1

Lời nói đầu
Công nghệ thông tin vệ tinh đóng một vai trò rất quan trọng trong viễn
thông. Thông tin vệ tinh đảm bảo các kết nối giữa các lục địa, các quốc gia trong
khu vực và trên toàn thế giới cũng nh 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, dịch vụ trực tuyến,).
Một tuyến liên lạc vệ tinh có thể cung cấp dung lợng lớn và có thể thay đổi theo
nhu cầu với độ tin cậy cao, việc thiết lập tuyến cũng nhanh chóng.
Với sự kiện Việt Nam vừa phóng thành công vệ tinh địa tĩnh Vinasat -1 vừa
qua đã nâng tầm quan trọng và tính tất yếu của thông tin vệ tinh ở Việt Nam và các
nớc trong khu vực lên một tầm cao mới. Kèm theo đó cùng với sự phát triển mạnh
mẽ của công nghệ vi điện tử số, giá thành các thiết bị đầu cuối thông tin vệ tinh
giảm trong khi các tính năng thì ngày càng đợc bổ sung và hoàn thiện hơn. Tất cả
các yếu tố trên sẽ góp phần định hớng phát triển mạnh mẽ các dịch vụ thông tin vệ
tinh trong tơng lai.
Với sự hớng dẫn của PGS.TS Thái Hồng Nhị, tác giả đã thực hiện luận văn
với đề tài Tính toán thiết kế một trạm mặt đất tại thành phố Vinh liên lạc với vệ
tinh địa tĩnh VinaSat -1 . Dự kiến trạm mặt đất làm việc nh một trạm HUB mặt
đất kết nối với vệ tinh địa tĩnh Vinasat -1 ở băng tần C và băng tần Ku. Bản luận
văn này đề cập các kiến thực cơ bản của trạm mặt đất và tính toán thiết kế các đờng
truyền phục vụ kết nối giữa trạm mặt đất và vệ tinh. Nội dung luận văn gồm:
Chơng 1. Tổng quan về trạm mặt đất
Chơng 2. Các thông số và các biểu thức tính toán trong các trạm mặt đất và
đờng truyền trạm mặt đất - vệ tinh
Chơng 3. Dự kiến tính toán thiết kế một trạm mặt đất tại thành phố Vinh -
Nghệ An để liên lạc với vệ tinh Vinasat-1 của Việt Nam.
Tác giả xin đợc trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sự hớng dẫn tận tình của
PGS.TS Thái Hồng Nhị đã giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. Tác giả cũng
xin cảm ơn sự giúp đỡ, góp ý quý báu của các đồng nghiệp, bạn bè để bản luận văn

1.2.1. Các loại anten trạm mặt đất
2
1.2.1.1. Anten g ơng Parrabol.
2
1.2.1.2. Anten Cassegrain
7
1.2.2. Bức xạ của búp sóng chính và búp sóng phụ
9
1.2.3. Góc định vị của anten trạm mặt đất
10
1.2.4. Bám vệ tinh.
11
1.2.4.1. Tổng quan
11
1.2.4.2. Anten trạm mặt đất đ ợc đặt cố định không dùng hệ thống bám
12
1.2.4.3. Anten trạm mặt đất có sử dụng hệ thống bám.
12
1.3. Phân hệ tần số vô tuyến.
13
1.3.1. Tổng quan
13
1.3.2. Phần thu
13
1.3.2.1. Hệ số phẩm chất G/T và nhiệt độ tạp âm của máy thu
13
1.3.2.2. Bộ khuếch đại tham số.
14
1.3.2.3. Bộ khuếch đại dùng transitor
16

1.4.2.4. Khuếch đại trung tần và các bộ lọc
25
1.4.2.5. Điều chế và giải điều chế
26
1.5. Phân hệ giao diện mạng.
26
1.5.1. Ghép kênh và tách kênh
26
1.5.2. Ghép kênh phân chia theo tần số và đa truy nhập FDMA
26
1.5.3. Ghép kênh phân chia theo thời gian và đa truy nhập TDMA.
32
1.5.4. Trạm mặt đất và đa truy nhập CDMA
35
1.6. Phân hệ điều khiển và giám
sát.
41
1.7. Nhận xét
chung
41
Ch ơng 2. Các thông số và các biểu thức tính toán trong
cáC trạm mặt đất và đ ờng truyền trạm mặt đất - Vệ
tinh
43
2.1. Tổn hao lùi công suất phát.
43
2.2. Công suất phát và năng l ợng Bit
44
2.3. Công suất bức xạ đẳng h ớng t ơng đ ơng
44

57
3.1. Khảo sát thực trạng mạng viễn thông của tỉnh Nghệ An
57
3.1.1. Mạng điện thoại cố định và kết nối.
57
3
4

3.1.2. Mạng di động.
58
3.1.3. Các mạng viễn thông khác
58
3.2. Nhu cầu phát triển dịch vụ viễn thông ở tỉnh Nghệ An dự kiến đến 2012.
59
3.2.1. Điện thoại
59
3.2.2. Di động
59
3.2.3. Vệ tinh
60
3.2.4. Các dịch vụ thông tin vệ tinh
60
3.3. Dự kiến thiết kế trạm mặt đất đặt tại thành phố Vinh - Nghệ An để liên lạc
với vệ tinh Vinasat -1
60
3.3.1. Dự kiến quy mô mạng thông tin vệ tinh Vinh - Nghệ An
60
3.3.2. Tính toán khoảng cách truyền sóng giữa trạm mặt đất đặt tại Vinh -
Nghệ An với vệ tinh Vinasat -1
61


C&6#D*.;#;$EF=01
E*6?:#G?0.)H6#E&!;#2#6?
&?I*.&#J#)K,
56KLM%%!J6#,##!:
N&#!:)OE?=01;#!?
$P*G;.5G")
QN()(IARG E?N)S#
@RT*U'
HU*AV
HU#V
HU*.V
HUP*G;&5V
HU0.&:#G?V
W<E*U,,#$0R *U#'
()HUV
>)HU2#!"V
X)HU7%8,##V
Y)HUP*G;&5V
T)HU..$0.&:#G?V
5
6

H×nh 1.1. S¬ ®å khèi chøc n¨ng mét tr¹m mÆt ®Êt ®iÓn h×nh
6
7
1.2. Ph©n hÖ anten
1.2.1. C¸c lo¹i anten tr¹m mÆt ®Êt
Z;#2#2#;%&E ,%<&0@*[<
:*,):#3=*#&*.3=

8
FX %&;#/*0%V
k%&cV
jk;#/&3G,AFX/WZ=[%&jGi#
E$F[l%&Gi#E*#*0%)
C %=-=*I7-A&+*#7#\#6m$Z=[
%&0@*,R1*A<$E0@**65&
i#N()>)
aEE0@*,$,BX5fR1*A<
*0%?,0?#2@)

3
70
dB
D



=
()>
8
Hình 1.2. Mô tả kích thuớc hình học và đồ thị phơng hớng của anten Parabol
8
9
' 
70c
fD
θ
=
  ()>0

0E"#7:#=*I7-A*0%)OE %==*6-
A&E %=G.r01s77#\#P*A)Q=
E&%#Gh#+[%&=rß rØ&trµn$ %=07-0E
"#J=*I7-AGITntuTt);&$0E"#7G
*I%&E#R?$Ed,k#&c5<
A)KdG#;Ed5<A)SvN.%85&
/"##*0%=GITTt#07-0E
"#7)
* HÖ sè t¨ng Ých cña anten parabol
Q ,*0%G
P
$?,0?#2@)
9
9
10
G
P
o
2






λ
π
η
D
 ()Y

$*0%
&%<)Q.G.j,#56;0<.
&%<N ,&%<)a<*0%5d%&
#NG*I&0E5,0:A*I7=*I7
$5d5,#%/*I7r0PAd,/",
.)W,/"#*0%#A
R
?,0?#)
A
R
= k.A
P
()T
' A
p
%&5,/"
>
V
k%&*6#E&N5G,<kon$TT<
A*I7*0%&0E#7%&44)
10
10
11
C+! ,*0%#$G
R
r%&'
G
R
=
2 2

0G#<07,%&?#)S05A*
0E"#7<A*I7*0%3*%&'S"#7BU$
"#75%&"#7G?#S)QN()XIE50E
"#7*0%)
aEE0@*0E"#75d%<5{$
*`E&*`H$=,0?#2@#'
E
E
d
λ
θ
56
=
 ()u
11
11
12
H
H
d
λ
θ
56
=
 ()u0
'
θ
E
%&B4#*`
n

Anten Cassegrain
12
13
?F
2
)fE"#7=%l*P*U%cBkJ*0%?
F
2
)
-=07-0E"#7%=#!:"A*6
!*0%$*I7B%&A,*0%&-U!r="*6*I
7%2&=#!:)
^I"c$07-0E"#7%&.2#N,
*0%&!*0%*I7%2%&.*`)O*`SS};
N()Y%&R*)
/+!$,!*0%!*0%%&\#h,.?&
#GI.-;#?%&c$.10cGI.k
J.r'
F
2
A - F
1
A = F
2
A' - F
1
A' = 2a ()p
13
H×nh 1.4. Anten Cassegrain vµ c¸c ký hiÖu h×nh häc
13

1
A' + A'B' + B'C' = 2f + Z
0
+ 2a = const ()p5
-+!c$9E5&3.7#*.-0E
"#7$*I7%2A!*0%$*I7%2A*0%
&#!:bE*`&r%&Ec)C.G.$.*`
<A%&.07R*)
C+!$Sv=#\#I0"92#&
*`)C?%&EA0E"#7I;#?)
•#?S%&EE0@*,R1*A
<6~A<*0%A&0E"#7=!BJ*0%
;%=*)#!+!Sv=?%&A
!*0%"E*2GB<A,*0%U!Ed$
&:#r5{"0;E3GR:#$IB"1
<)
|Sv=456?#.,#!"#&3
=*3#!:5{-.!#5&N?0E:G#"*U
*%y**%!B0E#7)
14
14
15
S*A*.*?,.A$%&'(0&.#+$,
307AG0"3070E"#7%8#!"
07&>%&0&.=$0c.7.1G,<N[A&
,*A<2"0E"#7?I0I!;#2#:R
1*A<)
S.0&.S3=\#!:0&.*I7A
*0%<G,<AA)
1.2.2. Bøc x¹ cña bóp sãng chÝnh vµ bóp sãng phô.

15
16
1.2.3. Góc định vị của anten trạm mặt đất
Biết rằng, phơng của một điểm bất kỳ trên bề mặt quả đất hớng về vệ tinh đợc
xác định bởi hai góc, đó là góc phơng vị và góc ngẩng. Đây cũng chính là hai góc định
vị của anten trạm mặt đất đối với vệ tinh. Các góc đó đợc tính toán theo các giá trị của
vĩ độ l và kinh độ tơng đối L của trạm mặt đất (L là giá trị tuyệt đối của hiệu số giữa
kinh độ của vệ tinh và kinh độ của trạm mặt đất).
Góc phơng vị (azimuth angle) là góc mà anten trạm mặt đất cần phải quay
quanh trục thẳng đứng, theo hớng chiều kim đồng hồ tính từ điểm gốc là cực Bắc, đến
trục của anten nằm trong mặt phẳng đứng có chứa phơng của vệ tinh. Mặt phẳng đó
qua các điểm: tâm quả đất, trạm mặt đất và vệ sinh (hình 1.6a). Góc phơng vị A có giá
trị trong khoảng từ 0 đến 360
0
. Các giá trị đó có thể tính theo đồ thị hình 1.6.
Góc ngẩng E (elevation angle) là góc anten cần phải quay trong mặt phẳng
đứng có chứa vệ tinh, tính từ mặt phẳng nằm ngang cho đến khi nhìn thấy vệ tinh (hình
1.6b). Đồ thị hình 1.6 cũng mô tả các giá trị của các góc ngẩng E tơng ứng theo các
giá trị về vĩ độ của trạm mặt đất và kinh độ tơng đối của vệ tinh. Trong đồ thị đó tham
số a là một giá trị trung gian tính toán với:
a = arctg (tgL/ sinl)
16
Hình 1.5. Tăng ích của anten trạm mặt đất theo khuyến nghị của ITU
16
17
Huíng B¾c
MÆt ph¼ng ngang
§Õn vÖ tinh
ES
A

bán cầu
A = a A = 360
o
- a
1.2.4. Bám vệ tinh
1.2.4.1. Tổng quan
Bám vệ tinh là giữ cho trục búp sóng chính của anten trạm mặt đất đúng theo h-
ớng của vệ tinh dù cho có sự chuyển động nào đó của vệ tinh hoặc của trạm mặt đất.
Có thể có một số dạng (kiểu) bám vệ tinh và mỗi kiểu đợc đặc trng bởi sai số bám (sai
số góc định vị). Việc chọn sử dụng kiểu bám nào phụ thuộc vào độ rộng búp sóng của
anten trạm mặt đất và biên độ chuyển động biểu kiến của vệ tinh. Theo lý thuyết
anten, độ rộng búp sóng

3dB
đối với anten phản xạ gơng parabol ứng với các bớc sóng
công tác khác nhau phụ thuộc vào đờng kính D của miệng parabol theo biểu thức:
o
3dB
70 ( )
D

=
(1.15)
trong đó:

3dB
là độ rộng búp sóng (
o
) ứng với mức nửa công suất.


lệch định vị cực đại có thể đợc giảm thiểu theo độ rộng cửa sổ cho và độ rộng của búp
sóng anten (

3dB
), hoặc theo tỷ số

/D để xác định việc định vị trí khi mà vệ tinh nằm ở
vị trí giữa cửa sổ. Việc điều chỉnh thô anten có thể dựa vào các biểu thức tính toán góc
18
Hình 1.6. Mô tả gócphơng vị (A) và góc ngẩng (E)
18
19
phơng vị và góc ngẩng của anten đối với vệ tinh. Việc điều chỉnh tính sau đó có thể
dựa vào việc dò tìm tín hiệu dẫn đờng (beacon signal) ứng với mức thu cực đại. Tín
hiệu dẫn đờng đó đợc phát từ vệ tinh.
1.2.4.3. Anten trạm mặt đất có sử dụng hệ thống bám
Nhiệm vụ của hệ thống bám là phục vụ điều chỉnh anten trạm mặt đất sao cho
hớng búp sóng chính hớng đúng vào vệ tinh. Có thể có nhiều hệ thống bám hoạt động
theo các phơng pháp khác nhau. Sau đây là một số hệ thống bám thờng gặp :
- Hệ thống bám vệ tinh theo chơng trình: Trong trờng hợp này các giá trị của
góc phơng vị và góc ngẩng của anten đợc tính toán trớc với các thông số cho theo ch-
ơng trình lập sẵn. Anten đợc điều chỉnh theo các giá trị tính toán góc phơng vị và góc
ngẩng ứng với mỗi thời điểm cho. Các thông số tính toán đợc lu giữ trớc trong bộ nhớ
trong đó có tính đến sự chuyển động biểu kiến của vệ tinh. Sai số định vị trong trờng
hợp này phụ thuộc vào độ chính xác tham số cho. Hệ thống bám vệ tinh theo chơng
trình lập sẵn thờng đợc sử dụng với các vệ tinh quỹ đạo, anten trạm mặt đất có tỷ số

/D lớn (tức búp sóng chính của anten có độ rộng khá lớn) và các hệ thống không yêu
cầu độ định vị thật chính xác. Nếu nh hệ thống có yêu cầu độ chính xác định vị cao
(trờng hợp tỷ số

tần số và các bộ khuếch đại công suất.
19
19
20
Tuỳ thuộc vào cấu hình trạm mặt đất mà có thể có trạm mặt đất làm nhiệm vụ
cả phát và thu hoặc có thể trạm mặt đất chỉ làm nhiệm vụ thu (ví dụ trạm TVRO -
television receiver only).
1.3.2. Phần thu.
1.3.2.1. Hệ số phẩm chất G/T và nhiệt độ tạp âm của máy thu:
Một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lợng thiết bị thu của trạm
mặt đất là tỷ số giữa độ lợi (hệ số khuếch đại) G và nhiệt độ tạp âm T của thiết bị thu
(tỷ số G/T) hoặc còn gọi là hệ số phẩm chất của thiết bị thu.
Giá trị nhiệt độ tạp âm của thiết bị thu (T) đợc xác định bởi biểu thức:
T = (T
A
/ L
FRX
) + T
F
(1 - 1/ L
FRX
) + T
R
trong đó: T là nhiệt độ tạp âm của hệ thống
T
A
là nhiệt độ tạp âm của anten
L
FRX
là tổn hao kết nối giữa giao diện anten và đầu vào thiết bị thu.

cực ở đây là một điốt có điện dung đổi (còn gọi là điốt varicap) và nó làm việc nh một
trở kháng âm đối với tín hiệu đó. Điốt varicap đó có ba đờng tín hiệu kết nối (hình
1.8).
Tín hiệu có tần số F
s
, là tín hiệu thu đợc, tín hiệu có tần số F
P
là của bộ tạo
sóng bơm (pump oscillator) và F
i
là tín hiệu tần số ảnh (image frequency). Khi mà F
P
> F, và F
1
= F
p
- F
s
, thì theo các biểu thức đã chứng minh của Manley Rowe, có sự
khuếch đại xuất hiện tần số F
s
, và công suất cung cấp cho mạch ngoài sẽ là P
s
=
P
P
(F
S
/F
P

i
)] (1.17)
trong đó Q là hệ số phẩm chất của mạch.
21
Hình 1.8. Sơ đồ khối chức năng bộ khuếch đại tham số
21
22
Trong một số trờng hợp, bộ khuếch đại tham số có thể đợc làm lạnh để giảm
thiểu nhiệt độ tạp âm.
1.3.2.3. Bộ khuếch đại dùng transitor
Bộ khuếch đại tạp âm thấp, trong nhiều trờng hợp có thể dùng transitor với
mạch khuếch đại giống khuếch đại thông thờng. Bộ khuếch đại transitor về lý thuyết
chính là một mạng bốn cực, tín hiệu đầu ra đợc khuếch đại. Phần tử tích cực ở đây
chính là transitor có hệ số khuếch đại lớn hơn một, nhng transitor cũng gây ra tạp âm
(tạp âm shot và tạp âm nhiệt). Có thể chọn sử dụng loại transitor thích hợp có tạp âm
thấp. Sự xuất hiện một số loại transitor mới, ví dụ các transitor điện tử chuyển động
cao (HMET - high mobility electron transitor) có thể sử dụng cho các mạch khuếch
đại tạp âm thấp ở các máy thu tần số cao đến 20 GHz.
1.3.2.4. Bộ khuếch đại đợc làm lạnh
Các bộ khuếch đại tham số hoặc các bộ khuếch đại transitor nếu đợc làm lạnh
thì nhiệt độ tạp âm sẽ đợc giảm thiểu đáng kể. Bằng cách sử dụng khí hiếm Helium
hoá lòng có thể làm lạnh thiết bị đến vài chục độ Kelvin. Nhợc điểm của hệ thống có
sử dụng hỗn hợp làm lạnh là thiết bị phức tạp, giá thành cao và phải bảo dỡng.
Trong thực tế sử dụng, điều quan trọng là việc kiểm tra các biến đổi của nhiệt
độ tạp âm và độ lợi trong băng tần công tác với các giới hạn cho phép. Điều đó cũng đ-
ợc thực hiện với tỷ số sóng đứng SWR (standing wave ratio) và nói lên sự phối hợp trở
kháng của anten và đầu vào bộ khuếch đại. Giá trị SWR có thể giảm thiểu nếu sử dụng
một bộ cách ly (isolator) đặt ở đầu vào bộ khuếch đại tạp âm thấp.
1.3.2.5. Bộ phân phối sóng mang và chuyển đổi tần số
Một khi việc khuếch đại tạp âm thấp đợc thực hiện thì cũng có nghĩa là các

Hình 1.9 mô tả sơ đồ khối chức năng của phần phát điển hình của một trạm mặt
đất. Tín hiệu băng cơ sở dạng FDM hoặc PCM/TDM qua bộ điều chế trung tần IF
thành cao tần RF, khuếch đại công suất (HPA) và cung cấp cho anten phát (tuyến lên).
Công suất phát P
T
trong các biểu thức tính toán về công suất bức xạ đẳng hớng
tơng đơng EIRP là công suất đa vào anten phát. Nếu gọi P
HPA
là công suất đầu ra của
bộ khuếch đại công suất cao HPA (high power amplifier) thì giữa chúng có quan hệ:
P
T
= (P
HPA
) (1/L
FLX
) (1/L
MC
)
trong đó:
L
FTX
là tổn hao kết nối giữa đầu ra máy phát và anten.
L
MC
là tổn hao đa sóng mang (multi - carrier) phụ thuộc vào số sóng mang đợc
ghép.
Bộ khuếch đại công suất phát thờng đợc sử dụng trong các trạm mặt đất là các
bộ khuếch đại dùng đèn điện tử klyston hoặc đèn sóng chạy TWT (travelling wave
tube) trong trờng hợp công suất ra yêu cầu lớn, hoặc có thể dùng bán dẫn transistor

Bộ khuếch đại công suất dùng đèn sóng chạy TWT
Bộ phận chủ yếu của bộ khuếch đại công suất dùng đèn sóng chạy TWT là đèn
TWT. Cấu trúc của đèn gồm ca-tốt, các lới điều khiển, cuộn dây sóng chạy và các a-
nốt (hình 6.10).
Các điện tử đợc bức xạ từ ca-tốt đợc đốt nóng chuyển động hớng về a-nốt (cực
dơng). Các lới có nhiệm vụ hội tụ và gia tốc chùm tia điện tử. Hệ thống các bộ phận
này tạo ra chùm tia mãnh, mật độ lớn, tốc độ cao và cũng do đó có tài liệu còn gọi là
súng điện tử (electron gun). Cuộn dây xoắn ốc có đầu vào là tín hiệu vào và đầu ra là
tín hiệu ra (công suất ra của bộ khuếch đại). Dòng năng lợng lớn của chùm tia đi qua
giữa cuộn dây đợc làm chậm và chuyển hoá năng lợng (theo quy luật điện từ). Sóng tín
hiệu trong cuộn dây đợc gia tăng năng lợng và là sóng chạy - cũng vì vậy mà đèn đợc
24
Hình 1.10. Mô tả cấu trúc đèn sóng chạy TWT
24
25
gọi là đèn sóng chạy TWT. Năng lợng tín hiệu đợc gia tăng (khuếch đại) đó đợc lấy ra
ở đầu ra của cuộn dây.
Các a-nốt vừa là nhiệm vụ gia tốc, hớng chùm tia và thu nhận năng lợng d thừa.
Công suất ra của đèn khuếch đại TWT có thể đạt đợc trong khoảng từ vài chục W đến
vài kW. Độ rộng dải thông có giá trị khoảng 600 MHz đối với băng tần C (6 GHz) và
có giá trị khoảng 3 GHz ở băng tần Ka (30 GHz).
S.0EG#"#.3!;#2##
%<53456.G%!)K%/[456%
&%&*6#E&!;#2#6?#$EE5&&.
&)
SE:"2%#8G4560EG#"G%!%&'
.*#*./G.%<?7*7J%<A(nGKV
#*0R=%&G.%<)SvN+!&%=I
%&G.%<$2*IE*6%&%)Q%&
#E%&%?%&<$G,%&%)