Chương 1 sẽ giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh và các hệ thống thông tin vệ tinh đã và đang hoạt động trên thế giới. Tập trung nghiên cứu lý thuyết cơ sở, các sơ đồ tổng quát và nguyên lý hoạt động căn bản của hệ thống thông tin vệ tinh. Tìm hiểu sơ lược về các hệ thống vệ tinh băng thông rộng truy cập Internet. 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 Đặc điểm của hệ thống thông tin vệ tinh Một hệ thống truyền tin sử dụng bộ chuyển tiếp đặt trên vệ tinh nhân tạo của quả đất được gọi là hệ thống truyền tin vệ tinh (satellite communication system) mà ta vẫn quen gọi là thông tin vệ tinh.
Thuật ngữ vệ tinh nhân tạo được dùng để phân biệt với các vệ tinh thiên tạo và ở đây gọi tắt là vệ tinh (ký hiệu là SL - satellite). Thông tin vệ tinh tuy ra đời muộn so với nhiều phương tiện truyền thông khác nhưng nó được phát triển nhanh chóng nhờ có nhiều ưu điểm lợi thế, đó là: - Vùng phủ sóng của vệ tinh khá rộng, chỉ cần ba vệ tinh địa tĩnh có thể phủ sóng toàn cầu. - Thiết bị phát sóng dùng trong hệ thống truyền tin vệ tinh chỉ cần công suất bé. - Việc lắp đặt hoặc di chuyển các thành phần trong hệ thống truyền tin vệ tinh đặt trên mặt đất tương đối nhanh chóng, dễ dàng và không phụ thuộc vào cấu hình mạng cũng như hệ thống truyền dẫn.
- Hệ thống truyền tin vệ tinh có thể phục vụ nhiều dịch vụ khác nhau: thoại và phi thoại, thăm dò địa chất, định vị toàn cầu, quan sát mục tiêu, thăm dò dự báo khí tượng, phục vụ các mục đích quốc phòng an ninh, v. - Thông tin vệ tinh rất ổn định. Đã có nhiều trường hợp bão to, động đất, trong lúc các phương tiện truyền thông khác không thể hoạt động thì duy nhất chỉ có hệ thống truyền tin vệ tinh hoạt động. - Các thiết bị điện tử đặt trên vệ tinh có thể tận dụng năng lượng mặt trời để cung cấp điện hầu như cả ngày lẫn đêm.
e 6 Tuy vậy, thông tin vệ tinh cũng có một số nhược điểm, đó là: - Kinh phí ban đầu để phóng một vệ tinh vào quỹ đạo là khá lớn và công nghệ phóng cũng như việc sản xuất thiết bị không phải nước nào cũng làm được. - Bức xạ của sóng vô tuyến thông tin vệ tinh bị tổn hao trong môi trường truyền sóng, đặc biệt là những vùng mây mù, nhiều mưa. Nếu muốn dùng anten bé, trọng lượng thiết bị nhẹ thì tổn hao vào giá thành sẽ gia tăng. - Cường độ trường tại điểm thu trên mặt đất phụ thuộc vào khoảng cách truyền sóng và góc phương vị giữa anten thu - phát.
Điều đó có nghĩa là phụ thuộc vào toạ độ của vệ tinh so với vùng được phủ sóng. - Tín hiệu của tuyến lên và tuyến xuống trong hệ thống truyền tin vệ tinh phải chịu một thời gian trễ đáng kể (khoảng 0,25 s với vệ tinh địa tĩnh) do đó trong quá trình xử lý phải tính đến.1 mô tả ba vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh phủ sóng toàn cầu.1 Ba vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh phủ sóng toàn cầu Cấu trúc một hệ thống truyền tin vệ tinh gồm hai phân đoạn: phân đoạn không gian (space segment) và phân đoạn mặt đất (ground segment).2 mô tả hai phân đoạn của một hệ thống truyền tin vệ tinh.2 Cấu trúc tổng quát một hệ thống thông tin vệ tinh Hình 1.2 Mô tả cấu trúc tổng quát một hệ thống truyền tin vệ tinh 1. Phân đoạn không gian Phân đoạn không gian của một hệ thống truyền tin vệ tinh bao gồm vệ tinh cùng các thiết bị đặt trong vệ tinh và hệ thống các trang thiết bị đặt trên mặt đất để kiểm tra theo dõi và điều khiển hành trình của vệ tinh (cả hệ thống bám, đo đạc và điều khiển). Bản thân vệ tinh bao gồm hai phần: phần tải (payload) và phần thân nền vệ tinh (platform).
Phần tải bao gồm hệ thống các anten thu/phát và tất cả các thiết bị điện tử phục vụ cho việc truyền dẫn và xử lý tín hiệu qua vệ tinh. Phần thân nền vệ tinh bao gồm các hệ thống phục vụ cho phần tải vệ tinh hoạt động, ví dụ cấu trúc vỏ và khung vệ tinh, nguồn cung cấp điện, hệ thống điều khiển nhiệt độ, điều khiển hướng chuyển động và quỹ đạo, bám, đo đạc, v. Các sóng vô tuyến được truyền từ trạm mặt đất lên vệ tinh được gọi là tuyến lên (uplink). Vệ tinh thu các sóng từ tuyến lên, xử lý, biến đổi tần số, khuếch đại và truyền các sóng vô tuyến đó trở về các trạm mặt đất theo tuyến xuống (downlink).
Chất lượng của một liên lạc qua sóng vô tuyến đó được xác định bởi tỷ số năng lượng sóng mang trên năng lượng tạp nhiễu C/N của toàn tuyến, trong đó bao gồm cả kỹ thuật điều chế và mã hoá được sử dụng. e 8 Các bộ phát đáp (transponder) được đặt trong vệ tinh để thu tín hiệu từ tuyến lên, biến đổi tần số, khuếch đại công suất và truyền trở lại theo tuyến xuống.3 mô tả sơ đồ khối một bộ phát đáp đơn giản.3 Sơ đồ khối chức năng của một bộ phát đáp đơn giản đây không có nhiệm vụ giải điều chế và xử lý tín hiệu thu được. Nó chỉ đóng vai trò như một bộ chuyển đổi xuống, có hệ số khuếch đại công suất lớn. Bộ khuếch đại công suất trong bộ phát đáp thường dùng hai loại: khuếch đại dùng đèn sóng chạy TWTA (Travelling Wave Tube Amplifier) và khuếch đại dùng bán dẫn SSPA (Solid State Power Amplifier).
Công suất bão hoà tại đầu ra của TWTA thường từ 20 W đến 40 W. Trong các vệ tinh loại mới được trang bị các bộ phát đáp có đa chùm tia (multibeam satellite transponder) và các bộ phát đáp tái sinh (regenerative transponder). Do hạn chế về kích thước và trọng lượng cho nên các anten thu/phát của bộ phát đáp thường có kích thước nhỏ, vì vậy độ tăng ích của anten vệ tinh có giới hạn. Vệ tinh trong trường hợp này đóng vai trò một trạm trung chuyển tín hiệu giữa các trạm mặt đất và được xem như một điểm nút của mạng với hai chức năng chính sau đây: 1- Khuếch đại các sóng mang thu được từ tuyến lên để sử dụng cho việc truyền lại trên tuyến xuống.
Công suất đầu vào của máy thu vệ tinh có yêu cầu từ 100 pW đến 1 nW, còn công suất tại đầu ra của bộ khuếch đại công suất phát cho tuyến xuống có yêu cầu từ 10 W đến 100 W. Như vậy độ tăng ích anten của bộ phát đáp vệ tinh có yêu cầu từ 100 dB đến 130 dB. Năng lượng sóng mang trong băng tần được bức xạ đến các vùng phủ sóng trên bề mặt quả đất theo các nước EIRP tương ứng phủ sóng. 2 - Thay đổi tần số sóng mang (giữa thu và phát) nhằm tránh một phần công suất phát tác động trở lại phía đầu vào đầu thu.
Khả năng lọc của các bộ lọc đầu vào đối với tần số sóng mang tuyến xuống, có tính đến độ tăng ích thấp của anten, cần đảm bảo sự cách biệt khoảng 150 dB. e 9 Ngoài hai nhiệm vụ chủ yếu trên, thông thường vệ tinh còn có một số chức năng khác. Ví dụ, đối với vệ tinh có nhiều búp sóng hoặc búp sóng quét thì bộ phát đáp vệ tinh phải có khả năng tạo tuyến sóng mang đến các vùng hoặc đốm phủ sóng yêu cầu. Trường hợp đối với vệ tinh tái sinh thì bộ phát đáp còn có chức năng điều chế và giải điều chế.
Phần tải của các vệ tinh viễn thông được đặc trưng bởi các thông số kỹ thuật sau: - Dải tần công tác; - Số lượng bộ phát đáp; - Độ rộng dải thông của mỗi bộ phát đáp; - Phân cực sóng của tuyến lên và tuyến xuống; - Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP: Equivalent Isotropic Radiated Power) hoặc mật độ thông lượng công suất tạo ra tại biên của vùng phủ sóng phục vụ; - Mật độ thông lượng công suất bão hoà tại anten thu của vệ tinh (SPD: Saturated Power Density); - Hệ số phẩm chất (G/T) của máy thu vệ tinh tại biên của vùng phủ sóng hoặc giá trị cực đại; - Vùng phủ sóng yêu cầu; - Công suất đầu ra của bộ khuếch đại công suất phát; - Cấu hình dự phòng cho máy thu và bộ khuếch đại công suất phát. Băng tần phân bổ cho bộ phát đáp vệ tinh có thể từ vài trăm MHz lên đến vài chục GHz. Băng tần này thường được chia thành các băng tần con (theo phân định của ITU). Hầu hết các bộ phát đáp thường được thiết kế với dải thông 36 MHz, 54 MHz hoặc 72 MHz, trong đó dải thông 36 MHz là chuẩn được dùng phổ biến cho dịch vụ truyền hình băng C (6/4 GHz).
Hiện nay một số loại bộ phát đáp có xử lý tín hiệu đã được đưa vào sử dụng và như vậy có thể cải thiện được chất lượng tín hiệu. Phân đoạn mặt đất Phân đoạn mặt đất bao gồm tất cả các trạm mặt đất của hệ thống và chúng thường được kết nối với các thiết bị của người sử dụng thông qua các mạng mặt đất hoặc trong trường hợp sử dụng các trạm VSAT (Very Small Aperture Terminal: Thiết bị đầu cuối có khẩu độ rất nhỏ), các hệ thống thông tin di động vệ tinh S-PCN (Satellite - Personal Communication Network: Mạng thông tin cá nhân vệ tinh) thì vệ tinh có thể liên lạc trực e 10 tiếp với thiết bị đầu cuối của người sử dụng. Các trạm mặt đất được phân loại tuỳ thuộc vào kích cỡ trạm và loại hình dịch vụ. Có thể có các trạm mặt đất vừa thu vừa phát sóng nhưng cũng có loại trạm mặt đất chỉ làm nhiệm vụ thu sóng, ví dụ trạm TVRO (Television Receiver Only: Chỉ dùng thu sóng truyền hình).
Trạm mặt đất của hệ thống thông tin vệ tinh (ES - Earth Station) có hai chức năng của yếu, đó là: - Tiếp nhận các tín hiệu từ các mạng mặt đất hoặc trực tiếp từ thiết bị đầu cuối của người sử dụng, xử lý các tín hiệu đó, biến đổi thành sóng mang và truyền lên vệ tinh theo tuyến lên với công suất và tần số thích hợp. - Thu các sóng mang từ tuyến xuống của vệ tinh, xử lý và chuyển chúng thành tín hiệu băng cơ sở để cung cấp cho các mạng mặt đất hoặc trực tiếp đến thiết bị đầu cuối của người sử dụng. Ngoài hai nhiệm vụ thu/phát nêu trên, một số trạm mặt đất còn được trang bị một hệ thống phụ để điều khiển hoặc bám vệ tinh.