Đồ án Tổng quan về thông tin vệ tinh

/T) trong đó G/T được đánh giá đầu tiên là hệ số tăng ích của anten, hệ số tạp âm và hệ số khuếch đại tạp âm. Bộ khuếch đại tạp âm thấp cần phải được đặt càng gần đường thu càng tốt để tối thiểu hoá táp âm đưa vào hệ thống. Mặt khác phải điều chỉnh búp sóng của anten vào đúng tâm anten. Các thiết kế ban đầu về bộ khuếch đại tạp âm thấp là kỹ thuật nhiệt độ thấp để tạo ra nhiệt độ làm việc cực kỳ thấp. Nhiệt tạo ra tạp âm do công nghệ làm lạnh Peltier tiên tiến đã được áp dụng với thiết kế mới nhất được đưa vào làm lạnh truyền thống vẫn đạt kết quả hệ số tạp âm thoả mãn. VI.2.1 Hệ số tạp âm. Tầng đầu tiên của bất kỳ một máy thu nào cũng có quyết định tới tạp âm toàn máy. Các thuật ngữ dùng để biểu thị đặc tính này là hệ số tạp âm biểu thị bằng dB là một sự so sánh giữa tỷ số tín hiệu trên tạp âm ở đầu vào. Lúc nào một tín hiệu được khuếch đại thì có tạp âm đưa vào hệ thống, giá trị thực của tạp âm quyết định bởi các bộ khuếch đại tạp âm thấp. Ví dụ: Tín hiệu đầu vào là : - 100 dB Tín hiệu đầu ra là : - 40 dB Tạp âm đầu vào là : - 151 dB Tạp âm đầu ra là : - 90 dB Như vậy tạp âm tương đương sẽ là: Đầu vào: Đầu ra: Hệ số tạp âm là: ở đây: Si là mức tín hiệu đầu vào S0 là mức tín hiệu đầu ra Ni là mức tạp âm đầu vào N0 là mức tạp âm đầu ra. VI.2.2 Tạp âm, nhiệt tạp âm tương đương. 1. Tạp âm. Thuật ngữ tạp âm trong điện tử có thể được định nghĩa như bất kỳ tín hiệu nhiễu nào hoặc các tín hiệu không mong muốn khác. Có một số dạng tạp âm khác nhau, mỗi dạng có đặc tính và ảnh hưởng riêng. Các mạch điện tử có hai loại tạp âm: Tạp âm nội bộ và tạp âm bên ngoài. a, Tạp âm bên ngoài: Bao gồm tạp âm do mặt trời, tạp âm vũ trụ do các ngôi sao và các vật thể khác ngoài vũ trụ. b, Tạp âm nội bộ: Gồm các ảnh hưởng của nhiệt độ gây ra do sự chuyển động hỗn loạn của các điện tử. Cũng có tạp âm lạo xạo (Shot Noise) được phát sinh trong quá trình khuếch đại. Tạp âm nhiệt là tạp âm phát sinh từ bên trong thiết bị điện tử, chúng phụ thuộc vào nhiệt độ công tác và dải thông của thiết bị. Tạp âm nhiệt được xác định theo công thức: Pn = KTB Trong đó: Pn là công suất tạp âm K là hằng số Bônzman = 1,374 . 10-23 T là nhiệt độ ở 0K (00K ằ 273,10C) B là độ rộng băng tần Hz 2. Nhiệt tạp âm tương đương. Để thuận lợi với bộ khuếch đại tạp âm thấp, biểu thị bằng nhiệt tạp âm tương đương (Te) thay thế cho hệ số tạp ậm. Nhiệt tạp âm tương đương được xác định theo công thức: Te = (NF - 1) x T0 Trong đó: Te là nhiệt tạp âm tương đương (0K) NF là hệ số tạp âm tính bằng dB T0 là nhiệt độ công tác (0K) Ví dụ: Te = (1,19 - 1) x 290 = 55,1 (0K) Biến đổi ngược NF = (dB) Công suất tạp âm Pn của LNA ở 55,1 (0K) K = KTB Pn ở 55 (0K) = 10log (1,374 . 10-23 . 55 . 500 . 106 ) = - 124,2 DbW hoặc - 94,2 dBm Đây là tạp âm thêm vào bởi LNA. VI.2.3 Hệ thống bù. Nhiệt tạp âm hệ thống: Ts = TAE = Tfeeder = TLNA Bỏ qua tạp âm của đường dẫn sóng: Ts = TAE = TLNA Ts được đo trong quá trình kiểm tra hiệu chỉnh để quyết định G/T. Ví dụ: Đường kính đĩa phản xạ anten là 18m Hệ số khuếch đại khi thu: GTX = 56,56 dbI G/T = 38 dB/0K TAE = 280K TLNA = 430K Ts = 710K G/T = GTX - 10logTs = 56,56 - 10log71 = 38 dB/0K Số liệu này sẽ được đưa tới bộ ghi về anten của Intelsat. VI.2.4 Làm lạnh nhiệt điện (hiệu ứng Peltier) Làm lạnh nhiệt điện là một hiện tượng được Peltier phát hiện vào năm 1800, ông nhận thấy rằng ở chỗ nối của hai miếng kim loại khác nhau có một dòng điện nhỏ, nhiệt độ tăng hoặc giảm phụ thuộc vào chiều dòng điện. Hiệu ứng gần như ngược lại với một cặp nhiệt điện bằng hai miếng kim loại khác nhau sẽ phát sinh ra một dòng điện trong vòng mạch kín. Độ lớn của dòng điện phụ thuộc vào miếng kim loại sử dụng. Độ lạnh cũng phụ thuộc vào kim loại. Nói chung gần đây đã được cải tiến hoàn thiện hơn bằng cách sử dụng chất bán dẫn với nhiệt độ khoảng giữa 400C và 200C ở các trạm vệ tinh. VI.2.5 So sánh bộ khuếch đại tạp âm thấp. Sau đây là bảng so sánh các bộ khuếch đại tạp âm thấp. Bộ khuếch đại thông số hỗn hợp, bộ khuếch đại thông số nhiệt và bộ khuếch đại dùng FET. Thông số so sánh Bộ khuếch đại thông số nhiệt độ thấp Bộ khuếch đại thông số nhiệt điện Bộ khuếch đại FET Nhiệt tạp âm 15 35 - 50 50 - 75 Độ rộng băng (MHz) 500 600 - 800 500 - 800 Hệ số khuếch đại dB 30 (3 tầng) 26 (2 tầng) 50 (4 tầng) Đầu ra bão hoà dBm - 10 á - 5 - 10 á - 5 + 5 Hệ thống làm lạnh Thể khí Nhiệt điện Nhiệt điện hoặc bù nhiệt Bảng VI.2 - So sánh các bộ khuếch đại tạp âm thấp. Nhiệt tạp âm là một hàm số của tần số có các dạng khác nhau. Bộ khuếch đại thông số khác nhau ở 4 GHz được cho ở đồ thị hình VI.6 Hình VI.6 - Đồ thị so sánh các loại khuếch đại tạp âm thấp với các phương pháp làm lạnh khác nhau. VI.2.6 Bộ khuếch đại thông số Bộ khuếch đại thông số sử dụng một điện kháng không đường thẳng để khuếch đại. Điện kháng được làm thay đổi sao cho bắt được tín hiệu đầu vào và tăng độ lớn của nó. Việc nạp điện tích (Q) trong một tụ điện được quyết định bởi điện dung (C) và điện áp (V) giữa hai tậm. Khi thay đổi điện dung C trong khi vẫn giữ nguyên điện tích thì điện áp sẽ thay đổi, nếu điện áp này được thay đổi vào đầu vào về pha và độ lớn thì sự khuếch đại sẽ đạt được. Nếu tụ điện là một biến dung (Varactor), các bộ khuếch đại thông số hiện đại thì không thoái hoá và tin cậy vào tần số bơm (fr) để cung cấp công suất cho bộ khuếch đại. Tần số bơm bằng nhiều lần tần số tín hiệu (Fs). Khi tín hiệu bơm và đầu vào trộn với nhau chúng tạo ra một tần số thứ ba là tần số không tải (F1). Các tần số khác tạo ra ngoài phạm vi này bị hốc cộng hưởng lọc. Các tần số bơm và tần số không tải trộn lại với nhau tạo ra một tần số giống như tín hiệu đầu vào, tín hiệu đã được khuếch đại này sau đó đưa ra ở đầu ra. Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại tạp âm thấp được điều chỉnh bằng cách thay đổi công suất công bơm. Việc điều chỉnh thay đổi thiên áp của Varactor sẽ dẫn đến thay đổi dải thông. Bộ phận tạo dao động tần số bơm do nhà sản xuất quy định và nó không thay đổi được. Hình VI.7 - Bộ khuếch đại thông số VI.2.7 Điều khiển nhiệt độ của bộ khuếch đại thông số. Bộ làm lạnh: Nhiệt độ được điều khiển bởi không khí trực tiếp từ một quạt máy, bộ làm lạnh hoạt động bình thường ở nhiệt độ xấp xỉ 300C phía nóng và 200C ở phía lạnh. Bộ làm lạnh 2 Không có điều khiển nhiệt độ, làm việc ở nhiệt độ xấp xỉ 200C ở phía nóng và - 200C ở phía lạnh. Giá thông số: Làm việc ở nhiệt độ ằ - 200C và - 400C ở phía lạnh. sensor pump source fet amp 2 fet amp 1 2 paramp mount 2 cooler 1 94487 temp cont ste rect ps rect ps + 24 V DC 16 V DC 40 V DC TR1 TR2 Hình VI.8 - Sơ đồ điều khiển nhiệt độ của bộ khuếch đại thông số VI.2.8 Bộ khuếch đại Transistor hiệu ứng trường. Các tiến bộ trong công nghệ đã đưa ra phát triển của bộ khuếch đại tạp âm thấp dùng transistor hiệu ứng trường. Thiết kế chúng không phức tạp như các bộ khuếch đại tạp âm thấp khác trước đây giảm được giá thành và chúng có thể sử dụng ở các trạm mặt đất nhỏ hơn. Bộ khuếch đại FET thường là một khối điều tần. Bộ khuếch đại thứ nhất ở trong dãy thường được làm lạnh nhiệt điện với bù nhiệt được sử dụng với các phần còn lại. Kiểu mẫu đưa ra từ các nơi chế tạo khác nhau nhưng dựa vào các tiêu chuẩn thực hiện để quyết định hệ số. 3 dB Đầu vào Đầu ra ống dẫn sóng đến truyền dẫn sóng Bộ cách ly tổn hao thấp GaAs FET STAGE F1 = 85 dB G1 = 11,5 dB GaAs FET STAGE F2 = 11 dB G2 = 11,5 dB Polar bipolar amplifer F2 = 11 dB G2 = 11,5 dB Sự cách ly đầu ra Hình VI.9 - Sơ đồ khối bộ khuếch đại FET VI.3-/ Bộ biến đổi tần số VI.3.1 Khái niệm chung: Các trạm vệ tinh mặt đất phát lên vệ tinh ở tần số khoảng 6 GHz và thu từ vệ tinh xuống khoảng 4 GHz đối với băng C. Các tần số này như đã biết là tần số bức xạ (RF). Sự điều chế và giải điều chế tín hiệu được thực hiện ở tần số thấp hơn nhiều. Như đã biết tần số trung tần (IF) điển hình là 150 MHz hoặc 70 MGz phụ thuộc vào hãng sản xuất và loại hình dịch vụ. Nguyên tắc của bộ biến đổi nâng và hạ tần số là để chuyển đổi tần số trung tần lên tần số bức xạ hoặc ngược lại từ tần số bức xạ xuống tần số trung tần. Bộ nâng tần sử dụng cho đường lên còn bộ hạ tần sử dụng cho đường xuống của thiết bị tại trạm mặt đất. VI.3.2 Các bộ biến đổi nâng và hạ tần kết hợp. Trong một vài trường hợp bỏ nâng và hạ tần được kết hợp trong mỗi khối. Bộ kết hợp này thực hiện các chức năng như nhau như các bộ biến đổi nâng và hạ tần độc lập. Các bộ dao động sử dụng bên trong khối thường được khoá với nhau và sử dụng hệ thống hướng dẫn thu làm nguồn tần số. Ví dụ về bộ biến đổi này có thể thấy ở các trạm mặt đất mỗi kênh một sóng mang (SCPC). Việc sử dụng bộ biến đổi kết hợp này là lý tưởng đối với các dịch vụ băng hẹp, giá thành rẻ. VI.3.3 Các loại bộ biến đổi nâng tần và hạ tần. Các bộ biến đổi nâng tần và hạ tần có thể hoặc là đơn hoặc là đôi. Các bộ dao động của chúng có thể là thạch anh tần số cố định hoặc là các bộ tổng hợp tần số có thể biến đổi được dùng để tạo các tần số biến đổi được. - Bộ biến đổi nâng tần biến đổi đơn. Bộ biến đổi nâng tần đơn thường có một bộ dao động thạch anh để xử lý biến đổi. Sử dụng bộ tạo dao động thạch anh có nghĩa là bộ biến đổi nâng tần cố định và độ rộng băng tần được quyết định bởi bộ lọc thông dải (BPF) tần số bức xạ. Để thay đổi tần số truyền do bộ tạo dao động thạch anh tạo ra phải thay đổi thạch anh và bộ lọc thông dải. Đó là yêu cầu chung đối với các bộ biến đổi loại này (cần phải có nhiều thạch anh để thay đổi tần số trung tâm và độ rộng băng tần để phù hợp với các sóng mang do trạm mặt đất xử lý. Loại bộ biến đổi nâng tần này thường thấy trong các hệ thống lắp đặt trước đây. bộ trộn bộ lọc thông dải tạo dao động Bộ khuếch đại IF RF Hình VI.10 - Sơ đồ khối bộ biến đổi nâng tần đơn. - Bộ biến đổi hạ tần đơn: Tương tự như bộ biến đổi nâng tần đơn. Bộ dao động có thể là thạch anh cố định. Để thay đổi tần số của bộ dao động cần phải thay đổi thạch anh còn bộ lọc thông dải ở đầu ra không cần thay đổi vì tần số IF là cố định. bộ trộn bộ lọc thông dải tạo dao động Bộ khuếch đại RF IF bộ lọc thông dải Hình VI.11 - Sơ đồ khối bộ biến đổi hạ tần đơn - Các bộ biến đổi nâng tần kép: Bộ biến đổi nâng tần kép là một cải tiến quan trọng dựa vào loại biến đổi đơn để thực hiện điều chỉnh dễ dàng. Tất cả các bộ lọc được cố định ở tần số trung tâm và độ rộng băng. Bộ dao động thứ nhất là thạch anh có tần số cố định, bộ dao động thứ hai là bộ dao động tổng hợp có thể điều chỉnh (cũng có thể dùng bộ dao động thạch anh). Bộ lọc thông dải thứ IF hai có độ rộng băng tần cố định, điển hình là 36 MHz. Đầu ra RF được lọc với độ rộng băng tần của vệ tinh, điển hình là 575 MHz. IF RF Bộ khuếch đại bộ trộn 1 tạo dao động bộ lọc thông dải bộ trộn 2 bộ lọc thông dải tạo dao động có điều chỉnh Hình VI. 12 - Sơ đồ bộ biến đổi nâng tần kép. - Bộ biến đổi hạ tần kép. Bộ biến đổi hạ tần kép sử dụng các bộ lọc tần số cố định. Tần số RF biến đổi thường được điều khiển từ bộ tổng hợp tần số hoặc một bộ dao động có thể thay đổi được tần số. Bộ biến đổi tần số thấp (1225 MHz) được cố định trong khi đó bộ biến đổi cao tần (5250 MHz) có thể điều chỉnh. Thường hai tần số bộ dao động được điều chỉnh cùng một nguồn như nhau kết quả tăng được độ chính xác tần số. Việc sử dụng bộ biến đổi tần số hai lần có một ưu điểm rõ rệt, cụ thể là loại bỏ và giảm bớt nhiễu kênh lân cận và tần số ảnh. - Các tần số trung tần tiêu biểu: Hầu hết các nơi chế tạo vệ tinh và các thiết bị mặt đất theo các quy ước giống nhau: + Với các dịch vụ số: Thường có tần số trung tần là 170 MHz và có khả năng phủ một tần số phát đáp 72 MHz. Gần đây người ta sử dụng tần số trung tần 140 MHz cho tất cả các dịch vụ tương tự hay số. + Với các dịch vụ tương tự: Thường có tần số trung tần là 70 MHz và có khả năng phủ một khoảng tần số phát đáp 36 MHz. - Cân bằng các tần số trung tần: Sự cân bằng được thể hiện ở tần số trung tần trên các thiết bị trung chuyển (đường lên) để bù trừ cho sự biến đổi tần số/ các mức biến đổi cân bằng đường thẳng. Cũng phải có sự bù đối với trễ nhóm cân bằng Parabol. Điều này được thực hiện ở bộ nâng tần hoặc bởi thiết bị riêng trong mạch IF. Sự cân băng “MOPUP” phía đường xuống (cân bằng dọn sạch) được thực hiện để bù lại cho thiết bị phía thu của trạm mặt đất. - Các tiêu chuẩn ổn đinh tần số của Intelsat. Với các loại sóng mang khác nhau Intelsat quy định các tiêu chuẩn ổn định tần số cho các trạm mặt đất phải tuân thủ các tiêu chuẩn này áp dụng để lựa chọn tần số ban đầu và độ lệch tần số cho phép. Ví dụ: Một vài tần số sóng mang FDM quy định ± 150 KHz. Một vài tần số sóng mang SCPC quy định ± 250 KHz. Độ ổn định quy định đối với mỗi loại sóng mang được cho theo các tài liệu hướng dẫn của Intelsat. VI.3.4 Các mất mát và khuếch đại trong quá trình biến đổi. Các bộ biến đổi nâng và hạ tần được dùng để đảm bảo chỉnh lý mức tín hiệu cũng như tần số truyền. * Đồ thị mức của bộ biến đổi nâng tần: Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại nâng tần điển hình đưa ra ở mức -10dB á + 30 dB phụ thuộc vào mất mát của trạm ở các bộ kết hợp và các đường dẫn sóng đến các bộ khuếch đại kém hơn bộ biến đổi tần. Hệ số tạp âm của bộ biến đổi nâng tần không tốt bằng bộ biến đổi hạ tần. Hình VI.13 - Đồ thị phân bố tín hiệu ở các khối trong bộ biến đổi nâng tần (V/C) * Sơ đồ mức bộ biến đổi hạ tần -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 Hình VI.14 - Sự biến đổi mức tín hiệu từ đầu vào đến đầu ra của bộ biến đổi hạ tần (D/C) Hệ số khuếch đại bộ biến đổi hạ tần điển hình là + 10 dB á + 50 dB, nó thường có hệ số tạp âm tốt hơn bộ biến đổi nâng tần bởi vì các mức tín hiệu được điều khiển. Hệ số khuếch đại của bộ biến đổi hạ tần (D/C), kết hợp với bộ khuếch đại tạp âm thấp để tăng tín hiệu đến mức công suất yêu cầu. VI.3.5 Chuyển đổi trở kháng. Nói chung ở các thiết bị trạm mặt đất các điểm có tần số trung tần có trở kháng 75 W. Thiết bị tần số vô tuyến như đầu vào bộ U/C, đầu ra bộ U/C, bộ khuếch đại công suất cao và bộ khuếch đại tạp âm thấp yêu cầu trở kháng 50 W, sự biến đổi trở kháng này do các bộ biến đổi thực hiện. Cũng cần chú ý rằng các bộ phận đấu nối BNC của 50 W và 75 W là rất giống nhau. Sự khác nhau giữa hai bộ đầu nối là kích thước chấu ở tâm và có sự nguy hiểm nếu đấu nối nhầm. Chương VII Kỹ thuật bám và truy nhập. VII.1-/ Tại sao phải có hệ thống điều khiển anten bám vệ tinh Các vệ tinh địa tĩnh trong khi thực hiện không như tên gọi là đứng yên. Khi vệ tinh ở trên quỹ đạo nó bị tác động bởi nhiều các thiên thể khác nhau như quả đất, mặt trăng, mặt trời và nhiều hành tinh khác thuộc hệ mặt trời. Bản thân quả đất cũng không phải là tròn tuyệt đối bởi vậy vệ tinh luôn bị lôi kéo theo các hướng khác nhau gây ra sự trôi dạt vệ tinh trên quỹ đạo của nó. Nếu không hiệu chỉnh, mặt phẳng nghiêng quỹ đạo có hướng tăng 0,90 trong một năm so với mặt phẳng xích đạo. Vệ tinh cũng trôi dạt theo hướng Đông - Tây bởi vì quỹ đạo củ a nó không tròn tuyệt đối. Kiểu chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo vẽ lại trên mặt đất ở điểm trực tiếp dưới vệ tinh sẽ có đồ thị như hình vẽ Hình VII.1 Vệ tinh được điều chỉnh ở đúng vị trí của nó bằng việc dùng lực đẩy đi đẩy lại trên vệ tinh do điều khiển từ dưới đất dựa trên các trạm mặt đất điều khiển bám, đo lường. Lệnh và giám sát (TTC và M) là một bộ phận của mạng Intelsat. Để kéo dài tuổi thọ của vệ tinh người ta chấp nhận cho vệ tinh trôi dạt ± 0,10 ở các hướng Bắc - Nam và Đông Tây. Khi gặp khó khăn trong việc đặt vào chỗ cũ các vệ tinh đã già cỗi hơn, các hạn chế được giảm bớt tới mức chúng được phép trôi dạt lên đến ± 0,50 ở hướng Bắc - Nam và vẫn giữ vị trí Đông - Tây để tiết kiệm nhiên liệu và kéo dài tuổi thọ của vệ tinh. Với sự trôi dạt lớn của một vài vệ tinh có nghĩa là cần thêm các thiết bị điều khiển bám vệ tinh ở các trạm mặt đất. Trước đây chỉ có các trạm mặt đất lớn với búp sóng rất hẹp mới có hệ thống điều khiển bám vệ tinh. Hình VII.1 - Chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo của nó khi quan sát từ một vị trí ở dưới vệ tinh VII.2-/ Các hệ thống điều khiển bám vệ tinh. Có bốn loại hệ thống điều khiển bám vệ tinh được sử dụng ở trạm mặt đất: + Xung đơn + Bám từng nấc + Chương trình + Bằng tay. VII.2.1 Điều khiển bám bằng xung đơn. Tên xung đơn là thuật ngữ Rada dùng để diễn tả sai lệch góc. Có thể thu được từ một xung đơn khi loại dẫn sóng được dùng ở loại sóng cao hơn. Từ đồ thị hình VII.2 ta thấy: khi tín hiệu đến trực tiếp ở phía trước của bộ dẫn sóng thì hệ thống làm việc ở loại sóng TE10. Nếu tín hiệu đến lệch khỏi tâm thì hệ thống làm việc ở loại sóng TE20. Qua việc phát hiện loại sóng công tác có thể giải quyết vấn đề điều chỉnh anten. Pha của tín hiệu tạo ra biểu thị sự lệch trái hay lệch phải. Trong hình minh hoạ sự phân cực tuyến tính nhưng phân cực tròn cũng giống như vậy chỉ khi các loại sóng công tác trong ống dẫn sóng đó thay đổi. Ưu điểm của hệ thống điều khiển anten bám vệ tinh bằng phương pháp xung đơn là chính xác nhưng nhược điểm là thiết bị đánh dấu anten phải làm việc liên tục, điều này dẫn đến độ bền của thiết bị giảm tổn hao năng lượng lớn. + + TE10 TE20 TE20 Các điện trường trong ống dẫn sóng + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Hình VII.2 - Các loại sóng công tác đối với phân cực tròn. Hình VII.3 - Các loại sóng thu được ở các hướng khác nhau VII.2.2 Hệ thống điều khiển bám từng nấc. Hệ thống điều khiển thiết bị đánh dấu anten không phải liên tục theo dõi vệ tinh mà nó chỉ làm việc khi vệ tinh bị lệch tới một giới hạn cho phép nó mới thực hiện việc điều khiển. Thiết bị không phải làm việc liên tục cho nên có thể kéô dài thêm tuổi thọ, tuy nhiên hệ thống này ít khi đạt được mức cực đại. Hoạt động hiệu chỉnh có thể dựa vào giám sát một tín hiệu có tần số và mức không đổi. Vệ tinh cung cấp các tham số đó ở dạng các tần số điều khiển bám (Beacons) ở vết in toàn cầu tương ứng với bốn tần số là: 3947,5 MHz; 3948 MHz; 3952 MHz; 3952,5 MHz. Các tần số 3947,5 MHz và 3952,5 MHz dùng cho công tác bình thường. Còn hai tần số điều khiển bám 3948 MHz và 3952 MHz dùng để không gây can nhiễu đến các hệ thống điều khiển bám đã được khoá trên các vệ tinh khác. Các trạm mặt đất nhỏ hơn không có thiết bị bám hướng dẫn trong trường hợp của thiết bị SCPC (Mỗi kênh một sóng mang) cũng có thể bám được khi sử dụng điều khiển hệ thống lái. Tần số lái hệ thống ở một mức tín hiệu không đổi đối với các trạm mặt đất đó. Hình VII.4 - Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển bám từng nấc. - LNA: Bộ khuếch đại tạp âm thấp thường là một phần của các mạch tín hiệu xử lý thông tin. Trong số ứng dụng đặc biệt LNA có thể dành cho hệ thống điều khiển bám. - Bộ chia: Thường là một phần của các mạch xử lý thông tin như LNA. - Bộ biến đổi hạ tần: Chuyển tần số bức xạ (RF) ở đường xuống từ vệ tinh đến trạm mặt đất ra tần số trung tần (IF) phù hợp để hệ thống sử dụng. Để đảm bảo độ tin cậy có hai bộ biến đổi hạ tần trong đó có một bộ để dự phòng. - Bộ điều khiển bám vệ tinh: Đảm bảo giao tiếp đầu vào số liệu tự động hoặc nhân công thông qua đầu cuối hoặc điều khiển từ các panel phía trước. Nó gồm hai phần chính: + Khối điều khiển anten (ACU) điều khiển định thời gian và trình tự hoạt động của hệ thống. + Khối chỉ thị vị trí anten (APIU) điều khiển mô tơ dịch chuyển vị trí anten và đưa thông tin trở về hiển thị. - Mô tơ điều khiền: Theo lệnh của APIU điều khiển sẽ cung cấp công suất hiệu chỉnh đến các mô tơ định vị anten. - Các mô tơ định vị anten: Có hai mô tơ để điều chỉnh góc tà và góc phương vị, tốc độ lái thường là 0,030/s phụ thuộc vào kích thước anten. - Các chuyển mạch hạn chế: Dùng để ngắt nguồn cung cấp đến các mô tơ khi anten đã di chuyển đến tâm. - Đồng bộ: Cung cấp các thông tin vị trí trở lại cho ACU. Đồng bộ của góc phương vị và góc tà. - Quá trình làm việc: Hệ thống đo và giám sát tần số hướng dẫn đã được chọn ở một khoảng thời gian ấn định, hệ thống lấy mẫu một số điểm ở một cửa sổ, các mức của mẫu được so sánh để xác định. Nếu vệ tinh ở tâm cửa sổ tất cả các mức mẫu đều có biên độ bằng nhau. Nếu có sự lệch của các mức mẫu ACU sẽ ra lệnh cho anten qua hệ thống lái di chuyển tới hướng cực đại. Các tập hợp khác của mẫu được lấy ra và tiếp tục được xử lý cho tới khi vệ tinh ở tâm cửa sổ. VII.2.3 Điều khiển bám theo chương trình. Khi các quỹ đạo nghiên elip được đưa ra, dựa vào các số liệu lịch thiên văn, bảng thiên văn học dự đoán vị trí các vệ tinh thì việc điều khiển bám các vệ tinh được giải quyết theo một giải pháp mới đó là điều khiển bám theo chương trình. Số liệu chỉ vị trí các anten được Intelsat cung cấp. Số liệu này dựa vào trong phần mềm biến đổi thành các giá trị cho trạm mặt đất để điều khiển bám. Loại điều khiển bám theo chương trình không cần có các máy thu hướng dẫn điều khiển bám (Beacons) và các thiết bị liên quan nên giảm được giá thành. Thường thì người ta sử dụng kết hợp nhiều kiểu điều khiển bám khác nhau cho cùng một anten nhằm đảm bảo độ tin cậy của hệ thống. Vĩ độ bắc 31,7977700 Kinh độ Đông 115,8811100 Độ cao trạm 44000 Km (1Au - 1977 Elipsait) Khoảng thời gian giữa các điểm Az/EI 120,00 phút Khoảng thời gian tạo ra thông tin chỉ định 10 ngày Tâm của hợp 174 Kinh độ hợp 1,00 Vĩ độ hợp 1,00 Các giá trị lịch thiên văn + LMO 174,03140 - 174,14000 + LM1 0,65000E - 02 0,65000 + LM2 0,72500E - 03 0,000725 Bảng số liệu vị trí vệ tinh do Intelsat cung cấp. VII.2.4 Điều khiển bám theo nhân công. Khi các anten trạm mặt đất nhỏ có thể chỉ cần điều chỉnh hàng tuần hoặc hàng tháng bởi vì búp sóng của anten rộng. Điều chỉnh này có thể thực hiện được bằng cách làm cho các chuyển mạch phù hợp với mô tơ góc phương vị và góc ngẩng. Đối với một số anten việc điều chỉnh tiến hành bằng tay nhờ vào hệ thống vil chỉnh phía sau. VII.3-/ Các phương pháp truy nhập tới vệ tinh. VII.3.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) FDMA là phương pháp mà trong đó băng tần công tác của vệ tinh (500 MHz) được phân chia làm các khoảng tần số gọi là luồng phát đáp. Độ rộng luồng phát đáp (36 MHz hoặc 72 MHz) được phân chia cho mỗi trạm mặt đất để phát đi các tần số ấn định riêng cho mỗi trạm. Các tần số được truyền đi đồng thời ở các tần số khác nhau tương ứng với mỗi sóng mang, trạm mặt đất điều chỉnh máy thu để các tần số mong muốn để khôi phục lưu lượng thông tin dành cho trạm. VII.3.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) TDMA là phương pháp mà mỗi trạm mặt đất được quy định một khoảng thời gian (là khe thời gian hoặc cụm) trong một khung thời gian cố định. Các tín hiệu được truyền đi ở một vài tần số sóng mang nhưng ở các khoảng thời gian khác nhau. Trạm mặt đất thu nhận biết được khi các cụm đang xuất hiện và tác động thiết bị để thu nhận lượng thông tin đã định trước ở thời gian đó. 1. Ưu điểm của TDMA. Sử dụng công suất vệ tinh có hiệu quả. ở FDMA một số sóng mang được khuếch đại chung bằng một bộ phát đáp, trong trường hợp này tính phi tuyến của TWTA trong bộ phát đáp vệ tinh gây ra xuyên điều chế. Để giảm cực tiểu xuyên điều chế, cần phải thực hiện TWTA với một đoạn đặc tính ngược lớn từ điểm bão hoà cho nên không thể tận dụng hết công suất vệ tinh. Còn ở TDMA số sóng mang trong bộ phát đáp vệ tinh không bao giờ lớn hơn 1, vì thế mà có thể thực hiện TWTA một cách có hiệu quả gần điểm bão hoà mà không bị xuyên điều chế. TDMA có thể sử dụng công suất vệ tinh có hiệu quả hơn. Tính linh hoạt trong khai thác khi thay đổi nhu cầu lưu lượng chỉ cần thay đổi độ dài và vị trí của các cụm mà không cần thay thế hoặc sửa đổi thiết bị của trạm mà chỉ cần thay đổi bằng phần mềm. Như vậy TDMA có mức độ linh hoạt lớn trong khai thác. Có thể tăng dung lượng của trạm bằng phương pháp nội suy tiếng nói số DSI có thể tăng gấp đôi số kênh tồn tại trên các vệ tinh. Kết hợp TDMA với DSI cho phép tăng dung lượng truyền dẫn gấp ba bốn lần so với FDMA. Dễ dàng đấu nối với các trạm thông tin số mặt đất. 2. Đồng bộ cụm. Trong TDMA các cụm được phát từ các trạm lưu lượng được điều khiển sao cho chúng được đặt vào trong các khe thời gian ấn định ở vệ tinh. Việc điều khiển định thời này được gọi là đồng bộ cụm. Khoảng cách giữa vệ tinh và mặt đất luôn thay đổi do có sự dịch chuyển của vệ tinh so với vị trí địa lý danh định của nó, cho nên khoảng cách và thời gian cần thiết cho một cụm lưu lượng truyền đi từ một trạm đến vệ tinh liên tục thay đổi. Ngoài ra trạm chuẩn và các trạm lưu lượng có các đồng hồ riêng của chúng với các tần số khác nhau về định thời phát cụm giữa các trạm khác nhau. Vì thế nếu không có đồng bộ cụm thì các cụm phát sẽ trượt khỏi các khe thời gian được ấn định cho vệ tinh. Nếu xảy ra chồng lấn các cụm ở vệ tinh thì thông tin sẽ bị mất. Trong mỗi khung TDMA vị trí của khe thời gian được ấn định cho mỗi cụm được phát từ một trạm lưu lượng được xác định vị trí tương đối của cụm so với cụm chuẩn. Vì thế mỗi trạm lưu lượng phải thực hiện đồng bộ cụm để duy trì cụm của nó ở vị trí danh định tỏng khung. Định thời phát cụm nên được điều khiển theo chu kỳ bằng cách sử dụng cụm chuẩn như một chuẩn định thời. Có ba phương pháp đồng bộ cụm cho việc điều khiển vị trí tương đối của cụm lưu lượng so với cụm chuẩn: * Đồng bộ vòng kín trực tiếp dùng cho các phương pháp hoạt động với búp toàn cầu, trong đó mỗi trạm lưu lượng luôn luôn có thể thu các cụm lưu lượng do phát. Khoảng thời gian giữa hai cụm này được do theo chu kỳ tại trạm lưu lượng để phát hiện lỗi trong khoảng thời gian đó bằng cách so sánh nói với giá trị danh định đã được xác định trước. Định thời phát cụm được đưa ra hoặc trễ đi để bù trừ các lỗi được phát hiện. * Đồng bộ vòng mở định thời phát cụm được xác định bằng cách bổ sung một lượng trễ phù hợp vào định thời thu cụm chuẩn. Lượng trễ này nhận được là nhờ việc tính toán dựa trên việc đo khoảng cách mỗi trạm mặt đất và vệ tinh. Mỗi trạm lưu lượng thu cụm chuẩn và phát cụm của nó sau một lượng trễ được tạo ra tính từ định thời thu cụm chuẩn. Đồng bộ vòng mở có thể áp dụng cho cả búp hội tụ và cả búp toàn cầu và đơn giản hơn so với các phương pháp đồng bộ cụm khác, tuy nhiên lỗi của các cụm ở đồng bộ mở có khả năng lớn hơn. VII.3.3 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) Là phương pháp mà ở đó mỗi trạm mặt đất phát tín hiệu ở cùng một thời gian và cùng một sóng mang. Để nhận biết các trạm mặt đất không thu lẫn của nhau là chúng có một mã duy nhất dành riêng cho mỗi trạm và được sử dụng để giải mã tín hiệu dành riêng cho chúng. Các trạm mặt đất khi nhận tín hiệu sẽ truyền đến trung tâm để thu lại các thông tin có mã đúng với mã của trạm. Thông tin này được thu lại và xử lý rồi đưa đến nơi nhận. Với CDMA (Code Division Multiple Access), các trạm trong mạng truyền liên tục trên cùng tần số không phân biệt theo thời gian. Sự giao thoa tín hiệu được khắc phục bằng cách mỗi trạm nhận biết mã riêng của nó. Mã là một chuỗi bit gọi là code, được tổ hợp với thông tin hữu ích tại máy phát mã cần có đặc tính: - Mã có thể nhận dạng từ bản sao của nó. - Mã có thể nhận dạng dễ dàng bất chấp các mã khác cũng có trong mạng. Việc truyền thông tin có mã đòi hỏi dải thông cao tần lớn hơn nhiều dải thông tín hiệu nguyên thuỷ. Đó là lý do truyền trải phổ CDMA hay còn gọi là SSMA (Spread Spectrum Multiple Access). Có hai kỹ thuật được dùng trong CDMA. - Chuỗi trực tiếp DS (Direct Sequence) - Tạo bước nhảy tần số FH (Frequency Hopping). Kỹ thuật CDMA dùng trong thông tin trải phổ. Chuỗi mã giúp trải phổ cấu thành nhận dạng của máy phát. Máy thu phục hồi tín hiệu hữu ích bằng cách thu hẹp phổ sóng mang trong giải thông nguyên thuỷ, đồng thời dãn phổ các tín hiệu khác. Bằng cách này làm giảm mật độ nhiễu. Ưu điểm CDMA: * Hoạt động đơn giản không đòi hỏi đồng bộ giữa các trạm chỉ cần đồng bộ mã hoá của tín hiệu thu. * Chống nhiễu giao thoa do các hệ thống vô tuyến gây ra (giao thoa do phản xạ). Điều này cho phép mạng các trạm mặt đất nhỏ dùng anten có góc nửa công suất lớn (beam rộng) hoặc các thông tin vệ tinh di động. VII.3.4 Giao tiếp mạng mặt đất. Các phương pháp giao tiếp khác nhau được sử dụng giữa hệ thống TDMA và mạng thông tin mặt đất nội địa phụ thuộc vào loại mạng mặt đất. Các loại đó là truyền dẫn tương tự FDM và truyền dẫn số TDM. Bộ biến đổi FDM/TDM Hệ thống TDMA Tín hiệu PCM - TDM Mạng mặt đất. Tín hiệu tương tự FDM * Biến đổi ở mức kênh thoại. Biến đổi bằng bộ ghép kênh truyền dẫn ở mức tín hiệu đã ghép kênh tín hiệu PCM ghép kênh phân chia theo thời gian được sử dụng trong hệ thống TDMA. Ngược lại, khi mạng mặt đất sử dụng truyền dẫn tương tự FDM thì việc biến đổi qua lại giữa các tín hiệu tương tự FDM và các tín hiệu FDM - TDM là rất cần thiết. Với phương pháp biến đổi này hiện có hai phương pháp. Một phương pháp là biến đổi mức kênh thoại và phương pháp kia là biến đổi mức tín hiệu được ghép bằng bộ ghép kênh phát. ở phương pháp biến đổi mức kênh thoại, tín hiệu FDM được gửi từ mạng mặt đất trước hết được phân thành các kênh thoại riêng biệt bằng bộ ghép kênh FDM. Sau đó, các kênh thoại này được nhóm lại theo nơi nhận bằng bộ phân kênh. Mã hoá PCM được áp dụng cho mỗi kênh thoại được nhóm ở bộ ghép kênh phân chia theo thời gian rồi được phát đi. Bằng chuỗi xử lý tín hiệu theo thứ tự ngược lại, các tín hiệu từ hệ thống TDMA được đấu nối tới mạng mặt đất. Việc biến đổi mức kênh thoại có thể sử dụng các thiết bị hiện có. Tuy nhiên số lượng thiết bị và kích thước của chúng tăng lớn. Tín hiệu TCM - TDM Tín hiệu băng tần tiếng nói fdm mux bộ phận phối kênh pcm mux Tín hiệu FDM Biến đổi ở mức kênh thoại Phần III Thiết kế tuyến năng lượng Chương VIII Thiết kế năng lượng đường truyền VIII.1-/ Khái niệm Một điểm quan trọng khi xét đến việc thiết kế một đường truyền vô tuyến là có thể cho phép giảm chất lượng tuyến xuống bao nhiêu đối với truyền lan trong không gian. Vì thế, không chỉ thiết kế đường vô tuyến với chất lượng cao nhất, mà cần thiết phải xét đến tính kinh tế. Đặc biệt là sử dụng các thiết bị trạm mặt đất chất lượng cao đối với thông tin vệ tinh để khắc phục sự giảm chất lượng đường truyền do truyền lan trong không gian sẽ làm cho đường truyền thông tin đạt được chất lượng cao, như một trạm mặt đất chất lượng cao là rất đắt. Vì thế, mặc dù có thể dùng trạm mặt đất như vậy để tạo ra dịch vụ thông tin vệ tinh, nhưng giá cước sử dụng sẽ không hợp lý, nên nó sẽ không đạt được như mục tiêu trên hình VIII.1. Mục tiêu thiết kế một tuyến thống tin vệ tinh là đảm bảo một đường truyền có chất lượng đạt yêu cầu càng rẻ càng tốt. Ngoài ra, khi thiết kế tuyến thông tin vệ tinh ta phải cân đối giữa chất lượng từng khối thiết bị và nhiễu mà nó có thể gây ra tới các tuyến khác. Tuyến chất lượng cao Phương tiện tiết kiệm Điểm thoả hiệp Hình VIII.1 - Các mục tiêu thiết kế tuyến. VIII.2-/ Các chỉ tiêu chất lượng CCIR (Comite Consultatif International des Radio communications) - (Uỷ ban tư vấn vô tuyến quốc tế) thiết lập các chỉ tiêu chất lượng cần thoả mãn cho nhiều loại hình dịch vụ và các quá trình điều chế thực hiện. Nhìn chung, nó đưa ra ba ngưỡng chất lượng không được phép vượt quá trong một phần trăm thời gian cho trước. (Các khuyến nghị 353 - 4 và 522 đối với thoại; khuyến nghị 567 - 1 và 568 đối với truyền hình). Nói về thoại, có các ngưỡng chất lượng tóm tắt trong bảng 8-1: Các điều kiện đo Thoại tương tự Thoại số (PCM) Công suất tạp âm tại mức chuẩn BER 20% của tháng bất kỳ (giá trị trung bình/phút) 10.000 pWOp -- 20% của tháng bất kỳ (giá trị trung bình 10 phút) - - 10-6 0,3% của tháng bất kỳ (giá trị trung bình 1 phút) 50.000 pWOp 10-4 0,01% của năm bất kỳ (giá trị tổng trên 5ms) 100.000 pWOp (không trọng số) - - 0,01% của năm bất kỳ (giá trị trung bình 1s) - 10-3 Bảng VIII.1 - Các chỉ tiêu chất lượng đối với thoại. Ta cần chú ý rằng, các thông số này có thể được sửa đổi và cần tham khảo các văn bản mới nhất của CCIR trong khi thiết kế các hệ thống thông tin vệ tinh. Đối với truyền hình, chỉ tiêu chất lượng đối với tất cả các truyền dẫn truyền hình khoảng cách xa (mặt đất hay vệ tinh) được nêu trong các khuyến nghị 567-1 và 568. Tức là tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) (trọng - số) phải bằng hoặc lớn hơn 53 dB trong 99% thời gian và 45 dB trong 99,9% thời gian. Thực tế, các chỉ tiêu này không thể luôn được thoả mãn trong các tuyến thông tin. Tuy nhiên, các chỉ tiêu chất lượng này nói chung là dành cho các hệ thống trong các mạng quảng bá và khoảng phản ánh thực tiễn thiết kế hiện thời đối với các hệ thống vệ tinh dùng để phân phối chung hơn, đặc biệt là đối với các trạm mặt đất nhỏ. Đối với các trường hợp sau này phần lớn người xem hoàn toàn chấp nhận chất lượng chủ quan đạt được thậm chí khi mức chất lượng thiết kế thấp bằng 40 dB. Khi có thống kê suy hao do các điều kiện khí quyển, thì có thể tính được tỷ số tín hiệu trên tạp âm mong muốn nhận được tại đầu vào máy thu trạm mặt đất cho các phần chậm thời gian khác nhau xác định trong chỉ tiêu chất lượng của CCIR. Từ đó tính ra tỷ số tín hiệu trên tạp âm S/N hoặc BER tương ứng và kiểm tra xem hệ thống có thoả mãn tiêu chuẩn chất lượng đã đề ra không. VIII.3-/ Các chỉ tiêu sẵn sàng. Một tuyến thông tin vệ tinh cố định thiết lập giữa các đầu cuối của một tuyến chuẩn giả định hoặc đường số chuẩn giả định được xem là không sẵn sàng theo khuyến nghị 352-1 và 521-1, nếu như một hoặc nhiều điều kiện sau tồn tại ở một trong số các đầu cuối thu của tuyến lâu lơn 10 giây liên tiếp. - ở truyền dẫn tương tự, tín hiệu mong muốn đưa vào tuyến được thu tại một đầu cuối khác ở một mức nhỏ nhất là 10 dB dưới mức mong muốn. - ở truyền dẫn số, tín hiệu số bị ngắt (có nghĩa là mất đồng bộ khung hoặc định thời khung). - ở truyền dẫn tương tự kênh thoại, công suất tạp âm không trọng số tại mức 0 tương đói, với thời gian tích hợp là 5 ms, vượt quá 10-6 pWOp. - Trong truyền dẫn số. BER vượt quá 10-3 Khuyến nghị 579 quy định tạm thời rằng độ sẵn sàng của đường truyền định nghĩa là (1 - thời gian đoạn/thời gian yêu cầu) phải lớn hơn 99,8% trong một năm, khi chỉ xét đến gián đoạn do thiết bị. VIII.4-/ Quan hệ giữa chất lượng và C/N Quan hệ giữa C/N và BEN [(trong hệ thống khoá dịch pha (PSK)] hoặc S/N (trong hệ thống FM tương tự) ở tín hiệu thu tuỳ thuộc vào điều chế và giải điều chế trong hệ thống. Vì thế, có thể tính C/N cần thiết từ đường cong C/N - S/N hoặc C/N - BEN đối với chất lượng tuyến yêu cầu (BER hoặc S/N) như hình VIII.2. Khi khả năng không sẵn sàng do mưa là chủ yếu, thì phải xác định giá trị không sẵn sàng theo giờ do mưa lúc đó tính toán được xác suất xảy ra mưa như cho thấy trên hình VIII.3, để xác định đúng sai cho phép không sẵn sàng đối với mưa. Ta sử dụng đường cong C/N - BER hoặc C/N - S/N để xác định tính không sẵn sàng (BER 10-3 hoặc SN 30 dB) của một tuyến trong khi mưa tại cường độ đang xét và như vậy giá trị C/N yêu cầu trong lúc mưa như vậy. Hình VIII.4 cho ta thấy điều đó. BER BER Cần thiết C/N C/N Cần thiết a) Điều chế PSK S/N S/N Cần thiết C/N C/N Cần thiết B) Điều chế FM Hình VIII.2 - Quan hệ bình thường giữa C/N cần thiết và chất lượng đường truyền. (mm/h) Lượng mưa (cường độ mưa) 60 50 40 30 20 10 0 0,01 0,1 1 % Trung độ phần trăm thời gian bị vượt quá (xác suất mà mưa sẽ vượt quá cường độ tại trục trung độ ) Hình VIII.3 - Cường độ và xác suất của mưa. Các đặc tính xác suất mưa Độ không sẵn sàng Cường độ mưa Suy hao mưa C/N trong khi mưa Suy hao do mưa - Các đặc tính xác suất mưa Độ không sẵn sàng BER 10-3 hoặc S/N 30 dB Hình VIII.4 - Khả năng không sẵn sàng do mưa Trong thiết kế tuyến thực tế, xác định quan hệ giữa cường độ mưa và xác suất mưa, nghĩa là cường độ, suy hao, khoảng cách mà các sóng vô tuyến xuyên qua mưa, mất khá nhiều thời gian, nên người ta sử dụng đặc tính quan hệ giữa suy hao và xác suất cho trên hình VIII.5. Phương pháp này thích hợp với tuyến vệ tinh sử dụng tần số cao hơn 10 GHz. Hình VIII.5 - Suy hao do mưa, các đặc tính xác suất do mưa. VIII.5-/ Công suất sóng mang. Công suất thu là một yếu tố quan trọng nhất trong việc xác định chất lượng của một tuyến thông tin vệ tinh. Mỗi một yếu tố được biểu diễn trong phương trình 8.1 theo hình VIII.6 như sau: PR = PT - LT + GT - LP + GR - LR (dB) (8.1) Trong thông tin vệ tinh, thường sử dụng anten parabol. Hệ số tăng ích của loại anten này có liên quan mật thiết đến bề mặt parabol. Vì vậy, hệ số tăng ích anten parabol thường được biểu diễn như là một hàm có đường kính parabol (D), như chỉ ra trên hình VIII.7, và được miêu ta bằng phương trình (8.2). Nếu như bề mặt parabol không tròn, thì đường kính anten tương đương được tính từ bề mặt hiệu dụng của parabol. Vì hệ số tăng ích của anten parabol là một hàm đường kính của nó, nên đường kính anten là một thông số dùng để đánh giá chất lượng anten parabol. G = (8.2) Hình VIII.6 - Các yếu tố quyết định công suất thu. D Anten parabol Hình VIII.7 - Đường kính bề mặt parabol. Trong 8.2 : l : độ dài sóng vô tuyến (bước sóng) h : Hiệu suất. Hệ số tăng ích thực tế của một anten parabol trạm mặt đất đường kính 20 m xấp xỉ 60 dB ở tần số 6 GHz, trong khi đó, hệ số tăng ích của anten có đường kính 4,5 m là xấp xỉ 55 dB ở tần số 14 GHz. Hệ số tăng ích của một anten đối với vệ tinh thông tin là khoảng 15 dB đối với một anten toàn cuầ ở tần số 6 GHz và xấp xỉ 30 á 40 dB đối với búp sóng phủ ở tần số 14 GHz. PT - LT + GT trong phương trình 8.2 biểu thị công suất thực tế phát tới máy thu. Nghĩa là nó tương đương với công suất phát cần thiết khi sử dụng anten không có tăng ích và hệ thống fiđơ không có suy hao. Công suất này được gọi là EIRP (công suất phát xạ đẳng hưởng tương đương) và được biểu thị bằng phương trình 8.3. EIRP thường được sử dụng để biểu thị khả năng của một phương tiện truyền dẫn đối với thông tin vệ tinh. EIRP = PT - LT + GT (8.3) PT: Công suất phát. LT: Suy hao hệ thống fiđơ truyền dẫn. GT: Suy hao anten truyền dẫn. Suy hao truyền sóng là tên chung đối với suy hao trong không gian tự do xác định bằng khoảng cách đường truyền và suy hao xảy ra do hấp thụ bởi tầng điện ly, không khí và mưa. Nó được biểu diễn bằng phương trình 8.4 LP = G + Li + La + Lr (8.4) LP: Suy hao truyền sóng. Li: Suy hao hấp thụ trong tầng điện ly. La: Suy hao hấp thụ trong không khí. Lr: Suy hao mưa. G: Suy hao không gian tự do G = R: Khoảng cách đường truyền. l: Bước sóng vô tuyến. Trong phương trình này, suy hao không gian tự do chiếm phần lớn suy hao đường truyền. Trong băng tần sử dụng đối với thông tin vệ tinh, hấp thụ bởi tầng điện ly và không khí là không đáng kể và có thể bỏ qua. Tuy nhiên, nếu sử dụng tần số lớn hơn 10 GHz, thì suy hao do mưa có thể là nhân tố quan trọng nhất quyết định chất lượng tuyến. Trong trường hợp này, vì chất lượng tuyến được xác định bằng thời gian không sẵn sàng, nên ta không thể chỉ xác định nó bằng tính toán C/N đơn giản. Suy hao do mưa và thời gian không sẵn sàng được miêu tả trong một phần riêng. VIII.6-/ Công suất tạp âm nhiệt. Như cho thấy trong hình 8.8, tạp âm nhiệt được tạo ra trong máy phát và nó kết hợp với tạp âm bên ngoài đi vào anten thu và tạp âm bên trong tạo ra từ trong máy thu, anten và hệ thống fiđơ. Mặc dù số lượng tạp âm được tạo ra ở máy phát là đáng kể, nhưng nó giảm dọc theo đường truyền lan, vì thế không cần xét đến loại tạp âm này. Tuy nhiên, ta cần phải xét đến tạp âm bên trong và bên ngoài. Tạp âm máy phát Phía phát Tạp âm bên ngoài Máy thu Tạp âm bên trong Hình VIII.8 - Phân loại nguồn tạp âm (đường xuống) VIII.6.1 Tạp âm bên ngoài. Tạp âm bên ngoài bao gồm tạp âm không gian, tạp âm bề mặt mặt đất, tạp âm khí quyển và tạp âm mưa. Tạp âm hiệu dụng tại trạm mặt đất (chủ yếu) là tạp âm mưa, và phải coi là nguyên nhân chính suy hao tín hiệu, khi trời quang, tạp âm gây ra là do khí quyển và không gian. Tuy nhiên, ta đã thấy rằng tạp âm này gây ra bởi khí quyển có nhiệt độ đo được nhỏ hơn 100K vì thế ta có thể bỏ qua nó trong quá trình thiết kế tuyến sơ bộ. Tạp âm từ bề mặt của trái đất không ảnh hưởng đến trạm mặt đất bởi vì ta sử dụng anten có hướng, nhưng nó ảnh hưởng đến vệ tinh thông tin vì anten của nó hướng về phía trái đất. Nhiệt độ tạp âm của tạp âm bề mặt trái đất, thu bằng vệ tinh thông tin gần giống như của bề mặt trái đất. VIII.6.2 Tạp âm bên trong. Tạp âm bên trong xảy ra trong các anten, các hệ thống fiđơ và các máy thu, tổng hợp âm đó là toàn bộ công suất tạp âm bên trong. Tuy nhiên, tạp âm xảy ra tại các điểm khác nhau có ảnh hưởng khác nhau, vì thế công suất tạp âm tích hợp không thể đánh giá đơn giản bằng việc xác định trị số công suất tạp âm. Vì C/N là trị số ở đầu vào tại máy thu, nên ta phải biến đổi tạp âm xảy ra tại anten và trong hệ thống fiđơ thành một trị số tại điểm đầu vào máy thu, như cho thấy trên hình VIII.9. Mức tín hiệu Tạp âm anten TA Tổn hao hệ thống fidơ Tạp âm hệ thống fiđơ Tạp âm máy thu Mức công suất Suy hao hệ thống fiđơ LF Đường fiđơ (ống dẫn sóng) Máy thu Anten Hình VIII.9 Thay đổi mức tạp âm Nghĩa là, nhiệt tạp âm anten và tạp âm hệ thống fiđơ được xem như là suy hao hệ thống fiđơ. Ta có thể biểu diễn tạp âm tổng tại đầu vào máy thu bằng nhiệt tạp âm như phương trình 8.5 sau: TIN = (8.5) TIN: Tạp âm tổng bên trong. TA: Nhiệt tạp âm anten. TR: Nhiệt tạp âm máy thu. T0 (LF - 1): Tạp âm hệ thống fiđơ. T0: Nhiệt độ môi trường. LF: Suy hao hệ thống fiđơ (giá trị thực). Nhiệt tạp âm đối với một máy thu bằng tổng nhiệt tạp âm gây ra trong mỗi phần. Đối với các bộ khuếch đại nối tiếp cho trên hình 8.10, có thể biểu diễn nhiệt tạp âm máy thu (TR) bằng phương trình 8.6 bằng cách gọi từng hệ số khuếch đại là G1, G2, G3, ..., Gk, và nhiệt tạp âm quy về đầu vào là T1,T2,T3,..., Tk. TR = T1 + (8.6) c1 Tín hiệu Tạp âm nhiệt T1 c2 Tạp âm nhiệt T2 c3 Tạp âm nhiệt T3 ck Tạp âm nhiệt Tk Bộ khuếch đại 1 Bộ khuếch đại 2 Bộ khuếch đại 3 Bộ khuếch đại k Hình VIII.10 - Bộ khuếch đại nối tiếp VIII.6.3 Tạp âm hệ thống Như đã nói ở trên, cả tạp âm ngoài và tạp âm bên trong đều tồn tại trong một hệ thống, vì thế tạp âm tổng đối với hệ thống đó bằng tổng công suất tạp âm bên ngoài và bên trong của nó. Điều này cho thấy ở phương trình 8.7 TSYS = (8.7) Trong đó: TSYS: Nhiệt tạp âm hệ thống. TS: Nhiệt tạp âm bên ngoài. TA: Nhiệt độ tạp âm anten. TR: Nhiệt tạp âm máy thu. T0: Nhiệt độ môi trường. LF: Suy hao hệ thống fiđơ (số thực) Khi bỏ qua suy hao hệ thống fiđơ, thì có thể biểu diễn nhiệt tạp âm đối với đường lên bằng phương trình 8.8 TSYS = TS + TR (8.8) Vì thế, có thể sử dụng nhiệt tạp âm (TSYS) để tính công suất tạp âm (NSYS) cho toàn bộ hệ thống như biểu thị ở phương trình 8.9 NSYS = 10log (k TSYS . B) (dB) (8.9) Trong đó: k là hằng số Boltzman = 1,38 . 10-23 (W/Hz/0K) B: Độ rộng băng tần (Hz) Sử dụng NSYS từ phương trình 8.8 và PR từ phương trình 8.1 thì có thể biểu thị C/N bằng phương trình 8.10 C/N = PR - NSYS = PT - LT + GT - LP + GR - LR - NSYS (8.10) Trong đó: PT: Công suất máy phát. LT: Suy hao hệ thống fiđơ phát. GT: Hệ số tăng ích anten phát. LP: Suy hao truyền sóng. GR: Hệ số anten thu LR: Suy hao hệ thống fiđơ máy thu. Trong 8.10, GR - LR - NSYS biểu thị các đặc tính của máy thu. Tuy nhiên, thông số G/T dùng TSYS chứ không dùng NSYS trong phương trình này để biểu thị chất lượng của máy thu, nó có thể biểu thị bởi phương trình: G/T = GR - 10log (TSYS) - LR (8.11) Bảng 8.2 chỉ ra một thí dụ thiết kế năng lượng đường truyền tiêu biểu đối với hệ thống thông tin vệ tinh trong nước ở băng tần 30/20 GHz. Các giá trị đối với khả năng sẵn sàng của đường truyền trong bảng 8.2 là giả thiết đối với một đường truyền từ Tokyo sang Osaka. Vệ tinh: 132,00E Băng tần trên 30 GHz Băng tần dưới 20 GHz Phát: Tokyo Thu: Osaka (PT)U dBm 54,8 (LT)U dB 2,0 (GT)U dB 68,6 (EIRP)U dBm 121,4 (LS)U dB 212,9 (La)U dB 0,6 (GR)U dB 34,4 (LR)U dB 0,4 (PR)U dBm - 58,1 (NSYS)U dBHz - 84,9 (C/N)U dBHz 26,8 (PT)d dBm 35,0 (LT)d dB 0,1 (GT)d dB 39,0 (EIRP)d dBm 73,9 (Li)d dB 209,3 (La)d dB 0,7 (GR)d dB 65,1 (LR)d dB 0 (PR)d dBm - 71,0 (NSYS)d dBHz - 94,0 (C/N)d dBHz 23,0 (C/N)T dBHz 21,5 Bảng 8.2 - Ví dụ về thiết kế năng lượng đương truyền đối với vệ tinh CS - 2 VIII.7-/ Phân phối tạp âm Trong thiết kế tuyến thực tế, phần lớn các thủ tục sử dụng không xác định các chỉ tiêu kỹ thuật và tính toán số lượng tạp âm và nhiễu. Thật vậy, mức nhiễu do tạp âm được đánh giá đối với mỗi yếu tố. Sau đó các yêu cầu kỹ thuật được xác định đối với vị trí và đặc tính của anten. Loại thủ tục này gọi là phân bổ tạp âm và chỉ ra trên hình VIII.11 C/N đối với đường lên Tạp âm nhiệt C/N Tạp âm nhiễu C/N Tạp âm nội bộ Tạp âm ngoài Can nhiễu khác hệ thống Can nhiễu cùng tuyến Tạp âm máy thu Tạp âm bề mặt mặt đất Nhiễu khử phân cực Nhiễu kênh lân cận Tạp âm máy thu Tạp âm anten Tạp âm hệ thống fiđơ Tạp âm bên trong Tạp âm bầu trời (Tạp âm mưa) Tạp âm bên ngoài Nhiễu đường vi ba trên mặt đất Can nhiễu khác hệ thống Nhiễu cùng tuyến Nhiễu khử phân cực Can nhiễu kênh lân cận Tạp âm nhiệt C/N Tạp âm nhiễu C/N C/N đối với đường xuống C/N + l tích hợp khi đạt chất lượng tuyến theo yêu cầu Hình VIII.11 - Phân bổ tạp âm VIII.8-/ Tính toán độ sẵn sàng Khi sử dụng các tần số lớn hơn 10 GHz trong các tuyến thông tin vệ tinh, chất lượng tuyến được quyết định bằng khả năng không sẵn sàng do mưa chứ không phải bằng BER thông thường (số) hoặc SIN (tương tự). Vì vậy, khi thiết kế các tuyến sử dụng tần số lớn hơn 10 GHz, phải xác định khả năng không sẵn sàng có thể cho phép để xác định các chỉ tiêu kỹ thuật đối với trạm mặt đất, như chỉ ra trên hình 8.12. Quyết định về độ không sẵn sàng cho phép Tốc độ mưa cho phép Quan hệ giữa xác suất mưa và tốc độ mưa C/N trong khi mưa Xác định các chỉ tiêu trong từng phần thiết bị trong trạm mặt đất Suy hao tín hiệu, tăng nhiễu và tạp âm Hình VIII.12 - Thủ tục thiết kế tuyến có xét đến độ không sẵn sàng do mưa Ta cần phải xét đến lượng tăng về tạp âm bầu trời và nhiễu khử phân cực xác định tỷ số thời gian không sẵn sàng, ta cần phải tìm ra lượng mưa cho phép từ các đặc tính mưa ở vị trí trạm mặt đất. Nghĩa là thiết kế hệ thống thông tin phân phối các trạm mặt đất và các chỉ tiêu kỹ thuật đối với thiết bị để cải thiện chất lượng của tuyến phải cao hơn là sẽ đạt được tại nơi đó. Để thiết kế kinh tế trạm mặt đất phải chấp nhận một mức độ không sẵn sàng nào đó nhưng tuỳ thuộc vào dịch vụ thông tin (ví dụ truyền hình quảng bá), phải tối thiểu hoá khả năng không sẵn sàng. Đối với dịch vụ thông tin như thế tốt nhất là thiết lập hai hoặc nhiều trạm mặt đất hơn là dùng anten lớn hơn để làm tăng đầu ra truyền dẫn, như ta cho thấy trên hình VIII.13. Mặc dù ở Nhật Bản có rất nhiều mưa, nhưng khó có thể nghĩ rằng ở đây mưa đủ lớn để làm mất thông tin trên một vùng rộng dù rằng nó có thể xảy ra cục bộ. Hình VIII.13 - Lắp đặt các trạm mặt đất phân tập địa điểm Vì vậy có thể chống lại mưa bằng cách lắp đặt trạm mặt đất cách nhau vài chục km và đấu nối chúng bằng tuyến thông tin trên mặt đất. Kỹ thuật này gọi là phân tập địa điểm, có thể được sử dụng để làm giảm tính không sẵn sàng. Hình VIII.13 đưa ra một ví dụ về phân tập địa điểm sử dụng trong đường xuống, nhưng có thể sử dụng nó trong đường lên. Trong trường hợp này, ý tưởng cơ bản đối với việc tính toán độ không sẵn sàng được biểu thị bằng phương trình (8.12) Phân tập địa điểm: (8.12) Trong yếu tố không sẵn sàng, ngoài mưa ra còn có nhiễu mặt trời và sự cố thiết bị. Đối với nhiễu mặt trời cần tính đến độ không sẵn sàng một vài phút trên ngày trong 2 hoặc 3 ngày vào lúc thu phân và xuân phân. Có thể thay đổi thời gian không sẵn sàng do nhiễu mặt trời bằng cách sử dụng các anten có hướng nhưng cũng không thể tránh được cho tất cả các trạm mặt đất. Đối với thiết bị, sự cố cho phép từ 0,01 - 0,1% thời gian hoạt động, nếu như không có hệ thống dự phòng và cho pép từ 0,001 - 0,01% thời gian hoạt động nếu có hệ thống dự phòng vì độ sẵn sàng do sự cố thiết bị nhỏ hơn nhiều so với mưa nên không cần thiết phải xét đến khi thiết kế tuyến. VIII.9-/ Thiết kế năng lượng tuyến đa truy nhập Một đặc tính của một tuyến đa truy nhập là sóng vô tuyến phát từ một số trạm mặt đất có thể đi vào bộ khuếch đại, một bộ phát đáp tại cùng một thời điểm. Vì thế, khi thiết kế tuyến đường lên từ trạm mặt đất tới vệ tinh, ta phải xét đến hai điểm sau: a, Tại điểm đầu vào vệ tinh thông tin, các mức công suất thu từ mỗi trạm mặt đất phải giống nhau. b, Khi sử dụng hệ thống đa truy nhập theo tần số (FDMA), phải sử dụng mức lùi (Back - off) đầu vào để tránh nhiễu điều chế trong các bộ khuếch đại truyền dẫn của các bộ phát đáp. Đối với điểm a, phương pháp xác định C/N đường lên trong khi thiết kế một tuyến đa truy nhập là có khác. Đối với tuyến đa truy nhập, mức thu ở đầu vào vệt inh thông tin được thống nhất bởi mức quy định trước và do thiết kế các phương tiện phát tại trạm mặt đất để đạt được mức đã quy định đó. Vì thế công suất thu đối với C/N đường lên sử dụng mức đã quy định như vậy. Tuy nhiên, không phải công suất thu mà mật độ công suất cũng được quy định. Trong trường hợp này, có thể biểu diễn công suất thu PR bằng phương trình 8.13. PR = DR + A (8.13) Trong đó: DR: Mật độ công suất A: Diện tích hiệu dụng của anten = (4pD) h Có thể tính dễ dàng được công suất thu đối với tuyến đa truy nhập, nhưng khi công suất thu đối với vệ tinh thông tin đã được định rõ thì toàn bộ việc xem xét phải nhằm vào chất lượng trạm mặt đất. Ngoài ra phải thiết kế vệ tinh thông tin sao cho đưa ra mức cực đại khi nó thu được công suất thu quy định. Nếu xảy ra suy hao mưa trên tuyến, công suất thu sẽ thấp hơn mức quy định. Để khắc phục điều này phải sử dụng kỹ thuật tăng đầu ra của trạm mặt đất đến một mức nào đó. Vì thế cần phải thận trọng khi thiết kế sự thay đổi này ở đầu ra trạm mặt đất. Đối với mức lùi đầu vào ở điểm b, khi sử dụng các tuyến FDMA phải đặt mức công suất thu đối với vệ tinh thông tin thấp hơn. Sự giảm như vậy ảnh hưởng trực tiếp đến C/N... Vì thế phải làm giảm C/N ở đường lên bằng lượng đã giảm. Khi công suất thu ở vệ tinh thông tin thấp, lúc đó công suất ra từ trạm mặt đất phải thấp (mức lùi đầu ra). Bằng cách tương tự, đường xuống C/N phải thấp hơn bằng lượng của mức lùi đầu ra. Trong thiết kế tuyến thực tế, lượng lùi đầu vào khoảng 4 - 8 dB ứng với 2 - 5 dB mức lùi đầu ra. ở các tuyến TDMA, không cần làm lùi như vậy. mục lục