Nghiên cứu kỹ thuật thông tin vệ tinh, thiết kế trạm mặt đất ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số

97 859 2
Nghiên cứu kỹ thuật thông tin vệ tinh, thiết kế trạm mặt đất ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

1 1 Lời nói đầu Công nghệ thông tin vệ tinh đóng một vai trò rất quan trọng trong thông tin liên lạc. Thông tin vệ tinh đảm bảo các kết nối giữa các lục địa, các quốc gia trong khu vực các vùng trong một quốc gia. Thông tin vệ tinh rất đa dạng về loại hình dịch vụ cung cấp (thoại, dữ liệu, hình ảnh, phát thanh- truyền hình, thông tin di động, định vị dẫn đờng, khí tợng ). Một tuyến liên lạc vệ tinh có thể cung cấp dung lợng lớn có thể thay đổi theo nhu cầu với độ tin cậy cao, việc thiết lập tuyến cũng nhanh chóng. Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin quang thì thông tin quang và thông tin vệ tinh trở thành hai phơng thức chính đảm bảo các kết nối khu vực và quốc tế. Hai phơng thức này song song tồn tại và bổ trợ cho nhau. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi điện tử số, giá thành các thiết bị đầu cuối thông tin giảm trong khi các tính năng thì ngày càng đợc bổ xung và hoàn thiện. Các nhà sản xuất trên thế giới đang nỗ lực sản xuất các thiết bị thu phát tín hiệu vệ tinh cho gia đình có giá thành dới 300USD phục vụ cho các dịch vụ DTH (Direct to Home) tơng tác hai chiều. Đây sẽ là một trong những hớng phát triển chính của dịch vụ thông tin vệ tinh trong thế kỷ 21 này bên cạnh các dịch vụ truyền thống. Với sự hớng dẫn của phú giỏo s, tiờn s Pham Minh Viờt, tôi đ thực hiện luận văn với đề tài Nghiên cứu kỹ thuật thông tin vệ tinh, thiết kế trạm mặt đất ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số. Bản luận văn này đề cập các kiến thức cơ bản của thông tin vệ tinh và thiết kế một trạm vệ tinh mặt đất cho Công ty Viễn thông Quân đội (Viettelsat-1). Nội dung của luận văn gồm: 2 2 Chơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh. Chơng 2: Một số phơng pháp điều chế số dùng trong thông tin vệ tinh. Chơng 3: M Turbo. Chơng 4: Tính toán đờng truyền. Chơng 5: Thiết kế trạm vệ tinh mặt đất Viettelsat-1. Tôi xin chân thành cảm ơn sự hớng dẫn tận tình của thõy Pham Minh Viờt, các thầy cô giáo trong Trung tâm đào tạo và bồi dỡng sau đại học, Khoa iờn T Viờn Thụng, Viện Đại học Mở Hà nội. Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ, góp ý quý báu của các đồng nghiệp, bạn bè để bản luận văn này đợc hoàn thành. Vì thời gian có hạn nên bản luận văn chắc chắn còn rất nhiều thiếu sót. Tôi rất mong nhận đợc sự chỉ bảo của các Thầy, Cô, đồng nghiệp, bạn bè để hoàn thiện các vấn đề đ nêu trong bản luận văn này. Hà nội, ngày tháng năm 2012 Ngời viết 3 3 Chơng 1 Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh 1.1. Tại sao lại sử dụng thông tin vệ tinh: Thông tin là một nhu cầu cơ bản của một x hội phát triển. Có nhiều phơng thức truyền thông tin : hữu tuyến ( cáp đồng trục, cáp quang ), vô tuyến ( vi ba, vệ tinh ), Việc chọn phơng thức truyền thông tin phụ thuộc vào loại dịch vụ, giá thành, độ tin cậy yêu cầu. Cùng với sự phát triển của công nghệ chế tạo, phóng vệ tinh, các thiết bị viễn thông phạm vi sử dụng vệ tinh ngày càng mở rộng sang nhiều lĩnh vực: truyền số liệu, truyền hình, thông tin di động, định vị dẫn đờng Thông tin vệ tinh có những đặc điểm sau: Vùng phủ sóng lớn: với 3 vệ tinh địa tĩnh có thể phủ sóng toàn cầu. Dung lợng thông tin lớn: do có băng tần công tác rộng và áp dụng kỹ thuật sử dụng lại băng tần. Độ tin cậy thông tin cao: tuyến thông tin chỉ có 3 trạm hai trạm đầu cuối mặt đất, vệ tinh đóng vai trò nh trạm lặp xác suất lỗi do khí quyển và do fading là không đáng kể. Tỉ lệ lỗi bit có thể đạt 9 10 . Tính linh hoạt cao: hệ thông thông tin đợc thiết lập nhanh chóng trong điều kiện các trạm ở mặt đất ở rất xa nhau, dung lợng thông tin có thể thay đổi theo yêu cầu. Đa dạng về loại dịch vụ : có rất nhiều loại dịch vụ nh: + Dịch vụ thoại, fax, telex cố định. + Dịch vụ phát thanh truyền hình quảng bá. + Dịch vụ định vị dẫn đờng, cứu hộ. + Dịch vụ thông tin di động. + Dịch vụ khôi phục cáp. 4 4 1.2. Quỹ đạo vệ tinh Có ba loại quỹ đạo sau: Quỹ đạo địa tĩnh ( Geostationary orbit ): Đây là quỹ đạo mà vệ tinh nằm tại một điểm tơng đối so với mặt đất. Vệ tinh có chu kỳ quay của trái đất. Vệ tinh địa tĩnh có độ cao khoảng 36.000km trên đờng xích đạo. Hớng quay của vệ tinh trùng với hớng quay của quả đất. Vị trí cố định của vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh đợc gọi là vị trí quỹ đạo. Vị trí này đợc xác định bằng kinh tuyến chứa vệ tinh. Các vệ tinh của một quốc gia phải đợc xác lập trên một cung quỹ đạo theo sự phân chia của chuẩn quốc tế. Vị trí quỹ đạo của từng vệ tinh đợc xác lập theo quy định của quốc gia. Quỹ đạo nghiêng elíp (Elliptically incline orbit). Đây là quỹ đạo đợc sử dụng thành công bởi hệ thông Intersputnik cho hệ thông viễn thông của Liên Xô cũ. Chu kỳ quay của vệ tinh là 12h, trong đó 8h vệ tinh chuyển động chậm, trong thời gian này vệ tinh sẽ phủ sóng cho miền cực của trái đất. Đặc điểm của quỹ đạo này là do chuyển động tơng đối của vệ tinh ở xa là rất nhỏ nên có thể thu đợc tín hiệu liên tục với anten thu cố định, trong khi đó anten trên vệ tinh phải đợc điều chỉnh theo sự chuyển động của vệ tinh. Quỹ đạo cực tròn ( Circular polar orbit ): Đây là quỹ đạo chỉ tồn tại trên lý thuyết, thực tế trong viễn thông không sử dụng quỹ đạo này do khó khăn về mặt kỹ thuật, kinh tế. 5 5 Hình 1.1: Quỹ đạo của vệ tinh. 1.3 Vùng phủ sóng của vệ tinh: Vì bề mặt của trái đất có diện tích 2/3 là nớc nên việc phủ sóng toàn cầu không đáp ứng tốt cho các dịch vụ của các trạm mặt đất. Giảm vùng phủ sóng dẫn đến việc tăng hệ số tăng ích của anten trong vùng phủ sóng đó. Mặt khác giới hạn vùng phủ sóng lên các vùng dịch vụ có thể sử dụng lại tần số phân chia theo không gian; hai búp sóng không chồng lấn lên nhau có thể sử dụng cùng một tần số mà can nhiễu lên nhau giảm. 1.3.1.Phạm vi phủ sóng: Hiện nay trong kỹ thuật vệ tinh sử dụng các phạm vi phủ sóng sau: Phủ sóng cục bộ: Phủ sóng cục bộ bao gồm truyền dẫn trong 1 vùng xác định( trong một thành phố hoặc một vùng) cung cấp các dịch vụ phân phối địa phơng nhằm đáp ứng yêu cầu của khách hàng trong thành phố, hay trong một vùng. Chùm sóng của vệ tinh có độ tăng ích định hớng cao trong những vùng phủ sóng đặc biệt. Các chùm sóng đợc tối u hoá cho dung lợng cao nhất của hệ thống và hoạt động cho các nội dung dịch vụ miền Phủ sóng vùng: 6 6 Sự phân chia phủ sóng vùng dựa trên cơ sở ngôn ngữ hay địa lý (đất nớc). Vùng phủ sóng này đợc tạo ra bởi một chùm sóng anten đơn hoặc nhiều chùm sóng nhỏ bao phủ vùng đợc yêu cầu. Phủ sóng vùng tạo ra để phát xạ năng lợng cho khách hàng nhằm đáp ứng các nhu cầu về ngôn ngữ và các vấn đề về chính trị ( sự đồng sắp xếp tần số, sự giới hạn nội dung) chùm sóng vùng cung cấp khả năng định hớng cao có thể đợc sử dụng để tăng hiệu suất năng lợng của vệ tinh hay giảm chi phí của hệ thống trên mặt đất. Phủ sóng toàn cầu : Vệ tinh phủ sóng toàn cầu cung cấp khả năng truyền dẫn trong vùng đợc tạo nên bởi nhiều miền (ngôn ngữ, chính trị) hay nhiều đất nớc ví dụ: vùng bao phủ của Pan European cung cấp cùng 1 nội dung dịch vụ cho tất cả các khách hàng ở nhiều đất nớc khác nhau trong Châu âu. Chùm phủ sóng rộng bao phủ các nớc Châu âu cung cấp vùng phủ sóng cho Pan European. Việc sử dụng nhiều chùm sóng bao phủ cũng có thể làm cho hiệu quả của hệ thống tăng lên. Một ví dụ cho các chùm của vệ tinh Pan European đợc chỉ ra trong hình 1.2: Hình 1.2: Vùng phủ sóng của vệ tinh Pan European 7 7 1.3.2. Tăng cờng dung lợng của vệ tinh: Khả năng của hệ thống vệ tinh đợc tăng cờng bằng cách sử dụng băng thông khả dụng cao hơn tại các băng tần cao hơn (Ka, V) và thực hiện sử dụng lại tần số bao gồm tối u hoá, đa dạng hoá các kế hoạch kênh truyền dẫn. Số lợng và sự phức tạp của việc thực hiện các bộ phát đáp trên vệ tinh giới hạn sự tăng cờng dung lợng kênh truyền hệ thống. Số lợng lớn nhất của các bộ phát đáp bị giới hạn bởi các khả năng(khối lợng, công suất, cỡ của vệ tinh) của loại tàu vũ trụ sử dụng để phóng vệ tinh. Sử dụng lại tần số: Dung lợng của hệ thống sẽ tăng lên bằng cách sử dụng lại phổ tần cho phép nhờ tối u hoá việc phân định tần số và việc phân cực trên tuyến liên lạc. Nhiều bớc sóng bao phủ và đa dạng hoá kế hoạch tần số sẽ tăng cờng hơn nữa dung lợng hệ thống. Các tần số đợc sử dụng lại trong hệ thống cho vùng Châu á Thái Bình Dơng đợc minh hoạ trong hình 1.3. Hình 1.3a: Một chùm phủ sóng đơn Hình 1.3b: Nhiều chùm sóng Có hai cách phủ sóng : Dùng 1 chùm sóng đơn rộng và 1 tập hợp các chùm sóng điểm. Ví dụ 1 hệ thống sử dụng phân cực đôi và gồm 50 chùm điểm lúc đó băng thông hiệu dụng thực chất đợc tăng lên. Sử dụng lại tần số 8 8 đợc tạo ra 310 bộ phát đáp tơng ứng (36 MHz) gấp 10 lần khả năng bộ phát đáp trong vệ tinh sử dụng một chùm sóng đơn . Ta có: ESB =(Số ô)x(Độ rộng băng thông dự định)/ Hệ số sử dụng lại tần số = GHz MHzxx 5,12 4 )500()250( = Số lợng bộ phát đáp tơng đơng 36M là: ENT = 12,5GHz/40MHz=310(bộ) ESB:Effective System Bandwith ENT:Equivalent Number Transponder Kế hoạch phát đa tần số: Kế hoạch phát đa tần số dùng cùng tần số cho nhiều phần khác nhau của vùng phủ sóng với các vị trí khác nhau. Sự thực hiện những kĩ thuật này tăng cờng thêm dung lợng của hệ thống. Ví dụ :Bằng cách kết hợp phơng pháp trên cho 1 vệ tinh( Sử dụng lại và đa dạng hoá tần số ), dung lợng của hệ thống có thể tăng trên 58% (56- 96%) sử dụng cùng 1 khe tần số chỉ định mà không cần thay đổi bất kì thiết bị mặt đất nào. Hệ thống cung cấp dung lợng cao hơn trong 6 vùng với 6 thứ tiếng khác nhau. Sự tăng dung lợng thực sự của hệ thống phụ thuộc vào khả năng của phần tải trọng không gian vệ tinh để cài đặt các phần cứng và cung cấp công suất hoạt động. 1.4. Băng tần của vệ tinh: Để thực hiện đợc liên lạc giữa mặt đất và vệ tinh thì các sóng mang phải có tần số cao hơn tần số giới hạn xuyên qua tầng điện ly. Qua kết quả nghiên cứu truyền sóng thấy rằng các tần số nhỏ hơn 1GHz bị tiêu hao lớn do tầng điện ly, còn các sóng cao hơn 10GHz thì bị khí quyển, mây, ma hấp thụ, chỉ có giới hạn từ 1 đến 10GHz là bị tiêu hao nhỏ nhất và đợc gọi là cửa sổ vô tuyến truyền các tín hiệu sóng vô tuyến trong dải này đợc xem là truyền 9 9 sóng trong không gian tự do. Thông tin vệ tinh cũng là một dạng truyền sóng trong không gian tự do. Ngời ta chọn các dải tần trong khoảng 1 đến 30GHz để đảm bảo thông tin vệ tinh. Để phân bổ tần số ngời ta chia thế giới ra 3 khu vực sau: - Khu vực 1: bao gồm Châu Âu, Châu Phi, Trung Đông và Nga. - Khu vực 2: bao gồm các nớc Châu Mỹ. - Khu vực 3: bao gồm Châu á (trừ Trung Đông, Nga) và Châu Đại Dơng. Tần số phân phối cho một loại dịch vụ nào đó có thể phụ thuộc vào khu vực. Trong một khu vực một dịch vụ có thể đợc dùng toàn bộ băng tần của khu vực này hoặc phải chia sẻ với các dịch vụ khác. Các dịch vụ cố định sử dụng các băng tần sau: - Băng L: - Tuyến lên khoảng 1,6GHz; tuyến xuống khoảng 1,5GHz dùng cho thông tin di động vệ tinh. - Băng C: - Tuyến lên 5,925 đến 6,425GHz; tuyến xuống 3,7 đến 4,2GHz. Băng này đợc sử dụng bởi hệ thống Intelsat và các vệ tinh nội hạt: Westar, Satcom, Comstar (Mỹ), Anik (Canada), STW và Chinasat (Trung Quốc), Palapa (Indonexia), Telecom1(Pháp) và CS2(Nhật). - Tuyến lên: 5,725 đến 6,275GHz; tuyến xuống: 3,4 đến 3,9GHz Dùng trong hệ thống Intersputnik (Nga) - Tuyến lên: 5,850 đến 7,075GHz; tuyến xuống: 3,4 đến 4,2 GHz hoặc 4,5 đến 4,8GHz Dùng cho các băng tần mở rộng do WARC phân định - Băng X: - Tuyến lên: 7,925 đến 8,425GHz; tuyến xuống: 7,25 đến 7,75GHz Dùng cho các vệ tinh thông tin của quân đội và chính phủ. 10 10 - Băng Ku: -13/11 GHz: tuyến lên: 12,75 đến 13,25GHz; tuyến xuống: 10,7 đến 11,7GHz Đây là dải các băng tần mở rộng đợc WARC phân định. - 14/11GHz: tuyến lên: 14 đến 14,5GHz; tuyến xuống: 10,95 đến 11,2GHz hoặc 11,45 đến 11,7 Dùng trong các vệ tinh Intelsat, Eutelsat và các vệ tinh Nga. - 14/12GHz: tuyến lên 14 đến 14,5GHz hoặc 14 đến 14,25; tuyến xuống 11,7 đến 12,2GHz hoặc 12,5 đến 12,75GHz Dùng trong các vệ tinh Intelsat, Eutelsat và các vệ tinh nội hạt của Mỹ, Canada và Pháp - Băng Ka: -Tuyến lên 27,5 đến 31GHz tuyến xuống 17,7 đến 21,2GHz. Dùng cho các đề án nghiên cứu nhng chắc chắn sẽ đợc dùng phổ biến trong tơng lai. Mỗi trạm vệ tinh đợc phân phối cho một băng tần nhất định. Trong thông tin vệ tin ngời ta thờng phân biệt các khái niệm băng tần nh sau: Băng tần chiếm dụng(Occupied Bandwidth) B OCC , Băng tần danh định (Allocated Bandwidth) B ALL , Băng tần tạp âm (Noise Bandwidth) B N , Băng tần phân tích (Resolution Bandwidth) B RES và băng tần công suất tơng đơng (Equivalent Power Bandwidth) B EqP . Băng tần danh định B ALL là băng tần thực sự mà vệ tinh cung cấp cho trạm mặt đất. Để đánh giá chất lợng sóng mang trong B ALL ngời ta phải đo công suất (dB) của nó tại một vị trí nào đó xác định bởi B RES . Nếu lý tởng thì B RES =1Hz nhng trên thực tế B RES bằng khoảng 1% B ALL . [...]... tức l kênh thông tin chỉ đợc thiết lập giữa hai trạm mặt đất trong thời gian thông tin với nhau Hệ thống có khả năng kết nối nội bộ với cấu hình dạng ho n to n lới, một số thuê bao trong một vùng dịch vụ của một trạm mặt đất n o đó qua các kênh vệ tinh để thiết lập đờng thông với các vùng dịch vụ của các trạm mặt đất khác.DAMA có nhiều ứng dụng trong mạng viễn thông v ng y nay c ng đợc sử dụng rộng... Phân hệ mặt đất: Khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh khoảng 36000 Km xa hơn 700 lần so với các trạm chuyển tiếp trong hệ thống Viba mặt đất Do vậy, chúng ta phải có công nghệ thu tín hiệu rất nhỏ từ vệ tinh v phát công suất đủ lớn, đồng thời phải đối phó với thời gian trễ Phân hệ mặt đất hay còn gọi l các trạm thu phát mặt đất bao gồm: + Anten thu phát v các thiết bị điều khiển, bám vệ tinh + ống... chuẩn trạm mặt đất theo phân loại của Intelsat 25 26 Chơng 2 một số phơng pháp Điều chế số dùng trong thông tin vệ tinh 2.1 Giới thiệu Tín hiệu truyền qua vệ tinh bị giới hạn bởi băng thông đồng thời phải đảm bảo đợc tỷ lệ lỗi cho phép Vì vậy để sử dụng một cách hiệu quả băng thông cần phải điều chế v m hoá tín hiệu trớc khi truyền Trong phần n y sẽ đi v o xem xét một số kiểu điều chế số thờng dùng trong. .. luồng bít số gọi l burst tín hiệu 1.5.3 Phơng pháp truy nhập phân chia theo m (CDMA) Trong kỹ thuật CDMA mỗi trạm mặt đất sẽ phát cùng một lúc v cùng tại một tần số Để phân biệt, mỗi một trạm mặt đất có một m riêng, m n y đợc sử dụng để m hóa tín hiệu của chúng Các trạm mặt đất sẽ chuyển tín hiệu đến một trung tâm Trung tâm n y có một số bộ thu m chúng chỉ có thể khôi phục lại thông tin sử dụng m thích... vụ truyền số liệu Ví dụ truyền bản tin 8Kb trên thiết bị đầu cuối 2,048 Mbps chỉ hết 3,91 ms m hệ thống phải tốn không dới 810 ms để thiết lập cuộc nối Nên sử dụng DAMA cho liên lạc điện thoại 1.6 Các dịch vụ cung cấp bởi thông tin vệ tinh: Phạm vi phục vụ của thông tin vệ tinh rất rộng, nó có thể đảm bảo hầu hết các dịch vụ của thông tin viễn thông nh cố định v di động Các loại dịch vụ có thể đợc vệ. .. trọng trong các lĩnh vực an ninh quốc phòng v dân sự 1.6.7 Các dịch vụ hỗ trợ, dự phòng cho các tuyến cáp backbone: Thông tin vệ tinh có thể đáp ứng đợc nhu cầu về dung lợng lớn của các tuyến cáp backbone khi bị sự cố hoặc trong thời gian bảo h nh sửa chữa 1.7 Cấu hình một hệ thống thông tin vệ tinh: Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm hai phân hệ chính đó l : phân hệ không gian v phân hệ mặt đất. .. cần thiết của các trạm mặt đất Một trong những kỹ thuật 11 12 đợc áp dụng để giảm công suất phát m vẫn đảm bảo tỷ lệ BER l m sửa lỗi trớc FEC Độ rộng dải tần BALL đợc vệ tinh cung cấp cho các trạm mặt đất theo yêu cầu của từng trạm nhng bao giờ cũng phải bằng số lẻ lần của bớc 22,5KHz Qui định n y nhằm l m cho quá trình phân bổ tần số đơn giản v thuận tiện nhất Nhng hiện nay với sự tiến bộ của kỹ thuật. .. nhất của mọi hệ thống thông tin nói chung v vệ tinh nói riêng Tất cả các hệ thống vệ tinh quốc tế cũng nh khu vực v nội hạt đều cung cấp dịch vụ thoại Các hệ thống thông tin vệ tinh quốc tế có chức năng đảm bảo các sóng mang thông tin công cộng giữa các châu lục v 14 15 các quốc gia Các sóng mang n y sẽ đảm bảo liên kết thông tin giữa các mạng mặt đất nội hạt khác nhau cho phép kết nối các kênh thoại... to home) qua vệ tinh tận dụng đợc những u điểm vốn có của thông tin vệ tinh l vùng phủ sóng rộng, thiết bị đầu cuối rẻ v nhỏ gọn dễ triển khai, lắp đặt khi sử dụng băng tần Ku DTH l một trong những hớng phát triển dịch vụ truyền hình trả tiền bên cạnh các chơng trình quảng bá của Đ i Truyền hình Việt nam Thông tin vệ tinh cũng cung cấp các dịch vụ phát quảng bá cho phát thanh thông qua hệ thống VSAT,... loại dịch vụ thông tin nghiệp vụ phục vụ kinh doanh mới ứng dụng truyền dẫn số Các ứng dụng n y dựa trên các th nh tựu tiên tiến của công nghệ viễn thông v tin học, xử lý số tín hiệu Các th nh tựu n y thờng đợc ứng dụng cho các dịch vụ kiểu Telematic, bao gồm: - Phân chia dung lợng tính toán giữa các phơng tiện (ví dụ giữa các máy tính tập trung hay phân tán) - Thiết lập các đờng thông tin tốc độ cao . tài Nghiên cứu kỹ thuật thông tin vệ tinh, thiết kế trạm mặt đất ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số. Bản luận văn này đề cập các kiến thức cơ bản của thông tin vệ tinh và thiết kế một trạm. lợng thông tin lớn: do có băng tần công tác rộng và áp dụng kỹ thuật sử dụng lại băng tần. Độ tin cậy thông tin cao: tuyến thông tin chỉ có 3 trạm hai trạm đầu cuối mặt đất, vệ tinh đóng vai. thông tin vệ tinh đóng một vai trò rất quan trọng trong thông tin liên lạc. Thông tin vệ tinh đảm bảo các kết nối giữa các lục địa, các quốc gia trong khu vực các vùng trong một quốc gia. Thông

Ngày đăng: 17/08/2014, 23:44

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

Tài liệu liên quan