TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH
Lịch sử phát triển của thông tin vệ tinh
Cuối thế kỷ 19, nhà bác học Nga Tsiolkovsky (1857-1935) đã phát triển các khái niệm cơ bản về tên lửa đẩy sử dụng nhiên liệu lỏng và đề xuất ý tưởng về tên lửa đẩy nhiều tầng Ông cũng là người tiên phong trong việc thiết kế các tàu vũ trụ có người điều khiển nhằm phục vụ cho việc thăm dò vũ trụ.
- Năm 1926 Robert Hutchinson Goddard thử nghiệm thành công tên lửa đẩy dùng nhiên liệu lỏng
Vào tháng 5 năm 1945, Arthur Clarke, nhà vật lý nổi tiếng người Anh và tác giả của mô hình viễn tưởng về thông tin toàn cầu, đã đề xuất ý tưởng sử dụng một hệ thống gồm ba vệ tinh địa tĩnh để phát thanh quảng bá trên toàn thế giới.
- Tháng 10 / 1957 lần đầu tiên trên thế giới, Liên Xô phóng thành công vệ tinh nhân tạo SPUTNIK - 1 Đánh dấu một kỷ nguyên về thông tin vệ tinh
- Năm 1958 bức điện đầu tiên được phát qua vệ tinh SCORE của Mỹ
- Năm 1964 thành lập tổ chức thông tin vệ tinh quốc tế INTELSAT
- Năm 1965 ra đời hệ thống thông tin vệ tinh thương mại đầu tiên INTELSAT-1 với tên gọi Early Bird Cuối năm 1965 liên xô phóng thông tin
- Năm 1971 thành lập tổ chức thông tin vệ tinh quốc tế INTERSPUTNIK gồm Liên Xô và 9 nước XHCN
- Năm 1972-1976 Canada, Mỹ, Liên Xô và Indonesia sử dụng vệ tinh cho thông tin nội địa
- Năm 1979 thành lập tổ chức thông tin hàng hải quốc tế qua vệ tinh INMARSAT
- Năm 1984 Nhật bản đưa vào sử dụng hệ thống truyền hình trực tiếp qua vệ tinh
- Năm 1987 Thử nghiệm thành công vệ tinh phục vụ cho thông tin di động qua vệ tinh
Từ năm 1999 đến nay, đã xuất hiện ý tưởng và phát triển các hệ thống thông tin di động cùng với thông tin băng rộng toàn cầu sử dụng công nghệ vệ tinh.
* Sự phát triển thông tin vệ tinh ở Việt Nam:
- Năm 1980, khánh thành trạm thông tin vệ tinh mặt đất Hoa sen-1 nằm trong hệ thống thông tin vệ tinh INTERPUTNIK, được đặt tại Kim Bảng –
Hà Nam Trạm thông tin vệ tinh Hoa sen-1 là của nhà nước Liên Xô tặng nhân dân Việt Nam
- Năm 1984, khánh thành trạm thông tin vệ tinh mặt đất Hoa sen-2 đặt tại Thành phố Hồ Chí Minh
Vào ngày 24/09/1998, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành quyết định 868/QĐ-TTG phê duyệt báo cáo dự án phóng vệ tinh viễn thông VINASAT lên quỹ đạo địa tĩnh, do Tổng Công ty Bưu chính viễn thông Việt Nam làm chủ đầu tư Đến tháng 4 năm 2008, Việt Nam đã hợp tác với Pháp để thành công phóng vệ tinh VINASAT-1 (mua từ Mỹ) lên quỹ đạo địa tĩnh Sự kiện này đánh dấu Việt Nam là quốc gia thứ 6 trong khu vực và thứ 93 trên thế giới sở hữu vệ tinh riêng.
- Dự kiến đến năm 2012, Việt Nam sẽ có vệ tinh VINASAT-2 phóng lên quỹ đạo và vào năm 2014 sẽ phóng vệ tinh viễn thám [2].
Đặc điểm của hệ thống thông tin vệ tinh
Trong thời đại hiện nay, thông tin vệ tinh đang phát triển và trở nên phổ biến với tốc độ nhanh chóng nhờ vào nhiều yếu tố khác nhau Những ưu điểm nổi bật của thông tin vệ tinh so với các phương tiện truyền thông dưới biển và trên mặt đất, như hệ thống cáp quang và hệ thống chuyển tiếp vi ba số, là rất đáng chú ý.
Vệ tinh địa tĩnh, với quỹ đạo cách bề mặt trái đất khoảng 36.000 km, có khả năng bao quát 1/3 bề mặt trái đất, mang lại khả năng quảng bá rộng lớn cho mọi địa hình Với chỉ ba vệ tinh, vùng phủ sóng có thể mở rộng ra toàn cầu, ngoại trừ hai cực.
Hệ thống thông tin vệ tinh có khả năng đa truy cập và dung lượng thông tin lớn, cho phép nhiều trạm mặt đất cùng sử dụng một bộ phát đáp trên vệ tinh Nhờ áp dụng các kỹ thuật sử dụng lại băng tần, hệ thống này có thể đạt được dung lượng lớn trong thời gian ngắn, vượt trội hơn hẳn so với các loại hình thông tin khác.
Tuyến thông tin vệ tinh đảm bảo chất lượng và độ tin cậy cao nhờ chỉ có ba trạm, trong đó vệ tinh hoạt động như một trạm lặp, kết hợp với hai trạm mặt đất đầu cuối, giúp giảm thiểu xác suất hư hỏng trên tuyến.
Hệ thống thông tin vệ tinh mang lại tính linh hoạt cao và hiệu quả kinh tế lớn, cho phép thiết lập nhanh chóng ngay cả khi các trạm mặt đất ở xa nhau hoặc trong các địa hình phức tạp Bên cạnh đó, dung lượng của hệ thống có thể được điều chỉnh linh hoạt theo yêu cầu sử dụng.
Thông tin vệ tinh cung cấp nhiều loại hình dịch vụ đa dạng, bao gồm thư thoại, fax, phát thanh, truyền hình quảng bá và thông tin di động qua vệ tinh.
Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm trên vệ tinh cũng có những nhược điểm quan trọng đó là:
- Trễ truyền dẫn lớn do khoảng cách truyền dẫn xa
Tạp âm và suy hao tín hiệu là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình truyền lan Khi tín hiệu di chuyển qua nhiều thiết bị thu phát và khoảng cách lớn, sự suy hao tín hiệu trở nên đáng kể, gây ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn.
- Giá thành lắp đặt hệ thống rất cao, chi phí để phóng vệ tinh tốn kém và vẫn tồn tại xác suất rủi ro
Vệ tinh có thời gian sử dụng hạn chế và khó khăn trong việc bảo trì, sửa chữa và nâng cấp Mỗi vệ tinh chỉ có tuổi thọ nhất định, và khi đã được phóng lên không gian, mọi hoạt động điều khiển đều phụ thuộc vào trạm điều khiển trên mặt đất Do đó, khi xảy ra sự cố, việc sửa chữa vệ tinh trở nên rất khó khăn.
Hệ thống thông tin vệ tinh
Hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm hai phần chính: phần không gian và phần mặt đất, như được thể hiện trong hình vẽ 1.1.
Trạm mặt đất 1 Trạm mặt đất 2
Hình 1.1 Cấu trúc một hệ thống thông tin vệ tinh
Không gian bao gồm vệ tinh và các trạm điều khiển trên mặt đất Các vệ tinh được cấu thành từ phân hệ thông tin cùng với các phân hệ phụ trợ nhằm hỗ trợ cho hoạt động của phân hệ thông tin.
+ Phân hệ thông tin bao gồm hệ thống anten thu phát và tất cả các thiết bị điện tử hỗ trợ truyền dẫn sóng mang
Các phân hệ phụ trợ của vệ tinh bao gồm khung vệ tinh, hệ thống cung cấp năng lượng, hệ thống điều khiển nhiệt độ, hệ thống điều khiển quỹ đạo và tư thế vệ tinh, cùng với hệ thống đẩy.
Nhiệm vụ của phân hệ thông tin:
Khuếch đại sóng mang được sử dụng để phát lại tín hiệu trong quá trình truyền dẫn Tại đầu vào của máy thu vệ tinh, công suất sóng mang chỉ khoảng pW, trong khi tại đầu ra của bộ khuếch đại công suất cao, công suất này tăng lên từ 10W đến 100W Do đó, bộ khuếch đại công suất của bộ phát đáp vệ tinh có độ khuếch đại từ 100dB đến 130dB.
- Thay đổi tần số sóng mang để tránh một phần công suất phát đi vào máy thu vệ tinh
Phần mặt đất bao gồm tất cả các trạm mặt đất, được kết nối trực tiếp hoặc thông qua mạng mặt đất đến các thiết bị đầu cuối của người sử dụng.
Trạm mặt đất có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu từ mạng mặt đất hoặc từ thiết bị đầu cuối của người sử dụng, sau đó xử lý các tín hiệu này Cuối cùng, trạm phát tín hiệu ở tần số và mức công suất phù hợp để đảm bảo hoạt động hiệu quả của vệ tinh.
Trạm mặt đất có nhiệm vụ thu sóng từ vệ tinh ở tần số đã được chọn, xử lý tín hiệu này để chuyển đổi thành các tín hiệu băng gốc Sau đó, các tín hiệu này sẽ được cung cấp cho các mạng mặt đất hoặc trực tiếp đến các thiết bị đầu cuối của người sử dụng.
Một trạm mặt đất có thể có khả năng thu và phát lưu lượng một cách đồng thời hoặc trạm chỉ phát hoặc chỉ thu [2].
Các dạng quỹ đạo của thông tin vệ tinh
Hình 1.2 Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh
Sự chuyển động của vệ tinh tuân theo ba định luật Kepler, quy định cách thức hành tinh di chuyển quanh mặt trời Các quỹ đạo vệ tinh được phân loại thành ba loại chính.
- Quỹ đạo xích đạo tròn
Trong hệ thống viễn thông, quỹ đạo xích đạo tròn là dạng quỹ đạo chính được sử dụng, đặc biệt cho vệ tinh địa tĩnh Vệ tinh bay trên mặt phẳng đường xích đạo và nếu được đặt ở độ cao thích hợp, quỹ đạo này sẽ mang lại hiệu quả tối ưu cho các vệ tinh thông tin.
* Quỹ đạo địa tĩnh GEO (Geostationalry Earth Orbit)
Vệ tinh địa tĩnh là loại vệ tinh được đưa vào quỹ đạo tròn ở độ cao khoảng 36.000 km so với đường xích đạo, với thời gian quay quanh trái đất là 24 giờ, tương ứng với chu kỳ quay của trái đất quanh trục Bắc-Nam.
- Mặt phẳng quỹ đạo nằm trong mặt phẳng xích đạo của trái đất nghĩa là góc nghiêng bằng 0
- Có cùng chiều quay với chiều quay của trái đất từ Tây sang Đông
- Hiệu ứng Dopler rất nhỏ do đó việc điều chỉnh anten trạm mặt đất là không cần thiết
Vệ tinh được xem là đứng yên so với trạm mặt đất, tạo ra quỹ đạo lý tưởng cho các vệ tinh thông tin Điều này đảm bảo rằng thông tin được truyền tải ổn định và liên tục trong suốt 24 giờ.
- Vùng phủ sóng của vệ tinh lớn bằng 42.2% bề mặt trái đất
- Các trạm mặt đất ở xa có thể liên lạc trực tiếp và hệ thống 3 vệ tinh có thể phủ sóng toàn cầu
Quỹ đạo địa tĩnh là quỹ đạo duy nhất trong vũ trụ, được xem như một tài nguyên thiên nhiên có hạn Tuy nhiên, tài nguyên này đang bị cạn kiệt do sự gia tăng số lượng vệ tinh được các quốc gia phóng lên ngày càng nhiều.
- Không phủ sóng được những vùng có vĩ độ lớn hơn 81.3 0
- Chất lượng đường truyền phụ thuộc vào thời tiết
- Thời gian trễ truyền lan lớn
- Tính bảo mật không cao
Suy hao công suất trong truyền sóng lớn, đạt gần 200dB, là yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo thông tin cho các vùng có vĩ độ nhỏ hơn 81.3 độ Ứng dụng chính của nó là làm quỹ đạo cho vệ tinh thông tin, giúp tối ưu hóa khả năng truyền tải dữ liệu.
* Quỹ đạo trung bình MEO (Medium Earth Orbit)
Vệ tinh MEO hoạt động ở độ cao từ 10.000 km đến 20.000 km với chu kỳ quỹ đạo từ 5 đến 12 giờ và thời gian quan sát từ 2 đến 4 giờ Chúng được ứng dụng chủ yếu trong thông tin di động và thông tin radio Để đạt được phủ sóng toàn cầu, hệ thống MEO cần khoảng 12 vệ tinh Mặc dù loại vệ tinh này có giá thành hợp lý và độ trễ truyền dẫn thấp, nhưng nhược điểm lớn là tổn hao tín hiệu cao.
* Quỹ đạo thấp LEO (Low Earth Orbit) Đối với dạng quỹ đạo này vệ tinh bay ở độ cao trong khoảng 400 km đến
Vệ tinh LEO hoạt động ở độ cao 1200 km với chu kỳ 90 phút, cho phép thời gian truyền dữ liệu nhanh chóng giữa vệ tinh và mặt đất Sự gần gũi của các vệ tinh này mang lại lợi ích lớn cho việc kết nối toàn cầu, làm cho các mạng lưới và hội thoại vô tuyến truyền hình trở nên hiệu quả và hấp dẫn hơn Tuy nhiên, để bao phủ toàn bộ bề mặt trái đất, cần khoảng 60 vệ tinh LEO, và tuổi thọ của chúng thường chỉ từ 1-3 tháng.
Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh
Sóng vô tuyến điện truyền từ và đến các vệ tinh thông tin ngoài không chỉ bị suy hao do khoảng cách mà còn chịu ảnh hưởng từ tầng điện ly và khí quyển Tầng điện ly, nằm ở độ cao từ 50 đến 400 km, là lớp khí loãng bị ion hóa bởi tia vũ trụ, có khả năng hấp thụ và phản xạ sóng Tuy nhiên, tác động của tầng điện ly chủ yếu ảnh hưởng đến băng sóng ngắn, trong khi tần số cao ít bị ảnh hưởng hơn.
Các tần số từ 1GHz đến 10GHz cho thấy suy hao kết hợp do tầng điện ly và mưa nhỏ là không đáng kể, vì vậy băng thông trong khoảng này có thể được tối ưu hóa cho các ứng dụng truyền thông.
Suy hao do mưa 25mm/h Suy hao do tầng điện ly
Cửa sổ tần số là một khái niệm quan trọng trong truyền dẫn sóng vô tuyến, cho phép suy hao truyền dẫn gần đúng như suy hao không gian tự do, từ đó thiết lập các đường thông tin vệ tinh ổn định Tuy nhiên, cần chú ý đến sự can nhiễu từ các đường thông tin viba trên mặt đất, vì chúng cũng sử dụng tần số trong cùng cửa sổ này Bên cạnh đó, trong trường hợp mưa lớn, cần tính toán suy hao do mưa trong cửa sổ tần số để đảm bảo độ chính xác cao cho kết quả tính toán.
Phân định tần số cho dịch vụ vệ tinh là một quá trình phức tạp cần sự hợp tác quốc tế và quy hoạch chặt chẽ, được thực hiện dưới sự bảo trợ của Liên đoàn Viễn thông Quốc tế (ITU) Để thuận tiện cho việc quy hoạch tần số, thế giới được chia thành ba vùng.
Vùng 1: Châu Âu, Châu Phi, Liên xô cũ và Mông Cổ
Vùng 2: Bắc Mỹ, Nam Mỹ và Đảo Xanh
Vùng 3: Châu Á (trừ vùng 1), Úc và Tây nam Thái Bình Dương, trong đó có cả Việt Nam
Trong các khu vực này, băng tần được phân chia cho các dịch vụ vệ tinh khác nhau, mặc dù một dịch vụ có thể nhận được các băng tần khác nhau tùy thuộc vào từng khu vực.
1.5.3 Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh
Các tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh thuộc băng tần siêu cao SHF (3 đến 30 GHz), với băng C (6/4 GHz) và băng Ku (14/12 và 14/11 GHz) là phổ biến nhất Băng C có ưu điểm là suy hao ít do mưa và được sử dụng cho các hệ thống viba mặt đất và Intelsat Băng Ku, mặc dù cho phép sử dụng anten nhỏ, nhưng tín hiệu dễ bị hấp thụ do mưa, thường được áp dụng trong viễn thông công cộng và thông tin giữa các công ty Băng Ka (30/20 GHz) được sử dụng lần đầu cho thông tin thương mại qua vệ tinh Sakura của Nhật, cho phép trạm mặt đất nhỏ nhưng suy hao lớn do mưa, không thích hợp cho thông tin chất lượng cao.
Bảng 1.1 Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh
L 1 – 2 Thông tin vệ tinh di động, phát thanh quảng bá, vô tuyến định vị
S 2 – 4 Thông tin vệ tinh di động, hàng hải
C 4 – 8 Thông tin vệ tinh cố định
X 8 – 12 Thông tin vệ tinh quân sự và chính phủ
Ku 12 – 18 Thông tin vệ tinh cố định, truyền hình quảng bá
Ka 27 – 40 Thông tin vệ tinh cố định, truyền hình quảng bá Sóng mm > 40 Liên lạc giữa các vệ tinh.
Các phương pháp đa truy nhập đến một vệ tinh
Kỹ thuật đa truy cập cho phép một vệ tinh chung phục vụ nhiều trạm mặt đất, tối đa hóa hiệu quả sử dụng của nó Phương pháp này sử dụng một bộ phát đáp trên vệ tinh để kết nối với các trạm mặt đất khác nhau, đồng thời đảm bảo rằng sóng vô tuyến phát ra từ các trạm này không gây can nhiễu lẫn nhau Đa truy cập được phân chia thành ba dạng chính.
- FDMA: Đa truy cập phân chia theo tần số
- TDMA: Đa truy cập phân chia theo thời gian
- CDMA: Đa truy cập phân chia theo mã
1.6.1 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA
FDMA (Frequency Division Multiplex Acess) là loại đa truy nhập được dùng phổ biến trong thông tin vệ tinh
Trong hệ thống đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA), mỗi trạm mặt đất phát sóng mang với tần số riêng biệt, được phân cách bởi các băng tần bảo vệ để tránh chồng lấn FDMA có thể áp dụng cho mọi loại hệ thống điều chế, bao gồm cả điều chế tương tự và số, như sóng mang FM cho tín hiệu thoại hoặc truyền hình, và sóng mang PSK cho điều chế số Trạm mặt đất nhận thông tin qua bộ lọc thông dải.
- Thủ tục truy nhập đơn giản
- Cấu hình trạm mặt đất đơn giản
- Có thể làm việc trong toàn bộ miền thời gian, không yêu cầu đồng bộ f A f B f C f D
- Không linh hoạt thay đổi tuyến
- Hiệu quả thấp khi sử dụng nhiều kênh, dung lượng thấp và chất lượng thấp
1.6.2 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA
TDMA (Time Division Multiple Access) là một phương pháp đa truy nhập cho phép các trạm mặt đất chia sẻ một bộ phát đáp thông qua việc phân chia theo thời gian Trong mô hình này, trục hoành biểu thị tần số, còn trục tung biểu thị thời gian, giúp tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên truyền dẫn.
Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) cho phép chia trục thời gian thành các khung TDMA, mỗi khung được phân chia thành các khe thời gian dành riêng cho từng trạm mặt đất Tất cả các trạm sử dụng chung một sóng mang với tần số trung tâm f0 và chỉ phát, thu tín hiệu trong các khe thời gian đã được ấn định Điều này đảm bảo rằng trong một khoảng thời gian nhất định, chỉ có tín hiệu từ một trạm mặt đất chiếm toàn bộ băng tần của bộ phát đáp vệ tinh, ngăn chặn tình trạng hai trạm mặt đất trở lên phát tín hiệu cùng lúc Độ dài của khe thời gian được phân bổ cho mỗi trạm mặt đất phụ thuộc vào lưu lượng của trạm đó.
TDMA sử dụng sóng mang điều chế số và yêu cầu các sóng mang từ trạm mặt đất được điều khiển chính xác để nằm trong khe thời gian đã phân phối Để đảm bảo điều này, cần có một tín hiệu chuẩn phát từ một trạm chuẩn, sau đó các trạm khác sẽ lần lượt truyền tín hiệu ngay sau tín hiệu chuẩn đó.
- Sử dụng tốt công suất tối đa của vệ tinh
- Linh hoạt trong việc thay đổi, thiết lập tuyến
- Hiệu suất sử dụng tuyến cao khi số kênh liên lạc tăng
- Kết hợp với kỹ thuật nội suy tiếng nói có thể tăng dung lượng truyền dẫn lên ba đến bốn lần
- Yêu cầu phải có đồng bộ cụm
Mạng TDMA bao gồm các trạm lưu lượng và ít nhất một trạm chuẩn, trong đó các cụm được phát đi từ các trạm lưu lượng được gọi là cụm lưu lượng Trạm chuẩn phát một cụm đặc biệt theo chu kỳ, gọi là cụm chuẩn, cung cấp chuẩn định thời cho hệ thống Cụm chuẩn có chu kỳ tương ứng với một khung TDMA, giúp các trạm lưu lượng phát các cụm lưu lượng trong các khe thời gian đã được ấn định Việc điều khiển định thời phát cụm dựa vào cụm chuẩn là rất quan trọng để tránh chồng lấn trong mỗi khung TDMA, vì nếu không có đồng bộ, các cụm có thể trượt khỏi các khe thời gian, dẫn đến mất mát thông tin khi xảy ra chồng lấn ở vệ tinh.
- Tín hiệu tương tự phải được chuyển sang dạng tín hiệu số khi sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA
- Giao diện với các hệ thống mặt đất tương tự rất phức tạp dẫn đến giá thành của hệ thống cao
1.6.3 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA
CDMA (Code Division Multiplex Access) là phương pháp truy nhập ứng dụng kỹ thuật trải phổ, trong đó mọi đối tượng có thể:
- Được phép hoạt động đồng thời
- Hoạt động tại tần số như nhau
Hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã CDMA cho phép các trạm mặt đất phát tín hiệu liên tục và đồng thời trên cùng một băng tần mà không gây nhiễu cho thông tin của các đối tượng khác.
Trong CDMA, mỗi sóng mang được điều chế bằng mã đặc biệt dành riêng cho từng trạm mặt đất, cho phép trạm thu tách biệt tín hiệu cần thiết từ các tín hiệu khác Để đảm bảo hiệu quả, tập hợp các mã sử dụng phải có các thuộc tính tương quan nhất định.
- Mỗi mã phải có thể được phân biệt một cách dễ dàng với bản sao của chính nó bị dịch chuyển theo thời gian
- Mỗi mã phải có thể được phân biệt một cách dễ dàng bất chấp các mã khác được sử dụng trên mạng
Truyền dẫn tín hiệu hữu ích kết hợp với mã cần băng thông lớn hơn nhiều so với băng thông chỉ để truyền tải thông tin hữu ích Do đó, phương pháp này được gọi là truyền dẫn trải phổ.
- Chịu được tạp âm, nhiễu và méo
- Chịu được sự thay đổi các thông số khác nhau của đường truyền
- Độ rộng băng tần truyền dẫn yêu cầu cao
- Hiệu quả sử dụng băng tần kém.
Các yếu tố truyền dẫn trong thông tin vệ tinh
Một tuyến thông tin vệ tinh bao gồm hai phần chính: tuyến lên (uplink) từ anten của trạm phát đến vệ tinh và tuyến xuống (downlink) từ vệ tinh đến anten của trạm mặt đất thu.
Suy hao trong thông tin vệ tinh bao gồm nhiều loại, trong đó suy hao trong không gian tự do là quan trọng nhất Đối với vệ tinh địa tĩnh ở độ cao 35.768 km, khoảng cách truyền tín hiệu cho một tuyến lên hoặc xuống gần nhất cũng là 35.768 km Vì khoảng cách truyền sóng lớn, suy hao trong không gian tự do, ký hiệu là L td, trở thành yếu tố gây suy hao lớn nhất trong hệ thống thông tin vệ tinh.
Trong đó d[km]: Là chiều dài của một tuyến lên hay xuống
[m]: Là bước sóng công tác
Suy hao không gian tự do của tuyến lên hay xuống khi công tác ở băng
Để bù đắp cho suy hao tín hiệu trong băng tần C khoảng 200dB và băng Ku, Ka lớn hơn 200dB, cần sử dụng anten có đường kính hàng chục mét để đạt được hệ số tăng ích khoảng 60dB Đồng thời, máy phát cần có công suất lớn từ hàng trăm đến hàng ngàn W, nhằm đảm bảo tín hiệu thu được đủ lớn, dao động từ -90dBm đến -60dBm.
Ngoài suy hao chính trong không gian tự do, còn tồn tại nhiều loại suy hao khác, mặc dù không lớn nhưng có thể ảnh hưởng đến chất lượng thông tin trong tuyến thông tin vệ tinh Nếu không xem xét hết các khả năng xấu nhất do tác động của môi trường truyền sóng, khi xảy ra các hiện tượng này, chất lượng thông tin sẽ bị suy giảm và có thể dẫn đến gián đoạn thông tin Một trong những yếu tố gây ra suy hao là suy hao do tầng đối lưu.
Tầng đối lưu là lớp khí quyển gần mặt đất, kéo dài từ 10km đến 15km, chứa các khí như hơi nước, oxy, ozon và cacbonic, có khả năng hấp thụ sóng và gây ra suy hao Suy hao này phụ thuộc vào tần số và góc ngẩng của anten, đặc biệt đáng kể khi tần số từ 10GHz trở lên, như trong băng Ku (14/12GHz) và băng Ka (30/20GHz) Anten với góc ngẩng lớn sẽ giảm thiểu suy hao tầng đối lưu do đường truyền sóng ngắn hơn Ở các tần số 21GHz và 60GHz, suy hao đạt cực đại do sự cộng hưởng hấp thụ của phân tử hơi nước và oxy.
Tầng điện ly là lớp khí quyển nằm ở độ cao từ 60km đến 400km, nơi có sự ion hóa mạnh mẽ, chủ yếu chứa điện tử tự do, ion âm và ion dương Tầng này có đặc điểm là sự hấp thụ sóng giảm khi tần số tăng, với tần số trên 600MHz thì mức hấp thụ gần như không đáng kể Thêm vào đó, suy hao sóng do thời tiết cũng là một yếu tố cần xem xét.
Giá trị suy hao do mưa vượt quá 0.01% trong một năm trung bình có thể được xác định từ các khu vực có tốc độ mưa từ 30 đến 50 mm/h Cụ thể, suy hao khoảng 0.1 dB ở tần số 4 GHz, từ 5 đến 10 dB ở 12 GHz, từ 10 đến 20 dB ở 20 GHz và từ 25 đến 40 dB ở 30 GHz.
Suy hao do các đám mây mưa hoặc sương mù có thể được tính toán, suy hao cụ thể C được tính theo công thức:
Trong đó K 1,1*10 3 f 1,8 ; f = 1÷30 GHz, K (dB/km)/(g/m 3 ) và M (g/m 3 ) là nồng độ nước trong đám mây
Suy hao do các đám mây mưa và sương mù thường nhỏ hơn so với lượng mưa, trừ khi mật độ hơi nước trong mây và sương mù cao Ở góc ngẩng e = 20°, suy hao có thể đạt từ 0.5 đến 1.5 dB ở tần số 15 GHz và từ 2 đến 4.5 dB ở tần số 30 GHz Tuy nhiên, hiện tượng suy hao này xảy ra thường xuyên hơn trong thời gian dài.
Suy hao do các đám mây băng thường nhỏ hơn, trong khi tuyết khô có ảnh hưởng ít đến sự suy hao Mặc dù tuyết rơi ẩm có thể gây ra suy hao lớn tương tự như mưa, tình trạng này lại hiếm gặp và ít ảnh hưởng đến các phép thống kê suy hao Tuy nhiên, sự giảm sút các đặc tính anten do tuyết rơi chồng chất và băng có thể có tác động đáng kể hơn dọc theo tuyến.
* Các hiện tượng khí hậu khác
Suy hao do các chất khí trong khí quyển chịu ảnh hưởng bởi tần số, góc ngẩng, độ cao trạm và nồng độ hơi nước Ở tần số nhỏ hơn 10 GHz, suy hao không đáng kể, trong khi ở tần số 22 GHz, suy hao tối đa chỉ đạt 1-2 dB với độ ẩm trung bình và góc ngẩng lớn hơn 10 độ.
Bảng 1.2 Suy giảm của khí quyển theo tần số
Suy hao khí quyển Tần số (GHz)
Suy hao do bão cát tỷ lệ nghịch với tầm nhìn thấy và phụ thuộc vào độ ẩm của các hạt Tại tần số 14GHz, suy hao là 0.03dB/km cho các hạt khô và 0.65dB/km cho các hạt có độ ẩm 20% Với đoạn đường dài 3km, suy hao có thể đạt từ 1 đến 2dB Ngoài ra, suy hao cũng có thể xảy ra do việc đặt anten không đúng cách.
Khi anten phát và thu không căn chỉnh chính xác, sẽ xảy ra suy hao do búp chính của anten thu không trùng khớp với chùm tia phát xạ của anten phát Suy hao này thường dao động từ 0,8dB đến 1dB do vị trí lắp đặt anten không đúng.
Suy hao trong thiết bị phát và thu, còn được gọi là suy hao do hệ thống fiđơ, bao gồm hai loại chính.
Suy hao L FTX giữa máy phát và anten ảnh hưởng đến công suất phát ra Để anten có thể phát công suất P T, cần cung cấp công suất PTX ở đầu ra của bộ khuếch đại phát.
Suy hao LFRX giữa anten và máy thu, công suất PRX ở đầu vào máy thu bằng:
Trong các hệ thống vệ tinh hiện nay, công thức tính tỷ lệ công suất PR được xác định là PR = PRX - LFRX [dB] (1.5) Để đơn giản hóa, hệ số tổn hao fiđơ thường được lấy là LFRX = LFTX = 2dB, từ đó suy ra LFTX = LFRX = 10^(-0.2) (lần) Hơn nữa, cần lưu ý rằng suy hao do phân cực không đối xứng cũng là một yếu tố quan trọng trong các hệ thống này.
Vệ tinh VINASAT – 1
- Chủ đầu tư là tập đoàn bưu chính viễn thông Việt Nam(VNPT)
- Thời gian phóng vệ tinh: 19/04/2008
- Thời gian bàn giao vệ tinh trên quỹ đạo: 05/2008
- Thời gian chính thức cung cấp dịch vụ vào tháng 6/2008
- Địa điểm phóng: Bãi phóng Kourou, quốc gia Trung Mỹ French – Guiana
- Nhà tư vấn, giám sát xây dựng và lắp đặt vệ tinh VINASAT –1: Telesat (Canada)
- Trạm điều khiển vệ tinh: Trạm chính đặt tại Quế Dương - Hoài Đức -
Hà Tây và trạm dự phòng đặt tại Bình Dương
1.8.2 Một số thông số kỹ thuật cơ bản
- Vị trí quỹ đạo: Quỹ đạo đĩa tĩnh 132 0 E (cách trái đất 35768 Km)
- Tuổi thọ vệ tinh VINASAT – 1 theo thiết kế: Tối thiểu 15 năm
- Độ ổn định vị trí kinh độ và vĩ độ: +/- 0,05
- Hoạt động ổn định trong suốt thời gian sống của vệ tinh a Băng tần C mở rộng (C- Extended):
- Số bộ phát đáp: 08 bộ ( 36MHz/Bộ )
+ Tần số phát Tx: 6.425MHz – 6.725MHz
+ Phân cực: Phân cực đứng và phân cực ngang
+ Tần số thu Rx: 3.400MHz – 3.700MHz
+ Phân cực: Phân cực đứng và phân cực ngang
- Vùng phủ sóng bao gồm: Việt Nam, Đông Nam Á, Trung Quốc, Triều Tiên, Ấn Độ, Nhật Bản và Autralia b Băng tần Ku:
- Số bộ phát đáp: 12 bộ (36MHz/Bộ)
+ Tần số phát Tx: 13.750MHz – 14.500MHz
+ Phân cực: Phân cực đứng và phân cực ngang
+ Tần số thu Rx: 10.950MHz – 11.700MHz
+ Phân cực: Phân cực đứng và phân cức ngang
- Vùng phủ sóng bao gồm: Việt Nam, Lào, Campuchia, Thái Lan và một phần Mianma
Thông tin vệ tinh là một phương tiện truyền thông phổ biến, với khả năng khai thác các băng tần trên 10GHz mà các hệ thống thông tin khác chưa đạt được Quỹ đạo địa tĩnh là dạng quỹ đạo được sử dụng nhiều nhất cho thông tin vệ tinh, nhờ vào vị trí cố định của nó so với mặt đất, cho phép phủ sóng tới 42% diện tích bề mặt trái đất Hệ thống thông tin vệ tinh sở hữu những thuộc tính mà các mạng mặt đất không thể có hoặc chỉ có ở quy mô nhỏ hơn.
- Khả năng phát tín hiệu đến cả những vùng xa xôi hải đảo
- Băng thông rộng, dung lượng lớn
- Thiết lập nhanh chóng và dễ dàng cấu hình lại
- Vùng phủ sóng rộng lớn
Tóm lại trong chương này đã nêu rõ về các đặc trưng sau của vệ tinh
- Đặc điểm của thông tin vệ tinh
- Các dạng quỹ đạo vệ tinh
- Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh
- Các phương pháp đa truy nhập trong thông tin vệ tinh
HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH
Phần không gian
Trong hệ thống thông tin vệ tinh, vệ tinh hoạt động như một trạm chuyển tiếp, nhận tín hiệu từ các trạm mặt đất, khuếch đại và chuyển đổi tần số trước khi phát lại tín hiệu với công suất đủ lớn trở về mặt đất.
Hình 2.1 Phần không gian của hệ thống thông tin vệ tinh
2.1.1 Phân hệ thông tin a Nhiệm vụ của phân hệ thông tin
Phân hệ thông tin đóng vai trò như một trạm chuyển tiếp giữa các trạm mặt đất với nhau
Khối anten Khối thông tin
Khối phân hệ phụ trợ b Chức năng của phân hệ thông tin
Các sóng mang được phát từ các trạm mặt đất trong mạng với băng tần và phân cực xác định, được đặt trong vùng phủ sóng của anten vệ tinh.
- Hạn chế tối đa nhiễu có hại từ các hệ thống vô tuyến khác
- Khuếch đại các sóng mang thu được trong khi hạn chế tối đa tạp âm và méo
- Biến đổi tần số các sóng mang nhận được trên đường lên sang tần số sóng mang trên đường xuống
- Cung cấp công suất đủ lớn trong băng tần xác định tại đầu vào anten phát vệ tinh
- Bức xạ sóng mang trong băng tần và phân cực xác định tới các vùng được xác định trên bề mặt trái đất
Trạm lặp vệ tinh không chỉ có chức năng tái tạo mà còn thực hiện điều chế, giải điều chế và khôi phục xung Băng tần của trạm lặp có thể dao động từ vài trăm MHz đến vài GHz, thường được chia thành các băng tần con với các dãy khuếch đại riêng biệt để tiện cho việc khuếch đại.
+ Số lượng bộ phát đáp
+ Độ rộng băng thông của một bộ phát đáp
+ Phân cực tín hiệu đường lên, đường xuống
+ Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương EIRP
Mật độ thông lượng công suất bão hoà tại anten thu của vệ tinh SPD và hệ số phẩm chất G/T của máy thu vệ tinh tại biên của vùng dịch vụ hoặc giá trị cực đại là những yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất và khả năng truyền tải tín hiệu của hệ thống vệ tinh.
+ Công suất đầu ra của bộ khuếch đại công suất
+ Cấu hình dự phòng của máy thu và bộ khuếch đại công suất cao
Bộ phát đáp là thiết bị quan trọng nhất của vệ tinh thông tin, thực hiện chức năng thu sóng vô tuyến từ trạm mặt đất, khuếch đại và đổi tần tín hiệu trước khi phát trở lại Nó bao gồm các khối nối tạo thành kênh thông tin duy nhất giữa anten thu và anten phát Một số khối trong bộ phát đáp có thể được sử dụng chung cho nhiều bộ phát đáp khác, giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm chi phí.
Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo bộ phát đáp
Bộ phát đáp cần đảm bảo các chức năng tương tự như một bộ phát đáp tích cực trên mặt đất Tín hiệu từ trạm mặt đất (tuyến lên) được truyền qua anten vào máy thu của bộ phát đáp Sau khi xử lý, tín hiệu sẽ được chuyển đến bộ phân kênh đầu vào IMUX, nơi tín hiệu được phân thành các kênh riêng biệt và tiếp tục đến bộ khuếch đại công suất cao HPA để khuếch đại tín hiệu Cuối cùng, tín hiệu từ các kênh sẽ được đưa đến bộ ghép kênh đầu ra OMUX và phát xuống đất (tuyến xuống) Quá trình này bao gồm nhiều tầng khuếch đại công suất và các bộ xử lý khác trong bộ phát đáp.
Kênh Đầu ra a Máy thu
Máy thu có chức năng khuếch đại tín hiệu và chuyển đổi tần số tuyến lên thành tần số tuyến xuống Để đạt được hiệu suất tối ưu cho tuyến lên, đặc tuyến nhiễu cần phải đảm bảo tỷ số tín hiệu trên tạp âm ở mức tốt nhất Hệ số khuếch đại thường dao động từ 50 đến 60 dB nhằm bù đắp cho bộ lọc và quá trình đổi tần.
Bộ thu là thiết bị thu băng rộng với băng thông từ 500MHz (băng C) đến 1GHz (băng Ku), tùy thuộc vào băng tần và loại LNA được sử dụng.
Sơ đồ cấu tạo máy thu:
Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo máy thu
Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hệ số phẩm chất G/T của bộ phát đáp Để tối ưu hóa hiệu suất, LNA cần có hệ số tạp âm thấp và hệ số khuếch đại cao, giúp hạn chế tạp âm phân bố từ các tầng tiếp theo.
Các thông số đặc trưng cho bộ LNA:
+ Băng tần hoạt động: băng C là 6GHz, băng X là 8GHz, băng Ku là 14GHz, băng Ka là 30GHz
+ Hệ số khuếch đại: (50÷60)±0,5 dB
Hệ số tạp âm của bộ khuếch đại là 1,6 tại 6GHz, 1,9 tại 14GHz và 2,2 tại 30GHz Để duy trì hệ số tạp âm thấp, cần giữ nhiệt độ bên ngoài bộ khuếch đại LNA ở mức thấp, vì vậy người ta thường đặt nó trong helium lỏng gần với độ 0 tuyệt đối.
Bộ đổi tần xuống bao gồm một bộ trộn Mixer, bộ dao động nội và các bộ lọc thông dải, với tần số của bộ dao động nội phụ thuộc vào băng tần.
Bộ trộn tần và bộ phát đáp thực hiện việc đổi tần số nhiều lần, yêu cầu tín hiệu dao động nội để biến đổi tần số Công suất tín hiệu từ bộ dao động nội cung cấp cho đầu vào bộ trộn khoảng 10dB Để đảm bảo hiệu quả, tần số của bộ dao động nội cần phải rất ổn định và ít tạp âm.
Bộ khuếch đại là thiết bị có chức năng khuếch đại tín hiệu sau khi đã chuyển đổi tần số, nhằm cung cấp công suất tín hiệu đủ lớn cho các tầng tiếp theo Thiết kế của bộ khuếch đại cho phép điều khiển hệ số khuếch đại từ xa Với khả năng hoạt động trên băng tần rộng và khuếch đại đồng thời nhiều sóng mang, bộ khuếch đại này yêu cầu đặc tính truyền đạt rất cao, trong đó công suất của hài bậc ba phải nhỏ hơn công suất của sóng mang ít nhất 40dB tại đầu ra.
Máy thu chế tạo theo modul cần đảm bảo hệ số tăng ích yêu cầu và không thay đổi trên toàn bộ băng thông hoạt động Để nâng cao độ tin cậy của hệ thống, máy thu có thể được cấu hình theo chế độ dự phòng 1:1 Bộ phân kênh đầu vào IMUX cũng đóng vai trò quan trọng trong việc này.
Máy thu là thiết bị băng rộng, có khả năng khuếch đại tín hiệu đến công suất lớn bằng cách sử dụng các bộ khuếch đại công suất cao Để giảm thiểu hiện tượng hài xuyên điều chế, băng tần của bộ phát đáp cần được chia thành các băng con.
Hình 2.4 Sơ đồ bộ phân kênh đầu vào
Phần mặt đất
Trạm mặt đất đóng vai trò quan trọng trong việc tiếp nhận và xử lý tín hiệu từ mạng mặt đất hoặc thiết bị đầu cuối của người sử dụng, sau đó phát tín hiệu lên vệ tinh với tần số và công suất phù hợp Đối với trạm mặt đất thu, nó nhận sóng mang từ vệ tinh ở tần số đã chọn, xử lý để chuyển đổi thành tín hiệu băng gốc, rồi cung cấp cho mạng mặt đất hoặc thiết bị đầu cuối Một trạm mặt đất có thể hoạt động đồng thời cả việc thu và phát, hoặc chỉ thực hiện một trong hai chức năng này.
2.2.1 Cấu hình trạm mặt đất
Một trạm mặt đất bao gồm: thiết bị thông tin, thiết bị truyền dẫn mặt đất, thiết bị cung cấp nguồn và nhà điều khiển
Thiết bị thông tin bao gồm anten, máy công suất cao, máy thu tạp âm thấp, cùng với thiết bị đa truy nhập, điều chế và giải điều chế.
Hình 2.8 Cấu hình của một trạm mặt đất
Sau khi tín hiệu được ghép kênh, quá trình điều chế (có thể là điều chế số hoặc tương tự) sẽ diễn ra Tín hiệu đã điều chế sau đó được khuếch đại tại tần số trung tần và tiếp tục được đưa vào bộ trộn nâng tần để nâng tần số Công suất của tín hiệu này được tăng cường đến mức yêu cầu nhờ vào bộ khuếch đại công suất cao, và tín hiệu đầu ra sẽ được phát đi từ anten đến vệ tinh.
Khi thu tín hiệu từ vệ tinh, anten tại trạm mặt đất nhận tín hiệu và máy thu tạp âm thấp khuếch đại tín hiệu với tạp âm nhỏ Sau đó, tín hiệu được chuyển đến bộ đổi tần đường xuống, nơi nó được biến đổi thành tần số trung tần Tín hiệu trung tần sau đó được khuếch đại đến mức đủ lớn và được truyền đến thiết bị thông tin trên mặt đất thông qua thiết bị đa truy nhập điều chế và giải điều chế.
Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ tinh hoạt động theo nguyên lý chung, nhưng có các yêu cầu kỹ thuật, băng tần và hệ số phẩm chất G/T khác nhau Dựa vào những yếu tố này, Intelsat đã phân loại các trạm mặt đất từ A đến Z.
LNA Bộ trộn hạ tần
Bộ trộn nâng tần HPA
Bộ khuếch đại IF đại IF
Thiết bị đa truy nhập
2.2.2 Công nghệ máy phát a Máy phát công suất cao Để bù vào suy hao truyền lớn trong thông tin vệ tinh, đầu ra máy phát cần phải có công suất càng lớn càng tốt, do vậy trạm mặt đất phải sử dụng bộ khuếch đại công suất cao HPA (Hight Power Amplifier)
Trong các hệ thống vô tuyến mặt đất, khoảng cách giữa các trạm chuyển tiếp thường chỉ từ vài chục km, do đó, công suất phát ra của máy phát chỉ cần khoảng 10W là đủ để đảm bảo hiệu quả truyền tín hiệu.
So với hệ thống thông tin có khoảng cách lớn lên đến 36.000Km, một trạm mặt đất cần phát với công suất cao, dao động từ vài trăm đến vài chục KW.
Máy phát công suất cao bao gồm ba thành phần chính: bộ khuếch đại trung tần, bộ biến đổi tần số phát và bộ khuếch đại công suất cao Bộ khuếch đại trung tần có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu từ bộ điều chế đến tần số trung tần, sau đó tín hiệu này được biến đổi lên tần số sóng cực ngắn nhờ bộ đổi tần Cuối cùng, bộ khuếch đại công suất cao sẽ khuếch đại tín hiệu đến mức cần thiết để phát đi vệ tinh.
Cấu hình của máy phát công suất cao phụ thuộc vào loại và số sóng mang, thường được thực hiện theo hai hình thức: sử dụng một HPA hoặc sử dụng nhiều HPA.
Hình 2.9 Cấu hình bộ khuếch đại công suất cao
- Khi sử dụng một HPA
Để đảm bảo hiệu quả trong việc khuếch đại sóng mang, cần có băng thông đủ rộng và công suất ra phải có độ dự trữ cao để giảm thiểu méo tín hiệu do điều chế Mặc dù cấu hình này có thể tốn kém khi số sóng mang ít, nhưng nó lại mang lại lợi ích cho quá trình khai thác.
- Khi sử dụng nhiều HPA
Trong trường hợp này, mỗi bộ khuếch đại chỉ cần băng tần đủ rộng để điều chỉnh tần số khuếch đại cho từng sóng mang đã được xác định, điều này đặc biệt phù hợp khi số lượng sóng mang là ít Đồng thời, cấu hình này cũng đặc trưng cho khả năng phát EIRP.
EIRP (Công suất phát xạ vô hướng tương đương) là sản phẩm của hệ số tăng ích của anten và công suất máy phát cung cấp cho anten Thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá khả năng phát sóng của anten.
Ví dụ, một anten có đường kính gương phản xạ 30m hoạt động ở tần số 6GHz với hệ số tăng ích khoảng 63dB Nếu công suất máy phát là 100W, EIRP phía trước sẽ đạt 200.000KW, tương đương với công suất của một anten vô hướng với máy phát có công suất bức xạ 200.000KW hướng về phía trước.
2.1.3 Công nghệ máy thu a Bộ khuếch đại tạp âm thấp (Low Noise Amplifiers - LNA)
LNA, hay bộ khuếch đại tạp âm thấp, băng thông rộng, là một kỹ thuật quan trọng trong hệ thống thông tin vệ tinh, được sử dụng ngay tại tần đầu của trạm thu mặt đất Do tín hiệu vệ tinh nhận được ở anten thu rất nhỏ, LNA giúp khuếch đại tín hiệu, đảm bảo chất lượng truyền tải thông tin hiệu quả.
- Cung cấp bộ khuếch đại với nhiệt tạp âm thấp
- Phối hợp tốt với đường truyền từ anten để mất mát tại LNA là nhỏ nhất
Kết luận chương
Trong chương này đã nêu rõ về cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh gồm hai phần là phần không gian và phần mặt đất
Mỗi thành phần trong hệ thống thông tin vệ tinh đều có vai trò quan trọng; nếu thiếu một bộ phận, hệ thống sẽ không hoạt động hiệu quả Chương này giúp chúng ta hiểu rõ chức năng của các phân hệ trong phần không gian và mặt đất Tuy nhiên, vẫn cần giải quyết vấn đề giảm tải trọng của trạm vệ tinh để giảm chi phí và nâng cao hiệu quả sử dụng.
