BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN THANH TÙNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TRẠM MẶT ĐẤT
CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

Hà Nội – Năm 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN THANH TÙNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TRẠM MẶT ĐẤT
CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học
PGS.TS VŨ VĂN YÊM

Hà Nội – Năm 2015

đã đáp ứng được các nhu cầu đó.
Vì lý dó trên cùng với sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Vũ Văn Yêm tôi
chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết kế trạm mặt đất cho hệ thống thông tin vệ tinh” trong
đó chủ yếu nghiên cứu công nghệ SDR để thiết kế trạm mặt đất cho luận văn tốt
nghiệp của mình.
Mục tiêu của luận văn là tìm hiểu về công nghệ SDR và áp dụng để thiết kế
trạm mặt đất cho hệ thống thông tin vệ tinh. Nội dung chính của luận văn gồm 3
chương:
Chương I: Tổng quan về trạm mặt đất
Chương II: Công nghệ SDR
Chương III: Trạm mặt đất sử dụng công nghệ SDR

Trang 1


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................................ 5
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................................. 7
CÁC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................................................. 8
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TRẠM MẶT ĐẤT ........................................................ 10
1.1

Kiến trúc tổng quan của trạm mặt đất .................................................................. 10

1.2


1.4

Phân hệ xử lý tín hiệu trung tần ............................................................................ 17

1.5

Phân hệ giao diện mạng ......................................................................................... 18

1.5.1

Ghép kênh và tách kênh .................................................................................... 19

1.5.2

Ghép kênh phân chia theo tần số và đa truy nhập FDMA ............................... 19

1.6.

Phân hệ điều khiển và giám sát............................................................................. 20

1.7

Nhận xét chung ...................................................................................................... 21

1.8

Kết luận chương I .................................................................................................. 24

CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ SDR .................................................................................... 25


GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

Điều chế số ............................................................................................................ 35

2.4.1

Tổng quan ...................................................................................................... 35

2.4.2

Điều chế số hai trạng thái BPSK ................................................................... 36

2.4.3

Điều chế pha vuông góc (QPSK)..................................................................... 38

2.4.4

Điều chế QAM ................................................................................................. 43

2.5

Upsampling & downsampling ................................................................................. 45

2.5.1

Giảm tốc độ lấy mẫu bởi một interger factor ................................................... 46

2.5.2


CHƯƠNG III: TRẠM MẶT ĐẤT SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ SDR .................................. 62
3.1

Cấu trúc hệ thống trạm mặt đất sử dụng công nghệ SDR .................................... 62

3.2

Cấu trúc bộ DDC và DUC .................................................................................... 67

3.2.1 Cấu trúc bộ DDC (digital down conventer) ...................................................... 67
3.2.2 Cấu trúc bộ DUC (digital up converter) ........................................................... 77
3.3 Bộ lọc số ..................................................................................................................... 79
3.3.1

Phân loại bộ lọc số ........................................................................................... 79

3.3.2

Nguyên tắc thiết kế bộ lọc số ............................................................................ 80

3.3.3

Thiết kế bộ lọc FIR bằng phương pháp cửa sổ ................................................ 81

3.4

Bộ chuyển đổi tương tự số ADC.............................................................................. 82

3.4.1


Mô phỏng vấn đề thu phát trạm mặt đất sử dụng công nghệ SDR ....................... 91

3.6.1 Sơ đồ khối hệ thống mô phỏng ........................................................................... 91
3.6.2 Kết quả mô phỏng ............................................................................................... 92
3.7

Kết luận chương III ............................................................................................... 98

KẾT LUẬN........................................................................................................................ 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 101
PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 102

Trang 4


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

DANH MỤC HÌNH VẼ
Chương I
Hình 1. 1: Sơ đồ khối chức năng một trạm mặt đất điển hình ............................................. 10
Hình 1. 2: Mô tả kích thước hình học của anten parabol.................................................... 11
Hình 1. 3: Anten Cassegrain................................................................................................ 13
Hình 1. 4: Tăng ích của anten trạm mặt đất theo khuyến nghị của ITU ............................. 14
Hình 1. 5: Mô tả các tầng đầu vào máy thu ........................................................................ 16
Hình 1. 6: Mô tả sơ đồ khối chức năng phần phát .............................................................. 16
Hình 1. 7: mô tả đường đặc tuyến bộ khuếch đại công suất ra ........................................... 17
Chương II


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

Hình 3. 8: Sơ đồ khối bộ DDC ............................................................................................. 69
Hình 3. 9: Sơ đồ khối bộ trộn tần ........................................................................................ 69
Hình 3. 10: Sơ đồ khối bộ PLL ( phase lock loop) .............................................................. 71
Hình 3. 11: Đồ thị biểu diễn liên hệ giữa độ sai pha 2 tín hiệu đầu vào và giá trị điện áp
trung bình đầu ra ................................................................................................................. 73
Hình 3. 12: Sơ đồ khối bộ dò sai pha .................................................................................. 74
Hình 3. 13: Tín hiệu trước và sau bộ suy giảm .................................................................. 76
Hình 3. 14: Sơ đồ khối bộ DUC ........................................................................................... 77
Hình 3. 15: Tín hiệu trước và sau nội suy trên miền thời gian ............................................ 78
Hình 3. 16: Tín hiệu trước và sau nội suy trên miền tần số ................................................ 78
Hình 3. 17: Bộ suy giảm tỉ số M/L (M>L) ........................................................................... 79
Hình 3. 18: Bộ nội suy tỉ số M/L (M>L) .............................................................................. 79
Hình 3. 19: Sơ đồ nguyên lí ước lượng và khử jitter ........................................................... 88
Hình 3. 20: Sơ đồ khối đầy đủ hệ thống SISO ..................................................................... 91
Hình 3. 21: Tín hiệu vào ra các thành phần phía phát hệ thống SISO............................... 93
Hình 3. 22: Tín hiệu vào ra các thành phần phía thu hệ thống SISO.................................. 94
Hình 3. 23: Tín hiệu điều chế BPSK thu được sau khi qua kênh truyền ............................ 95
Hình 3. 24: Tín hiệu điều chế QPSK thu được sau khi qua kênh truyền ............................ 95
Hình 3. 25: Tín hiệu điều chế 4 - QAM thu được sau khi qua kênh truyền ........................ 96
Hình 3. 26: Đồ thị biểu diễn qua hệ BER và Eb/No của hệ thống sử dụng ước lượng kênh
truyền và hệ thống sử dụng kênh đã biết ............................................................................. 96
Hình 3. 27: Đồ thị biểu diễn qua hệ BER và Eb/No của hệ thống sử dụng các phương thức
điều chế khác nhau .............................................................................................................. 97
Hình 3. 28: Đồ thị mối quan hệ giữa BER với Eb/No hệ thống SISO ................................. 98



AGC

Automatic Gain Control

AM

Amplitude Modulation

AMPS

Advanced Mobile Phone System

ASK

Amplitude-Shift Keying

AWGN

Additive White Gaussian Noise

BPS

Bandpass Sampling

BPSK

Binary phase-Shift Keying

BTS


DSP

Digital Signal Processing

FM

Frequency Modulation

FPGAs

Field-Programmable Gate Array

FSK

Frequency-Shift Keying

GMSK

Gaussian Minimum-Shift Keying

Trang 8


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

GSM


NCO

Numberically Controlled Oscillator

OOK

On-Off Keying

OPQSK

Offset QPSK

PA

Power Amplifier

PSD

Power Spectral Density

PSK

Phase-Shift Keying

QAM

Quandrature Amplitude Modulation

QPSK



GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TRẠM MẶT ĐẤT
Kiến trúc tổng quan của trạm mặt đất

1.1

Cấu trúc tổng quát của một trạm mặt đất gồm năm phân hệ như hình 1.1 bao
gồm:
-

Phân hệ anten

-

Phân hệ thu

-

Phân hệ phát

-

Phân hệ ghép kênh và giao diện

-

Phân hệ bám vệ tình và điều khiển
Khuếch

Chuyển
đổi tần
số
xuống

Giải
điều
chế

Xử lý
tín
hiệu
thu

Phân hệ phát

Phân hệ thu
Khuếch
đại tạp
âm thấp
Mô tơ điều khiển

Phân hệ ghép kênh và giao diện
Tín hiệu
lỗi

Tín hiệu
lệnh

Bám


-

Phân hệ anten

-

Phân hệ tần số vô tuyến

-

Phân hệ xử lý tín hiệu trung tần

-

Phân hệ ghép kênh và giao diện mạng

-

Phân hệ giám sát, bám và điều khiển vệ tinh

1.2 Phân hệ anten
Yêu cầu đầu tiên của anten mặt đất là có độ tăng ích lớn và búp sóng nhọn
hướng về phía vệ tinh. Nhiều trường hợp anten thu và phát của trạm mặt đất được
sử dụng chung và tín hiệu của hai đường thu/phát được tách biệt nhau qua một bộ
chia (bộ phân luồng). Có 2 loại anten được sử dụng phổ biến nhất ở trạm mặt đất là
anten parabol và anten Cassegrain
1.2.1 Anten gương Parabol
Cấu trúc của anten gương Parabol gồm hai bộ phận chủ yếu là là gương phản
xạ (chảo phản xạ hình parabol) và một phần tử tích cực gọi là bộ chiếu xạ. Gương

sóng được hấp thụ từ gương và một số năng lượng bị nhiễu xạ xung quanh mép
gương, thêm vào đó bộ chiếu xạ còn tạo nên một vùng tối đối diện với gương.
Bộ chiếu xạ
Bộ chiếu xạ ở anten parabol còn gọi là anten sơ cấp dùng để bức xạ năng
lượng sóng điện từ lên gương phản xạ. Có ba dạng sơ cấp của bộ chiếu xạ đối với
gương phản xạ parabol thường gặp là: chiếu xạ ở tâm, chiếu xạ dạng anten loa và
chiếu xạ kiểu Cassegrain.
1.2.2 Anten Cassegrain
Cấu tạo của anten Cassegrain gồm có: gương phản xạ paraboloid (gương
chính), gương phản xạ hyperboloid và bộ chiếu xạ dùng anten loa nối với ống dẫn
sóng cấp điện. Tiêu ddiemr của gương phụ hyperbol được bố trí trùng với tiêu điểm
của gương chính parabol (F1), tiêu cự của nhánh hyperbol thứ hai (nhánh ảo) nằm ở
đỉnh parabol trên trục chính của gương (F2). Bộ chiếu xạ được bố trí sao cho tâm loa
nằm ở giữa đỉnh parabol (F2).
Ta có:
F2A + AB + BC = F1A + AB +BC + 2a = F1A’ A’B’ + B’C’ = 2f + Z0 + 2a = const
Trong đó:
- f là tiêu cự chung
- Z0 là khoảng cách từ tiêu cự đến mặt phẳng sóng quan sát

Trang 12


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

- 2a là khoảng cách giữa hai gương

Hình 1. 3: Anten Cassegrain

Các tín hiệu từ máy phát khác mà không phải là thông tin cần truyền cũng được gọi
là tạp âm, tạp âm này gọi là nhiễu.
Anten thu đặc trưng bởi tham số G/Te, G là độ tăng ích của anten, nhiệt độ
tạp âm hiệu dụng Te bao gồm nhiệt độ tạp âm tương đương của anten và đường dây
phi dơ cộng thêm toàn bộ nhiệt độ tạp âm của máy thu .
Công suất tạp âm toàn bộ:
N = kTeB (W)
K = 1,38.10-23 J/K (hằng số Bolzmann);

Trang 14

(1.3)


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

B (Hz) là băng thông.
Một hiện tượng làm tăng đáng kể nhiệt độ tạp âm của anten trong thực tế là
trường hợp giao hội giữa mặt trời, vệ tinh và anten trạm mặt đất. Việc tăng nhiệt độ
tạp âm của anten làm giảm chất lượng thu tín hiệu của trạm mặt đất và có thể làm
gián đoạn liên lạc.
1.3. Phân hệ tần số vô tuyến
Phân hệ tần số vô tuyến của trạm mặt đất trong trường hợp tổng quát bao
gồm hai phần: phần thu và phần phát
Phần thu bao gồm: bộ khếch đại tạp âm thấp, bộ chuyển đổi tần số xuống và
thiết bị để định tuyến các sóng mang thu được đến các kênh giải điều chế tương
ứng.
Phần phát bao gồm: thiết bị ghép các sóng mang được phát, các bộ chuyển

Hình 1. 6: Mô tả sơ đồ khối chức năng phần phát
Sự liên hệ giữa công suất phát Pr và công suất đầu ra PHPA của bộ khuếch đại
công suất cao HPA (Hight Power Amplifier).
Trang 16


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

Pr = (PHPA)(1/LFTX)(1/LMC)

(1.5)

Trong đó:
LFTX là tổn hao kết nối giữa đầu ra máy phát và anten
LMC là tổn hao đa sóng mang (multi-carrier) phụ thuộc vào số sóng mang
được ghép
Bộ khuếch đại công suất phát có 2 loại là bộ khuếch đại công suất phát dùng
đèn điện tử và bộ khuếch đại công suất phát dùng chất bán dẫn, trong đó bộ khuếch
đại công suất phát dùng đèn điện tử có 2 loại là:
-

Bộ khếch đại công suất dùng đèn klystron

-

Bộ khuếch đại công suất dùng đèn sóng chạy TWT

Hình 1. 7: mô tả đường đặc tuyến bộ khuếch đại công suất ra

-

Điều chế tín hiệu băng cơ sở với sóng mang tần số trung gian;

-

Lọc và cân bằng;

-

Chuyển đổi sóng mang đã điều chế thành sóng mang cao tần.

Việc sử dụng trung tần IF chung của nhiều sóng mangcao tần khác nhau cho
phép sử dụng thiết bị được chuẩn hóa (theo trung tần lựa chọn). Việc lựa chọn trung
tần thường dựa theo các điều kiện sau:
-

Giá trị của trung tần IF phải lớn hơn độ rộng phổ chiếm dụng của sóng
mang được điều chế;

-

Giá trị trung tần cần đủ thấp để thuận tiện cho bộ lọc thông dải của sóng
mang được điều chế.

-

Các thiết bị có thể sử dụng một trung tần (biến tần đơn) hoặc hai trung tần
(biến tần hai lần).
Việc điều chế tín hiệu (ở phía phát) và giải điều chế (ở phía thu) được thực

1.5.1 Ghép kênh và tách kênh
Đối với các kênh thoại trong mạng mặt đất PSTN, mặc dù đã có ghép kênh
theo các chuẩn nhưng khi cần truyền qua kênh thông tin vệ tinh thì tại các trạm mặt
đất các kênh thoại đó cần được sắp xếp lại. Sự sắp xếp đó tùy thuộc vào phương
thức truy nhập của trạm mặt đất đến bộ phát vệ tinh và dung lượng kênh mà trạm
mặt đất được phân phối.
Các kênh thoại có cùng địa chỉ đích sẽ được tập hợp vào một số nhóm để
điều chế với cùng sóng mang và được xem như là một sự ghép kênh đơn sóng
mang. Chúng được tách kênh tại trạm mặt đất thu và kết nối với mạng mặt đất. Các
kênh hoặc nhóm kênh có thể được điều chế với các sóng mang khác nhau.
1.5.2 Ghép kênh phân chia theo tần số và đa truy nhập FDMA
Với phương thức truyền kênh tương tự (analog), ghép kênh phân chia theo
tần số thì việc sắp xếp các kênh thoại đã được ghép kênh ở mạng mặt đất theo
khuyến nghị G.322 và G.432 của CCITT như sau: nhóm đầu tiên là 12 kênh thoại,
mỗi kênh chiếm 4Khz và nằm trong dải tần 60-108 kHZ. Năm nhóm hợp thành một
siêu nhóm có băng tần 312-522 kHz. Việc ghép các nhóm tùy thuộc vào dung lượng
kênh cụ thể và băng tần chiếm dụng của các mức ghép kênh như mô tả ở bảng 1.1.
Bảng 1. 1: Dung lượng và băng tần của ghép kênh tương tự trong thông tin vệ tinh
Dung lượng hệ thống (số kênh thoại)

Giới hạn băng tần chiếm dụng (khz)

12

12 – 60

24

12 – 108



192

12 – 804

252

12 – 1052

312

12 – 1300

372

12 – 1548

432

12 – 1796

492

12 – 2044

552

12 – 2292

612

những đặc điểm, ưu khuyết điểm khác nhau, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể.
1.6.

Phân hệ điều khiển và giám sát
Tùy thuộc vào chức năng và nhiệm vụ mà trạm mặt đất có thể có hoặc không

có thiết bị điều khiển và giám sát. Mục đích cho việc điều khiển và giám sát là:
- Cung cấp cho người điều hành các thông tin cần thiết, chất lượng dịch vụ,
vị trí chuyển mạch … và quản lý lưu lượng.
- Báo động những trường hợp sai lệch về điều hành và nhận dạng các thiết bị
có sự cố.
Trang 20


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM

- Cho phép điều khiển các thiết bị của trạm.
1.7.

Nhận xét chung
Từ khi các hệ thống thông tin vệ tinh ra đời cho đến nay, các trạm mặt đất

không ngừng được phát triển và cải tiến. Tuy vậy về cơ bản cấu trúc chủ yếu của
trạm mặt đất không thay đổi.
Sự phát triển cải tiến trước hết là giảm kích thước của trạm mặt đất. Những
trạm mặt đất đầu tiên sử dụng anten đường kính lớn hơn 30m nhưng ngày nay
đường kính anten của trạm mặt đất trong một số trường hợp có thể bé hơn 1m. Sở dĩ
đạt được điều đó là do sự gia tăng công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

kiện truyền sóng thuận lợi (ít bị ảnh hưởng do mưa) và thiết bị dễ chế tạo.
Khi mới phát triển các trạm mặt đất băng C có kích thước anten lớn. Các
trạm mặt đất hoạt động trong mạng lưới vệ tinh INTELSAT có kích thước từ 18 đến
32 mét, xu hướng phát triển ngày nay anten trạm mặt đất ngày càng nhỏ đi cùng với
việc công suất vệ tinh tăng lên như trong phủ sóng truyền hình hoặc VSAT.
Bảng 1. 2: Các tham số chính của trạm mặt đất trong băng tần C
Tham số

Vùng phủ
Toàn cầu

Khu vực

Nội địa

4,5 - 32

3 - 13

1,2 – 30

Phát

47 - 64

42 - 56

36 - 63

Thu


G/T (dB/K)

23 – 41

22 – 38

11 – 41

Kích thước anten (mét)
Hệ số khuếch đại của anten (dBi)

Băng tần Ku 14/11 GHz hoặc 14/12 GHz
Ngày nay, việc sử dụng băng tần Ku đã phổ biến, đặc biệt phù hợp cho các
ứng dụng yêu cầu kích thước anten trạm mặt đất càng nhỏ càng tốt.
EIRP của vệ tinh ở băng tần Ku cao cho phép sử dụng anten trạm mặt đất
nhỏ, tới 1 mét hoặc nhỏ hơn nữa. Điều đó cho phép anten trạm đất có thể đặt ở nhà
khách hàng, giảm giá thành chi phí và tạo điều kiện phát triển các ứng dụng. Băng
tần Ku vì thế đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng như phát thanh truyền hình quảng
bá tới tận nhà (Direct-To-Home) và dịch vụ VSAT cho các mạng thông tin thương
mại.

Trang 22