Công nghệ thông tin vệ tinh

c ta đã có nhiều trạm vệ tinh mặt đất tiêu chuẩn A, B và sẽ tiếp tục xây dựng thêm nhiều trạm mới rải khắp đất nước để đáp ứng các yêu cầu dịch vụ viễn thông quốc tế. Trong tương lai không xa chúng ta sẽ có vệ tinh nội địa riêng của mình để phục vụ cho các dịch vụ viễn thông trong nước và khu vực. Tập tài liệu này đề cập đến những lý thuyết tổng quan về công nghệ thông tin vệ tinh. Là một tài liệu cơ bản tuy không đi sâu vào các chi tiết kỹ thuật của từng thiết bị thông tin nhưng cung cấp nhiều kiến thức tổng quát về thông tin vệ tinh có thể trợ giúp tốt cho việc tham khảo và tìm hiểu. Được soạn trong thời gian ngắn và ít có tài liệu tham khảo nên chắc chắn tài liệu này không thể tránh khỏi những sai sót. Rất mong nhận được các ý kiến đóng góp để có thể hoàn thiện hơn. Và trước tiên tôi xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Công Hùng đã nhiệt tình giúp đỡ tôi hoàn thành bản đồ án này. Phần I Cơ sở thông tin vệ tinh Chương I Sóng Điện từ và phân định tần số I.1-/ Tần số và các đặc tính của sóng vô tuyến điện sử dụng trong thông tin vệ tinh I.1.1-/ Sóng vô tuyến điện và tần số. Sóng vô tuyến điện là một bộ phận của sóng điện từ và giống như sóng ánh sáng, tia hồng ngoại, tia X v.v... Sự khác nhau giữa chúng ở tần số. Theo Điều lệ vô tuyến điện của ITU, sóng vô tuyến điện được quy định là những sóng điện từ có tần số nhỏ hơn 3.000 GHz (bước sóng 0,1 mm). Trong khoảng đó, các sóng có tần số từ 9 KHz (bước sóng khoảng 33 Km) đến 270 GHz (bước sóng 1,1mm) được phân định cho nhiều mục đích khác nhau. Các tần số sử dụng cho thông tin vệ tinh thường là từ 1 GHz (bước sóng 30 cm) đến 10 GHz (bước sóng 3 cm). Khoảng tần số này được gọi là "cửa sổ tần số", vì ảnh hưởng do tạp âm nhiệt vũ trụ nhỏ, tổn hao do mưa và do các phần tử khí có trong vũ trụ cũng nhỏ. I.1.2-/ Phân định tần số Việc phân định tần số được thực hiện theo Điều lệ vô tuyến ở mỗi khu vực của ITU. Có ba khu vực của ITU: Nhật Bản nằm ở khu vực 3. Khu vực 1: Châu Âu, Châu Phi, Liên Xô cũ và các nước Đông Âu. Khu vực 2: Các nước Nam và Bắc Mỹ. Khu vực 3: Châu á và Châu Đại Dương. Tuy nhiên do có sự khác nhau giữa các khu vực đối với dịch vụ thông tin vệ tinh nên việc phân định tần số cho ba khu vực này thường được tiến hành với một vài ngoại lệ. (Xem bảng I.1 trang bên) I.2-/ Phổ sóng điện tử Sóng điện từ có tần số biến đổi từ 0 đến vô cùng. Hiện giờ tần số cao nhất được biết là các tia vũ trụ có tần số từ 5 x 1020 đến 8 x 1021 Hz. Trong dải tần số rộng lớn như vậy, khi các tần số khác nhau chúng có những tính chất khác nhau, do đó để có một khái niệm rõ ràng khi sử dụng người ta chia thành các băng tần số thường là có cùng tính chất và có ứng dụng như nhau. Bảng I.1 - Tên và phân loại sóng vô tuyến. Tần số No.N Dải tần số Tên băng tần (viết tắt) Phân loại theo bước sóng Sử dụng chủ yếu trong 30 - 300 Hz Tần số cực kỳ thấp (VLF) Sử dụng trong vật lý Chưa được phân định 300Hz - 3KHz Tần số cực thấp (EHF) 4 3 - 30KHz Tần số rất thấp (VLF) Vô tuyến hàng hải Thông tin di động hàng hải 5 300-3000KHz Tần số thấp (LF) Sóng Mm (chục nghìn mét) Phát thanh Thông tin hàng hải Thông tin quốc tế 6 3 - 30MHz Tần số trung bình (MF) Sóng Km Phát thanh sóng ngắn Các loại thông tin di động Thông tin quốc tế 7 30 - 300MHz Tần số cao (HF) Sóng Hectomet (cỡ trăm mét) Phát thanh FM và truyền hình Các loại thông tin di động 8 300 - 3000MHz Tần số rất cao (VHF) Sóng decamet (cỡ chục mét) Truyền hình Các loại thông tin di động Các loại thông tin cố định 9 3 - 30 GHz Tần số cực cao (UHF) Sóng m Thông tin vệ tinh và rada Viễn thông công cộng Vô tuyến thiên văn 10 30 - 300GHz Tần số siêu cao (SHF) Sóng cm Vô tuyến thiên văn Rada sóng mm Nghiên cứu và thí nghiệm 11 300 - 3000GHz Tần số vô cùng cao (DHF) Sóng mm Chưa được phân định 12 3000-30000GHz Sóng decilimet Trong thông tin vệ tinh, dải tần thường được sử dụng là dải sóng siêu cao (SHF). I.3-/ Phân định băng tần số cho vệ tinh địa tĩnh Các tần số lý tưởng đối với thông tin vệ tinh địa tĩnh nằm trong khoảng cửa sổ tần số. Nhưng băng tần sử dụng cho thông tin vệ tinh yêu cầu rất rộng không thể chứa đủ trong khoảng cửa sổ tần số. Do đó phải sử dụng các tần số mới, các tần số này phải được thăm dò cẩn thận. Hiện nay băng C và băng Ku được sử dụng phổ biến nhất. Băng L được sử dụng cho các ứng dụng khác. Đối với thông tin vệ tinh quốc tế độ tin cậy là rất quan trọng do đó việc lựa chọn băng tần dùng cho thông tin vệ tinh quốc tế cần phải được thực hiện kỹ càng. Người ta đã chọn băng C dùng cho thông tin vệ tinh quốc tế còn băng Ku dùng cho thông tin vệ tinh nội địa. Bảng I.2 - Các băng tần sử dụng cho thông tin vệ tinh. Tên băng tần Tần số GHz Bước sóng (cm) Băng L 0,390 - 1,661 76,9 - 18 Băng S 1,662 - 3,399 18 - 8,82 Băng C 3,4 - 7,075 8,82 - 4,14 Băng X 7,025 - 8,425 4,14 - 3,56 Băng Ku 10,9 - 18,1 2,75 - 1,66 Băng Ka 17,7 - 36,0 1,95 - 0,833 Chương II Quá trình truyền sóng trong thông tin vệ tinh II.1-/ ảnh hưởng của tầng điện ly đối với sóng điện từ Sóng điện từ có thể truyền lan trong không gian tự do hay trong khí quyển và tần số của sóng càng cao thì khả năng truyền lan của nó càng lớn, với các tần số nhỏ hơn 30 KHz thì nó không có khả năng truyền lan. Trong quá trình truyền lan, sóng điện từ bị suy hao do sự hấp thụ của khí quyền, sự suy hao này phụ thuộc vào các điều kiện khí tượng, điều kiện thời tiết, và cường độ bức xạ của mặt trời. Trong tầng khí quyển, do bức xạ của mặt trời mà khí quyển chia làm các lớp: - Tầng đối lưu nằm từ mặt đất đến độ cao khoảng 10 Km. - Tầng bình lưu nằm từ khoảng 10 Km đến độ cao khoảng 35 Km. - Tầng điện ly cao khoảng 400 Km Tầng điện ly có mật độ loãng ở phía trên còn phía dưới có mật độ dày đặc hơn, nhưng bức xạ của mặt trời lại mạnh hơn ở phía trên và yếu hơn khi xuyên xuống lớp dưới cho mật độ điện tử và ion sẽ đạt cực đại ở độ cao khi mà mật độ chất khí đủ lớn và cường độ bức xạ đủ mạnh. Ban ngày tầng điện ly chia làm 3 lớp là D, E, F riêng lớp F lại chia làm 2 lớp là F1 và F2. Tình trạng các lớp này thay đổi theo vị trí của mặt trời, ban ngày bức xạ mặt trời chiếu thẳng vào tầng điện ly làm tăng số phần tử bị ion hoá còn ban đêm bức xạ và ion giảm làm lớp D biến mất và lớp F1 kết hợp với F2 tạo thành một lớp F. Tầng điện ly có những ảnh hưởng tới sóng điện từ, nó không chỉ làm suy hao sóng mà còn làm lệch hướng truyền sóng, ở dải tần số thấp sóng không thể đi qua được tầng điện ly, ở băng tần số cao thì tầng điện ly uốn cong quỹ đạo truyền sóng tần số càng cao càng ít bị uốn cong. Từ dải tần số cực cao UHF trở lên, sóng không còn bị ảnh hưởng bởi tầng điện ly. Do những đặc tính như vậy của tầng điện ly lợi dụng sự uốn cong hướng truyền sóng (sự phản xạ) ta có thể thiết lập đường truyền với cự ly khá xa khi sử dụng sóng HF. II.2-/ Tiêu hao trong quá trình truyền sóng. Trong thông tin, khi sóng đi qua khoảng không gian vũ trụ, trong môi trường này có rất ít các chất có khả năng làm suy hao sóng hay làm lệch hướng truyền lan của nó. Sự suy hao này chỉ là sự khuếch tán tự nhiên của nó. Môi trường này còn gọi là không gian tự do. Trong không gian tự do, tỷ số công suất phát trên công suất thu tại một điểm cách nơi phát một khoảng R là: Ă = (4pR/ l)2 l: là bước sóng của sóng vô tuyến điện. Tỷ số này gọi là tiêu hao không gian tự do. Khi sóng truyền trong khí quyển, sự hấp thụ của khí quyển phụ thuộc vào tần số của sóng. Tần số càng tăng thì khả năng hấp thụ của tầng điện ly đối với sóng càng giảm, tuy nhiên khi tần số tăng hơn nữa bắt đầu từ 4 GHz trở lên thì sự hấp thụ lại tăng do có sự hấp thụ của tầng đối lưu. Sự hấp thụ trong khí quyển cũng phụ thuộc vào góc tà. Với góc tà thấp, tín hiệu có đường đi trong khí quyển lớn do đó hấp thụ cũng tăng. II.3-/ Cửa sổ vô tuyến. Hình 1.1 - Suy hao của sóng vô tuyến điện trong khí quyển trái đất Trong thông tin vệ tinh, do ảnh hưởng của tầng điện ly lên sóng có tần số càng cao thì càng ít nên thường sử dụng các sóng cao, siêu cao tần. Tuy nhiên, ảnh hưởng của không khí, hơi nước và mưa đối với sóng điện từ lại tăng theo tần số, sự hấp thụ này bắt đầu tăng ở khoảng 4 GHz và hấp thụ là cực đại ở khoảng tần số 21 GHz á 60 GHz. Khoảng tần số từ 600 MHz á 4 GHz ít chịu ảnh hưởng của sự suy hao do tầng điện ly và tầng đối lưu nhất, khoảng tần số này được gọi là cửa sổ vô tuyến. Nó là tần số lý tưởng nhất dành cho thông tin vệ tinh. II.4-/ Tạp âm trong quá trình truyền sóng. Các chất khí của khí quyển và mưa không chỉ hấp thụ sóng điện từ mà còn là các nguồn bức xạ tạp âm nhiệt. Tạp âm do các chất khí trong khí quyển ảnh hưởng không nhiều đến sự truyền lan sóng vô tuyến điện so với tạp âm gây ra do mưa. Ngoài ra còn có tạp âm gây ra bởi trái đất do trái đất bị mặt trời đốt nóng nên phát ra nhiệt gây ra tạp âm, tuy nhiên nó chỉ ảnh hưởng nhiều tới các vệ tinh do anten của vệ tinh hướng về trái đất. Nhiệt tạp âm của mặt đất đối với vệ tinh khoảng 2500K á 3000K. Như ta đã biết, tổng tạp âm đường truyền bao gồm tạp âm đường lên, tạp âm xuyên điều chế của bộ phát đáp vệ tinh, tạp âm đường xuống và tạp âm nhiễu trong hệ thống. Tổng tạp âm đường truyền có thể tính theo biểu thức sau đây: Công thức: (C/T)T = Trong đó (C/T) được biểu diễn ở dạng đối loga. Chương III Nguyên lý thông tin vệ tinh Quỹ đạo elip nghiêng Quả đất Quỹ đạo xích đạo tròn Một vệ tinh sau khi được phóng vào trong vũ trụ có khả năng thu phát sóng điện từ, khi đó vệ tinh sẽ khuếch đại tín dụng thu được từ các trạm mặt đất và phát lại cho các trạm mặt đất khác. Loại vệ tinh nhân tạo như vậy được sử dụng cho thông tin được gọi là vệ tinh thông tin. Hình 3.1 - Các dạng quỹ đạo của vệ tinh thông tin. Do vệ tinh chuyển động khác nhau khi quan sát từ mặt đất phụ thuộc vào quỹ đạo bay của nó nên vệ tinh được chia làm các loại sau: * Quỹ đạo cực tròn: quỹ đạo bay của vệ tinh trùng với trục của trái đất. Ưu điểm là mọi điểm trên trái đất đều nhìn thấy vệ tinh trong khoảng thời gian nhất định cho nên đạt được việc phủ sóng toàn cầu do vệ tinh lần lượt quét tất cả các vị trí trên trái đất. Loại này ít được sử dụng cho thông tin vệ tinh vì thời gian xuất hiện của nó ít. * Quỹ đạo elip nghiêng: quỹ đạo của vệ tinh nghiêng so trục trái đất. Loại này có khả năng bao phủ tới các vùng cực cao mà vệ tinh địa tĩnh không thể đạt tới được. Nhược điểm là hiệu ứng Doppler lớn và kỹ thuật điều khiển bám phải ở mức cao. * Quỹ đạo xích đạo tròn: Quỹ đạo này vệ tinh bay trực tiếp trên đường xích đạo và là dạng quỹ đạo được dùng cho vệ tinh điạ tĩnh. Nếu bay ở độ cao đúng dạng quỹ đạo này sẽ là lý tưởng đối với các vệ tinh thông tin. Dạng quỹ đạo xích đạo được phân ra ba dạng: + Quỹ đạo thấp: Dạng quỹ đạo có độ cao điển hình là từ 160Km á 480Km, nó có chu kỳ quay khoảng 90 phút. Thời gian quan sát thấy vệ tinh khoảng 30 phút hoặc ít hơn. Dạng quỹ đạo này không thích hợp cho thông tin vệ tinh. + Quỹ đạo trung bình: Độ cao điển hình của dạng này khoảng 10000 - 20000Km. Chu kỳ bay của quỹ đạo là 5 - 12 giờ, thời gian quan sát thấy vệ tinh từ 2 á4 giờ. Loại này cũng không thích hợp cho vệ tinh thông tin. + Quỹ đạo địa tĩnh: Độ cao 36000Km và vệ tinh coi như đứng yên trên mặt phẳng xích đạo khi quan sát từ một vị trí cố định trên mặt đất, ở độ cao này vệ tinh có thể được quan sát thấy 24 giờ trong ngày. Quỹ đạo này là lý tưởng cho vệ tinh thông tin. Quả đất Hình 3.2 - Phủ sóng toàn cầu với ba vệ tinh địa tĩnh. Để tận dụng hơn nữa các tiềm năng khi sử dụng tân số của vệ tinh, người ta bố trí anten trên vệ tinh để có được dạng phủ sóng khác nhau trên mặt đất. Sự phủ sóng của vệ tinh lên mặt đất được gọi là "Vết in". Trong thông tin vệ tinh có 4 loại vết in được sử dụng là: - Vết in toàn cầu. - Vết in bán cầu. - Vết in vùng. - Vết in đốm. Hình 3.3 - Vết in toàn cầu Hình 3.4 - Vết in bán cầu Hình 3.5 - Vết in vùng Hình 3.6 - Vết in đốm Phần II Công nghệ thông tin vệ tinh chương IV cấu hình tuyến thông tin vệ tinh IV.1-/ Trạm mặt đất (SES) IV.1.1 Khái niệm Trạm vệ tinh mặt đất (SES) là trạm cho các tín hiệu từ mặt đất khởi đầu từ khách hàng xâm nhập. SES tuỳ thuộc vào các tín hiệu của khách hàng, bức xạ tín hiệu ở một tần số và công suất phù hợp với hoạt động của vệ tinh. Các trạm mặt đất phải có khả năng hoạt động sng công hoàn toàn, có thể phát và thu đồng thời. Tất cả điều đó xảy ra phải không ảnh hưởng lẫn nhau trong các trạm mặt đất. Intelsat phân loại các trạm mặt đất dựa vào các đặc tính hoạt động của chúng, đặc tính này liên quan đến kích thước của anten và tần số công tác ở băng C hoặc băng Ku. Bảng IV.1 - Liệt kê các tiêu chuẩn của các loại trạm mặt đất. Tiêu chuẩn trạm mặt đất Kích thước Anten (m) Băng tần làm việc (GHz) A 30 - 32 Băng C (6/4) A 15 - 30 Băng C (6/4) B 11 - 13 Băng C (6/4) C 11 - 30 Băng Ku (14/11 và 12) D1 5,5 Băng C (6/4) D2 10 Băng C (6/4) E1 3,5 Băng Ku (14/11 và 12) E2 5 - 7 Băng Ku (14/11 và 12) E3 8 - 10 Băng Ku (14/11 và 12) F1 4,5 - 5 Băng C (6/4) F2 7 - 8 Băng C (6/4) F3 8 - 10 Băng C (6/4) G (VSAT) 0,6 - 2,4 Băng C hoặc Ku G (TVRO) 1,2 - 11 Băng C hoặc Ku Z 0,6 - 32 Băng C hoặc Ku Việc bám chính xác là yêu cầu thường xuyên để duy trì đường thông tin với chất lượng cao. Các trạm mặt đất là các phương tiện trên quả đất để thực hiện thông tin vệ tinh có hiệu quả. Để xây dựng các trạm mặt đất này cần xét các yêu cầu sau: * Lựa chọn vị trí mỗi trạm mặt đất sao cho góc ngẩng anten đạt được càng cao càng tốt hướng vào vệ tinh. * Bảo đảm khoảng hở đủ trên đường chân trời ở hướng góc ngẩng anten Các yêu cầu này là cần thiết để ngăn ngừa can nhiễu từ hoặc tới các sóng vô tuyến điện khác nhau vì các tần số vi ba sử dụng cho thông tin vệ tinh là chung cho các hệ thống thông tin khác trên mặt đất. Các trạm mặt đất thông tin vệ tinh có thể phân loại về đại thể theo tần số thu phát được sử dụng và các đặc tính độ nhạy thu (G/T) 10 20 30 40 Độ nhạy thu (dB/0K) Loại A (30 m) Loại A mới (15 - 17m) B (11m) D2 (10m) C (11-13 m) F3 (10m) E3 (8-10m) E3 (8-10m) E3 (8-10m) TVRO (1,2-11m) VSAT (0,6-2,4m) D1 (5m) F1 (3m) F2 (8m) Hình 4.1 - G/T của anten trạm mặt đất. IV.1.2 Sơ đồ khối của một trạm vệ tinh mặt đất. Digital MUX : The digital Muxtiple xing Equiment Thiết bị ghép kênh số. TMUT : Space Muxtiplexing Equipment Thiết bị ghép kênh mặt đất. Space MUT : Space Muxtiplexing Equiment Thiết bị ghép kênh không gian. BB Unit : Base band Unit Khối băng tần cơ sở FM MOD : Frequency modulation Modulator Bộ điều chế số. V MUX : Versatile Muxtiplexing Equipment Thiết bị ghép kênh linh hoạt. IRD Modem : Intermediate Data Rate Modem Bộ biến hoàn tốc độ số liệu trung bình. IBS Modem : Intersat Business service modem. Bộ biến hoà hoàn truyền hình. U/C : Up Converters Bộ biến đổi nâng tần n dịch vụ thương mại Intersat. SCPC Modem : Single Channel Per Carrier Modem Bộ biến hoàn mỗi kênh một sóng mang. Television TV MOD: Bộ biến Combiner : Bộ kết hợp HPA : High Power amplifier. Bộ khuếch đại công suất cao. LNA : Low Noise amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp Divider : Bộ chia O/C : Down Converter Bộ biến đổi hạ tần. Modems : Bộ biến hoàn Buffer : Bộ đệm. T mux spce mux bb unit FM mod u/c u/c u/c u/c u/c C o m b i n e r hpa tracking anten idr modem ibs modem scpc modem v mux TV mod bb unit tv terrestrlal terminal digital mux TV demod bb unit scpc modem ibs modem idr modem buffer v mux buffer T mux space mux bb unit FM demod d/c d/c d/c d/c d/c d i v i d e r lna Mạng Truyền hình IV.2-/ Công nghệ phát * DIGITAL MUX: Bộ ghép kênh số DME Để xử lý luồng số liệu trên mặt đất, điển hình là từ 140 đến 500 Mbps. Thiết bị ghép kênh số (DME) phân ra các tốc độ số riêng rẽ bằng các bộ phận kênh để có thể đưa đến các bộ biến đổi hoàn toàn của trạm. * TMUX: Thiết bị ghép kênh trên mặt đất mang hai luồng số 2,048 Mbps, và tổ chức lại thành một siêu nhóm 60 kênh bao gồm 5 nhóm mỗi nhóm 12 kênh. * SPACE MUX: Thiết bị ghép kênh không gian. Để bố trí lại các kênh theo yêu cầu ghép kênh phân chia theo tần số (FDM), thuận lợi cho việc truyền phù hợp với các trạm mặt đất. * BB UNIT: Khối băng tần cơ sở Quyết định việc ghép các kênh từ bộ phận ghép kênh không gian bao gồm các mạch thoại. Tín hiệu có hệ thống thích hợp hướng dẫn cùng với kênh nghiệp vụ chuyên môn (ESC). Các mạch Telex cũng có thể bao gồm trong đó. Một tần số phân tán năng lượng (EDF) được thêm vào để nếu xảy ra mất băng tần cơ sở việc truyền sẽ được chuyển sang các tần số ấn định trước, điều này ngăn ngừa việc tập trung công suất ở một tần số nào đó. Tín hiệu tổng sau đó được đưa đến mạch tăng cường để nâng cao C/N cho việc truyền dẫn. * FM MOD: Bộ điều chế điều tần. Làm lệch sóng mang đến các giới hạn thiết lập theo các thông số hoạt động nghiệp vụ. Sau đó đến tín hiệu khoá trượt pha cầu phương (QPSK) ở tần số trung tần thường là tần số trung tâm 140 MHz ± 18 MHz trở kháng 75 W. Trung tần sau đó được chuyển đến bộ kết hợp và bộ biến đổi nâng tần, nghiệp vụ đầu tiên được ứng dụng qua mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN lưu lượng quốc tế. * VMUX: Thiết bị ghép kênh linh hoạt. Được sử dụng để giúp cho việc chia nhỏ hơn nữa các dòng số liệu nối tiếp từ thiết bị ghép số thành các luồng số có tốc độ thấp hơn để sử dụng cho các bộ biến hoàn (IBF). * IBF: Bộ biến hoàn dịch vụ thương mại Intelsat. Dành cho số liệu điểm đến điểm. Dãy số liệu từ MUX được xử lý ở nơi có tạo khung. Bộ biến hoàn cho ta một tín hiệu (QPSK) điều chế khoá dịch pha cầu phương ở tần số trung tâm thường có tần số trung tâm 140 MHz ± 36 MHz, trở kháng 75 W đưa đến bộ kết hợp và bộ biến đổi nâng tần (U/C). * SCPC: Bộ biến hoàn mỗi kênh một sóng mang. Có hai loại dịch vụ SCPC “VISTA” là một hệ thống tương tự sử dụng kỹ thuật điều chế tần số. Dịch vụ được tiếng thoại làm cho hoạt động và định tuyến mỏng lưu thông PSTN. Có cách chuyển đổi số SCPC cũng như lưu lượng PSTN phù hợp với tốc độ trung bình. Các dịch vụ này được ấn định từ trước. Cũng có các phương án số tương tự, đa truy nhập ổ định theo yêu cầu (DAMA) của loại biến hoàn này. * Truyền hình: Thiết bị truyền hình xử lý hình ảnh và âm thanh đưa vào và truyền chúng đến vệ tinh bất kỳ theo ba hệ tiêu chuẩn PAL, NTSC và SECAM. * U/C: Bộ biến đổi nâng hạ tần Có nhiệm vụ biến đổi tần số trung tần 70 MHz ± 18 MHz hoặc 140 MHz ± 30MHz, trở kháng 75 W thành tần số vô tuyến băng C trở kháng ra 50 W. Tần số đầu ra có thể ở bất kỳ trong băng tần của vệ tinh. Một nguyên tắc đơn giản là bộ biến đổi nâng tần lựa chọn luồng nào trên vệ tinh trong khi bộ biến hoàn chọn truyền dẫn ở vị trí nào trong luồng đó. * Bộ kết hợp Các bộ kết hợp nối từ đầu ra của các bộ biến đổi nâng tần và kết hợp chúng lại thành một tín hiệu chung để đưa đến bộ khuếch đại công suất cao xuyên suốt hệ thống, và đặc biệt tại điểm đó các trễ nhóm và các vấn đề tuyến tính có thể được bù lại bằng cách sử dụng các mạch đặc biệt như bộ cân bằng. * HPA: Là bộ khuếch đại công suất cao có thể dùng đèn Klystron hoặc đèn sóng chạy TWT. Hệ số khuếch đại điển hình 80 dB được truyền trên băng tần vệ tinh với méo xuyên điều chế nhỏ nhất. * Anten: Giữa bộ khuếch đại công suất cao và anten là bộ biến dạng chuẩn (OMT) đôi khi là bộ đấu nối dạng chuẩn (OMJ) cho phép các tín hiệu thu và phát là APOL và BPOL đồng thời tồn tại trong ống dẫn sóng. Có ba loại khung để quay anten: + Góc phương vị và góc tà (khung az và khung EI) + Y và X (khung XY) + Xích đạo cực (khung cực) Az - EI thường được dùng hơn cả cho một trạm mặt đất Các loại Anten phổ biến được dùng ở các trạm mặt đất là Anten Gregorian và các loại anten phổ biến được dùng ở các trạm mặt đất là anten cassegrain trong đó loại anten cassegrain được dùng nhiều hơn. Với trạm mặt đất mức ra biểu thị bằng dBW, lấy mức chuẩn là: 1 Wat = 0 dBW = 30 dBW 1 W = 10 lg 100 = 10 x 0 = 0 dBW 1 W = 1000 mW = 10 lg 103 = 30 dBW Đánh giá đầu ra của trạm mặt đất được biểu thị bằng công suất bức xạ đẳng hướng EIRP. Về cơ bản đó là công suất đưa đến bộ khuếch đại công suất cao nhân với hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại công suất cao nhân với hệ số tăng ích của anten, biểu thị bằng dBW. Anten của các trạm mặt đất thường có độ rộng búp sóng rất hẹp nên thường phải luôn hướng về phía vệ tinh. Chức năng này được thực hiện bởi thiết bị điều khiển bám vệ tinh. Bảng sau đây cho ta biết các thông số về hệ số tăng ích của anten và độ rộng búp sóng của nó với các anten ở băng C khác nhau: Đường kính Anten (m) Tần số phát 6 GHz Tần số thu 4 GHz Hệ số tăng ích (dB) Độ rộng búp sóng (độ) Hệ số tăng ích (dB) Độ rộng búp sóng (độ) 1,20 34,85 2,93 31,12 4,40 1,60 37,35 2,20 33,82 3,30 1,80 38,37 1,95 34,85 2,93 5,00 47,24 0,70 43,72 1,66 7,00 50,16 0,50 46,64 0,75 10,0 53,26 0,35 49,74 0,53 18,0 58,37 0,20 54,85 0,29 30,0 62,81 0,12 59,28 0,18 32,0 63,37 0,11 59,84 0,16 IV.3-/ Công nghệ thu * Anten: Là một phần tổ hợp của đường thu, anten nhận tín hiệu truyền từ vệ tinh xuống. Độ rộng của anten thu càng hẹp tạp âm vũ trụ sẽ càng nhỏ. * LNA: Bộ khuếch đại tạp âm thấp, đây là khối vô cùng quan trọng quyết định chất lượng hàng đầu của trạm mặt đất. Cường độ tín hiệu nhận được từ vệ tinh rất nhỏ đến độ bất kỳ một tạp âm nào phát sinh từ bộ khuếch đại cũng có thể chèn tín hiệu thu được. Bộ khuếch đại tạp âm thấp thường sử dụng Transistor hiệu ứng trường GaAs loại lưỡng cực hoặc loại thông số. Đặc biệt việc làm lạnh cho bộ khuếch đại tạp âm thấp là rất quan trọng vì nhiệt cũng góp phần tạo ra tạp âm. Trước đây thường làm lạnh bằng phương pháp hạ nhiệt độ, gần đây phương pháp làm lạnh Pelties đã được sử dụng với những tiến bộ trong công nghệ nên ngày càng phổ biến. * Bộ chia: Mục đích của bộ chia là để phân chia đầu ra từ LNA đến các bộ biến đổi hạ tần để không có tải đặt lên bất kỳ một khối nào vì điều này sẽ tăng mức tạp âm của hệ thống. * D/C: Bộ biến đổi hạ tần nhận ở đầu ra của bộ chia và sau đó biến đổi chúng từ RF trở kháng 50 W sang IF trở kháng 75 W cho các bộ biến hoàn. Các bộ biến đổi hạ tần thường được kết hợp với loại dịch vụ của chúng. * Các bộ biến hoàn: Mục đích của các bộ biến hoàn là khôi phục lại tín hiệu sau quá trình truyền dẫn lập lại tín hiệu ban đầu từ mặt đất. * Bộ đệm: Bộ đệm dùng để bù lại sự khác nhau của các đồng hồ quốc gia và các thay đổi đồng hồ gây ra bởi hiệu ứng Dopper do nguyên nhân từ chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo của nó. * Bộ ghép kênh số: Kết hợp các luồng số nối tiếp từ các bộ biến hoàn và đặt luồng số nối tiếp thành phần lên các thiết bị mặt đất. IV.4-/ Vệ tinh IV.4.1 Cấu hình các vệ tinh Một vệ tinh bao gồm tải nhiệm vụ (payload) và thân vệ tinh (bus) tải nhiệm vụ để thực hiện nhiệm vụ của vệ tinh và thân vệ tinh để mang tải nhiệm vụ. Tải nhiệm vụ của một vệ tinh thông tin bao gồm anten để thông tin và một bộ phát đáp. tách kênh ghép kênh Hình IV.1 - Cấu hình của một bộ phát đáp. Hình IV.1 chỉ ra cấu hình cơ bản của một bộ phát đáp. Bộ phát đáp thực hiện chức năng chính của vệ tinh thông tin là thu sóng vô tuyến điện từ các trạm mặt đất, khuếch đại và biến đổi tần số của chúng, rồi truyền chúng trở lại các trạm mặt đất. Như vậy bộ phát đáp của vệ tinh thông tin bảo đảm một số các chức năng như một bộ phát đáp tích cực trên quỹ đạo, nhưng khác bộ phát đáp trên mặt đất, nó yêu cầu độ tin cậy cao, nhỏ gọn, trọng lượng nhỏ và tiêu thụ ít công suất vì nó phải tự cung cấp công suất cần thiết. Tuỳ theo hệ thống ổn định trạng thái được dùng, thân vệ tinh bao gồm chủ yếu các thiết bị sau: - Thiết bị điều khiển đo lường từ xa. - Thiết bị điều khiển vệ tinh. - Bộ phận đẩy. - Thiết bị điều khiển nhiệt. - Cấu trúc con tầu vũ trụ. IV.4.2 Anten. Góc nhìn trái đất từ vệ tinh là 17024’. Nếu tính chiều cao anten mặt đất, góc nhìn được tính là 17018’. Anten dùng trên vệ tinh thường là anten Parabol với hướng tính rất cao (spotbeam) vùng mà anten bao phủ có thể là một địa lục, một vùng hoặc một quốc gia. Độ lợi anten tỷ lệ nghịch với góc mở của tia sóng. IV.4.3 Bộ chuyển tiếp. Nhiều bộ chuyển tiếp (Repeaters) giống nhau đặt trên cùng một vệ tinh, chúng được phân bố trên dải băng 500 MHz (Mỗi Repeaters cho một băng thông 36 MHz) Mỗi Repeaters khuếch đại mức tín hiệu G = 100 dB và chuyển tần số chiều lên 6 GHz thành 4 GHz chiều xuống bằng phương pháp điều chế SSB. Nếu một Repeater dùng trên vệ tinh sử dụng cho nhiều sóng mang đồng thời (đa kênh phân tần số) thì bộ Repeaters phải thoả mãn các đòi hỏi khắt khe về độ tuyến tính để tránh hiệu ứng nhiễu hài tần. IV.4.4 Điều khiển đo lường từ xa Nhiều chức năng của vệ tinh được điều khiển từ xa (chẳng hạn như điều khiển độ lợi, chỉnh hướng anten, chỉnh quỹ đạo vệ tinh...) Đồng thời các thông số kỹ thuật cũng được đo và giám sát từ mặt đất. Các thông tin điều khiển này được thực hiện thông qua cách điều chế gián đoạn PSK của một sóng mang phụ ghép kênh theo thời gian. Ngoài ra vệ tinh còn phát thường trực một tín hiệu “Beccons” cho phép chỉnh và theo dõi các anten mặt đất. IV.4.5 Cấp nguồn cho vệ tinh Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng chủ yếu trên vệ tinh, các phần tử quang điện đặt trên tấm chắn hoặc trên thân vệ tinh luôn hướng về phía mặt trời. Công suất thu trung bình là 1400 W/m2 nhưng hiệu suất chuyển đổi chỉ có 10%. Công suất điện cần thiết cho vệ tinh ở mức vài trăm W và còn tăng cao hơn đối với các thế hệ sau. Khi vệ tinh đia qua vùng tối bị che bởi trái đất vệ tinh phải có bộ dự trữ năng lượng. Ngoài ra vệ tinh phải còn có hệ thống năng lượng dự trữ để điều chỉnh quỹ đạo của nó giữ cho vệ tinh luôn nằm trên quỹ đạo xác định không bị trôi khỏi vị trí. Chương V Công nghệ anten và truyền dẫn V.1-/ Công nghệ và đặc tính của anten. V.1.1 Yêu cầu hoạt động đối với anten thông tin vệ tinh Để thu được những sóng yếu đến từ vệ tinh và để có thể phát đi các sóng có công suất đủ mạnh lên vệ tinh, anten cần có một số đặc tính như sau: 1. Hệ số tăng ích cao và hiệu suất cao. Mặc dù hệ số tăng ích của anten tỷ lệ thuận với diện tích của nó, từ góc độ giá thành và tính thuận tiện khi khai thác anten cầ có hiệu suất cao (hiệu suất góc mở) để đạt được hệ số tăng ích cao trong khi diện tích của anten càng nhỏ càng tốt. 2. Hướng tính cao và búp sóng phụ nhỏ. Anten dùng trong thông tin vệ tinh cần phải có tính định hướng cao, búp phụ nhỏ để chúng không can nhiễu vào các hệ thống thông tin vô tuyến khác (vệ tinh và mặt đất). 3. Đặc tính phân cực tốt. Anten cần phải có tính phân cực tốt để sử dụng tần số một cách hiệu quả bằng cách ghép các sóng phân cực ngang và đứng thành phân cực vuông góc hoặc thành các sóng phân cực tròn bên trái và bên phải trong phân cực tròn. 4. Tạp âm thấp. Cần phải giảm tạp âm để đảm bảo được tỉ số G/T theo yêu cầu. V.1.2 Nguyên lý làm việc của anten. Anten cho thông tin vệ tinh được lựa chọn xung quanh anten mặt phản xạ Parabol. Mà nguyên lý của nó là tại tiêu điểm đặt một nguồn bức xạ gọi là nguồn bức xạ thứ cấp sóng điện từ do nguồn bức xạ thứ cấp bức xạ sau khi phản xạ từ mặt phản xạ parabol thành các đường song song và tổng số đoạn đường đi từ tiêu điểm đến điểm phản xạ trên mặt phản xạ, đến điểm trên mặt song song với miệng Parabol là một hằng số. Tức là biến bức xạ của nguồn sơ cáp là sóng cầu hay sóng trụ thành sóng phẳng sau khi phản xạ từ mặt parabol. Trong hình chỉ ra quá trình bức xạ của các tia sóng phát ra từ tiêu điểm và sau đó được phản xạ bởi mặt parabol. Nhờ vậy sóng điện từ được phản xạ bởi mặt parabol. Nhờ vậy sóng điện từ được bức xạ mạnh về phía trước, tạo ra búp sóng hẹp và hệ số tăng ích lớn. Tiêu điểm Mặt phản xạ Parabol Tiêu cự Hình V.1 - Phản xạ sóng từ gương parabol. Hệ số tăng ích của anten là một thông số quan trọng quyết định không những chất lượng anten mà còn cả chất lượng và quy mô của các trạm mặt đất. Anten còn có tham số là độ rộng búp sóng, việc biểu thị sự tập trung năng lượng của sóng trong một góc nửa công suất là góc tính bằng độ tạo ở hai hướng bức xạ của anten mà ở hai hướng đó công suất giảm đi một nửa so với bức xạ cực đại, tức là giảm đi 3 dB. Hệ số tăng ích (G) thường được biểu thị bằng dBi, liên quan tới bức xạ vô hướng và liên quan đến khẩu độ là một hàm của đường kính phản xa parabol. Công thức tính hệ số tăng ích của anten gương parabol là (đĩa anten): G = 10 log (h ) dBi Trong công thức: l: là bước sóng công tác; d: là đường kính của đĩa Đây là hệ số tăng ích lý thuyết đối với anten hoàn hảo không có mất mát, chiếu xạ lý tưởng. Đồ thị phương hướng biểu thị công suất bức xạ ở các hướng khác nhau trong toạ độ cực, biểu diễn bởi búp sóng chính và búp sóng phụ. Điều mong muốn là búp chính có bức xạ lớn các búp phụ có bức xạ nhỏ. Các búp phụ có thể can nhiễu lên các hệ thống thông tin trên mặt đất về phía thu có thể bị các thông tin mặt đất can nhiễu. Đồ thị tính phương hướng của anten cũng có thể được thể hiện ở một dạng khác đó là đồ thị biểu thị trên toạ độ Decac (toạ độ vuông góc). Từ các phần trước đã chỉ ra rằng không phải tất cả công suất cung cấp cho anten phải được quan tâm tới khi tính toán hệ số tăng ích anten. Hiệu suất là do cấu trúc vật lý của anten không có thể can thiệp được, hiệu suất anten thường trong khoảng 50% - 70%, điển hình là 55%. Hình V.2 - Đồ thị tính phương hướng tương đối trong toạ độ cực của anten gương Parabol. V.1.3 Phân loại anten Hình V.3 trình bày các loại anten hay được sử dụng trong thông tin vệ tinh. Mỗi anten có một mặt Parabol phản xạ chính và nguồn bức xạ đặt tại tiêu điểm của Parabol. Vì thế sóng bức xạ ra từ mặt parabol là sóng phẳng. Hình V.3 - Các loại anten trạm mặt đất 1. Anten parabol, có sơ cấp đặt tại tiêu điểm. Đây là loại anten có cấu trúc đơn giản nhất và giá thành thấp nhất. Nó được dùng chủ yếu ở các trạm chỉ thu (không phát) và các trạm nhỏ đặc biệt với dung lượng thấp. Tuy nhiên các đặc tính của nó như hệ số tăng ích, búp phụ không được tốt. Một nhược điểm khác là cáp đấu nối từ loa thu phát đến máy phát và máy thu thường dài. Bởi vậy nó không được sử dụng ở các trạm mặt đất thông thường. 2. Anten Cassegrain: Là loại anten có thêm một gương phản xạ phụ vào gươn._.g phản xạ chính, hệ số tăng ích của anten được nâng cao và đặc tính búp phụ cũng được cải thiện chút ít. Anten được sử dụng cho các trạm bình thường, có quy mô trung bình, cải tiến quan trọng nhất ở anten cassegarain so với anten parabol là khoảng cách giữa máy phát và “cái bức xạ” có thể được rút ngắn vì vậy cho phép khai thác dễ dàng. 3. Anten lệch (bù) Anten lệch có bộ phận fiđơ, gương phản xạ phụ được đặt ở vị trí lệch một ít so với hướng trục của gương phản xạ để các bộ phận fiđơ và gương phản xạ nhỏ không chặn đường đi của sóng. Do đó búp phụ được cải thiện rất lớn so với anten cassegrain, dẫn đến hệ số tăng ích lớn hơn. Ngoài anten parabol lệch với một gương phản xạ còn có hai loại anten khác thuộc loại này. Một là loại “Gregorian lệch” có gương phản xạ phụ dạng elíp. Hai là cassegrain lệch có gương phụ dạng hypepbol. Các anten này có hiệu quả đặc biệt khi cần thiết giảm can nhiễu từ các đường thông tin viba trên mặt đất hoặc các vệ tinh khác ở các vị trí kề nhau trên quỹ đạo. Hình V.4 - Các loại anten một gương Hình V.5 - Các loại anten 2 gương. * Quá trình bức xạ sóng điện từ: Tín hiệu do bộ chiếu bức xạ (là anten loa) đến gương phụ Hypecbol với mất mát rất nhỏ tiêu điểm của gương phụ trùng với tiêu điểm của gương chính Parabol. Sau khi phản xạ lần thứ nhất tại gương phụ và phản xạ lần thứ hai ở gương chính các tia sóng của bộ chiếu xạ bức xạ ra thành song song và do tính chất của mặt phản xạ parabol và Hyperbol, các mặt phẳng song song với miệng của gương phẳng là đồng pha, biến sóng cầu thành sóng phẳng. Gương chính Parabol Gương phụ nhỏ Hyperbol Tiêu điểm của gương chính và gương phụ Tâm pha của bộ chiếu xạ và là tiêu điểm của gương ảo phụ Hyperbol Hình V.6 - Nguyên lý cấu tạo của anten 2 gương. * Sự thu: Tín hiệu thu được phản xạ từ gương chính và hướng về gương phụ ở tiêu điểm. Tất cả sóng điện từ bức xạ từ gương chính sẽ tiêu tụ ở gương phụ, gương phụ quay hướng truyền phát ra ở tâm pha là anten loa. * Hiệu suất anten cassegrain: a, Vùng bị che khuất: Gương phụ được đặt ở vị trí đúng với bức xạ cực đại của anten và sẽ chắn bất kỳ tín hiệu nào. Với các anten nhỏ thường đổi hướng để khắc phục điều này vì hướng đặt bộ chiếu xạ và gương phụ ở ngoài đường truyền của anten do đó tăng được hiệu suất của anten. Cấu trúc phụ của gương cũng gây nên một ít che khuất, trong trường hợp một giá ba chân được dùng để giữ ổn định cấu trúc với khe chắn nhỏ nhất. Công suất sẽ không đi theo hướng đã định làm giảm hiệu suất. b, Sự tán xạ sóng do bề mặt: Gương phản xạ cấu tạo không đồng nhất và tuyệt đối, đặc biệt là gương chính gây ra bức xạ sóng theo một hướng không cần thiết, sự lệch hướng bức xạ chính làm giảm hiệu suất. c, Hiệu suất chiếu xạ. Sự không nhất quán qua khẩu độ anten gây ra sự sai pha và các biến thiên trong cấu trúc trường. d, Sự bức xạ ngoài: Do phương chính có đường kính không đủ lớn hứng không hết sóng phản xạ từ gương phụ nên gây ra các búp sóng phụ, kể cả các bức xạ từ bộ chiếu xạ mà gương phụ không hứng hết cũng gây ra các búp phụ. Các búp phụ không hướng tới vệ tinh và là công suất mất mát làm giảm hiệu suất anten. Quan hệ giữa độ rộng búp sóng (tính bằng độ) và đường kính gương chính và tần số công tác được biểu thị ở công thức sau: Độ rộng búp sóng (0) = V.1.4 Các bộ dẫn sóng cho anten. Bộ dẫn sóng cho các anten trạm vệ tinh mặt đất thực hiện các chức năng cơ bản sau: - Sự định hướng búp sóng: Bảo đảm chiếu xạ đồng nhất của gương chính. Bộ chiếu xạ thường sử dụng loại loa gấp bởi vì nó gây ra búp sóng phụ không đáng kể. - Phân cách tín hiệu thu và phát: Được sử dụng bởi bộ lọc phân hướng. Khối này còn có các tên gọi khác như: Bộ nối thẳng góc (OMC OR thomode Cupler), mối nối vuông góc (OMJ OR thomode Juntion), Bộ biến năng vuông góc (OMT OR thomode transducer). - Sự biến đổi phân cực thẳng sang phân cực tròn và phân cực tròn sang phân cực thẳng. Quá trình này được thực hiện bởi các bộ phân cực. - Tỷ lệ trục: Sự ngăn cách giữa các APOL và BPOL phát và thu gọi là tỷ lệ trục. Lấy ví dụ về phía thu: Trên cửa APOL, đầu ra LNA giám sát nhận một APOL ở tâm của búp sóng và so sánh nó với BPOL của đầu ra LNA sẽ cho sự cách ly. Sau đó quay anten khỏi tâm của búp sóng và quá trình lặp lại. Sử dụng số liệu đó để tính tỷ lệ trục của anten. Sơ đồ chỉ ra việc điều khiển chỉ số trục được thể hiện ở trong hình V.7 Hình V.7 - Điều khiển anten quay khi thu. V.1.5 Các tính chất về điện. 1. Hệ số tăng ích của anten. Hệ số tăng ích của anten là một thông số quan trọng, quyết định không những chất lượng anten mà cả chất lượng và quy mô của các trạm mặt đất. Quan hệ giữa diện tích hiệu dụng (A), bước sóng (l), hiệu suất (h) và hệ số tăng ích của anten (G) có thể được biểu thị: G = Biểu thức này cho thấy, khi nhìn từ đầu phát, mức độ có thể tập trung sóng vô tuyến điện vào một hướng xác định, so với trường hợp sóng bức xạ đồng đều theo mọi hướng; Biểu thức này cho phép ở đầu thu dự đoán khả năng thu sóng khuếch tán yếu. ở đây, h biểu thị hiệu suất, với một anten kích thước giống nhau, nếu có hiệu suất lớn thì hệ số tăng ích cũng sẽ lớn hơn. Với các anten parabol thông thường, h khoảng từ 0,5 á 0,7. Trong trường hợp anten gương tròn với đường kính D(m). A = Từ đó rút ra G = Trong công thức trên nếu ta thay bước sóng l bởi tần số f (GHz) với quan hệ C = f.l ta có: G = Giả sử h = 0,6 và tính theo đơn vị deciben, ta có: G = 20log = 28,18 + 20logD + 20logf Ví dụ: đối với một anten làm việc ở băng Ku ta có: f = 14 GHz G = 41,1 + 20logD + 6 dB + 6 dB Nếu D = 1 m -------------> G = 41,1 dB D = 2 m -------------> G = 47,1 dB D = 4 m -------------> G = 53,1 dB Vậy hệ số tăng ích của anten tăng tỷ lệ với bình phương đường kính anten (D) và bình phương tần số làm việc (f). 2. Đồ thị bức xạ của anten. Có hai cách vẽ đồ thị bức xạ của anten: đồ thị bức xạ ở vùng gần trục và đồ thị bức xạ góc rộng. a, Đồ thị bức xạ ở vùng gần trục. Đồ thị bức xạ ở gần trục biểu thị đặc tính tăng ích xung quanh trục chính. Độ rộng của búp sóng chính được biểu thị bằng góc giữa hai điểm mà ở đó hệ số tăng ích giảm 3 dB. Như trên hình V.8. Nó được gọi là độ rộng búp sóng (độ rộng búp sóng nửa công suất) hình V.8 - Độ rộng búp sóng nửa công suất. Đối với một anten parabol thông thường, độ rộng búp sóng nửa công suất (q1/2), xác định gần đúng, theo D(m) và f(GHz) như sau: q1/2 = Độ rộng búp sóng nửa công suất giảm tỷ lệ nghịch với tần số và đường kính anten như ở hình V.9 Hình V.9 - Các đặc tính của độ rộng búp sóng nửa công suất. Hình V.10 - các đặc tính búp phụ điển hình. b, Đồ thị bức xạ góc rộng của anten. Đồ thị bức xạ góc rộng của anten là đặc tính tăng ích tính ở các hướng cách trục chính búp sóng 10 hoặc lớn hơn; còn gọi là đặc tính búp sóng phụ. Nên giảm búp phụ càng nhiều càng tốt để tránh can nhiễu với các hệ thống khác theo khuyến nghị của CCIR (Uỷ ban tư vấn vô tuyến quốc tế) cho các anten có D/l > 100, hệ số tăng ích của búp phụ (Gs) phải nhỏ hơn như sau (chỉ ra ở hình V.10) với góc cách trục chính f: 10 < f Ê 480 Gs = 32 - 25log f (dB) f > 480 Gs = - 10 (dB) Tuy nhiên để sử dụng hiệu quả hơn quỹ đạo địa tĩnh và tần số, gần đây người ta đòi hỏi các đặc tính búp phụ tốt hơn. Do đó ở Nhật cũng đã quyết định các giá trị Gs sau đây phải là mục tiêu thiết kế anten với 10< f < 250 D/l > 100 Gs = 29 - 25logf (dB) D/l < 100 Gs = 32 - 25logf (dB) Các anten lệch có các đặc tính búp phụ rất tốt, vì không có sự cản trở của gương phụ và các thanh đỡ, chúng được sử dụng khi có yêu cầu nghiêm ngặt giảm can nhiễu trong thiết kế mạch. c, Các đặc tính phân cực. Các đặc tính phân cực biểu thị mức độ tách biệt phân cực khi một tần số được dùng cho hai sóng phân cực vuông góc (hoặc sóng phân cực phải và phân cực trái trong trường hợp phân cực tròn) tại cùng thời điểm. Mức độ tách biệt được gọi là khả năng tách biệt phân cực chéo (XPD). Các nguyên nhân làm giảm khả năng tách biệt phân cực chéo bao gồm các yếu tố như sự thiếu chính xác của mặt phản xạ, bộ phản xạ sơ cấp có khiếm khuyết và việc lắp ráp không đúng vị trí của nó. Nói chung, mặc dù đã đạt được giá trị 30 dB hoặc lớn hơn, nhưng nâng cao các đặc tính là rất quan trọng trong thiết kế mạch điện. Nói cách khác, trị số XPD biểu thị mức độ can nhiễu với các hệ thống khác khi sử dụng phân cực V/H, cho nên cần có các đặc tính tốt. Các bức xạ từ nếp nhăm và các bộ biến đổi phân cực với các đặc tính tốt được sử dụng để đạt được các đặc tính phân cực thoả đáng. V.1.6 Đo lường G/T Hệ số tăng ích trên nhiệt tạp âm là một tiêu chuẩn đánh giá trạm mặt đất. Có nhiều phương pháp để xác định giá trị này, một trong những phương pháp đó như sau: Hệ số hiệu chỉnh cần phải được biết trước khi có thể tính được G/T. Các búp sóng thu được biến thiên theo cường độ trên mặt đất. Cường độ tín hiệu đã được một trạm mặt đất thu nhận phụ thuộc vào vị trí của nó bên trong búp sóng. lna 1 Suy hao chính xác RF Máy phân tích phổ Anten Hình V.11 - Phương pháp phân tích phổ trực tiếp V.1.7 Thủ tục Thu một tín hiệu có cường độ đã biết thì hướng dẫn vệ tinh là một nguồn thích hợp của tín hiệu này. Máy phân tích phổ được điều chỉnh đặt ở vị trí thích hợp. Mức tín hiệu thu được giám sát và bộ suy hao của máy phân tích phổ chính ở một mức yêu cầu: Bộ suy hao chính xác được hiệu chỉnh sao cho nền tạp âm phù hợp với mức này khi đĩa hướng vào không gian các kết quả được tính toán và sau đó G/T dB/0C được xác định. V.1.8 Các tham số của trạm vệ tinh mặt đất Intelsat Các tham số của anten SES: Loại anten, kích thước, băng tần công tác, G/T và hệ số tăng ích G cho ở bảng sau bảng V.1. V.2-/ Hệ thống truyền dẫn V.2.1 Các thiết bị truyền dẫn. Để truyền dẫn sóng điện từ ở băng sóng cực ngăn người ta sử dụng hai dạng tuyến dẫn là cáp đồng trục và ống dẫn sóng. 1. Cáp đồng trục. Tâm của lõi và tâm của vỏ trùng nhau, giữa lõi và vỏ của cáp có một lớp điện môi, lớp điện môi này gây ra sự suy hao sóng, phân bố đường sức điện trường và từ trường. Dòng điện lõi và mặt trong vỏ là ngược pha cho nên tồn tại sóng điện từ ngang. Tần số làm việc của cáp đồng trục tương đối lớn. Cáp đồng trục có công suất chịu đựng nhỏ, nếu muốn truyền công suất lớn thì cáp phải được chế tạo đặc biệt hoặc phải dùng ống dẫn sóng. Việc ghép nối ở cáp đồng trục thực hiện dễ dàng, ta có thể ghép nối trực tiếp hay có thể ghép lỏng khi công suất tín hiệu lớn. Tiêu chuẩn trạm mặt đất Intelsat Kích thước anten (m) Băng tần công tác (GHz) Anten G/T dB/0K Hệ số tăng ích anten phát/thu A 30 - 32 Băng C (6/4) 41 65/61,5 A 15 - 30 Băng C (6/4) 35 59,5/56 B 11 - 13 Băng C (6/4) 31,7 53,2/50 C 11 - 30 Băng Ku (14/11 và 12) 39 65/63 D1 5,5 Băng C (6/4) 22,7 48,9/45,7 D2 10 Băng C (6/4) 31,7 52,2/50 E1 3,5 Băng Ku (14/11 và 12) 25 52/49,9 E2 5 - 7 Băng Ku (14/11 và 12) 29 55,5/53,5 E3 8 - 10 Băng Ku (14/11 và 12) 34 59,2/56,6 F1 4,5 - 5 Băng C (6/4) 22,7 47,7/45,5 F2 7 - 8 Băng C (6/4) 27 51,6/48,4 F3 8 - 10 Băng C (6/4) 29 53/49 G (VSAT) 0,6 - 2,4 Băng C hoặc Ku G (TVRD) 1,2 - 11 Băng C hoặc Ku Số chi tiết kỹ thuật uỷ thác Z 0,6 - 32 Băng C hoặc Ku Bảng V.1: Các tham số của các loại anten trạm mặt đất 2. ống dẫn sóng: Tại các trạm mặt đất , khi cần phải phát các tín hiệu tần số cao và công suất lớn người ta dùng hệ thống dẫn sóng. ống dẫn sóng là một ống kim loại có kích thước không đổi, mặt trong của ống phải đảm bảo dẫn điện tốt. Tuỳ theo hình dạng tiết diện của ống mà người ta chia làm ba loại: . ống dẫn sóng chữ nhật. . ống dẫn sóng tròn. . ống dẫn sóng elip. 3. Đặc điểm của ống dẫn sóng: - Tổn thất điện dẫn thấp. Với hiệu ứng mặt ngoài do kích thước ống lớn đảm bảo cho bể mặt dẫn điện rộng làm cho trở kháng giảm, độ dẫn điện tăng. Đặc biệt mặt trong của ống thường được phủ một lớp kim loại có độ dẫn điện tốt do đó làm tăng tính dẫn điện giảm tổn hao. - Mất mát trong chất điện môi thấp: Trong ống dẫn sóng không có các thanh đỡ cách điện giữa các bề mặt vật dẫn do đó mất mát trong chất điện môi là không có. - Mất mát do bức xạ: Do ống dẫn sóng là ống kim loại kín, sóng điện tử chỉ tồn tại trong ống do sóng không thể bức xạ ra ngoài. Tổn thất do bức xạ không có. - Khả năng chịu đựng công suất cao : Do bề mặt dẫn có khả năng dẫn điện tốt , không có chất điện môi vì vậy trong ống không có khả năngđánh lửa nên nó truyền được điện áp cao một cách dễ dàng. Giá thành ống dẫn sóng cao hơn nhiều so với cáp đồng trục. V.2.2 Nguyên lý truyền sóng trong ống dẫn sóng Nguyên lý truyền sóng trong ống dựa vào nguyên lý phản xạ toàn phần bên trong thành ống. Nguyên lý này dựa vào các quy luật chi phối đường đi của sóng điện từ, từ đó các điều kiện bờ của Maxnell. Trong một vật dẫn lý tưởng tại bờ phân giới điện trường bằng không từ đó suy ra không có sự biến thiên điện thế trong một vật dẫn lý tưởng nên không có điện trường tồn tại trong vật dẫn lý tưởng. Từ đó ta thấy điện trường không thể tồn tại trong vật dẫn lý tưởng. Từ quan hệ từ trường và điện trường vuông góc thì từ trường phải triệt tiêu khi điện trường triệt tiêu. Thành phần tiếp tuyến của từ trường tại bờ phân giới của vật dẫn lý tưởng liên quan đến dòng điện mặt. Đó là dòng điện vô cùng mỏng chảy trên bề mặt vật dẫn. Ta có thể coi ống dẫn sóng như dây song hành, trên đó gắn các đoạn dây song song ngắn mạch đường dây song hành có chiều dài đầu cuối là l/4 và sít vào nhau. Do đoạn dây ngắn mạch có chiều dài l/4 nên trở kháng vào là vô cùng lớn không ảnh hưởng gì tới chế độ làm việc của dây song hành. Như vậy ống dẫn sóng phải có tần số tương ứng với bước sógn l mà ở đó l/2 vừa bằng kích thước thành rộng của ống dẫn sóng, bước sóng ứng với l đó gọi là bước sóng tới hạn tương ứng với tần số gọi là số cắt. Với các sóng l > ltới hạn (f > fcắt) thì bề rộng của đường dẫn tăng lên và khoảng cách từ mép đường tới đầu ngắn mạch vẫn thoả mãn l/4 cho tới khi tần số công tác tăng đến một giá trị nào đó mà quá nhỏ sóng sẽ không truyền lan được, như vậy ống dẫn sóng có một băng tần giới hạn. Mỗi loại ống dẫn sóng có thể truyền lan điện trường (sóng TE) và từ trường (TM) loại sóng nào được truyền quyết định bởi tần số công tác và kích thước của ống. V.2.3 Ghép ống dẫn sóng Để đưa năng lượng cao tần vào ống dẫn sóng và lấy năng lượng ra khỏi ống dẫn sóng ta dùng bộ ghép (Coupler) - Ghép đầu dò: Đầu dò kích thích giống như anten không đối xứng đặt trong ống song song với mặt phẳng E. Mức độ kích thích điều khiển bởi chiều dài của đầu dò. - Ghép bằng vòng: Một vòng tròn nhỏ dây dẫn được đặt trên một thành ống dẫn. Khi có một dòng điện chay trong vòng dây dẫn sẽ tạo ra cường độ từ trường H trong ống dẫn sóng mức độ ghép điều chỉnh bằng cách quay vòng ở các hướng. - Ghép bằng loa: Đây là phương pháp kích thích khi cần phối hợp trở kháng sử dụng như một đường dẫn anten, năng lượng được chiếu lên bộ phản xạ qua khe hở. - Ghép bằng khe hở: Ghép bằng phương pháp này gần giống như ghép bằng loa cường độ từ trường và điện trường phụ thuộc vào vị trí khe hở trên ống dẫn sóng, mức độ ghép quyết định bởi kích thước của khe trên thành ống. - Bộ kết cuối: ở đầu cuối ống dẫn sóng thường phải phối hợp trở kháng đúng, điều này tránh cho sóng bị phản xạ trở lại gây ra can nhiễu. Đầu cuối thường dùng như là một tải giả. - Bộ lọc phân hướng (Circulator) Bộ lọc phân hướng thường sử dụng như các bộ cách ly. Hoạt động của chúng phụ thuộc vào cách trong đó năng lượng trường điện từ tác động vào một vật liệu Ferit khi chịu ảnh hưởng của một từ trường. Năng lượng điện từ có thể quay như trong các bộ phận cực hoặc chệch hướng đặc biệt. Các bộ lọc phân hướng nói chung ở trong các bộ khuếch đại công suất cao, vì ống có khả năng làm việc với công suất cao nên thường được sử dụng với anten phát. Chương VI Kỹ thuật máy thu - phát VI.1-/ Bộ khuếch đại công suất cao (HPA) VI.1.1 Đặc điểm chung của bộ khuếch đại công suất cao. Trong thông tin vệ tinh do đặc điểm cự ly thông tin ở rất xa, tín hiệu bị hấp thụ lớn nên yếu cần máy phát phải có công suất lớn (hàng trăm đến hàng nghìn W) Bộ khuếch đại công suất cao thường có hệ số khuếch đại từ 40 dB đến 60 dB. HPA kết hợp với anten tạo ra công suất đẳng hướng hiệu dụng EIRP. EIRP là tích số hệ số tăng ích của anten và bộ khuếch đại. Bộ khuếch đại công suất cao có thể sử dụng các loại đèn sóng chạy (TWT), đèn Klystron hay tranzitor hiệu ứng trường (FET) tuỳ theo công suất ra của máy phát và băng tần. VI.1.2 Bộ khuếch đại Klystron: Đèn Klystron là loại đèn điện tử, tuy nhiên nó khác với đèn điện tử thông thường. Anot, Ktot được đặt chung vào sóng điện từ, khoảng cách giữa anot và Ktot có những hốc cộng hưởng tác dụng như lưới chắn trong đèn điện tử. Klystron TWT FET Công suất ra Lớn Lớn Nhỏ Kích thước Lớn Trung bình Nhỏ Băng tần Vài chục MHz Vài trăm MHz Vài trăm MHz Trọng lượng Lớn Trung bình Nhỏ Làm lạnh Bằng không khí hoặc nước Bằng không khí hoặc nước Bằng không khí Điện áp cung cấp Trung bình Cao Thấp Bảng VI.1 - So sánh đặc tính các bộ khuếch đại công suất cao Đèn Klystron thường được cấp nguồn sợi đốt 6V với dòng điện cực đại là 10A, điện áp giữa Ktot đất thường khoảng 5KV đến 10KV, dòng điện từ khoảng 1A á 5A điện áp cấp cho Colectơ là 20KV. 1. Colectơ: Tiếp nhận và tiêu thụ các điện tử, colectơ phải được làm mát để lấy đi nhiệt lượng toả ra do sự va chạm của các điện tử vào colectơ. 2. Các hốc cộng hưởng: Để khuếch đại người ta thay các lưới chắn trong đèn điện tử bằng các hốc cộng hưởng. Tần số cộng hưởng của hốc có thể thay đổi phù hợp với tần số công tác. Độ rộng băng tần của bộ khuếch đại thường là 80 MHz. 3. Hốc cộng hưởng hội tụ. Tín hiệu vào khuếch đại RF được đưa vào qua một vòng ghép dao động trong hốc. Các dòng chạy trong hốc tạo ra điện trường làm tăng tốc hay làm chậm lại tốc độ của các điện tử khi bay qua. 4. Hốc cộng hưởng trung gian: Sau khi qua hốc cộng hưởng hội tụ các điện tử chuyển động nhanh hơn sẽ bắt đầu đuổi kịp các điện tử chậm hơn. Cường độ của một dòng điện là số điện tử đi qua một điểm trong một thời gian xác định vì các điện tử đuổi kịp nhau tập trung lại làm cho dòng điện tăng lên cùng với điện trường của nó. Các hốc đã được điều chỉnh cộng hưởng ở tần số công tác sẽ gây ra sự dao động dòng điện. Các dòng điện tạo nên trong các hốc cộng hưởng bởi các điện trường sau đó sẽ làm tăng hoạt động chụm của các chùm điện tử đi vào trong khoảng hội tụ của Klystron. 5. Hốc giữ: Là hốc cộng hưởng ra của đèn, khi chùm điện tử có mật độ cực đại chúng sẽ đi qua bộ thu nạp của hốc và gây ra một dòng xoáy và điện trường kết hợp trong hốc. Năng lượng tạo ra trong hốc cộng hưởng giữ được đưa ra ngoài qua bộ ghép ống dẫn sóng. 6. Các nam châm hội tụ: Để có được hệ số khuếch đại cao trong đèn các luồng điện từ cần phải có được độ hội tụ cao. Hội tụ thành luồng hẹp tập trung đi qua tâm của các hốc mà không có điện tử tiếp xúc với chúng, điều này đạt được là do có các nam châm bao quanh đèn có thể là nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu. 7. Điều chỉnh Việc điều chỉnh đèn Klystron thực hiện bởi việc thay đổi kích thước vật lý của hốc cộng hưởng. 8. Điều chỉnh trở lại: Khi bộ khuếch đại làm việc gần tới chế độ bão hoà lượng sóng hài trong tín hiệu tăng lên, sóng hài này lại trộn với tần số gốc điều chế trở lại tạo ra nhiễu. Mức của nhiễu điều chế này được xác định ở hệ số tăng ích cực đại do đó hệ số khuếch đại phải được điều chỉnh trở lại cho đến khi mức nhiễu điều chế ở mức độ có thể chấp nhận được. Mức điều chỉnh trở lại thường khoảng 6 dB. 9. Các cảnh báo. + Cảnh báo điện áp sợi nung: Khi điện áp nuôi vượt quá mức quy định, để tận dụng đèn giò và hỏng có thể tăng điện áp nung. + Cảnh báo làm lạnh: Khi nhiệt độ đèn vượt quá mức quy định nhiệt độ lên tới 1750C, có thể sự thông gió và hệ thống làm lạnh bị hỏng. + Làm nguội nguồn nuôi: Khi nhiệt độ nguồn nuôi vượt quá giới hạn 630C. + Bộ cảm biến tia lửa điện: được đặt trong ống dẫn sóng và được giám sát bởi một thiết bị nhạy cảm với ánh sáng phát hiện ánh sáng do đánh lửa. + Công suất bức xạ thấp: khi công suất ra của bộ bức xạ giảm tới dưới giới hạn quy định. + VSWR: chỉ thị sự không phối hợp trở kháng trong hệ thống, điều này có thể gây hư hỏng cho bộ khuếch đại. Hình VI.1 - Sơ đồ cấu tạo đèn Klystron. 10. Các mức công suất trong bộ khuếch đại Klystron Hình VI.2 - Các mức công suất của bộ khuếch đại. VI.1.3 Bộ khuếch đại đèn sóng chạy TWT Hình VI.3 - Sơ đồ cấu tạo đèn sóng chạy (TWT) 1. Cấu tạo (Hình VI.3) Cấu trúc của đèn sóng chạy TWT cũng tương tự như Klystron. Cái khác nhau cơ bản là các hốc cộng hưởng ở Klystron. Cái khác nhau cơ bản là các hốc cộng hưởng ở Klystron được thay bằng cấu trúc sóng chậm ở đèn sóng chạy. Súng điện tử gồm một sợi nung,Cathode và anode làm nhiệm vụ như của Klystron. Các nam châm cũng có nhiệm vụ hội tụ luồng điện tử rơi vào trung tâm của đèn. 2. Cấu trúc sóng chậm Tín hiệu dẫn đến cấu trúc sóng chậm thường là các vòng xoắn phù hợp với bước sóng. Tín hiệu sẽ di chuyển qua cấu trúc sóng chậm ở tốc độ gần luồng tia điện tử do chiều dài của cấu trúc sóng chậm, tín hiệu đi vào sẽ mang nhiều chu kỳ khi đi suốt chiều dài của nó. Một tín hiệu được đặt trong cấu trúc sóng chậm có một điện trường được kết hợp với dòng điện của nó. Nửa chu kỳ dương và âm sẽ gia tốc hay làm chậm các điện tử khi chúng đi qua tâm của cấu trúc sóng chậm. Khi các điện tử bị cản chúng sẽ truyền năng lượng cho tín hiệu, khi tín hiệu đi qua suốt chiều dài của cấu trúc sóng chậm nó sẽ có tương tác với luồng điện tử. Vì các điện tử vừa được gia tốc và vừa bị làm chậm do đó sẽ xảy ra sự hình thành chìm trễ. Do sự tập trung điện tử, điện trường kết hợp, kết hợp với các chùm trở lên mạnh hơn. Điều này cũng làm tăng phản ứng với tín hiệu trong cấu trúc sóng chậm bởi vì tín hiệu đi dọc theo cấu trúc sóng chậm sẽ có một tác động qua lại xảy ra giữa nó và chùm điện tử. Các mức tín hiệu tăng lên với khoảng cách đi dọc theo cấu trúc sóng chậm. Năng lượng tăng cường cho mức tín hiệu thông qua sự tác động qua lại giữa tín hiệu và chùm điện tử là sự khuếch đại của đèn. Cấu trúc sóng chậm cần một vài loại suy hao dọc theo chiều dài của, nếu có sự phản xạ sóng từ đầu ra trở về đầu vào đèn sẽ dễ dàng loại trừ dao động bằng cách ngắt đường tín hiệu như vậy các tín hiệu quay về sẽ bị loại trừ. Tín hiệu đi về phía trước một khi vượt qua bộ tiêu hao thì nhanh chóng được hoàn lại bởi nhóm sóng điện từ trong chùm. Đèn sóng chạy có băng tần rộng hơn nhiều so với đèn Klystron vì chúng không sử dụng các hốc cộng hưởng. Độ rộng băng nhận được là 575 MHz nói chung với băng tần này dễ dàng phủ kín băng C của băng tần vệ tinh. 3. Bộ khuếch đại dùng đèn sóng chạy. Các cảnh bảo và điểm kiểm tra nhằm mục đích để thiết bị hoạt động đúng và an toàn. Sau đây là một số chức năng chính: + Cung cấp sợi đốt: Cung cấp điện áp cho các sợi đốt thường là 6 V xoay chiều, dòng cực đại 2A cung cấp qua một biến áp cách ly. + Cung cấp cho chùm tia điện tử: Là điện áp giữa cathode và đất khoảng 5 á 10KV dòng điện chùm tia 1 á 5A. + Dạng xoắn ốc: Là dòng do sự va đập của điện tử và dây xoắn của cấu trúc sóng chậm thường có cường độ 1 á 50mA. + Điện áp Colectơ: điện áp cung cấp cho colectơ vào khoảng 2 á 5KV. Các cảnh báo: + Các cảnh báo sẽ ngắt cao áp và ngăn sự hoạt động của chúng cho đến khi sự cố được xử lý bao gồm các cảnh báo sau: - Cảnh báo làm mát: Đèn vượt quá mức an toàn quy định đó là lúc nhiệt độ lên tới 1100C có thể do tắc nghẽn hệ thống làm lạnh colectơ, hệ thống thông gió của đèn cũng phải được kiểm tra để đảm bảo đủ luồng không khí chảy qua. - Làm mát nguồn cung cấp: Khi nhiệt độ nguồn cung cấp vượt quá giới hạn, đó là nhiệt độ 630C. Điều này có thể là do hệ thống thông gió có sự cố. - Cảm biến tia lửa: Đôi khi chúng được đặt trong ống dẫn sóng và được kiểm tra bằng một thiết bị nhạy cảm với ánh sáng phát hiện ánh sáng phát ra bởi một tia lửa do đánh xuyên. - Công suất bức xạ (RF) thấp: Khi công suất đầu ra bộ khuếch đại giảm xuống dưới mức giới hạn quy định thông báo sẽ cho biết một hoạt động không bình thường. - VSWR: Hệ số sóng đứng để chỉ thị không có sự phối hợp trở kháng trong hệ thống và có thể gây ra sự nguy hiểm cho bộ khuếch đại. - Dạng xoắn ốc: Khi dòng điện trong dây xoắn vượt quá giới hạn an toàn thường chỉ thị đèn giảm chất lượng hoặc các nam châm để hội tụ luồng điện tử bị yếu. VI.1.4 Méo do xuyên điều chế Mặc dù bộ khuếch đại công suất cao là bộ khuếch đại tuyến tính, nhưng nói chung sẽ trở thành không đường thẳng ở vùng bão hoà, ở đó điện áp đầu ra không tỷ lệ với điện áp vào. Bởi vậy, khi nhiều sóng mang được khuếch đại đồng thời, các tín hiệu tạp âm ở tần số khác được phát sinh. Điều này có thể được giải thích bằng các biểu thức sau: Giả thiết tính chất không đường thẳng được biểu thị bằng: K = C1x + C3x3 và ba sóng chưa điều chế biểu thị bằng x = A1cosw1t + A2cosw2t + A3cosw3t f1 f2 f3 Phổ tần số đầu vào 2f1-f2 f1 f2 f1-f2+f3 f3 f2:f3-f1 Đặc tuyến vào - ra 2f2-f1 2f2-f1 f1+f2-f3 Phổ tần số đầu ra Hình VI.4 - Méo do xuyên điều chế. được đưa vào đầu vào, chúng ta nhận được kết quả sau: Các thành phần tín hiệu mong muốn Các thành phần sản phẩm xuyên điều chế K = {C1 + 3/4C3 (A12 + 2A22 + 2A32)} A1cosw1t + {C1 + 3/4C3 (2A12 + 2A22 + 2A32)} A2cosw2t + {C1 + 3/4C3 (2A12 + 2A22 + 2A32)} A3cosw3t + 3/4C3 {A12A2cos (2w1 - w2)t + A1A22cos (2w2 - w1)t + A22A3cos (2w2 - w3)t + A2A32cos (2w3 - w2)t + A32A1cos (2w3 - w1)t + A3A12cos (2w1 - w3)t} + 3/4C3A1A2A3 {cos (w1 + w2 + w3)t + cos (w1 - w2 - w3)t + cos (- w1 + w2 + w3)t} Các tín hiệu tạp có tần số như là (2f1 - f2), (f1 - f2 + f3) được tạo ra từ ba tín hiệu có tần số f1, f2 và f3. Do đó một bộ khuếch đại công suất cao, khi khuếch đại nhiều sóng mang đồng thời, điểm làm việc của bộ khuếch đại được chọn sao cho mức đầu ra thấp hơn mức bão hoà khoảng 6 á 10dB, để triệt tiêu các tín hiệu tạp; điều đó được gọi là “điểm lùi”. Mặc dù loại hiện tượng này cũng xảy ra ở vệ tinh, trong trường hợp này, một phương pháp gọi là “Điều khiển công suất ra”, điều khiển đầu ra của trạm mặt đất sao cho triệt tiêu được mọi nhiễu xuyên điều chế. Có một biện pháp khác để triệt nhiễu xuyên điều chế, được gọi là “tuyến tính hoá”. Trong trường hợp này người ta chèn vào tầng trước một mạch điện với đặc tuyến bổ sung “đặc tuyến không đường thẳng của bộ khuếch đại để cải thiện tuyến tính toàn bộ. + = Đặc tính méo trước của bộ tuyến tính hoá Đặc tính phi tuyến của HPA Đặc tính của HPA sau khi bù Hình VI.5 - tuyến tính hoá VI.2-/ Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) ở trạm mặt đất bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) là rất cần thiết. Với đặc điểm của thông tin vệ tinh tín hiệu thu nhận được rất nhỏ, với mức tạp âm nhỏ nhất tín hiệu cũng có thể bị chèn lấp. Bộ khuếch đại tạp âm thấp cũng cần phải có độ rộng bằng băng tần số công tác phủ được khoảng tần số của băng tần vệ tinh. Quy định của Intelsat về tiêu chuẩn các trạm mặt đất được quyết định bởi hệ số phẩm chất của hệ thống (G/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/0._.