống: 3,4 đến 4,2 GHz hoặc
4,5 đến 4,8GHz Dùng cho các băng tần mở rộng do WARC phân định
- Băng X:
- Tuyến lên: 7,925 đến 8,425GHz; tuyến xuống: 7,25 đến 7,75GHz
Dùng cho các vệ tinh thông tin của quân đội và chính phñ.


10

- Băng Ku:
-13/11 GHz: tuyến lên: 12,75 đến 13,25GHz; tuyến xuống: 10,7 đến
11,7GHz Đây là dải các băng tần mở rộng đ-ợc WARC phân định.
- 14/11GHz: tuyến lên: 14 đến 14,5GHz; tuyến xuống: 10,95 đến
11,2GHz hoặc 11,45 đến 11,7 Dùng trong các vệ tinh Intelsat, Eutelsat và các
vệ tinh Nga.
- 14/12GHz: tuyến lên 14 đến 14,5GHz hoặc 14 đến 14,25; tuyến
xuống 11,7 đến 12,2GHz hoặc 12,5 đến 12,75GHz Dùng trong các vệ tinh
Intelsat, Eutelsat và các vệ tinh nội hạt của Mỹ, Canada và Pháp
- Băng Ka:
-Tuyến lên 27,5 đến 31GHz tuyến xuống 17,7 đến 21,2GHz. Dùng
cho các đề án nghiên cứu nh-ng chắc chắn sẽ đ-ợc dùng phổ biến trong
t-ơng lai.

Mỗi trạm vệ tinh đ-ợc phân phối cho một băng tần nhất định. Trong
thông tin vệ tin ng-ời ta th-ờng phân biệt các khái niệm băng tần nh- sau:
Băng tần chiếm dụng(Occupied Bandwidth) BOCC, Băng tần danh định
(Allocated Bandwidth) BALL, Băng tần tạp âm (Noise Bandwidth) BN, Băng
tần phân tích (Resolution Bandwidth) BRES và băng tần công suất t-ơng
đ-ơng (Equivalent Power Bandwidth) BEqP.
Băng tần danh định BALL là băng tần thực sự mà vệ tinh cung cấp cho
trạm mặt đất. Để đánh giá chất l-ợng sóng mang trong BALL ng-ời ta phải
đo công suất (dB) của nó tại một vị trí nào đó xác định bởi B RES. Nếu lý
t-ởng thì BRES=1Hz nh-ng trên thực tế BRES bằng khoảng 1% BALL.


11

dB

dB

BRES

40dB

BOCC
BALL

F

F
BOCC
BEqP

Hình 1.4. Các định nghĩa băng tần
Các dải BALL của các trạm mặt đất đ-ợc đặt sát cạnh nhau cho nên
giữa chúng phải có một khoảng bảo vệ nào đó nhằm tránh xuyên nhiễu. Vì
vậy thực sự các sóng mang chỉ làm việc với dải tần chiếm dụng BOCC nhỏ hơn
và nằm trong BALL. BOCC đ-ợc xác định bằng khoảng băng tần giữa hai BRES sao
cho giá trị công suất đỉnh lớn hơn công suất mỗi BRES tối thiểu 40dB. Thông
th-ờng thì BOCC có giá trị trong khoảng 1/1.1 đến 1/1.2 BALL.
Với mỗi một giá trị BOCC nào đó các trạm mặt đất còn phải chịu sự
qui định về mức công suất phát không đ-ợc lớn hơn một giá trị cực đại
nhất định. Bởi vì nếu một trạm phát công suất lớn quá thì các hài do nó
sinh ra sẽ ảnh h-ởng nghiêm trọng đến các kênh lân cận có công suất nhỏ
hơn. Do vậy một trạm nếu muốn phát công suất lớn thì t-ơng đ-ơng với
việc dải tần chiếm dụng của nó sẽ mở rộng ra. Giá trị của BEqP đặc tr-ng
cho sự t-ơng đ-ơng đó. Theo hình vẽ ta thấy B EqP có mức công suất đỉnh
thấp nh-ng độ rộng của nó tăng lên do vậy công suất cả dải của nó vẫn
bằng công suất BOCC. Ta thấy tuy chỉ phát công suất trong BOCC nh-ng trạm
vẫn phải thuê cả dải BEqP vì vậy phần mở rộng của nó không thể cho các
trạm khác trong mạng thuê đ-ợc nữa. Do vậy các kỹ thuật truyền dẫn hiện
nay đang cố gắng để làm cho BEqP bằng với BOCC dựa trên việc giảm mức
công suất phát cần thiết của các trạm mặt đất. Một trong những kỹ thuật


12

đ-ợc áp dụng để giảm công suất phát mà vẫn đảm bảo tỷ lệ BER là mà sửa
lỗi tr-ớc FEC.
Độ rộng dải tần BALL đ-ợc vệ tinh cung cấp cho các trạm mặt đất
theo yêu cầu của từng trạm nh-ng bao giờ cũng phải bằng số lẻ lần của
b-ớc 22,5KHz. Qui định này nhằm làm cho quá trình phân bổ tần số đơn

giản và thuận tiện nhất. Nh-ng hiện nay với sự tiến bộ của kỹ thuật tốc độ
các luồng ngày càng nhỏ hơn, chiếm dụng ít băng tần hơn cho phép linh
hoạt hơn trong việc chia các b-ớc khác nhau cho BALL.
1.5. Các ph-ơng pháp truy nhập vào vệ tinh:
1.5.1. Ph-ơng pháp truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)
Trong ph-ơng pháp này độ rộng băng tần ( th-ờng là 500MHz) đ-ợc
chia nhỏ thành các phần gọi là các bộ phát đáp (Transponder) th-ờng là 36
hoặc 72 MHz. Trạm mặt đất sẽ điều chỉnh tần số thu và phát sao cho bằng với
tần số thu và phát của Transponder. Các tín hiệu sẽ đ-ợc phát đi đồng thời
nh-ng tại các tần số khác nhau, mỗi sóng mang sẽ chiếm một dải tần định
tr-ớc t-ơng ứng với các Transponder.
Có hai kiểu FDMA đ-ợc dùng là MCPC ( Multi Channel Per Carrier) và
SCPC ( Single Channel Per Carrier ).
1.5.2. Ph-ơng pháp truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)
Trong ph-ơng pháp này mỗi trạm mặt đất sẽ sử dụng vệ tinh trong một
khoảng thời gian định tr-ớc gọi là khe thời gian (Time slot) có độ dài cố định.
Cần để ra khoảng thời gian trống ( thời gian bảo vệ) giữa các khe thời gian
cạnh nhau sao cho các sóng mang phát từ nhiều trạm không lấn nhau trong bộ
phát đáp. Dựa trên cơ sở phân chia theo thời gian mỗi một trạm thu chỉ lấy ra
những sóng mang của chính nó.
Trong ph-ơng thức TDMA, mỗi một trạm mặt đất đ-ợc thiÕt kÕ sư
dơng mét khe thêi gian riªng biƯt ( dành riêng cho nó ) để phát l-u l-ợng


13

thông tin của mình d-ới dạng chuỗi bít số nằm trong một luồng bít số gọi là
burst tín hiệu.
1.5.3. Ph-ơng pháp truy nhập phân chia theo mà (CDMA)
Trong kỹ thuật CDMA mỗi trạm mặt đất sẽ phát cùng một lúc và cùng

tại một tần số. Để phân biệt, mỗi một trạm mặt đất có một mà riêng, mà này
đ-ợc sử dụng để mà hóa tín hiệu của chúng. Các trạm mặt đất sẽ chuyển tín
hiệu đến một trung tâm. Trung tâm này có một số bộ thu mà chúng chỉ có thể
khôi phục lại thông tin sử dụng mà thích hợp. Tín hiệu sau khi đ-ợc khôi phục
sẽ đ-ợc chuyển đến đích đà định. Hệ thống này đòi hỏi một số l-ợng lớn các
bộ thu trong bộ trung tâm. Tuy nhiên trạm mặt đất có thể nhỏ và công suất
thấp do đó giá thành có thể giảm.
1.5.4. Ph-ơng pháp truy nhập phân chia theo yêu cầu (DAMA)
Hệ thống sử dụng ph-ơng thức này có độ linh hoạt cao, sử dụng
Transponder trên vệ tinh có hiệu quả, đặc biệt với những vùng có dung l-ợng
thấp. Hệ thống truyền dung l-ợng thoại bằng việc phân định kênh cho mỗi
cuộc gọi khi có nhu cầu tức là kênh thông tin chỉ đ-ợc thiết lập giữa hai trạm
mặt đất trong thời gian thông tin với nhau. Hệ thống có khả năng kết nối nội
bộ với cấu hình dạng hoàn toàn l-ới, một số thuê bao trong một vùng dịch vụ
của một trạm mặt đất nào đó qua các kênh vệ tinh để thiết lập đ-ờng thông với
các vùng dịch vụ của các trạm mặt đất khác.DAMA có nhiều ứng dụng trong
mạng viễn thông và ngày nay càng đ-ợc sử dụng rộng rÃi.
Khi bắt đầu mỗi cuộc gọi thì trạm trung tâm chọn kênh vệ tinh và phân
định các bộ MODEM ở cả hai trung tâm đ-ờng trục có thuê bao gọi đi và thuê
bao gọi đến để thực hiện thiết lập cuộc gọi tại các vị trí xa mỗi đ-ờng trục
đ-ợc nối với các bộ MODEM hoạt động theo ph-ơng thức SCPC và các bộ
MODEM đ-ợc điều khiển tới các tần số sóng mang đ-ợc phân định bằng các
lệnh từ bộ điều khiển phân định theo nhu cầu từ xa.


14

Trung tâm điều khiển mạng DAMA đ-ợc xem nh- quan trọng nhất, nó
có máy điều khiển chủ MCC nối với MODEM kênh số liệu để liên lạc với các
bộ điều khiển phân định từ xa và MCC cũng đ-ợc nối với các MODEM thu

phát thoại để thu tín hiệu báo hiệu. Trung tâm điều khiển DAMA có chức
năng chính là phân định các kênh vệ tinh cho các cuộc gọi mới. Nó có thể
thay đổi cấu hình hệ thống, giám sát chất l-ợng. Khai thác tổng thể hệ thống
thông qua ng-ời khai thác.
Tuy vậy thời gian trễ truyền dẫn không d-ới 810ms vì vậy không kinh
tế khi dùng DAMA cho dịch vụ truyền số liệu. Ví dụ truyền bản tin 8Kb trên
thiết bị đầu cuối 2,048 Mbps chỉ hết 3,91 ms mà hệ thống phải tốn không d-ới
810 ms để thiÕt lËp cc nèi. Nªn sư dơng DAMA cho liªn lạc điện thoại.
1.6. Các dịch vụ cung cấp bởi thông tin vệ tinh:
Phạm vi phục vụ của thông tin vệ tinh rất rộng, nó có thể đảm bảo hầu
hết các dịch vụ của thông tin viễn thông nh- cố định và di động. Các loại dịch
vụ có thể đ-ợc vệ tinh cung cấp là:
- Điện thoại.
- Điện báo.
- Truyền số liệu và các dịch vụ kinh doanh mới.
- Phát thanh truyền hình.
- Các loại dịch vụ kết hợp (ISDN, Multimedia, Video conference).
- Các dịch vụ cứu hộ, cứu nạn, khẩn cấp, định vị dẫn đ-ờng.
- Dịch vụ dự phòng, hỗ trợ cho các tuyến cáp backbone.
- Các mục đích quân sự, viễn thám, khí t-ợng,...
1.6.1. Dịch vụ thoại:
Đây là loại dịch vụ cơ bản nhất của mọi hệ thống thông tin nói chung và
vệ tinh nói riêng. Tất cả các hƯ thèng vƯ tinh qc tÕ cịng nh- khu vùc và nội
hạt đều cung cấp dịch vụ thoại. Các hệ thống thông tin vệ tinh quốc tế có
chức năng đảm bảo các sóng mang thông tin công cộng giữa các châu lục và


15

các quốc gia. Các sóng mang này sẽ đảm bảo liên kết thông tin giữa các mạng

mặt đất nội hạt khác nhau cho phép kết nối các kênh thoại giữa các quốc gia.
Do l-u l-ợng thông tin quốc tế là rất lớn nên nhìn chung các kênh thoại quốc
tế th-ờng đ-ợc ghép kênh vào các sóng mang (theo tần số FDM, theo thời
gian TDM). Mỗi sóng mang có thể ghép đ-ợc 12 đến 972 kênh thoại t-ơng
tự có phổ tần 4KHz khi sư dơng chÕ ®é FDM-FM. Khi sư dơng các sóng
mang số ghép kênh theo thời gian đặc biệt dùng kết hợp với thiết bị tích hợp
kênh số thì số l-ợng kênh thoại đ-ợc ghép kênh trên mỗi sóng mang còn lớn
hơn nhiều.
1.6.2. Các dịch vụ điện báo:
Các kênh điện báo, truyền chữ tốc độ thấp (50 hoặc 75 baud) th-ờng
đ-ợc ghép vào một kênh thoại nhờ kỹ thuật ghép kênh theo tần số hoặc thời
gian. Tuỳ thuộc vào kỹ thuật ghép kênh mà một kênh thoại có thể ghép đ-ợc
46 kênh báo theo thời gian hoặc 24 kênh báo theo tần số (tốc độ 50 baud).
1.6.3. Dịch vụ phát thanh, truyền hình:
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của truyền hình số, các dịch vụ DTH
(Direct to home) qua vệ tinh tận dụng đ-ợc những -u điểm vốn có của thông
tin vệ tinh là vùng phủ sóng rộng, thiết bị đầu cuối rẻ và nhỏ gọn dễ triển khai,
lắp đặt khi sử dụng băng tần Ku. DTH là một trong những h-ớng phát triển
dịch vụ truyền hình trả tiền bên cạnh các ch-ơng trình quảng bá của Đài
Truyền hình Việt nam. Thông tin vệ tinh cũng cung cấp các dịch vụ phát
quảng bá cho phát thanh thông qua hệ thống VSAT, nơi mà phạm vi đảm bảo
của hệ thống phát thanh mặt đất không đáp ứng đ-ợc có thể dùng các trạm
remote VSAT thu và phát lại các ch-ơng trình của đài trung -ơng. Mô hình
này đang đ-ợc Đài Tiếng nói Việt nam áp dụng cho các đài phát địa ph-ơng ở
các vùng xa, hải đảo.


16

Dịch vụ vệ tinh cũng đáp ứng rất tốt cho các dịch vụ phát thanh truyền

hình l-u động với các thiết bị nhỏ gọn có thể mang xách tay đ-ợc và triển khai
rất nhanh.
1.6.4. Dịch vụ truyền số liệu và các dịch vụ nghiệp vụ kinh
doanh mới:
Do nhu cầu ngày càng cao của nền kinh tế hội nhập toàn cầu hoá nên
đòi hỏi phát triển nhiều loại dịch vụ thông tin nghiƯp vơ phơc vơ kinh doanh
míi øng dơng trun dẫn số. Các ứng dụng này dựa trên các thành tựu tiên
tiến của công nghệ viễn thông và tin học, xử lý số tín hiệu. Các thành tựu này
th-ờng đ-ợc ứng dụng cho các dịch vụ kiểu Telematic, bao gồm:
- Phân chia dung l-ợng tính toán giữa các ph-ơng tiện (ví dụ giữa các
máy tính tập trung hay phân tán).
- Thiết lập các đ-ờng thông tin tốc độ cao để đảm bảo sự trao đổi và
chuyển mạch thông tin nhanh chóng giữa các chế độ chủ yếu của mạng xử lý
sè liƯu.
- CËp nhËt tøc thêi sè liƯu cđa mét trung tâm xử lý phân tán.
- Trao đổi giữa các ngân hàng dữ liệu.
- Phát quảng bá tin tức và ph©n phèi sè liƯu.
- Më réng trun dÉn Fax tõ tốc độ thấp đến tốc độ cao dùng cho các
ứng dơng nh- th- tÝn ®iƯn tư, in Ên tõ xa...
- Mở rộng các tiện nghi hội nghị từ xa, từ các hội nghị trợ giúp hình
ảnh đơn giản (64Kbps) tới các hình ảnh phức tạp (2Mbps) và hình ảnh đầy
đủ (34Mbps).
Cã rÊt nhiỊu hƯ thèng cung cÊp dÞch vơ nghiƯp vụ kinh doanh qua vệ
tinh ra đời để đáp ứng cho những nhu cầu ngày càng cao trong lĩnh vực nµy,
nh-: hƯ thèng IBS vµ Intelnet cđa Intelsat, hƯ thèng SMS của Eutelsat và các
hệ thống VSAT.


17

1.6.5. Các dịch vụ kết hợp:
Hệ thống thông tin vệ tinh có khả năng thích nghi với các loại dịch vụ
kết hợp nh-: ISDN, Multimedia. ISDN đ-ợc CCITT coi nh- là mạng toàn cầu
lý t-ởng. Đặc điểm chính của ISDN là cung cấp các dịch vụ thoại và phi thoại
trong cùng một mạng thông tin số. Hiện nay ISDN đà và đang đ-ợc triển khai
trên phạm vi toàn thế giới, thông tin vệ tinh cũng đang thúc đẩy việc bổ xung
thêm các dịch vụ ISDN. Các vệ tinh của Intelsat sẽ cung cấp ISDN theo 3
cách: qua các dịch vụ dùng TDMA, các dịch vụ số liệu tốc độ trung bình IDR
và trong IBS, với tỷ lệ lỗi bit BER < 10-7.
1.6.6. Các dịch vụ liên lạc, cứu trợ khẩn cấp, định vị dẫn đ-ờng:
Trong các thời gian có thiên tai, động đất chiến tranh, các ph-ơng tiện
liên lạc trên mặt đất có thể bị phá huỷ hay quá tải thì thông tin vệ tinh có thể
đ-ợc triển khai một cách nhanh chóng, hiệu quả bằng các thiết bị có thể mang
vác bằng tay, đáp ứng kịp thời các nhu cầu liên lạc khẩn cấp.
Ngày nay hệ thống GPS rất phát triển có thể cung cấp thông tin chính xác,
nhanh chóng về vị trí của các đối t-ợng cần xác định. Hệ thống này đóng vai trò
rất quan trọng trong các lĩnh vực an ninh quốc phòng và dân sự.
1.6.7. Các dịch vụ hỗ trợ, dự phòng cho các tuyến cáp backbone:
Thông tin vệ tinh có thể đáp ứng đ-ợc nhu cầu về dung l-ợng lớn của
các tuyến cáp backbone khi bị sự cố hoặc trong thời gian bảo hành sửa chữa.
1.7. Cấu hình một hệ thống thông tin vệ tinh:
Mét hƯ thèng th«ng tin vƯ tinh bao gåm hai phân hệ chính đó là: phân
hệ không gian và phân hệ mặt đất.
1.7.1. Phân hệ không gian:
Phân hệ không gian bao gồm vệ tinh và tất cả các thiết bị phụ trợ cho
hoạt động của vệ tinh nh- các trạm điều khiển và giám sát vệ tinh. Các trung
tâm này có nhiệm vụ bám sát, đo l-ờng từ xa và ®iỊu khiĨn (TT&CTracking Telemetry and Command) ®Ĩ gi÷ cho q đạo vệ tinh luôn ổn định,


18

điều khiển phạm vi, h-ớng các chùm sóng của anten và kiểm tra giám sát các
thông số hoạt động của vệ tinh nh-: nguồn điện, tình trạng nhiên liệu, nhiệt
độ của anten,....
Tuyến mà trạm mặt đất phát, vệ tinh thu gọi là tuyến lên (up link),
tuyến mà vệ tinh phát, trạm mặt đất thu gọi là tuyến xuống (down link).
Vệ tinh gồm hai phần chính là: phần tải trọng (payload) và phần nền
(platform). Phần tải trọng gồm anten và các thiết bị điện tử phục vụ cho truyền
dẫn nh- các bộ phát đáp (transponder), các bộ lọc, khuếch đại tạp âm
thấp,...Phần nền chứa các thiết bị đảm bảo hoạt động cho phần tải trọng nh-:
giá đỡ, nguồn, các bộ điều khiển nhiệt độ, h-ớng quỹ đạo, các thiết bị TT&C,
các thiết bị đẩy phản lực, các thùng chứa nguyên liệu,...Sau đây ta đi tìm hiểu
cấu tạo phần tải trọng hay còn gọi là phân hệ thông tin.
1

FC

Transponder

MIX
LNA

FLO

PPA

HYBRID

MUX

OSC
n

Transponder

Hình 1.5 : Phân hệ thông tin (payload) của vệ tinh
Anten: do đặc thù của vệ tinh nên các anten này phải có khối l-ợng
nhỏ, kích th-ớc khi phóng gọn nhẹ. Có hai loại anten trên vệ tinh đó là anten
dùng để đo xa, điều khiển (th-ờng dùng băng tần VHF) và anten thông tin
dùng để nhận/ phát sóng vô tuyến từ/ về trạm mặt đất.
Trong các thiết kế gần đây nhất cho vệ tinh băng rộng thế hệ mới, các
nhà sản suất đà phát triển các loại anten trọng l-ợng nhỏ, kích th-ớc phản xạ
khi triển khai lớn để cung cấp tính định h-íng cao vµ cã thĨ cung cÊp nhiỊu
chïm sãng bao phủ. Tập đoàn TRW Astro Aerospace đà phát triển loại anten
mặt phản xạ dạng l-ới, có đ-ờng kính khi triển khai tõ 6 ®Õn 30m víi träng


19

l-ợng khá nhỏ với mặt phản xạ có thể đ-ợc cấu trúc một cách đặc biệt cùng
với ma trận feedhorn ®Ĩ ®¸p øng c¸c kiĨu mÉu phđ sãng mét c¸ch linh hoạt và
độ định h-ớng cao, với nhiều chùm sóng.

Hình 1.6 : Anten mặt phản xạ dạng l-ới

Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA-low noise amplifier): Đặt ngay sau
anten thu nhằm giảm sự suy hao của tín hiệu và tránh tạp âm gây ra bởi ống
dẫn sóng. Nhiệm vụ của bộ LNA là khuếch đại tín hiệu từ nền nhiễu lên đủ
lớn mà không làm ảnh h-ởng chất l-ợng tín hiệu. Bộ LNA đ-ợc làm lạnh
bằng Nitrogen lỏng hoặc hiệu øng nhiƯt ®iƯn Peltier. HƯ sè phÈm chÊt G/T cđa

hƯ thèng phơ thc chđ u vµo phÈm chÊt cđa anten và LNA.
Bộ đổi tần (FC-frequency converter): Dùng biến đổi tần số thu đ-ợc
xuống tần số thấp hơn và phát xuống, ®ång thêi khch ®¹i tÝn hiƯu ®Ĩ bï suy
hao cđa chính nó. Có thể có 2 kiểu đổi tần là đổi một lần và đổi hai lần tuỳ
thuộc vào số bộ dao động nội (LO) trên vệ tinh. Đổi tần một lần có -u điểm là


20

đơn giản vì chỉ cần một bộ LO, nh-ng nh-ợc điểm của nó là dễ bị nhiễu lọt
thẳng và phổ tần sau khi biến đổi bị đảo ng-ợc. Đổi tần hai lần tuy có phức tạp
hơn vì phải dùng tới hai bộ LO nh-ng lại khắc phục đ-ợc những nh-ợc điểm
của ph-ơng pháp trên.
Bộ khuếch đại tiền công suất PPA và bộ phân chia HYBRID: Bộ
PPA(Prior Power Amplifier) làm nhiệm vụ khuếch đại sơ bộ công suất tín
hiệu đi ra từ bộ đổi tần để cung cấp cho các bộ phát đáp (transponder). Việc
phân chia này do bộ HYBRID thực hiện, bộ HYBRID có n đầu ra t-ơng ứng
với số transponder trên vệ tinh.
Bộ MUX: Tr-ớc khi ra anten phát tín hiệu của các transponder ở các
băng tần con khác nhau phải đ-ợc ghép lại với nhau. Yêu cầu ghép phải đảm
bảo cho sự can nhiễu giữa các kênh vệ tinh là thấp nhất và mức công suất của
chúng đồng ®Ịu nhau trong tÝn hiƯu tỉng hỵp. Cã nhiỊu kü thuật đ-ợc áp dụng
cho bộ MUX nh-ng thông dụng nhất vẫn là bộ CIRCULATOR.
Các bộ phát đáp (Transponder): Một transponder gồm một loạt các
khối đ-ợc kết nối với nhau tạo ra một kênh thông tin giữa anten thu và anten
phát. Để xem xét một cách chi tiết cấu tạo của một transponder ta lấy ví dụ
với băng tần C. Băng thông của băng tần C là 500MHz đ-ợc chia ra làm nhiều
băng con, mỗi băng cho một transponder. Băng thông chuẩn cho một
transponder là 36MHz và 4MHz cho khoảng bảo vệ tổng cộng là 40MHz vậy
toàn bộ 500MHz đ-ợc chia làm 12 băng con. Bằng cách sử dụng phân cực con

số này có thể tăng gấp đôi. Ngoài ra với anten đa chùm có thể sử dụng lại tần
số, vì vậy băng tần thực 500MHz có thể đ-ợc sử dụng lại với băng tần hiệu
dụng là 2000MHz.


21

5,925-6,425GHz

Input
demultiplexer

Power
Gain
Block

1

3,720

2

3,760

3

3,800

4

3,840

5

3,880

6

3,920

7

3,960

8

4,000

9

4,040

10

4,080

11

4,120

12

4,160

3,7-4,2GHz

Wideband
receiver
5,925-6,425GHz
from receiver
antenna

Output
multiplexer

3,7-4,2GHz
To transmit
antenna

Centre
Frequency
GHz

Hình 1.7 : Các kênh cho transponder vệ tinh băng C
Wideband
receiver
3dB
coupler

De

Multi
plexer

Multi
plexer

Wideband
receiver
Attenuator
Amplifier
0dB

-1,5dB

60dB

50dB 48dB 104dB 102,5dB

Hình 1.8 : Cấu tạo một transponder trên vệ tinh và các mức năng l-ợng
Mỗi một bộ khuyếch đại riêng rẽ cung cấp nguồn ra cho một kênh phát
đáp. Nh- chỉ ra trên hình 1.8, mỗi một bộ khuyếch đại nguồn đ-ợc đặt tr-ớc


22

bởi một bộ suy giảm đầu vào. Điều này cần thiết cho phép mỗi bộ khuyếch đại
công suất có thể điều chỉnh mức công suất mong muốn. Bộ suy giảm gồm có
bộ phận cố định và điều chỉnh đ-ợc. Bộ phận cố định cần thiết cho việc cân
bằng sự biến đổi đầu ra của bộ suy giảm vì vậy mỗi một kênh phát đáp có
cùng một bộ suy giảm danh định (là giá trị của phần suy hao cố định). Sự điều

chỉnh rất cần thiết trong suốt quá trình lắp ráp. Bộ phận suy hao có thể biến
đổi cần cho việc thiết lập các mức khác nhau cho các loại dịch vụ khác nhau
(một ví dụ cho lùi công suất sẽ đ-ợc thảo luận ở phần sau). Bởi vì sự điều
chỉnh suy hao này là yêu cầu vận hành nên nó sẽ theo sự điều chỉnh của trạm
TT & C. Đèn khuyếch đại sóng chạy (TWTA) đ-ợc sử dụng rộng rÃi trong bộ
phát đáp với cấu hình dự phòng 1:5 để cung cấp cho đầu ra yêu cầu truyền tới
anten. Hiện nay ng-ời ta dùng HPA bán dẫn SSPA.
1.7.2. Phân hệ mặt đất:
Khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh khoảng 36000 Km xa hơn 700
lần so với các trạm chuyển tiếp trong hệ thống Viba mặt đất. Do vậy, chúng ta
phải có công nghệ thu tín hiệu rất nhỏ từ vệ tinh và phát công suất đủ lớn,
đồng thời phải đối phó với thời gian trễ. Phân hệ mặt đất hay còn gọi là các
trạm thu phát mặt đất bao gồm:
+ Anten thu phát và các thiết bị ®iỊu khiĨn, b¸m vƯ tinh.
+ èng dÉn sãng, c¸c bé chia cao tần và ghép công suất.
+ Bộ thu tạp âm thấp, các bộ điều chế và giải điều chế.
+ Các bộ đổi tần tuyến lên và tuyến xuống.
+ Các bộ ghép kênh và giải ghép kênh.
+ Bộ khuyếch đại c«ng suÊt cao.


23

Satellite

Up link

MOD

MOD

U/C

U/C

Down link

Satellite dish

Satellite dish

HPA

LNA

C
O
M
B
I
N
E
R

D/C

DEMOD

D/C

DEMOD

D
I
V
I
D
E
R

Hình 1.9: Sơ đồ một tuyến liên lạc vệ tinh.
* Khối MOD (Modulation): có nhiệm điều chế tín hiệu BB (Base band)
lên thành tín hiệu trung tần IF đồng thời nó có nhiệm vụ mà hoá kênh truyền
để chống lỗi.
* Khối U/C (Up Converter): có nhiệm vụ đổi tín hiệu trung tần IF thành
tần số cao tần RF, nó biến đổi tín hiệu trung tần lên tần số các băng C, K u tuỳ
theo yêu cầu.
* Khối Combiner: các tín hiệu đầu ra của các bộ biến đổi nâng tần đ-ợc
đ-a tới bộ Combiner ở đây chúng đ-ợc hợp lại thành một tín hiệu chung để
đ-a đến bộ khuyếch đại công suất cao (HPA) xuyên suốt hệ thống và đặc biệt
tại điểm đó các trễ nhóm và các vấn đề tuyến tính có thể đ-ợc bù lại bằng
cách sử dụng các mạch đặc biệt nh- bộ c©n b»ng.
* Khèi HPA (High Power Amplifier): cã nhiƯm vơ khuyếch đại tín hiệu
sóng mang cao tần RF có biên độ nhỏ đ-ợc cung cấp bởi thiết bị phát mặt đất
thành tín hiệu hữu ích có công suất lớn. Sau khi ra khỏi HPA tín hiệu sóng
mang cao tần đ-ợc bức xạ bởi anten có hệ số tăng ích thích hợp để đảm bảo