LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận đƣợc nhiều sự giúp
đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS.PHẠM VĂN PHƢỚC ngƣời
đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trƣờng Đại học
Hàng Hải Việt Nam nói chung, các thầy cô trong ngành Điện Tử Viễn Thông
nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cƣơng cũng nhƣ các môn
chuyên ngành, giúp em có đƣợc cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp
đỡ em trong suốt quá trình học tập.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo
điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn
thành đồ án tốt nghiệp.
Hải Phòng, ngày 15 tháng 10 năm 2015

Sinh Viên Thực Hiện

Trần Đức Hiếu

i


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan bản đồ án “Nghiên cứu công nghệ thông tin vệ tinh. Đi sâu
tính toán đƣờng truyền vệ tinh VINASAT I.” là kết quả nghiên cứu của bản thân
tôi dƣới sự hƣớng dẫn của giáo viên hƣớng dẫn TS.Phạm Văn Phƣớc. Toàn bộ
các kiến thức đƣợc trích lƣợc từ các tài liệu đƣợc liệt kê đầy đủ và chi tiết. Cá
nhân tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu có sai phạm quyền tác giả.
Ngƣời làm cam đoan

Trần Đức Hiếu

2.2. Các phƣơng pháp điều chế trong thông tin vệ tinh ..................................... 20
2.2.1 Phƣơng pháp điều chế FM ....................................................................... 21
2.2.2 Phƣơng pháp điều chế BPSK ................................................................... 22
iii


2.2.3 Phƣơng pháp điều chế QPSK................................................................... 24
2.2.4 Phƣơng pháp điều chế DPSK................................................................... 26
2.2.5 Kĩ thuật MCPC VÀ SCPC ...................................................................... 27
2.3 Kỹ thuật đa truy nhập trong thông tin vệ tinh ............................................. 28
2.3.1 Tổng quan ............................................................................................... 28
2.3.2 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple
Access) ............................................................................................................. 28
2.3.3Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple
Access) ............................................................................................................. 30
2.3.4 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA - Code Division Multiple Access)
hay đa truy nhập trải phổ (SSMA - spread spectrum Multiple Access ). ............... 31
Chƣơng III:Tính toán đƣờng truyền vệ tinh VINASAT I.................................. 34
3.1 Thông tin tổng quan về vệ tinh VINASAT I ............................................... 34
3.2. Phân tích đƣờng truyền tuyến lên .............................................................. 35
3.2.1 Hệ số tăng ích anten (G-Gain) ................................................................. 35
3.2.2 Công suất bức xạ đẳng hƣớng tƣơng đƣơng EIRP ................................... 36
3.2.3 Các tham số chính ................................................................................... 36
3.3 Phân tích đƣờng truyền tuyến xuống .......................................................... 38
3.3.1 Nhiệt tạp âm ............................................................................................ 38
3.3.2 Nhiệt độ tạp âm anten .............................................................................. 39
3.3.3 Nhiệt độ tạp âm của hệ thống .................................................................. 41
3.3.4 Hệ số phẩm chất G/T ............................................................................... 42
3.3.5 Tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm C/N ............................................ 42
3.3.6 Tổng tỷ số sóng mang trên tạp âm C/TTotal ............................................... 43

C/I

Access to noise
Carrier

C/No

C/No

C/T

C/T

DVB-S2
Eb/No

Tỷ lệ lỗi bit
Đa nhập cập phân chia theo mã
Tỷ số công suất sóng mang tín hiệu hữu
ích trên nhiễu
Tỷ số công suất sóng mang trên mật độ
phổ tạp âm
Tỷ số công suất sóng mang trên nhiệt
tạp âm hệ thống

Digital Video Broadcasting
Truyền hình số qua vệ tinh thế hệ thứ 2
Satellite Second
Generation
Eb/No

HEO

Highly elliptical orbit

Quỹ đạo elip cao

HPA

High Power Amplifier

Bộ khuyếch đại công suất lớn

ISP

Internet Service Provider

Nhà cung cấp dịch vụ Internet

ITU
LEO

International
Tổ chức viễn thông quốc tế
Telecommunication Union
Low earth orbits
Quỹ đạo mặt đất tầm thấp

LNA

Low Noise Amplifier


SES

Satellite Earth Station

Hệ số tăng ích của anten

Trạm thông tin vệ tinh mặt đất

vi


SCPC

Single Chanel per Carrier

Đơn kênh trên sóng mang

SFD

Saturated Flux Density

Mật độ thông lƣợng bão hòa

TDMA

Time Division Multiple
Access

TTVT


DANH MỤC CÁC BẢNG

Số bảng

Tên bảng

Trang

1.1

Các tham số chính của vệ tinh trong băng tần C

13

1.2

Các tham số chính của trạm mặt đất trong băng tần C

14

1.3

Các tham số chính của vệ tinh trong băng tần Ku

14

1.4

Các tham số chính của trạm mặt đất băng tần Ku điển hình


1.1

Cấu trúc hệ thống TTVT

4

1.2

Phân đoạn mặt đất

7

1.3

Các dạng quỹ đạo của vệ tinh

10

1.4

Sự phụ thuộc hấp thụ khí quyển vào tần số

12

2.1

Minh họa ghép kênh FDM cho 3 kênh thoại

18


2.7

Sơ đồ mạch điều chế DPSK

26

2.8

Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA

28

2.9

Đa truy nhập theo thời gian

30

3.1
3.2

Cấu trúc tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh
VINASAT I
Mô hình vật lý đường truyền vệ tinh

ix

35
54


CHƢƠNG 1 :TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH
1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống vệ tinh
Ngày nay vệ tinh đƣợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ nghiên cứu,
thông tin, truyền hình và có vai trò ngày càng quan trọng. Để hiểu rõ hơn tầm
quan trọng của hệ thống thông tin vệ tinh, ta điểm qua lịch sử phát triển của nó:
- Vào cuối thế kỷ 19, nhà bác học Nga Tsiolkovsky (1857-1935) đã đƣa ra
các khái niệm cơ bản về tên lửa đẩy dùng nhiên liệu lỏng. Ông cũng đƣa ra ý
tƣởng về tên lửa đẩy nhiều tầng, các tàu vũ trụ có ngƣời điều khiển thăm dò vũ
trụ.
- Năm 1926 Robert Hutchinson Goddard thử nghiệm thành công tên lửa
đẩy dùng nhiên liệu lỏng.
- Tháng 5 năm 1945 Arthur Clarke nhà vật lý nổi tiếng ngƣời Anh đồng
thời là tác giả của mô hình viễn thông thông tin toàn cầu, đã đƣa ra ý tƣởng sử
dụng một hệ thống gồm 3 vệ tinh địa tĩnh dùng để phát thanh quảng bá trên toàn
thế giới.
- Tháng 10 năm 1957 lần đầu tiên trên thế giới, Liên Xô phóng thành
công vệ tinh nhân tạo SPUTNIK – 1. Đánh dấu một kỷ nguyên về thông tin vệ
tinh.
- Năm 1958 bức điện đầu tiên đƣợc phát qua vệ tinh SCORE của Mỹ, bay
ở quỹ đạo thấp.
- Năm 1963 một vệ tinh địa tĩnh đầu tiên có tên là SYNCOM, có độ cao
bay 36000 km đã truyền hình trực tiếp thế vận hội Olympic Tokyo từ Nhật về
Mỹ.
- Năm 1964 thành lập tổ chức TTVT quốc tế INTELSAT.
- Năm 1965 ra đời hệ thống TTVT thƣơng mại đầu tiên INTELSAT – 1
với tên gọi Early Bird.
- Năm 1965 Liên Xô phóng vệ tinh MOLNYA lên quỹ đạo elip.
- Năm 1971 thành lập tổ chức TTVT quốc tế INTERSPUTNIK gồm Liên
Xô và 9 nƣớc XHCN.

gồm các trạm mặt đất, chúng thƣờng đƣợc kết nối tới thiết bị đầu cuối sử dụng
thông qua một mạng mặt đất hoặc với các trạm nhỏ nhƣ VSAT chúng đƣợc kết
3


nối trực tiếp. Sóng vô tuyến phát đi từ trạm mặt đất và đƣợc vệ tinh tiếp nhận,
gọi là đƣờng lên (Uplink)/ Vệ tinh chuyển tiếp sóng mang này tới trạm thu, gọi
là đƣờng xuống (Downlink)

Hình 1. 1: Cấu trúc hệ thống TTVT
1.2.1 Phân đoạn không gian.
Có thể coi vệ tinh là một trạm phát lặp tích cực trên tuyến thông tin siêu
cao tần giữa trạm mặt đất – vệ tinh – trạm mặt đất thu, cấu trúc gồm hai phần
chính.
Tải hữu ích ( Payload)
Tải hữu ích hay còn gọi là tải thông tin là một bộ phận cơ bản của vệ tinh
thông tin, đảm nhiệm vai trò phát lặp của một vệ tinh thông tin. Nó thực hiện các
chức năng chính sau:
+ Thu tín hiệu từ các trạm mặt đất cho phát lên trong dải tần và phân cực
đã định.
+ Khuếch đại tín hiệu thu từ trạm mặt đất phát và giảm mức nhiễu tín hiệu
tối đa.
4


+ Đổi dải tần tuyến lên thành dải tần tuyến xuống.
+ Cấp tín hiệu với mức công suất yêu cầu trong dải tần đã định ra anten
phát.
+ Truyền tín hiệu cao tần trong dải tần và phân cực đã định đến anten của
trạm thu mặt đất.

c)Phần thân :
Phần thân không tham gia trực tiếp vào quá trình phát lặp của hệ thống
thông tin vệ tinh, nhƣng nó đảm bảo các điều kiện yêu cầu cho tải hữu ích thực
hiện chức năng của một trạm phát lặp. Phần thân có các thành phần sau :
- Hệ duy trì vị trí và tƣ thế bay của vệ tinh
Tác dụng để ổn định tƣ thế bay của vệ tinh. Tƣ thế bay của vệ tinh liên
quan đến việc định hƣớng trong không gian, phần lớn các thiết bị mang trên tàu
vũ trụ là nhằm hỗ trợ cho việc điều khiển tƣ thế bay của vệ tinh. Tƣ thế của vệ
tinh có thể 10 bị thay đổi do ảnh hƣởng bởi trƣờng hấp dẫn của trái đất, của mặt
trăng, các bức xạ của mặt trời. Việc điều khiển tƣ thế vệ tinh cần phải biết các
thông số của việc định hƣớng vệ tinh trong không gian và một vài chiều hƣớng
dịch chuyển. Để phát hiện những sai lệch ngƣời ta dùng một hệ thống các cảm
biến, con quay hồi chuyển... Ngoài ra, thành phần này còn có tác dụng ổn định
vị trí vệ tinh đúng quỹ đạo. Vệ tinh địa tĩnh trên quỹ đạo thƣờng bị xê dịch do
nhiều nguyên nhân: đƣờng xích đạo trái đất không tròn lý tƣởng, tác động trọng
trƣờng của mặt trời- mặt trăng... do vậy phải dùng các động cơ để đƣa vệ tinh về
lại đúng vị trí. Thông thƣờng dung sai cho phép là 0.050 theo hƣớng Bắc – Nam
và 0.050 theo hƣớng Đông- Tây.
- Hệ giám sát và điều khiển
Hệ giám sát điều kiện rất cần thiết cho sự vận hành có hiệu quả của vệ
tinh thông tin, nó là một phần trong nhiệm vụ quản lý vệ tinh. Nó thực hiện các
chức năng chính : Cung cấp các thông tin vệ tinh cho trạm điều khiển mặt đất,
nhận lệnh điều khiển vị trí của trạm điều khiển ở mặt đất, giúp trạm điều khiển ở
mặt đất theo dõi tình trạng thiết bị trên vệ tinh.
- Hệ cung cấp năng lƣợng

6


Nguồn điện dùng để cung cấp cho các thiết bị trên vệ tinh đƣợc lấy chủ

70MHz).Tín hiệu trung tần này tiếp tục đƣợc biến đổi tới sóng mang cao tần
mong muốn. Các sóng mang cao tần có thể đƣợc phát đồng thời và mặc dù có
tần số khác nhau nhƣng đƣợc xác định theo nhóm băng tần chẳng hạn 6GHz, 14
GHz, . . . Các sóng mang có thể là các sóng mang đa điểm, có nghĩa là nó đƣợc
thu tại nhiều điểm khác nhau.
- Các sóng mang cao tần tiếp tục đƣợc kết hợp lại với nhau thông qua bộ
tổ hợp (Combiner) để thành tín hiệu băng rộng và đƣợc đi qua bộ khuyếch đại
công suất lớn(HPA). Tín hiệu băng rộng đƣợc đƣa tới anten thông qua bộ phối
hợp (Diplexer), cho phép anten thu và phát tín hiệu đồng thời.
- Anten thực hiện đồng thời hai chức năng thu và nhận tín hiệu nhƣng ở
các dải tần số khác nhau chẳng hạn: trong băng tần C tín hiệu đƣợc phát lên ở
tần số 6GHz và thu ở tần số 4GHz (6/4 GHz), băng tần Ku tín hiệu đƣợc phát
lên ở tần số 14GHz và thu ở tần số 12GHz (14/12GHz).
- Ở hƣớng xuống, tín hiệu băng rộng đi qua bộ khuếch đại tạp âm thấp
(LNA) và đi tới bộ chia (divider), chia thành các sóng mang cao tần riêng rẽ,
đƣợc biến đổi xuống tần số trung tần đi tới bộ giải điều chế. Tín hiệu sau bộ giải
điều chế đƣợc đƣa tới giao diện mạng mặt đất theo các tuyến mong muốn.

8


1.3 Một số đặc điểm của thông tin vệ tinh
* Ƣu điểm
 Giá thành TTVT không phụ thuộc vào cự ly giữa hai trạm, trên thực tế
giá thành là nhƣ nhau ở cự ly truyền 5000 km và 100 km.
 Vùng phủ sóng rộng, chỉ cần ba vệ tinh là có thể phủ sóng toàn cầu.
 Thiết bị phát sóng của hệ thông thông tin vệ tinh chỉ cần công suất nhỏ
 Việc lắp đặt hoặc di chuyển một hệ thông thông tin vệ tinh trên mặt đất
tƣơng đối nhanh chóng và không phụ thuộc vào cấu hình mạng cũng nhƣ hệ
thống truyền dẫn

Hình 1.3: Các dạng quỹ đạo của vệ tinh
1.4.1 Quỹ đạo tròn
Các quỹ đạo thấp (LEO) : loại quỹ đạo này vệ tinh bay ở độ cao khoảng
400 km đến 1200 km có chu kỳ quay khoảng 90 phút. Thời gian quan sát thấy
vệ tinh khoảng 30 phút hoặc ít hơn. Dạng quỹ đạo này thƣờng sử dụng cho vệ
tinh quan trắc cả quân sự và dân dụng. Nhờ quỹ đạo thấp nên thời gian trễ
truyền tín hiệu bé nên cũng thích hợp cho thông tin di động sử dụng các chòm
vệ tinh nhƣ: các chòm vệ tinh IRIDIUM, GLOBALSTAR.
Quỹ đạo trung bình (MEO) : vệ tinh bay ở độ cao trong khoảng 10000 –
20000 km, chu kỳ bay của vệ tinh từ 5 – 12 giờ. Thời gian quan sát thấy vệ tinh
từ 2 – 4 giờ. Quỹ đạo loại này có ƣu điểm chỉ cần 10 vệ tinh là có thể phủ sóng
toàn cầu.

10


Quỹ đạo địa cực: là quỹ đạo tròn đi qua hai cực của Trái Đất, có vùng bao
phủ dài hạn là toàn cầu. Ƣu điểm của quỹ đạo này là mỗi điểm trên mặt đất nhìn
thấy vệ tinh trong một khoảng thời gian nhất định. Việc phủ sóng toàn cầu của
dạng quỹ đạo này là khả thi thì quỹ đạo bay của vệ tinh sẽ lần lƣợt quét tất cả
các vị trí trên mặt đất. Quỹ đạo này thƣờng đƣợc sử dụng cho các vệ tinh dự báo
thời tiết, hàng hải, vệ tinh do thám nhƣng ít đƣợc sử dụng cho thông tin vì thời
gian xuất hiện ít.
Quỹ đạo địa tĩnh (GEO) là quỹ đạo tròn nằm trong mặt phẳng xích đạo ở
độ cao khoảng 36786 km so với đƣờng xích đạo. Vệ tinh ở quỹ đạo này có tốc
độ bay đồng bộ với tốc độ quay của trái đất (chu kỳ T là 23 giờ 56 phút 4 giây).
Do đó, vệ tinh gần nhƣ đứng yên tại một điểm nào đó so với Trái đất. Quỹ đạo
địa tĩnh thích hợp hơn cho các loại hình thông tin quảng bá nhƣ: phát thanh,
truyền hình...Còn cho thông tin thoại có yêu cầu thời gian thực cao thì không
đƣợc tốt vì thời gian trễ do truyền sóng lớn.

- Trong tầng đối lƣu sóng vô tuyến bị hấp thụ bởi các phân tử khí nhƣ oxi,
hơi nƣớc, CO2 ...cũng nhƣ trong mƣa và sƣơng mù. Nhƣng ở các tần số khoảng
10 GHZ trở xuống hấp thụ không đáng kể, có thể bỏ qua. Khoảng tần số đó gọi
là “cửa sổ vô tuyến”.(hình 1.4)
- Nếu sử dụng băng tần nằm trong “cửa sổ vô tuyến” tức là khoảng từ
1GHZ đến10GHZ thì suy hao do tầng điện ly và tầng đối lƣu là không đáng kể
và suy hao truyền sóng gần nhƣ bằng suy hao không gian tự do.

Hình 1.4: Sự phụ thuộc hấp thụ khí quyển vào tần số

12


Nhƣ đã thấy băng tần lý tƣởng nhất sử dụng cho thông tin vệ tinh cũng
nhƣ các hệ thống vi ba khác là băng tần nằm trong “cửa sổ vô tuyến” vì các tần
số nằm trong “cửa sổ vô tuyến” có suy hao trong khí quyển là nhỏ nhất. Trong
điều kiện bình thƣờng có thể bỏ qua.
1.5.2 Bảng phân chia các băng tần
 Băng tần C.
Băng tần C (6/4 GHz) đƣợc sử dụng phổ biến trong các mạng FSS vì
điều kiện truyền sóng thuận lợi (ít bị ảnh hƣởng do mƣa) và thiết bị dễ chế tạo.
Đặc điểm vệ tinh
Các loại vệ tinh sử dụng băng tần C có dải rộng các đặc tính chính tuỳ
thuộc vào cấp bao phủ vùng trái đất.(xem bảng 1.1).
Bảng1.1 : Các tham số chính của vệ tinh trong băng tần C
Tham số

Vùng phủ

Hệ số khuếch đại anten


Nhiệt độ tạp âm (K)

800 - 2000

801 - 2000

802 - 2000

G/T (dB/K)

-16 tới - 6

-14 tới - 4

-21 tới 3

Đặc điểm trạm mặt đất
Kể từ khi mới phát triển các trạm mặt đất băng C có kích thƣớc anten
lớn. Trong khi các trạm mặt đất hoạt động trong mạng lƣới vệ tinh INTELSAT
có kích thƣớc lớn (18 đến 32 mét), xu hƣớng phát triển ngày nay anten trạm mặt
đất ngày càng nhỏ đi cùng với việc công suất vệ tinh tăng lên nhƣ trong phủ
sóng truyền hình hoặc VSAT. Các tham số chính của trạm mặt đất trong băng
tần C đƣợc ghi trong bảng 1.2

13


Bảng 1.2 : Các tham số chính của trạm mặt đất trong băng tần C
Tham số

Công suất phát kW

0.01-3

0.03-3

0.001-1.2

EIRP (dBW)

57-99

57-81

36-94

Nhiệt độ tạp âm (K)

50-150

50-150

50-150

G/T (dB/K)

23-41

22 - 38


Phát

29-37

24-29

28-35

Thu

28-36

23-28

28-38

EIRP (dBW)

38-48

35-52

44-53

Nhiệt độ tạp âm (độ K)

800 - 2000

801 - 2000


3.5-17

1-12

1-11

Phát

52-65

42-62

42-61

Thu

50-63

40-59

40-58

0.01-0.25

0.01-1

Kích thƣớc anten (m)
Hệ số khuếch đại anten(dBi)

Công suất phát kW

khăn do bị suy hao lớn vì mƣa. Một số nƣớc đang nghiên cứu thực nghiệm các
ứng dụng trên băng tần này nhƣ Mỹ, Đức, Italy, Nhật Bản. Đặc điểm ở băng tần
này là do phổ tần của băng tần này rất lớn nên có thể dễ dàng sử dụng lại băng
tần nhiều lần bằng các chùm tia nhỏ. Tuy nhiên EIRP của cả vệ tinh và trạm mặt
đất phải rất lớn để bù lại suy hao do mƣa.

15


Bảng 1.5 Các tham số chính của vệ tinh băng tần Ka :
Tham số

Vùng phủ

Hệ số khuếch đại anten(dBi)

Nội địa

Phát

25-50

Thu

25-50

EIRP (dBW)

37-56


42-61

Nhiệt độ tạp âm (độ K)

320-400

G/T (dB/K)

17-42

.

16