Thiết kế và tính toán một kênh truyền hình số qua vệ tinh

CHÖÔNG II CAÁU TRUÙC TRAÏM MAËT ÑAÁT I . CAÁU HÌNH CUÛA MOÄT TRAÏM MAËT ÑAÁT Thieát bò baùm Heä thoáng fiñô LNA HPA Boä ñoåi taàn xuoáng Boä ñoåi taàn leân Boä khueách ñaïi IF Boä giaûi ñieàu cheá Boä khueách ñaïi IF Boä ñieàu cheá Thieát bò ña truy nhaäp Boä dao ñoäng Boä dao ñoäng Heä thoáng anten baùm Maùy thu taïp aâm thaáp Thieát bò ña truy nhaäp ñieàu cheá vaø giaûi ñieàu cheá Maùy phaùt coâng suaát lôùn Hình 2-1 : Caáu hình cuûa moät traïm maët ñaát Caáu hình cuûa moät traïm maët ñaát. Caáu hình Moät traïm maët ñaát bao goàm: thieát bò thoâng tin, thieát bò truyeàn daãn maët ñaát, thieát bò cung caáp nguoàn vaø nhaø ñieàu khieån. Thieát bò thoâng tin goàm coù moät anten, moät maùy coâng suaát cao, moät maùy thu taïp aâm thaáp cuõng nhö thieát bò ña truy nhaäp, ñieàu cheá vaø giaûi ñieàu cheá. Nguyeân lyù hoaït ñoäng. Khi phaùt, moät tín hieäu ñöôïc göûi ñi töø moät thieát bò truyeàn daãn treân maët ñaát ñöôïc ñieàu cheá thoâng qua thieát bò ña truy nhaäp, ñieàu cheá vaø giaûi ñieàu cheá. Taàn soá cuûa tín hieäu ñaàu ra ñöôïc bieán ñoåi ra soùng phaùt ôû boä ñoåi taàn ñöôøng leân. Coâng suaát cuûa tín hieäu naøy ñöôïc khueách ñaïi leân ñeán möùc yeâu caàu nhôø boä khueách ñaïi coâng suaát cao, tín hieäu ñaàu ra cuûa noù seõ ñöôïc anten böùc xaï ñeán veä tinh . Khi thu, anten töø traïm maët ñaát thu tín hieäu töø veä tinh sau ñoù ñöôïc maùy thu taïp aâm thaáp khueách ñaïi ñöa ñeán boä ñoåi taàn ñöôøng xuoáng vaø ñöôïc bieán ñoåi ra taàn soá trung taàn. Sau ñoù ñöôïc ñöa ñeán thieát bò thoâng tin treân maët ñaát thoâng qua thieát bò ña truy nhaäp, ñieàu cheá vaø giaûi ñieàu cheá. Caùc coâng ngheä quan troïng ñoái vôùi traïm maët ñaát. Ta bieát khoaûng caùch töø moät traïm maët ñaát tôùi moät veä tinh khoaûng 36000km, xa hôn khoaûng 700 laàn khoaûng caùch giöõa caùc traïm chuyeån tieáp trong heä thoáng viba treân maët ñaát. Do ñoù caàn coù caùc coâng ngheä thu ñöôïc caùc tín hieäu yeáu töø veä tinh, phaùt caùc tín hieäu coâng suaát cao ñeán veä tinh vaø ñoái phoù vôùi thôøi gian treã gaây ra do cöï ly truyeàn soùng daøi (hình 2-2) Coâng ngheä anten Coâng ngheä maùy phaùt coâng suaát lôùn Coâng ngheä maùy thu taïp aâm thaáp Coâng ngheä ñieàu khieån tieáng doäi Heä soá taêng ích cao Hieáu suaát cao Ñoà thò tính höôùng heïp Buùp phuï nhoû Ñaëc tính phaân cöïc toát Ñaëc tính taïp aâm nhoû Khueách ñaïi coâng suaát lôùn Ngaên chaën xuyeân ñieàu cheá Ñaëc tính taïp aâm thaáp Heä soá khueách ñaïi lôùn Haïn cheá tieáng doäi Giaùm saùt tieáng doäi Hieäu quaû truyeàn daãn Ñieàu khieån loãi Hình 2-2 : Caùc coâng ngheä quan troïng ñoái vôùi traïm maët ñaát II. ANTEN PARABOL – FEEDHORD Yeâu caàu hoaït ñoäng ñoái vôùi anten Ñeå thu ñöôïc soùng yeáu töø veä tinh vaø coù theå phaùt ñi caùc soùng coù coâng suaát ñuû maïnh leân veä tinh, anten caàn coù caùc ñaëc tính sau: Ñoä lôïi cao vaø hieäu suaát cao . Höôùng tính cao vaø buùp soùng nhoû. Ñaëc tính phaân cöïc toát Taïp aâm thaáp. Phaân loaïi anten. Teân Anten parabol vôùi böùc xaï sô caáp ñaët taïi tieâu ñieåm Anten cassegrain Anten parabol leäch Anten Gregorian leäch Hình daïng Caùc ñaëc tính + Caáu truùc ñôn giaûn, giaù thaønh thaáp. + Hieäu suaát thaáp + Buùp soùng lôùn. + Khoâng phuø hôïp vôùi anten ñöôøng kính lôùn + Hieäu suaát cao + Taïp aâm nhoû + Buùp soùng nhoû + Giaù thaønh hôi cao + Hieäu suaát cao + Taïp aâm thaáp + Buùp phuï nhoû + Buùp soùng hôi bò leäch + Hieäu suaát cao, taïp aâm thaáp + Buùp phuï cöïc kyø nhoû + Ñaëc tính phaân cöïc toát Öùng duïng + Traïm maët ñaát quy moâ trung bình + Caùc traïm chæ thu khoâng phaùt + Söû duïng roäng raõi cho caùc traïm maët ñaát quy moâ trung bình vaø quy moâ lôùn + Phuø hôïp cho traïm maët ñaát quy moâ nhoû vaø chaát löôïng cao + Phuø hôïp cho traïm maët ñaát moïi quy moâ vaø chaát löôïng cao. Goùc quay vaø ñoä chính xaùc cuûa anten Anten traïm maët ñaát phaûi coù khaû naêng quay ñöôïc toái thieåu laø 100 cho caû goùc phöông vò vaø goùc ngaång xung quanh chieàu höôùng veà veä tinh ñòa tónh môùi ñaùp öùng moät traïm maët ñaát laøm vieäc treân maïng thoâng tin veä tinh. Treân phöông dieän baûo quaûn, baûo döôõng vaø ño thöû, ngöôøi ta caàn loaïi anten quay ñöôïc goùc caøng roäng caøng toát, ngaøy nay caùc anten coù theå quay ñöôïc ñeán 3600 (quan saùt toaøn boä baàu trôøi) vôùi caùc cô caáu cô khí goïn nheï nhöng chaéc chaén, ngoaøi ra ñeå ñaït ñöôïc tính ñònh höôùng cao, caùc maët phaûn xaï chính vaø phuï phaûi coù ñoä chính xaùc veà beà maët cao, ñoàng thôøi anten phaûi coù ñoä chính xaùc veà cô hoïc cao ñeå choáng caùc taùc ñoäng vaät lyù beân ngoaøi nhö gioù baõo hay caùc taùc ñoäng khaùc. Caùc ñaëc tính veà ñieän Ñoä lôïi anten. Ñoä lôïi cuûa anten laø moät tham soá quan troïng, quyeát ñònh khoâng nhöõng chaát löôïng anten maø caû chaát löôïng vaø quy moâ cuûa caùc traïm maët ñaát. Quan heä giöõa tieän ích hieäu duïng (A), böôùc soùng (), hieäu suaát () vaø ñoä lôïi cuûa anten (G) coù ñöôïc bieåu thò. G = Bieåu thöùc naøy cho thaáy, khi nhìn töø ñaàu phaùt, möùc ñoä coù theå taäp trung soùng voâ tuyeán ñieän vaøo moät höôùng xaùc ñònh, so vôùi tröôøng hôïp soùng böùc xaï ñoàng ñeàu theo moïi höôùng. Bieåu thöùc naøy cho pheùp ôû ñaàu thu döï ñoaùn khaû naêng thu soùng khueách taùn yeáu. Ôû ñaây, bieåu thò hieäu suaát, vôùi moät anten kích thöôùc gioáng nhau, neáu coù hieäu suaát lôùn thì ñoä lôïi cuõng lôùn hôn. Vôùi caùc anten thoâng thöôøng khoaûng töø 0.5 0.7 (thöôøng laáy laø 0.65). Trong tröôøng hôïp anten göông troøn vôùi ñöôøng kính D(m) A = Trong coâng thöùc treân neáu ta thay böôùc soùng bôûi taàn soá f(ghz) vôùi quan heä C = f., ta coù : G = Tính theo Decibels: G = 10lg A B a a Gmax – 3dB Gmax – 3dB Gmax q3dB Null Major lobe Side lobe D(m) O Goùc nöûa coâng suaát. Hình 2-3 : Goùc nöõa coâng suaát Goùc nöõa coâng suaát cuûa anten ñöôïc tính moät caùch thöïc nghieäm gaàn ñuùng theo coâng suaát sau ñaây : vôùi Ñoä roäng buùp soùng 3db Thoâng thöôøng ngöôøi ta giôùi haïn buùp soùng 3db, nghóa laø goùc AOÂB coù möùc khueách ñaïi cuûa anten giaûm 3db so vôùi Gmax. Goùc 3db xaùc ñònh : Ñoä lôïi ôû höôùng leäch moät goùc nhoû so vôùi höôùng cöïc ñaïi laø: Ñoä lôïi anten Gmax, 3dB Ñoà thò böùc xaï 3dB 0dB Hình 2-4 : Ñoà thò böùc xaï cuûa anten Hieäu suaát anten. Hieäu suaát cuûa anten laø moät chæ tieâu quan troïng nhaát cuûa anten vaø noù quyeát ñònh heä soá phaåm chaát cuûa traïm maët ñaát. Muoán ñaït ñöôïc tæ soá phaåm chaát G/T cao nhaát trong daõi taàn thu phaûi coù anten hieäu suaát cao, ñeå ñaït ñöôïc toån hao boä khueách ñaïi coâng suaát nhoû nhaát, nhieãu caùc thaønh phaàn nhieãu giao ñieàu cheá trong baêng taàn phaùt phaûi coù anten vôùi hieäu suaát cao. Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán hieäu suaát anten ñöôïc lieät keâ nhö sau : Toån hao maët phaûm xaï chính do maát maùt coâng suaát ra meùp ngoaøi maët phaûn xaï, chính vì theá hieäu suaát anten giaûm. Toån hao maët phaûn xaï phuï (ñoái vôùi anten cassegrain) gaây ra do phaàn böùc xaï sô caáp töø feedhorn bò maát maùt moät phaàn coâng suaát ra meùp ngoaøi maët phaûn xaï phuï, vì theá hieäu suaát anten giaûm. Toån hao maët phaûn xaï phuï gaây ra do maët phaûn xaï phuï, chính noù gaây ra hieäu suaát che chaén . Suy hao gaây ra do söï khoâng baèng phaúng cuûa phaûn xaï, tieâu hao naøy gaây ra hieäu suaát beà maët . Toùm laïi hieäu suaát anten cassegrain ñöôïc toång hôïp laïi nhö sau : Vôùi caùc traïm maët ñaát theo tieâu chuaån A cuûa Intelsat thì giaù trò hieäu duïng trong khoaûng 50% ñeán 75%. 5.Vò trí anten Muoán thu ñöôïc tín hieäu, vieäc ñaàu tieân phaûi höôùng maët chaûo veà phía veä tinh . Ñöôøng thaúng töø taâm loøng chaûo cuûa buùp soùng chín phaûi gaëp taâm chaûo anten, veä tinh phuû soùng ñieåm thu. Ñöôøng thaúng naøy keùo daøi ñeán maët ñaát taïo neân goùc vôùi ñöôøng tieáp tuyeán maët ñaát taïi nôi ñaët anten, goïi laø goùc ngaång. Goùc ngaång Goùc ngaång Tieáp tuyeán Ñöôøng xích ñaïo Hình 2-5 Trong phaïm vi heïp, taïm coi maët ñaát nôi ñaët anten laø ñöôøng tieáp tuyeán. Caùch tìn hay döïng goùc ngaång theo ñònh nghóa nhö treân laø raát khoù. Bôûi vaäy ngöôøi ta phaûi ñi tìm goùc buø ñeå coù theå ño ñaïc ñöôïc trong luùc laép ñaët anten. Goùc buø laø goùc ñöôïc taïo bôûi maët ñaát vôùi ñöôøng thaúng ñi qua beà maët chaûo. Trong thöïc teá noù ñöôïc goïi laø goùc nghieâng. Coù nôi ñöôïc goïi laø goùc ñòa cöïc hay truïc cöïc vì trong khi ñieàu chænh giaù ñôõ ñoàng boä. Moät caïnh goùc ñöôïc höôùng thaúng ñeán cöïc baéc ñòa lyù, luùc naøy giaù trò goùc ngaån ñöôïc tính baèng : Goùc ngaång qe = 900 – goùc nghieân I Goùc nghieân thay ñoåi theo vó ñoä, taêng chuùt ít so vôùi vó ñoä. Taïi vó tuyeán 00 (xích ñaïo) goùc nghieân baèng vó ñaïo, neân luùc naøy goùc ngaån qe = 900 – vó ñoä. Bôûi vì ñöôøng kinh tuyeán chæ laø caùc ñöôøng thaúng töôûng töôïng treân maët traùi ñaát, taäp trung veà hai cöïc. Bôûi vì caùc kinh tuyeán ñöôïc xaùc laäp theo höôùng ñaïo neân caùc ñòa cöïc seõ xeâ dòch moät goùc so vôùi ñòa töø, thöôøng laø 6.20 (do la baøn xaùc ñònh). Goùc ngaång i e Goùc nghieân Goùc leäch d Hình 2-6 Goïi ñoù laø goùc leäch d (Delnation offset). Ñoái vôùi cô caáu doø tìm ñoàng boä caàn phaûi tính ñeán goùc naøy ñeå anten quay theo ñuùng quyõ ñaïo veä tinh töø ñoâng sang taây Luùc naøy goùc nghieâng ñöôïc tính : Goùc ngaång qe = 900 – (goùc leäch d + goùc nghieâng i) Heä thoáng quay baùm veä tinh : Maëc duø veä tinh ñaët treân quyõ ñaïo veä tónh nhöng vò trí cuûa chuùng luoân thay ñoåi khoaûng ±0.10 theo caùc höôùng Ñoâng, Taây, Nam, Baéc. Bôùi vaäy caàn ñieàu khieån anten traïm maët ñaát baùm theo veä tinh. Caùc loaïi heä thoáng quay anten baùm theo veä tinh nhö sau : Heä thoáng xung ñôn : Heä thoáng naøy luoân xaùc ñònh taâm buùp soùng anten coù höôùng ñuùng vaøo anten hay khoâng ñeå ñieàu khieån höôùng cuûa anten. Heä thoáng baùm töøng naác : Heä thoáng naøy dòch chuyeån nheï vò trí anten ôû caùc khoaûng thôøi gian nhaát ñònh ñieàu chænh höôùng sao cho möùc tín hieäu thu laø cöïc ñaïi. Heä thoáng ñieàu khieån theo chöông trình : Heä thoáng naøy ñieàu khieàn anten döïa treân cô sôû döï ñoaùn tröôùc quyõ ñaïo veä tinh. Ñieàu khieån baèng nhaân coâng. Pheãu tieáp soùng – Feedhorn S Teâte SHF Teâte SHF S a) Pheãu hình loa b) Pheãu hình vaønh khuyeân Hình 2-7 : Caùc daïng pheãu anten Pheãu thu soùng : Goàm coù pheãu vaø oáng daãn soùng ñöôïc gaén chung vôùi boä dòch taàn LNB.Vaønh pheãu coù daïng hình loa hay hình vaønh khuyeân, coù nhieäm vuï thu gom naêng löôïng phaûn xaï töø loøng chaûo anten, hình 2-7. OÁng daãn soùng : Coù daïng hình truï, beân trong ñöôïc khoeùt troøn vaø hình chöõ nhaät ñeå coù theå vöøa thu ñöôïc soùng ñieän tröôøng vaø töø tröôøng. Noù ñöôïc ñuùc baèng hôïp kim nhoâm hay baèng gang, maët trong phaûi ñöôïc xöû lyù nhaün boùng ñeå giaûm toån hao naêng löôïng. Phía cuoái oáng laø bieán aùp module khoâng toån hao naêng löôïng nhaèm phoái hôïp giöõa oáng daãn soùng vôùi que doø ñaët ngay taïi bieán aùp ñeå truyeàn naêng löôïng ñeán ngoõ vaøo LNB. Que doø coù theå thu naêng löôïng ñieän töø tröôøng, hoaëc laø soùng ñöôïc phaân cöïc ngang (H) hay phaân cöïc ñöùng (V), hoaëc laø phaân cöïc troøn quay phaûi (R) hay quay traùi (L). Loaïi ñöôïc gaén coá ñònh vaøo feedhorn coù daïng chöõ thaäp, neân khi tìm phaân cöïc thì quay caû feedhorn. Loaïi ñöôïc gaén coá ñònh vaøo Feedhorn coù daïng chöõ nhaät, neân khi tìm phaân cöïc thì phaûi quay caû Feedhorn. Loaïi naøy phaûi ñieàu chænh baèng tay. Loaïi daàu doø di ñoäng thöôøng coù hình moùc caâu, quay troøn ñöôïc trong oáng daãn soùng. Noù ñöôïc laøm quay baèng heä thoáng Palarotor, ñieàu khieån töø maùy thu TVRO. Phöông phaùp ñieàu khieån baèng xung cuûa maïch logic TTL. Ñoä roäng xung raát heïp, töø 0,65¸2,2ms, chu kyø xung khoaûng 18ms. Nguoàn cung caáp servomotor thöôøng ôû möùc 5V DC, doøng tieâu thuï töø 300¸ 500mA. Boä bieán ñoåi Low Noise Block (LNB) : Coù chöùc naêng quan troïng veà vieäc doø tìm tín hieäu ñöôïc tieáp soùng töø anten vaø pheãu vaø bieán ñoåi tín hieäu naøy thaønh tín hieäu ñieän. Vì tín hieäu naøy cöïc kyø yeáu neân LNB khueách ñaïi vôùi ñoä lôïi 50 ¸ 60dB (ôû khoaûng 100000 ¸ 1000000 laàn) hoaëc laø hôn theá nöõa vaø bieán ñoåi taàn soá cuûa chuùng. Veà thöïc teá, noù hoaøn thaønh khaû naêng ñaëc bieát veà vieäc “keùo” tín hieäu ra khoûi nhieãu. Tín hieäu ñaõ bieán ñoåi ñöôïc tieáp ñieän doïc theo caùcp ñoàng truïc vaøo ñaàu thu veä tinh. LNB laø linh kieän tích cöïc hay linh kieän ñieän töû ñaàu tieân ôû trong haøng loaït quaù trình xöû lyù tín hieäu veä tinh. Xem xeùt vôùi anten thì noù laø moät boä phaän quan troïng trong vieäc xaùc ñònh chaát löôïng nhö theá naøo cuûa heä thoáng truyeàn hình veä tinh. LNA Loïc thoâng daûi Troän Khueách ñaïi trung taàn Ngoaïi sai 10GHz Bieán aùp Module 10.95¸11.76GHz 0.95¸2.1GHz Hình 2-8 : Sô ñoà khoái maïch dòch taàn cho veä tinh truyeàn hình Tín hieäu vaøo töø pheãu qua oáng daãn soùng ñeán que doø (Probe), tín hieäu ôû daïng soùng ñöôïc chuyeån thaønh tín hieäu ñieän vaø ñöôïc khueách ñaïi bôûi boä khueách ñaïi nhieãu thaáp LNA (Low Noise Amplifier). Tín hieäu naøy sau khi qua boä loïc thoâng daûi ñöôïc troän vôùi tín hieäu taàn soá chuaån do boä dao ñoäng noäi LO (local Oscillator) baèng maïch troän vaø tín hieäu coäng ñaàu ra ñöôïc goïi laø tín hieäu taàn soá trung taàn IF (Intermediate Frequency)ñaàu tieân coù daûi taàn laø 950¸2150 MHz hay goïi laø L_Band. L_Band ñöôïc tính nhö sau : ÔÛ baêng C : LOC = 5150 MHz ÔÛ baêng Ku : LOKu = 10.6GHz hoaëc 9.75GHz LOC – fd (C band) L_BAnd = LOKu – fd (Ku band) Bôûi vì tín hieäu ngoõ vaøo raát nhoû (khoaûng 10pW), coù theå bò caùc taïp nhieãu laán aùt. cho neân chæ tieâu quan troïng cuûa khoái naøy laø heä soá taïp nhieãu, ñöôïc tính theo dB hay nhieät ñoä tuyeät ñoái Kenvin (K) ._.