chương 1 được trình bày tại Hội nghị quốc gia về Điện tử và truyền thông REV2013-KC01 [H1]. 10 trưng của thông tin vệ tinh nằm ở: (1) Hình thức vô tuyến chuyển tiếp: Chuyển tiếp tín hiệu trên tuyến truyền dẫn dài giữa hai trạm mặt đất và, (2) Sử dụng vệ tinh thông tin: Làm việc trên quỹ đạo, là điểm chuyển tiếp vô tuyến bằng các bộ phát đáp. Thông tin vệ tinh là kết quả của việc nghiên cứu trong lĩnh vực truyền thông và các công nghệ không gian mà mục tiêu hướng tới việc tăng khoảng cách và băng thông truyền dẫn với giá thành thấp nhất có thể. Thông tin vệ tinh là một trong số những lợi ích từ các chương trình không gian, đóng góp lớn vào bức tranh truyền thông quốc tế.
Một vệ tinh thông tin cơ bản là một thiết bị điện tử truyền thông được đặt trên quỹ đạo, thực hiện truyền thông tin từ một điểm tới điểm khác xuyên qua không gian. Thông tin được truyền thường là thoại (dịch vụ thoại), video (truyền hình), dữ liệu số hoặc một số dạng khác. Hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm các phân đoạn với các chức năng riêng, thường được chia thành phân đoạn mặt đất và phân đoạn không gian. Trong trường hợp này, vệ tinh thông tin là phân đoạn không gian, có nhiệm vụ phản hồi một tín hiệu đường lên từ phân đoạn mặt đất (hoặc trạm mặt đất) đến một trạm mặt đất khác.
Như vậy vệ tinh thông tin đóng vai trò là trạm chuyển tiếp. Trạm mặt đất gồm các thiết bị với chức năng thu và phát tín hiệu với vệ tinh. Đặc điểm của thông tin vệ tinh Thông tin vệ tinh có những đặc điểm cơ bản sau [2]: + Vùng phủ sóng lớn: Từ quỹ đạo địa tĩnh, có bán kính cách trái đất khoảng 36.000 km, vệ tinh có thể nhìn thấy 1/3 trái đất, như vậy với 3 vệ tinh địa tĩnh vùng phù sóng có thể bao trùm toàn cầu, trừ vùng cực. Với các vệ tinh ở quỹ đạo thấp, độ cao quỹ đạo từ 750 km đến 2.000 km, để phủ sóng toàn cầu chỉ cần vài chục vệ tinh.
+ Dung lượng thông tin lớn: Với băng tần làm việc rộng, nhờ áp dụng các kỹ thuật sử dụng lại băng tần nên hệ thống thông tin vệ tinh cho phép đạt tới dung 11 lượng lớn trong một thời gian rất ngắn mà không một loại hình thông tin nào có thể đạt được. + Độ khả dụng của hệ thống cao: Tuyến thông tin vệ tinh chỉ có 3 trạm trong đó vệ tinh đóng vai trò trạm chuyển tiếp còn hai trạm đầu cuối trên mặt đất nên xác suất hư hỏng trên tuyến là rất thấp, vì vậy độ tin cậy trung bình đạt 99,9% thời gian thông tin trên một năm. + Chất lượng cao: Đường truyền thông tin có chất lượng cao do các ảnh hưởng do nhiễu khí quyển, pha đinh là có thể được khắc phục. Tỉ lệ lỗi bít kênh có thể đạt đến 10-9 [2].
+ Tính linh hoạt cao: Hệ thống thông tin vệ tinh được thiết lập rất nhanh trong điều kiện các trạm mặt đất ở rất xa nhau về mặt địa lý, dung lượng có thể thay đổi rất linh hoạt tuỳ theo yêu cầu sử dụng. + Đa dạng về loại hình dịch vụ: Dịch vụ thoại, fax, telex cố định, dịch vụ phát thanh truyền hình quảng bá, dịch vụ thông tin di động qua vệ tinh, dịch vụ PAMA, VSAT, đạo hàng, cứu hộ hàng hải …. Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh Hình 1.1 giới thiệu cấu trúc tổng quát của một hệ thống thông tin vệ tinh và minh họa các giao diện của nó với các thực thể trên mặt đất [9]. Các vệ tinh viễn thông về cơ bản được chia thành 2 loại [2]: + Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh: Vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo với chu kỳ quỹ đạo bằng chu kỳ tự quay của trái đất, độ cao quỹ đạo khoảng 36.
Vệ tinh đứng yên khi quan sát từ trái đất nên được gọi là địa tĩnh. Vệ tinh này thường được sử dụng để chuyển tiếp thông tin giữa các trạm mặt đất cố định. + Vệ tinh quỹ đạo phi địa tĩnh: Nhìn từ mặt đất, vệ tinh chuyển động liên tục, thời gian cần thiết để vệ tinh chuyển động xung quanh quỹ đạo của nó nhỏ hơn chu kỳ tự quay của trái đất. Các vệ tinh thông tin di động thường sử dụng quỹ đạo thấp với độ cao từ 750 km đến 2.
12 Bộ phát đáp HPA DL LNA & Rx & Giải mã DC DeMod Thông tin thu HPA UC Mod Mã hóa Thông tin phát HPA: Bộ khuếch đại công suất cao Rx: Máy thu LNA: Bộ khuếch đại tạp âm thấp UC/DC: Trộn nâng tần/Trộn hạ tần Mod/DeMod: Điều chế/Giải điều chế UL/DL: Đường lên/Đường xuống Hình 1. Hệ thống thông tin vệ tinh [9] Hệ thống vệ tinh bao gồm phân đoạn không gian và phân đoạn mặt đất: + Phân đoạn không gian gồm một hoặc một vài vệ tinh hoạt động phân tán được tổ chức như một chòm sao. Vệ tinh bao gồm phần khung vệ tinh và phần tải trọng. Phần tải trọng gồm các anten thu và phát, các thiết bị điện tử hỗ trợ truyền dẫn.
Phân hệ thông tin trên vệ tinh là các bộ phát đáp đóng vai trò chuyển tiếp tín hiệu giữa các trạm mặt đất. + Phân đoạn mặt đất gồm các trạm lưu lượng mặt đất. Phụ thuộc vào kiểu dịch vụ được quan tâm mà các trạm này có thể có kích thước anten khác nhau, từ vài chục cm đến vài chục mét. Một tuyến truyền dẫn kết nối giữa thiết bị phát và thiết bị thu bằng sóng mang vô tuyến đã điều chế.
Hiệu suất của thiết bị phát được đánh giá bằng công suất bức xạ đẳng hướng tương đương, EIRP, là công suất được đưa vào đầu vào anten nhân 13 với hệ số khuếch đại của anten khi xem xét phát đơn hướng. Hiệu suất của thiết bị thu được đánh giá bởi G/T, là tỉ số hệ số khuếch đại của anten thu G và nhiệt tạp âm hệ thống thu T; G/T được gọi là hệ số chất lượng.1 ta có: + Đường lên từ trạm mặt đất phát đến vệ tinh. + Đường xuống từ vệ tinh đến trạm mặt đất thu. Đường xuống và đường lên gồm các sóng mang vô tuyến được điều chế.
Chất lượng các tuyến được đánh giá bằng tỉ số công suất sóng mang trên mật độ công suất tạp âm, C/N0, biểu diễn bằng dB/Hz. Giá trị của C/N0 ảnh hưởng lớn tới chất lượng dịch vụ, đặc biệt là mối liên hệ với tỉ số lỗi bit, BER. Nhiệm vụ chủ yếu của vệ tinh là thu tín hiệu từ trạm mặt đất (đường lên) và hoạt động như một thiết bị chuyển tiếp để truyền tín hiệu đó về trạm mặt đất khác (đường xuống). Kênh vệ tinh gây méo tuyến tính cho tín hiệu được truyền do việc lọc tuyến tính, hiệu ứng che chắn và pha đinh đa đường.
Hơn nữa, sự cần thiết của việc khai thác tối đa tài nguyên trên vệ tinh dẫn tới việc cố gắng điều chỉnh bộ khuếch đại công suất cao, HPA, tại hoặc gần điểm bão hòa của nó, kết quả là méo phi tuyến của tín hiệu, và gây ra méo phi tuyến trên toàn tuyến. Vì lí do này, tín hiệu được điều chế với đường bao cố định được sử dụng rộng rãi trong thực tiễn cho tới ngày nay. Tuy nhiên, các hệ thống thông tin vệ tinh di động hiện nay và tương lai có yêu cầu cao trong việc sử dụng hiệu quả băng thông. Do vậy, các kỹ thuật điều chế có hiệu suất phổ tần cao, với chòm sao tín hiệu rộng, phải được xem xét và đánh giá.
Trong luận án này, méo phi tuyến xuất hiện trong kênh vệ tinh được đánh giá, mô hình hóa và phân tích, tập trung vào hiệu ứng phi tuyến gắn liền với hoạt động của bộ HPA. Hiện nay, có hai kỹ thuật hay được sử dụng để xử lý méo phi tuyến, giúp cho việc tách tín hiệu tin cậy trong hệ thống vệ tinh. Hướng tiếp cận thứ nhất là tiền xử lý hiệu ứng phi tuyến tại phía phát và thường được nhắc đến là phương pháp làm méo trước. Hướng tiếp cận thứ hai là phương pháp cân bằng tại phía thu [1].
Hướng này thực hiện việc xử lý tín hiệu để khôi phục lại chuỗi thông tin đã truyền bằng việc khử méo tuyến tính và phi tuyến của kênh vệ tinh. Các hệ thống thông tin vệ tinh Các hệ thống thông tin vệ tinh, căn cứ theo đặc trưng dịch vụ, về cơ bản được chia thành các loại [2]: Hệ thống thông tin vệ tinh cố định Hệ thống thông tin vệ tinh cố định sử dụng vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh, GEO, cung cấp đường truyền chuyển tiếp cho các trạm mặt đất cố định với dịch vụ vệ tinh cố định, FSS, hoặc cung cấp đường kết nối trực tiếp đến người dùng với dịch vụ vệ tinh quảng bá, BSS. Do sử dụng vệ tinh địa tĩnh ở độ cao khoảng 36.000 km nên hệ thống này yêu cầu công suất phát tương đối lớn, lên đến hàng trăm Oát. Các hệ thống thông tin vệ tinh viễn thông thường sử dụng quỹ đạo này: Intelsat, Intersputnik.
Bên cạnh đó các hệ thống thông tin vệ tinh nội địa, DOMSAT, cũng được triển khai phổ biến. Nước ta cũng có hai hệ thống thông tin vệ tinh sử dụng quỹ đạo địa tĩnh là VINASAT-1 và VINASAT-2. Hệ thống thông tin vệ tinh di động Hệ thống thông tin vệ tinh di động cung cấp dịch vụ kết nối di động cho người sử dụng, MSS. Do hạn chế công suất của máy cầm tay mà hệ thống di động vệ tinh thường sử dụng quỹ đạo trung bình, MEO, hoặc quỹ đạo thấp, LEO, với nhiều vệ tinh được triển khai để đảm bảo vùng phủ sóng toàn cầu.
Các hệ thống di động vệ tinh được triển khai trên quỹ đạo này là Odyssey, Globalstar, Iridium. Với đặc tính di chuyển nhanh của máy đầu cuối và chuyển động của trạm thu phát gốc đặt trên vệ tinh nên hệ thống này yêu cầu phải xử lý nhanh vấn đề trải phổ do hiệu ứng Doopler, truyền dẫn đa đường trên đường xuống gây nhiễu ISI. Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, các giải pháp giảm can nhiễu và méo phi tuyến được tập trung nghiên cứu trên cơ sở đặc trưng truyền dẫn của hai hệ thống thông tin vệ tinh cố định và thông tin vệ tinh di động. Đặc điểm hệ thống Tính phi tuyến Với khoảng cách lớn của đường truyền vệ tinh, các bộ khuếch đại công suất của máy phát phải đảm bảo mức công suất đủ lớn để bù cho tổn hao truyền lan của sóng điện từ trong không gian.
Bộ khuếch đại công suất cao riêng đảm bảo đầu ra cho từng bộ phát đáp. Trước mỗi bộ khuếch đại công suất là bộ suy giảm đầu vào.