Đề tài Kĩ thuật thông tin vệ tinh

MỤC LỤC

 

Chương 1 1

TỔNG QUAN KĨ THUẬT THÔNG TIN VỆ TINH 1

1.Giới thiệu chung 1

2.Phần không gian 7

2.1 Cấu trúc 7

2.2, Các dạng quỹ đạo của vệ tinh. 9

2.3, Vai trò của trạm điều khiển 12

2.4, Phân hệ thông tin của vệ tinh 13

3. Phần mặt đất (ground segment) 16

4. Phân cực sóng mang trên thông tin vệ tinh. 17

5. Các dải tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh. 18

6. Các kỹ thuật điều chế và giải điều chế tín hiệu 21

6.1 Khái niệm 21

6.2. Kĩ thuật điều chế tân sô (FM) 21

6.3. Kĩ thuật giải điều chế sóng mang FM 22

6.4. Điều chế số 24

6.5 Kỹ thuật điều chế sóng mang PSK 28

6.6 Các thông số của phương thức điều chế PSK 31

7.Các kỹ thuật đa truy nhập 32

7.1. Khái niệm 32

7.2 Các vấn đề về lưu lượng 33

7.3, Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA 34

7.4. Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA 37

7.5. Kĩ thuật đa truy nhập phân tán chia theo mã CDMA. 43

CHƯƠNG 2 49

CÁC YẾU TỐ TRUYỀN DẪN TRONG THÔNG TIN VỆ TINH 49

1. Suy hao 49

1.1 Suy hao do khí quyển và suy hao trong không gian tù do 49

1.2.Suy hao do mưa và các hiện tượng khí hậu khác 50

2. Sự xuyên cực ( cross polarisa tion). 52

2.1. Khái niệm 52

2.2. Xuyên cực do mưa. 53

2.3. Xuyên cực do các tinh thể băng. 53

3. Hiệu ứng quay phân cực faraday (faraday Rotation) 53

4 . Sù uốn cong tia sóng (ray – bending) 54

5. Hiệu ứng nhiều đường (multipatheffects) 55

6. Tạp âm và can nhiễu 56

6.1. Bản chất của tạp âm 56

6.2 Nhiệt độ tạp âm 56

6.3 Nhiễu giao thoa (Interference) 58

7. Ảnh hưởng của trễ truyền dẫn – tiếng vọng(Echo) 59

7.1. Thời gian truyền dẫn trên tuyến không gian 59

7.2 Thời gian truyền dẫn trong mạng (Recommendation G114 CCITT) 60

8, Các biện pháp khắc phục ảnh hưởng (compensation) 60

8.1 Bù hiệu ứng quay phân cực 60

8.2 Bù suy hao 60

8.3 Phân tập không gian (Site Diversity ) 61

8.4 Biện pháp thích ứng (Adaptive ) 61

CHƯƠNG 3 62

KỸ THUẬT TRẠM MẶT ĐẤT 62

1. Anten của trạm mặt đất. 62

1.1.Dạng hình học 63

1.2 Hệ số tăng Ých của antenna 64

1.3.Độ rộng búp sóng 65

2. Đầu thu phát sóng (feed horn) 65

2.1 Chức năng đầu thu phát sóng 65

2.2. Cấu trúc của đầu thu phát sóng 66

3. Bộ khuyếch đại tạp âm thấp 67

3.1 Khái niệm 67

3.2. Bộ khuyếch đại thông số (Parametric Amplifier) 67

3.3. Các bộ khuyếch đại dùng Transistor trường (FET). 68

3.4. Hiệu ứng làm lạnh nhiệt điện (Thermoelectric Coooling) 69

4. Bộ đổi tần. 69

4.1. Khái niệm. 69

4.2. Các bộ đổi tần kép (Bouble Frequency Converters) 71

4.3. Các bộ dao động nội (Local ocssillators) 73

5. Bộ khuyếch đại công suất lớn (HPA) 73

5.1. Khái niệm 73

5.2. Bộ khuyếch đại công suất Klytron(KPA). 74

5.3. Bộ khuyếch đại đèn sóng chạy(TWTA) 75

5.4. Bộ khuyếch đại công suất bán dẫn (SSPA). 76

5.5. Các đặc tính của bộ khuyếch đại công suất. 76

6. Các thiết bị truyền dẫn analog của trạm mặt đất 81

6.1. Sử lý băng gốc 82

6.2 Thiết bị ghép kênh và phân kênh FDM 84

7. Các thiết bị truyền dẫn số của trạm mặt đất (Digital Transmission). 85

7.1. Số hoá tín hiệu Analog UE 85

7.2. Thiét bị ghép kênh và phân kênh TDM. 87

7.3. Thiết bị bảo mật (Encryption). 87

7.4. Bộ phân tán năng lượng (Serrambler And De – Scrambler) 88

7.5. Bộ mã hoá kênh (Channel Encoder). 89

7.6 Bộ giải mã kênh (Channel Decoder) – Thuật toán Viterbi 92

7.7 Các yếu tố ảnh hưởng đến truyền dẫn số của ES 94

8. Lý thuyết modem IDR và DCME 98

8.1 Khái niệm 98

8.2 Modem sè IDR 99

8.3. Thiết bị ghép mạch số DCME. 100

8.4 Các giao thức ( Interfaces ) 103

 

 

doc116 trang | Chia sẻ: maiphuongdc | Ngày: 17/12/2013 | Lượt xem: 3489 | Lượt tải: 33download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Đề tài Kĩ thuật thông tin vệ tinh, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ể được đưa qua bộ tích phân để loại nhiễu và khôi phục đúng dạng bản tin ở phía phát. Vì khi điều chế PSK tín hiệu có dạng m(t)p(t) với tốc độ chíp RC lớn hơn RBcho nên dải phổ sóng mang PSK sẽ mở rộng so với dải tần của nó khi chỉ điều chế với m(t) theo một tỷ số RC/ RB. Vì chuỗi mã p(t) là chuỗi giả ngẫu nhiên cho nên mật độ công suất của sóng mang được trải đều trong dải phổ và giá trị công suất đỉnh thấp xuống rất nhiều (hình 15). Khi N sóng mang cùng truy nhập vệ tinh ở cùng tần số góc wC, tín hiệu r(t) sau bé DEMOD có dạng: r(t) = [s(t) + åsi(t)] 2cos wCt (i = 1…..N – 1) x(t) = m(t)p(t)2 + åmi(t)pi(t) p(t) = m(t) + åmi(t)pi(t)p(t) Tại đầu ra bộ nhận ở máy thu ta có: r(t) = [m(t)p(t) cos wCt + åmi(t)pi(t) cos wCt]2cos wCt Lúc này bản tin m(t) đã bị một lượng can nhiễu của các sóng mang lân cận. Tuy nhiên nếu ta tìm được các mã p(t) và pi(t) có một sự không tương quan đủ lớn thì p(t) sẽ làm cho công suất của mi(t) vốn đã bị trải rộng ra bởi pi(t) càng bị trải rộng hơn nữa. Do đó mật độ công suất của mi(t) tại máy thu sẽ rất nhỏ và ta có thể lấy được m(t) dễ dàng. Đây chính là nguyên lý của DS – CDMA. Thực tế ta có thể điều chế PSK cho m(t) trước rồi mới nhận với p(t) nhưng cách này phức tạp hơn nên Ýt được dùng. Truyền dẫn nhảy tần số (FH – CDMA): Lúc này bản tin m(t) không được điều chế lên sóng mang có tần số cố định nữa mà điều chế lên sóng mang có tần số thay đổi theo từng bước được tạo ra từ bộ tổng hợp tần số (Synthesizer). Bộ tổng hợp này được điều khiển bởi một chuỗi mã p(t) có tốc độ RC được tạo ra từ bộ sinh mã (Code Generator). Giả sử tần số của sóng mang có thể có N giá trị như thế cần phải có các chuỗi mã dài log2N chíp để điều khiển bộ tổng hợp sinh ra chúng. Tốc độ thay đổi tần số sóng mang là RH =RC/log2N, chu kì thay đổi tần số là TH ta thấy RH có thể bằng, lớn hơn hoặc nhỏ hơn RB nhưng trên thực tế người ta thường dùng RH<<RB. Tín hiệu s(t) khi điều chế BPSK có dạng: s(t) = m(t) coswC(t)t s(t) cũng được giải điều chế Coherent ở máy thu. Do đó: r(t) = m(t) coswC(t)t x 2 coswC(t)t=m(t) +m(t) coswC(t)t TÇn sè Sau khi qua bộ lọc thông thấp có dải chắn chứa toàn bộ dải biến đổi của 2coswC(t) ta sẽ thu được bản tin m(t) ban đầu. §iÒu chÕ b»ng m(t) trong TH TH FMAX FMAX b F b B FMIN FMAX Thêi gian F B FMIN Hình 16: Phân bố phổ ở FH – CDMA khi RH<<RB. Mỗi trạm mặt đất (ES) sử dụng một mã riêng nên quy luật nhảy tần số của chúng sẽ khác nhau hay có lưới thời gian – tần số (Time – Frequency Grid) khác nhau (hình 16) . Tại phía thu chỉ có tần số bằng tần số sóng mang chuẩn tạo ra từ bộ Synthesizer mới được giải điều chế. Vì vậy sóng mang có lưới giống như của sóng mang chuẩn sẽ được khôi phục toàn bộ và các sóng mang khác chỉ có thể can nhiễu được một phần nhỏ. Khi các mã pi(t) (i = 1…N) có độ tương quan thấp thì các bước chia tần (b) của sóng mang càng nhiều làm cho dải phổ (B) của wC(t) càng rộng ra. Khi đó thì thành phần can nhiễu vào m(t) sẽ rất nhỏ. Kĩ thuật tạo mã giả ngẫu nhiên p(t) (Pseudo Random Code): Chuỗi mã p(t) có dạng giả ngẫu nhiên tức là chuỗi có số lượng chíp 0 (tương ứng giá trị –1 của mã NRZ) và chíp 1 (tương ứng giá trị +1 của mã NRZ) xấp xỉ nhau, hơn nữa sự phân bố các chíp 1 và 0 trong mét chu kì cũng khá đều nhau. Có điều kiện này p(t) mới bảo đảm được việc trải phổ và do đó mới có thể cho phép loại bỏ được các thành phần can nhiễu ở phía thu khi thực hiện đa truy nhập. Việc tạo mã tiến hành thông qua 1 thanh ghi dịch có r flip – flop như ở hình 16 mỗi khoá ai (i = 1…r-1) có thể đóng hoặc mở tuỳ theo mã thiết kế. Thanh ghi dịch làm việc với nhịp đồng hồ RC và được đồng bộ với s(t) nếu là ở phía thu. Mã p(t) sẽ lặp lại sau mét chu kì 2r – 1 chíp. Mỗi chu kì chứa 2r -1 – 1 chíp 0 và 2r – 1 chíp 1. Trên hình 17, ta cũng thấy một ví dụ về sơ đồ bộ tạo mã giả ngẫu nhiên dùng một thanh ghi dịch gồm 3FF. Mã tạo ra có chu kì 23-1 = 7, mét chu kì p(t) có dạng 1001110. Với kĩ thuật mạch tích hợp (IC) hiện nay, sè FF trong thanh ghi dịch có thể den hàng triệu và khi đó 1 chu kì của p(t) có thể kéo dài hàng chục năm. CK (RC) VÝ dô r = 3 FF P(t) FF FF FF FF FF FF P(t) 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 00 a2 aT-1 a1 a1 a2=0 a2=0 Hình17: Nguyên lý tạo mã giả ngẫu nhiên p(t) Các tính chất của CDMA: *) Hiệu suất ghép Số sóng mang truy nhập cực đại được cho bởi công thức: NMãX = 1+(RC/ RB)/ G(Eb/ N0) Như vậy hiệu suất được tính bằng tỉ số giữa dung lượng lớn nhất NMAXRB của toàn kênh vệ tinh và dung lượng nó có thể tải được (RC) trên băng tần trải phổ. h= NMAXRB / RC Ta thấy nếu băng tần trải phổ là 36 MHz thì hiệu suất của CDMA chỉ nằm trong khoảng từ 9 đến 15% tương ứng với khả năng lỗi từ 10-6 ¸ 10-4. *Ưu nhược điểm của CDMA: CDMA là kỹ thuật đa truy nhập hiện đại nhất. Nó không cần có một sự đồnh bộ giữa các ES mà chỉ cần đồng bộ giữa chuỗi thu và chuỗi mã. Vì vậy việc đồng bộ có thể thực hiện rất đơn giản bằng các vòng khoá pha điều khiển bộ sinh mã ở phía thu. Có tính bảo mật cao vì p(t) có thể hết sức dài và không bị nhiễu phá hoại. Điều này rất thích hợp cho quân đội và các dịch vụ cần búp sóng rộng (ví dụ như Mobile… ). Có độ linh hoạt hoàn hảo vì khi bổ xung trạm mới hoặc cấu hình lại trạm cũ, Ta chỉ việc thiết lập một mã mới sao cho nó không tương quan với các mã đang dùng. Tuy nhiên CDMA yêu cầu có băng tần rộng mà dung lượng thì lại thấp. Đồng thời việc thiết kế ra các bộ mã p(t) thích hợp không phải là đơn giản. Chương 2 Các yếu tố truyền dẫn trong thông tin vệ tinh 1. Suy hao 1.1 Suy hao do khí quyển và suy hao trong không gian tù do Trên cả hai tuyến lên và xuống, sóng mang đều phải đi qua tầng khí quyển dày của trái đất. Với tần số trong khoảng từ 1 ¸ 30 GHz, các sóng mang chỉ chịu tác động chủ yếu của tầng đối lưu ( Troposphere ) và tầng ion ( Ionsphere ). Tầng đối lưu trải dài từ mặt đất cho đến độ cao 15 Km còn tầng ion nằm giữa độ cao 70 và 1000 Km. Trong đó vùng gần sát mặt đất của tầng đối lưu và vùng có độ cao 400 Km của tầng ion là gây ra ảnh hưởng mạnh nhất. Người thathấy rằng vùng tần số từ 300MHz ¸ 10GHz là vùng mà khí quyển gây ảnh hưởng Ýt nhất, gọi là vùng cửa sổ của sóng Radio (Radio Window). Các chất khí trong khí quyển gây nên suy hao do chúng hấp thụ công suất sóng điện từ mà ta phát ra. Sự hấp thụ này càng tăng khi mật độ các chất khí càng dày hay khi áp lực của khí quyển tăng lên. Vì vậy các vùng khí ở gần mặt đất là gây suy hao lớn nhất. Nói chung , nhuyên nhân gây ra sự hấp thụ năng lượng sóng điện từ trong khí quyển chủ yếu là do Oxygen và hơi nước. Tổng lượng suy hao khí quyển không đáng kể tại tần số nhỏ hơn 10GHz và không quá 1 ¸ 2dB tại tần số 22GHz trong điều kiện độ Èm không khí bình thường và góc ngẩng antenna lớn hơn 100. Còng do sự hấp thụ mà các chất khí sinh quyển còn gây ra tạp âm nhiệt, là nguyên nhân chủ yếu gây nên nhiệt độ tạp âm TSKY của bầu trời. Trong tính toán tuyến, TSKY có thể tính bằng sông thức sau: TSKY = (1.12T0 – 50) ( 1-10LA(f ) / 10 ) [K] Trong đó T0 là nhiệt độ bề mặt trái đất tính ra độ K còn LA (f) là tổng lượng suy hao sóng do khí quyển hấp thụ khi anten có góc ngẩng f. Khi mét antenna phát ra một công suất PT, trong điều kiện không có tổn hao môi trường, natenna thu cũng chỉ thu được một công suất PR nhá hơn PT do có một phần công suất phát vô Ých vào trong không gian tù do. Trong điều kiện này, giữa PT và PR có quan hệ sau: PR = ( PTGT ) ( l/4pR)2GR = (PTGT) (1/LES)GR. Trong đó GT và GR lần lượt là hệ số tăng Ých của antenna phát và antenna thu, l là bước sóng của sóng mang và R là khoảng cách thẳng trục giữa hai antenna. Đại lượng LES = (4pR/l)2 gọi là tổn hao trong không gian tù do (Free Space Loss). Do đó LES nên giá trị EIRP (PTGT) của trạm phát tại máy thu bị giảm đi. Ta thấy rằng nếu antenna là vô hướng (GT = GR = 1) thì LES = PT/PR. Nếu xét đến cả suy hao do khí quyển LA thì tổng suy hao trong môi trường truyền sóng là: L = LALES = LA[dB] + LES [dB] 1.2.Suy hao do mưa và các hiện tượng khí hậu khác a, Khái niệm cường độ mưa (Precipitation) Cường độ mưa được đo bằng tốc độ mưa rơi R tính ra [mm/h]. Cường độ mưa càng lớn thì các ảnh hưởng của nó đến sóng mang như suy hao, xuyên cực…càng mạnh. Để biết được cường độ mưa trong mét khu vực người ta phải dùng các biện pháp thống kê thực nghiệm hàng năm. Người ta quy ước lấy các giá trị cường độ mưa của một khu vực là tốc độ mưa tại khu vực đó sao cho tốc độ này bị vượt quá trong p% thời gian trung bình của năm và được ký hiệu là RP. Như vậy tại một nơi có thể có nhiều giá trị cường độ mưa hàng năm tuỳ theo giá trị p% được xét . Ví dụ nếu R0,01 = 30mm/h (p = 0,01%) thì có nghĩa là trong 99,99% thời gian một năm tốc độ mưa sẽ không quá 30mm/h và trong 0,01% thời gian còn lại (53phút/năm) thì sẽ lơn hơn. Thực tế giá trị R0,01 hay được dùng để thiết kế tuyến nhất vì nó phù hợp với yêu cầu độ tin cậy của các hệ thống thông tin phải đạt 99,99%. Như vây thời gian mà R0,01 bị vượt quá sẽ coi như thời giansai lỗi chấp nhân được của tuyến. Giá trị R0,01 ở Châu Âu khoảng 30mm/h trờ một số vùng thuộc Địa Trung Hải có R0,01 khoảng 50mm/h. Tại khu vực xích đạo mưa rất lớn R0,01 khoảng 120mm/h ví dụ ở vùng Florida nước Mỹ, thậm chí có những khu vực R0,01 đạt tới 160mm/h. Nói chung R0,01 ở các vùng trên thế giới đã được đề xuất trong các bảng thống kê mưa của CCIR và các hãng truyền thông lớn. b, Tác động của mây, mưa, sương mù và tuyết Sóng điện từ đi trong mưa bị suy hao rất lớn là do các hạt mưa bay trong không trung hấp thụ và tán xạ năng lượng sóng rất mạnh. Cũng vì mưa hấp thụ năng lượng sóng cho nên nó trở thành nguồn tạp âm làm gia tăng nhiệt độ tạp âm tổng cộng ở tuyến xuống. Ta thấy rất rõ điều này trong phần tính toán tuyến phần sau. Giá trị suy hao mưa phụ thuộc vào hệ số suy hao gRLE [dB]. ARAIN = gRLE [dB] Trong đó LE là quãng đường đi trong mưa của sóng điện từ. Suy hao mưa của tuyến thường được đánh giá tại cường độ mưa R0,01. Nếu R0,01 có giá trị từ 30 ¸ 50mm/h thì suy hao mưa khoảng 0,1dB tại tần số 4GHz, 5 ¸ 10 dB tại tần số 12GHz, 10 ¸ 20dB tại tần số 20GHz và 25 ¸ 40 tại tần số 30Ghz. Suy hao do các đám mây mưa và sương mù cũng có thể được tính bằng công thức trên với hệ số suy hao gC = 1,1x10-3F1,8M. Trong đó F là tần số sóng mang và M là mật độ hơi nước của đám mây hay của sương mù [g/m3] với một giá trị vượt quá p% nào đó. Nói chung suy ha này là nhỏ khi M không quá lớn; chỉ khoảng 0,5 ¸ 1dB tại tần số 15GHz và 2 ¸ 4,5dB tại tần số 30GHz. Suy hao gây bởi các đám mây tinh thể băng và tuyết khô nói chung thường không đáng kể. Tuyết ướt có thể gây nên suy hao lớn hơn cả mưa có cường độ tương đương nhưng hiện tượng này rất hiếm nên chúng ta không cần phải quan tâm. 2. Sự xuyên cực ( cross polarisa tion). 2.1. Khái niệm Ph­¬ng ®øng Phần lớn các hệ thống thông tin vệ tinh đều sử dụng kỹ thuật dùng lại tần số nên chúng phải dùng hai sóng mang có phân cực vuông góc nhau(thường là kiểu RHCP_LHCP hay hai phân cực thẳng trực giao). Khi truyền dẫn trong không gian, do sự ảnh hưởng của các yếu tố môi trường chop nên một phần công suất của phân cực này sẽ bị lấn sang phân cực kia gây ra suy hao và can nhiễu. Đó gọi là hiện tượng xuyên cực và được mô tả như trên hình 18 : Ph­¬ng ®øng a aC T¹i antenna thu T¹i antenna ph¸t bX aX Ph­¬ng ngang bC b H×nh 18: Sù xuyªn cùc gi÷a hai ph©n cùc th¼ng. Giả sử ở phía phát người ta phát ra hai phân cực thẳng vuông góc a và b. Như vậy ở bên thu ta nhận được aC và bC là thành phần tín hiệu mong muốn vì chúng giữ nguyên phân cực của sóng phát. Đồng thời ta còng thu được aX và bX không mong muốn vì chúng là các thành phần xuyên cực tương ứng của a và bsang bC và aC. Đối với phân cực thẳng người ta đưa ra các đại lượng đánh giá mức độ xuyên cực như sau: XPI (cross polarisation isolation): XPI = aC/ bX hoặc bC /aX. Do đó: XPI [dB] = 20log(aC/ bX) hoặc = 20 log(bC/ aX) XPD (The cross polarisation discrimilation) XPD = aC/ aX. Do đó: XPD [dB] = 20 log(aC/ aX) Trong phân cực trong, khi thành phần RHCP xuyên cực sang LHCP và ngược lại thì các đường tròn phân cực sẽ trở thành ellipse (AR >1). Khi đó XPD được tính bằng: XPD [dB] = 20 log [(AR + 1)/(AR – 1)] Ta thấy rằng XPI và XPD đều là các đại lượng đánh giá tỷ số giữa mức công suất có Ých và mức công suất xuyên cực. Vì vậy XPI và XPD càng lớn càng tốt. 2.2. Xuyên cực do mưa. Ngoài suy hao, mưa cũng gây lên hiện tượng xuyên cực. Hiện tượng này xảy ra khi sóng mang đi qua các hạt mưa có dạng hình cầu dẹt với trục lớn nằm ngang. Giữa suy hao và phân cực do mưa có một mối quan hệ bằng công thức xấp xỉ rót ra từ rất nhiều thực nghiệm trong dải tần 3 ¸ 37 GHz. Ta thấy: XPD = U – 20log(ARAIN). Trong đó U là một hàm phức tạp của tần số sóng mang F, góc ngẩng anten E, độ nghiêng ellise phân cực t, góc nghiêng hiệu dụng của tia sóng khi đi vào hạt mưa s… và đã được đưa ra trong các Report của CCIR. Hiện nay, đối với ảnh hưởng do mưa người ta mong muốn đạt được XPD = 20dB với p = 0,01%. Tuyết (khô hoặc ướt) cũng gây nên hiện tượng tương tự. 2.3. Xuyên cực do các tinh thể băng. Các đám mây băng tồn tại ở các độ cao lớn gần vùng đẳng nhiệt 00C của khí quyển cũng gây nên sự xuyên cực khi tia sóng đi qua các hạt băng có trong các đám mây đó. Tuy nhiên khi so sánh với mưa và các hiện tượng thuỷ văn khác thì ảnh hưởng của các đám mây băng là nhỏ. Nó chỉ làm suy giảm giá trị XPD toàn hệ thống một lượng CICE khoảng 2 dB với p% = 0,01. 3. Hiệu ứng quay phân cực faraday (faraday Rotation) Tầng ion của khí quyển chứa các điện tích trái dấu. Điện trường của chúng sẽ tác động lên vector cường độ điện trường E của phân cực làm cho nó bị sai lệch đi. Kết quả là nó làm cho mặt phẳng phân cực của sóng mang bị quay. Góc quay W có thể tính băng công thức sau: Trong đó F là tần số sóng mang, e là điện tích electron mlaf khối lượng của electron , e0 là hằng số điện môi trong chân không , N là mật độ điện tích ,B là mật độ từ trường trái đất , q là góc giữa hướng truyền sóng với hướng từ trường trái đất và L chiều dài quãng đường sóng điện từ đi trong tầng ion . Từ công thức trên ta thấy W tỷ lệ nghịch với bình phương tần số nên nó gây ảnh hưởng khá lớn ở tần số thấp (ví dô W có thể đến vài độ khi F = 4GHZ) và không kể khi ở tần số cao. Ngoài ra W còn tỷ lệ với điện tích chứa trong tầng ion nên nó thường biến đổi có chu kỳ trong ngày, theo mùa, theo chu kỳ mặt trời… do đó W có thể dự đoán được. Tuy nhiên có các đột biến ví dụ như bão từ trường trái đất hoặc gió mặt trời thì giá trị W trở nên khá lớn và không thể đoán trước được. Hiệu ứng Faraday gây ra sự phân cực sóng mang. Do đó nó làm hiệu suất anten thu giảm đi. Sự suy giảm này được đặc trưng bởi mét đại lượng gọi là suy hao phân cực LPOL {dB] =20log[cos(W)]. Thêm nữa hiệu ứng quay Faraday còn gây ra xuyên cực với XPD [dB] = -20log[tan(W)]. Ví dô trong trường hợp W = 90 thì nó gây ra LPOL= 0,1 dB và XPD = 16dB. 4 . Sù uốn cong tia sóng (ray – bending) Tầng đối lưu và tầng ion đều có chỉ số chiết suất (Refractive Index) riêng đối với sóng mang. Chỉ số chiết suất của tầng đối lưu giảm theo độ cao (tức là giá trị của nó càng nhỏ khi mật độ khí càng loãng) và không phụ thuộc vào tần số. Chỉ số chiết suất tầng ion thì lại phụ thuộc vào tần sè và vào mật độ điện tích chứa trong tầng ion. Như vậy khi sóng mang đi từ ES đến vệ tinh và ngược lại nó phải đi qua môi trường có biến đổi liên tục. Kết quả là môi trường sẽ khóc xạ liên tiếp tia sóng dẫn tới tia sóng bị uốn cong kèm với việc vận tốc và thời gian truyền dẫn cũng bị biến đổi. Hơn nữa do các yếu tố môi trường thay đổi liên tục nên các chỉ số chiết suất sẽ biến đổi ngẫu nhiên làm cho tia sóng tới luôn bị giao động (Fluctuation). Biên độ và pha của nó cũng trở thành các hàm ngẫu nhiên . Sù biến đổi hướng và các thông số của tia sóng có thể gây khó khân cho việc thu tín hiệu và các quá trình sử lý khác ví dụ đồng bộ TDMA chẳng hạn . Các ảnh hưởng của hiện tượng này khong đáng kể khi F cao và góc ngẩng lớn tức khi ES càng gần ở xích đạo . Mức dao động biên độ có thể đạt 1 dB với P = 0,01% khi ES ở vĩ độ trung bình F = 11GHz. Thực tế các ảnh hưởng này chỉ thực sự là vấn đề khi góc ngẩng E < 100 hoặc tuyến dùng cho công tác đo lường từ xa (Telemetry). 5. hiệu ứng nhiều đường (multipatheffects) Khi anten của trạm mặt đất nhỏ tức là có độ rộng búp sóng lớn, tín hiệu toàn phần thu nhận từ vệ tinh ngoài hướng trực tiếp có thể bao gồm các hướng phản xạ từ mặt đất hay từ các chướng ngại vật. Trong trường hợp hai thành phần tín hiệu này khi đến anten thu có pha đối nhau thì chúng sẽ gây nên một lượng suy hao lớn. Ngoài ra do lệch pha với tín hiệu ở hướng trực tiếp nên các tín hiệu phản xạ đóng vai trò như tạp âm suy giảm S/N của tín hiệu chính và gây ra khó khăn cho một số biện pháp sử lý khác ví dụ trong giải mã CDMA. Hình 19 cho ta hình ảnh về hiệu ứng này. Để loại bỏ các ảnh hưởng nhiều đường, người ta cần phải trang bị cho ES các anten có hướng tính lớn (góc mở nhỏ) hoặc phải nâng cao góc ngẩng anten để giảm thiểu thành phần sóng phản xạ. VÖ tinh §­êng trùc tiÕp §­êng ph¶n x¹ MÆt ®Êt VËt c¶n ES H×nh19:HiÖu øng nhiÒu ®­êng ®èi víi tr¹m mÆt ®Êt thu 6. tạp âm và can nhiễu 6.1. Bản chất của tạp âm Tạp âm là tất cả các tín hiệu thu không mong muốn lẫn vào tín hiệu có Ých . Nã gây méo dạng tín hiệu, làm thay đổi các thông số của sóng mang, đảo các giá trị bit … Làm cho khả năng khôi phục chính xác tin tức chứa trong tín hiệu có Ých ở máy thu bị giảm sút. Các tác động của tạp âm đến hệ thống gọi là nhiễu. Tạp âm ảnh hưởng tới một trạm được sinh ra từ các nguồn sau : Các nguồn bức xạ trong khu vực làm việc của trạm, kể cả các trạm phát lân cận. Tạp âm sinh ra bởi chính các thiết bị của hệ thống (tạp âm ký sinh). Tạp âm gây ảnh hưởng mạnh nhất khi nó nằm trong giải thông của tín hiệu có Ých. Khi đó tạp âm sẽ lọt thẳng vào máy thu và gây ra các lỗi nghiêm trọng nếu ta không có những biện pháp khắc phục. Công suất tạp âm N [W] được đánh giá trong BN sẽ là : N = N0 BN[W] N0 gọi là phổ công suất tạp âm trong dải tần BN được tính ra W/ Hz hoặc dB/Hz. Trên thực tế mật độ phổ công suất tạp âm là không cố định trên toàn dải BN nên N0 chỉ mang tính lý thuyết tức là không thề đo trực tiếp được. 6.2 Nhiệt độ tạp âm Nhiệt độ tạp âm T của một vật là nhiệt độ nhiệt động (Thermodynamic) cần có một điện trở để tạo ra một công suất tạp âm bằng đúng công suất của vật đó. Nhiệt độ tạp âm của một nguồn có công suất tạp âm N được tính bởi: T = N / kB = N0/k [K] Trong đó k là hằng số Bolzmann = 1.379x10 – 23 = - 228.6[[dB]. Công thức trên biểu diễn nhiệt đọ tạp âm cho một nguôn (2cực). Để mô tả tính chất tạp âm của một mạng 4 cực ngươi ta dùng khái niệm Te là nhiệt độ cần có của một điện trở đặt tại đầu vào của mạng 4 cực lý tưởng (không sinh ra tạp âm ký sinh ) để tại đầu ra của nó ta có công suất tạp âm bằng công suất tạp âm của mạng thực tế. Nhiệt độ Te là đại lượng đại diện cho tạp âm ký sinh của các mạng 4 cực. Nếu tại đầu vào mạng 4 cực có một nguồn tạp âm có nhiệt độ T0( đây là trường hợp thường gặp trong thực tế) và mạng 4 cực có hệ số tăng Ých G thì công suất tạp âm tổng cộng tại đầu ra sẽ là Gk (Te + T0) B. Riêng nguồn tạp âm gây nên một công suất tạp âm tại đầu ra mạng 4 cực là: GkT0B. Nếu lấy công suất tạp âm tổng cộng (của cả mạng 4 cực và nguồn ) chia cho công suất tạp âm sinh ra bởi riêng nguồn ta sẽ đánh giá được mức độ sinh tạp âm của mạng 4 cực . Do vậy : F = [Gk(Te + T0) B] / [GkT0B] = (Te + T0)/ T0 = 1+ Te /T0 F gọi là hệ số tạp âm của mạng 4 cực . Hầu hết các thiết bị của thông tin vệ tinh có thể đánh giá thông qua hệ soó tạp âm. Ta thấy F càng nhỏ càng tốt và F lý tưởng = 1. Khi đó mạng 4 cực hoàn toàn không có tạp âm ký sinh các bộ LNA tốt nhất hiện nay có hệ số tạp âm xấp xỉ 1. Việc xử lý trong thông tin nói chung được thực hiện qua nhiều công đoạn bằng các thiết bị nối tiếp nhau. Các hệ thống đó có thể tương đương với một chuỗi 4 cực ghép nối tiếp. Khi đó toàn bộ hệ thống sẽ có nhiệt độ tạp âm là: Te = Te 1 + Te 2 / G1 + Te 3 / [G1G2] + … + Te N / [G1 G2…GN –1] Và từ đó suy ra hệ số tạp âm : F = F1 + (F2 –1)/ G1+ (F3 – 1)/ [G1G2] +…+(FN – 1)/ [G1G2 … GN –1] Trong đó Te i , Fe i lần lượt là nhiệt độ tạp âm và hệ số tạp âm của mạng 4 cực thứ i (i = 1…N), G là hệ số tăng Ýc của mạng 4 cực (i = 1…N-1). Mét anten gây ra tạp âm cho hệ thống do thu nhận tạp âm từ các nguồn bức xạ nằm trong góc mở của nó. Vì vật nhiệt độ tạp âm của anten phụ thuộc vào nhiệt độ tạp âm của vật bức xạ. Nếu gọi Tb(q,f) là nhiệt độ tạp âm bề mặt một vật bức xạ ở hướng góc ngẩng q và góc phương vị j của một antenna và G (q,f) là hệ số tăng Ých antenna theo hướng Êy thì nhiệt độ tạp âm antenna TA được tính bởi : Trong đó W là góc mở của antenna thu. 6.3 Nhiễu giao thoa (Interference) Khi các hệ thống lân cận nhau xử dụng chung băng tần số, mặc dù đã có một sự ngăn cách địa lý nào đó, chúng gây can nhiễu cho nhau. Khi đó các tín hiệu là có Ých của một trạm này thì lại là tạp âm đối với trạm khác. Để tránh can nhiễu người ta quy định 2 vệ tinh địa tĩnh làm việc ở cùng tần số phải có kinh độ lệch nhau Ýt nhất 20. Các dải tần dùng cho thông tin vệ tinh cũng thường được phân phối cho một số hệ thống mặt đất sử dụng. Vì vậy có thể xảy ra sù can nhiễu giữa các tuyến vệ tinh và các trạm mặt đất (hình 20). Can nhiÔu TÝn hiÖu 20 to 40 SL1 SL2 Tx2 RTx2 RTx1 Tx1 HÖ thèng v« tuyÕn mÆt ®Êt Hình 20:Can nhiễu giữa các hệ thống lân cận Ngoài ra, do đặc tuyến truyền đạt không tuyến tính của các bộ khuyếch đại công suất (hàm POUT = f(PIN) là một đường cong) cho nên bao giê cũng có sự can nhiễu giữa các sóng mang khác tần số gây bởi các thành phần xuyên điều chế . Sự can nhiễu này sẽ chở nên nghiêm trọng khi công suất phát của các hệ thống quá lớn . Một sù can nhiễu tự nhiên đó là từ mặt trời và mặt trăng. Trong đó sự can nhiễu lớn nhất xảy ra khi mặt trời nằm đúng trên hướng antena của ES chỉ đến vệ tinh địa tĩnh. Lúc đó mặt trời sẽ rọi thẳng vào góc mở của antenna gây nên một lượng tăng nhiệt đọ tạp âm DTA tới 12000K. Trong điều kiện này mọi hoạt động của trạm đều bị tê liệt vì tỷ số S/N quá nhỏ. Để khắc phục,người ta phải quay antenna đi hướng khác hoặc tắt máy chờ mặt trời đi qua. Hiện tượng diễn ra không nâu và xảy ra theo quy luật hàng năm cho nên thường được dự báo trước. Mặt trăng cũng gây nên hiện tượng tương tự nhưng chỉ làm tăng một lượng DTA cực đại bằng 250K(khi trăng rằm).Can nhiễu từ hành tinh khác trong vũ trụ có thể bỏ qua . 7. ảnh hưởng của trễ truyền dẫn – tiếng vọng(Echo) Thời gian truyền dẫn tín hiệu là thời gian để chuyển tin tức từ mét thiết bị đầu cuối này đến một thiết bị đầu cuối khác. Thông thường các thiết bị đầu được nối với các ES thông qua mạng. Vì vậy thời gian truyền dẫn sẽ bằng tổng thời gian tín hiệu đi trên tuyến không gian (Space Link) và thời gian tín hiệu đi trong mạng. VÖ tinh TUYÕN KH¤NG GIAN RD RU Giao diÖn m¹ng Giao diÖn m¹ng Terminal Terminal ES ES Hình 21:Tuyến thông tin vệ tinh có mạng chuyển tiếp. 7.1. Thời gian truyền dẫn trên tuyến không gian Thời gian truyền dẫn trên tuyến không gian tSS phô thuộc vào kiểu quỹ đạo vệ tinh. Với vệ tinh tầm thấp tSS có giá trị nhỏ còn đối với vệ tinh địa tĩnh tSS có giá trị khá lớn. Vì tSS lớn nên khi truyền thoại qua vệ tinh địa tĩnh, hiệu ứng tiếng vọng (Echo) khá rõ rệt so với các vệ tinh di động tầm thấp. Tuy nhiên tSS của vệ tinh địa tĩnh lại tương đối ổn định trong khi tSS của các vệ tinh di động lại biến đổi liên tục. Nếu ta gọi RU và RD lần lượt là chiều dài quãng đường tuyến lên và tuyến xuống, c là vận tốc ánh sáng (c = 3 x 10 8 m/s ) thì: tSS = (RU+RD)/c 7.2 Thời gian truyền dẫn trong mạng (Recommendation G114 CCITT) Để tính thời gian truyền dẫn trong mạng ta có thể dùng công thức tN = 12+(0,004 x khoảng giữa cách 2 Terminal [Km] ) [ms] Nói chung ta có thể lấy thời gian truyền dẫn trung bình = 30m/s cho mỗi mạng (theo bản Report 383 CCIR) tương ứng với khoảng cách truyền dẫn giữa hai Terminal là 12000 km. Như vậy thời gian trễ truyền dẫn toàn tuyến sẽ là: t = tSS + tN.Tiếng vọng là hiện tượng xảy ra tại mạch chuyển 2 dây thành 4 dây ở máy điện thoại làm cho người nói nghe thấy chính tiếng của mình trên ống nghe. Hiện tượng này càng rõ khi t càng lớn. CCITT khuyến nghi rằng t không được phép vượt quá 400 ms và nếu t trong khoảng 150 ¸ 400ms thì hệ thống cần phải dùng các mạch triệt tiếng vọng (Echo Supperessor). Vì vậy đối với hệ thống vệ tinh địa tĩnh có tSS nằm trong khoảng 238 ¸ 278 ms (ứng với góc ngẩng của ES = 900 và 00 ), các mạch triệt tiếng vọng luôn phải dùng đến. 8, các biện pháp khắc phục ảnh hưởng (compensation) 8.1 Bù hiệu ứng quay phân cực Khi hiệu ứng Faraday làm cho phân cực bị quay, gây nên LPOL, người ta sẽ khắc phục bằng cách quay trước phân cực antenna phát của ES đi một góc để phân cực sóng mang sau khi bị quay sẽ đúng với đặc tính phân cực của antenna thu ở vệ tinh. Đồng thời ở phía thu người ta cũng dùng cách quay phân cực antenna thu của ES sao cho nó phù hợp với đặc tính phân cực của sóng mang đi xuống. Việc bù có thể được tự động hoá nhờ việc đ

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • doc46 thong tin ve tinh.doc