LỜI MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, thông tin vô tuyến bằng vệ tinh ra đời và phát triển nhằm mục đích cải thiện các nhƣợc điểm của mạng vô tuyến mặt đất, đạt đƣợc dung lƣợng cao hơn, băng tần rộng hơn, nó có ý nghĩa chính trị, kinh tế xã hội to lớn, đem lại dịch vụ mới và thuận tiện với chi phí thấp. Hiện nay ở Việt Nam ngành công nghệ vũ trụ đang đƣợc đầu tƣ nghiên cứu, đây là hƣớng đi mới, mở ra nhiều lợi ích to lớn cho đất nƣớc. Trong thông tin vệ tinh các bộ thu phát đóng vai trò rất quan trọng, đây là bộ phận ảnh hƣởng chính đến chất lƣợng tín hiệu vệ tinh. Để chế tạo máy thu vệ tinh phải trải qua nhiều khâu với nhiều modul khác nhau và cần nhiều thời gian, công sức.
Trong khuôn khổ luận văn này, cùng với việc tìm hiểu lí thuyết về máy thu tín hiệu vệ tinh, kĩ thuật siêu cao tần em chỉ đi sâu nghiên cứu thiết kế chế tạo module: Bộ khuếch đại tạp âm thấp băng tần C. Với tên đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy thu vệ tinh băng tần C dùng trong truyền dẫn thông tin vệ tinh Vinasat”. Bằng lí thuyết và thực nghiệm, Luận văn đã thực hiện đƣợc các nội dung sau: Tìm hiểu tổng quan về hệ thống thu phát thông tin vệ tinh Tìm hiểu về kĩ thuật siêu cao tần Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo module khuếch đại tạp âm thấp băng C Điểm mới của đề tài thể hiện ở việc mạnh dạn nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch cao tần ở tần số siêu cao, trên dải tần siêu cao đòi hỏi kích thƣớc mạch điện rất nhỏ, dẫn đến rất khó chế tạo chính xác. Bên cạnh đó do linh kiện kích thƣớc lớn dẫn đến có nhiều điện dung kí sinh làm mất phối hợp trở kháng của toàn mạch, vì vậy việc chế tạo tại tần số cao nhƣ vậy là vấn đề rất phức tạp.
Luận văn cũng tạo tiền đề để nhóm nghiên cứu đi sâu lĩnh vực siêu cao tần và thông tin vệ tinh tiến tới có thể triển khai tích hợp các mạch cao tần trên chip tƣơng tự. Đây là xu hƣớng mới, đảm bảo cho bộ thu nhỏ gọn, tiêu tốn ít năng lƣợng, rất phù hợp với việc gắn trên các vệ tinh. 7 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đại học khtn – Đại học QGHN CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THU PHÁT THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 Đôi nét về lịch sử thông tin vệ tinh Vào cuối thế kỷ thứ 19 nhà khoa học ngƣời Nga Tsiolkovsky (1857 – 1935) đã đƣa ra các khái niệm cơ bản về tên lửa đẩy dùng nguyên liệu lỏng. Ông cũng đƣa ra các ý tƣởng về các loại tên lửa đẩy nhiều tầng, các tàu vũ trụ có ngƣời điều khiển dùng để thăm dò vũ trụ.
Lý thuyết về tên lửa đẩy dùng nguyên liệu lỏng của ông đã đƣợc ông Robert Hutchinson Goddard thử nghiệm thành công vào năm 1926. Tháng 5 năm 1945 Arthur Clark tác giả của mô hình viễn tƣởng thông tin toàn cầu đã đƣa ra ý tƣởng sử dụng hệ thống 3 vệ tinh địa tĩnh dùng để phát thanh và quảng bá trên toàn thế giới. Kỷ nguyên của thông tin vệ tinh bắt đầu từ tháng 10/1957 khi Liên Xô đã phóng thành công vệ tinh nhân tạo Sputnick-1 đầu tiên trên thế giới. Những năm sau đó đƣợc đánh dấu bằng nhiều sự kiện nhƣ: năm 1958 một bức điện đƣợc phát qua vệ tinh SCORE, năm 1960 vệ tinh thông tin ECHO với việc chuyển tiếp tín hiệu thụ động, năm 1962 có TELSTAR và RELEY, năm 1963 có vệ tinh địa tĩnh đầu tiên.
Năm 1965, hệ thống thông tin vệ tinh thƣơng mại đầu tiên trên thế giới là INTELSAT1 với tên gọi EARLY BIRD ra đời. Cũng năm đó, vệ tinh thông tin liên lạc đầu tiên của Liên Xô có tên gọi là MOLNYA đƣợc phóng lên quỹ đạo elip. Từ đó đến nay đánh dấu Sự tiến bộ vƣợt bậc trong công nghệ chế tạo vệ tinh, tên lửa đẩy và công nghệ các trạm mặt đất, thông tin vệ tinh không những chỉ dùng cho các dịch vụ thông tin quốc tế, truyền hình mà còn dƣợc dùng cho thông tin khí tƣợng, nghiên cứu vũ trụ, thăm dò trái đất, thông tin an toàn cứu nạn v. Sau đây là một số mốc thời gian đánh dấu sự phát triển của thông tin vệ tinh: 1945-Arthur Clark đề xuất sử dụng các vệ tinh địa tĩnh dùng cho thông tin quảng bá.
1957-Liên Xô phóng thành công vệ tinh nhân tạo đầu tiên (Sputnik-1). 1964-Thành lập tổ chức thông tin vệ tinh quốc tế INTCLSAT. 8 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đại học khtn – Đại học QGHN 1965-Phóng vệ tinh INTELSAT - 1 (Early Bird) và MOLNYA. 1971-Thành lập tổ chức INTERSPUTNICK gồm Liên xô, và 9 nƣớc xã hội chủ nghĩa.
1972-1976 Canada, Mỹ, Liên Xô và Indonesia sử dụng vệ tinh cho thông tin nội địa. 1979-Thành lập tổ chức thông tin hàng hải quốc tế qua vệ tinh INMARSAT. 1984-Nhật Bản đƣa vào sử dung hệ thống truyền hình trực tiếp qua vệ tinh. 1987-Thử nghiệm thành công vệ tinh phục vụ cho thông tin di động qua vệ tinh.
Thời kỳ từ 1999 đến nay ra đời những ý tƣởng và hình thành những hệ thống thông tin di động và thông tin băng rộng toàn cầu sử dụng vệ tinh. Các hệ thống điển hình nhƣ: Global star, Iridium, Ico, Skybrigde, Teledesic. Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm phần không gian (Space segment) và phần mặt đất (Ground segment).1 Phần không gian và phần mặt đất của hệ thống thông tin vệ tinh 9 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đại học khtn – Đại học QGHN Hình 1.2a Hình ảnh vệ tinh 1.2 Ở Việt Nam Đầu năm 2008, Việt nam đã phóng vệ tinh đầu tiên Vinasat1. 10 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đại học khtn – Đại học QGHN Hình 1.2b Ngày 16 tháng 5 năm 2012 vệ tinh Vinasat2 đã được phóng lên quỹ đạo.
Cùng với việc phóng vệ tinh Vinasat, các tổ chức sẽ có nhu cầu thiết lập hàng loạt trạm mặt đất để triển khai hệ thống thông tin qua vệ tinh. Do đó việc tìm hiểu các đặc điểm của các hệ thống vệ tinh trong các băng tần sẽ đem lại nhiều lợi ích và phù hợp với tình hình phát triển công nghệ thông tin vệ tinh của Việt nam hiện nay. Các vệ tinh này hoạt động ở band C và band Ku, việc tập chung nghiên cứu khai thác sử dụng triệt để băng tần là vấn đề hết sức quan trọng. Do tín hiệu thu đƣợc ở mặt đất từ vệ tinh bị suy hao rất lớn, mặt khác do ảnh hƣởng của môi trƣờng nên tín hiệu thu đƣợc bị ảnh hƣởng mạnh của nhiễu.
Để giải quyết vấn đề này, các bộ phát đáp của vệ tinh phải có phẩm chất tốt, chính xác, kích thƣớc và khối lƣợng nhỏ và sử dụng ít năng lƣợng. Sóng vô tuyến trong thông tin liên lạc vệ tinh cần phải xuyên qua tầng điện li và khí quyển bao quanh trái đất, nên cần phải chọn tần số suy hao nhỏ nhất trong khoảng “cửa sổ vô tuyến” từ 1GHz đến 30GHz các băng tần đƣợc sử dụng nhiều hơn cả là band C và band Ku. Band C: Từ 4-8GHz thƣờng sử dụng dải tần 5.025GHz cho tuyến phát lên, và dải tần 3.2GHz cho tuyến phát xuống Band Ku: Từ 12.4 -18GHz thƣờng sử dụng dải tần 12.5 GHz cho tuyến phát lên, dải tần 10.7GHz cho tuyến phát xuống. 11 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đại học khtn – Đại học QGHN Hình 1.3 Vùng phủ của vệ tinh Vinasat 1 band C Hình 1.4 Vùng phủ của vệ tinh VINASAT1 band Ku 1.3 Đặc trƣng cơ bản của thông tin liên lạc qua vệ tinh Hệ thống liên lạc qua vệ tinh có những ƣu điểm chủ yếu nhƣ sau 12 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đại học khtn – Đại học QGHN Vùng phủ sóng rộng, do quỹ đạo của vệ tinh có độ cao lớn so với trái đất, các vệ tinh có thể nhìn thấy một vùng rộng của trái đất.
Dung lƣợng thông tin lớn, do sử dụng băng tần công tác rộng và kĩ thuật đa truy nhập cho phép đạt dung lƣợng lớn trong thời gian ngắn mà ít loại hình thông tin khác có đƣợc. Độ tin cậy và chất lƣợng thông tin cao, do liên lạc trực tiếp giữa vệ tinh và trạm mặt đất, xác suất hƣ hỏng trên tuyến liên lạc rất thấp và ảnh hƣởng do nhiễu và khí quyển không đáng kể. Tính linh hoạt cao, do hệ thống liên lạc vệ tinh đƣợc thiết lập nhanh chóng và có thể thay đổi linh hoạt tùy theo yêu cầu sử dụng. Có khả năng ứng dụng trong thông tin di động là thông tin liên lạc toàn cầu.
Do có nhiều ƣu điểm nổi trội so với các loại hình thông tin khác, nên hệ thống thông tin vệ tinh có rất nhiều ứng dụng trong thực tế, điện thoại, truyền hình, thông tin di động, truyền số liệu, Internet, các dịch vụ đào tạo và y tế từ xa, truyền tin cho ngƣ dân trên biển, dự báo thời tiết, đảm bảo an ninh quốc phòng.Với sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ chế tạo, phóng vệ tinh và công nghệ chế tạo các thiết bị thông tin liên lạc, thiết bị đo lƣờng và điều khiển từ xa, nguồn điện cho vệ tinh…đã cho phép tăng dung lƣợng bộ phát đáp và áp dụng nhiều kĩ thuật truyền dẫn tín hiệu mới để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của cuộc sống.5 Sơ đồ khối hệ thống thu tín hiệu 13 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Đức Hùng TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đại học khtn – Đại học QGHN Chức năng các module trong hệ thống Bộ khuyếch đại tạp âm thấp (LNA): đây là một modul khuyếch đại đặc biệt, sử dụng trong các hệ vô tuyến để khuyếch đại những tín hiệu rất yếu đƣợc thu từ anten. Nó thƣờng đƣợc đặt rất gần anten thu để giảm thiểu suy hao. Khi sử dụng bộ khuyếch đại này ở máy thu thì ồn nhiễu của những tầng sau sẽ đƣợc giảm bởi hệ số khuyếch đại của nó. Trong khi đó, ồn nhiễu của LNA lại đƣợc cộng trực tiếp vào tín hiệu nhận đƣợc.
Việc sử dụng LNA là cần thiết để tăng công suất tín hiệu mong muốn, còn tạp nhiễu sẽ đƣợc xử lý ở những tầng tiếp theo. Bộ đảo tần xuống: về bản chất bộ đảo tần lên và xuống là giống nhau, chỉ khác tín hiệu đầu vào và vị trí sử dụng.