Bài giảng Hệ thống thông tin vệ tinh - ĐH Hàng Hải

Chia sẻ: Nguyễn Thị Ngọc Lựu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:43

Thêm vào BST

Báo xấu

486
lượt xem 79
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Cuốn sách Bài giảng Hệ thống thông tin vệ tinh trang bị cho sinh viên những kiến thức, hiểu biết về hệ thống thông tin vệ tinh và nguyên tắc hoạt động, cấu trúc chi tiết về hệ thống vệ tinh INMARSAT sử dụng trong hàng hải. Nội dung cuốn sách bao gồm: Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh, Kỹ thuật thu phát trong hệ thống TTVT, Cấu trúc kênh thông tin trong hệ thống INM-C.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Hệ thống thông tin vệ tinh - ĐH Hàng Hải

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH TÊN HỌC PHẦN : HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH MÃ HỌC PHẦN : 13229 TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO : ĐẠI HỌC CHÍNH QUY DÙNG CHO SV NGÀNH : ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HẢI PHÒNG – 2010
2
YÊU CẦU VÀ NỘI DUNG CHI TIẾT Tên học phần: Hệ thống thông tin vệ tinh Loại học phần : III Bộ môn phụ trách giảng dạy: ĐT-VT Khoa phụ trách: Điện - ĐT Tầu biển Mã học phần: 13229 Tổng số TC: 3 TS tiết Lý thuyết Thực hành/ Xemina Tự học Bài tập lớn Đồ án môn học 60 60 có Điều kiện tiên quyết: Mục tiêu của học phần: Trang bị cho sinh viên những kiến thức hiểu biết về hệ thống thông tin vệ tinh và nguyên tắc hoạt động, cấu trúc chi tiết về hệ thống vệ tinh INMARSAT sử dụng trong hàng hải. Nội dung chủ yếu: Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh. Nguyên tắc hoạt động và cấu trúc chi tiết kênh thông tin trong hệ thống thông tin vệ tinh INM-C Nội dung chi tiết: PHÂN PHỐI SỐ TIẾT TÊN CHƯƠNG MỤC TS LT Xemina BT KT Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vệ 10 10 tinh. §1.1 Giới thiệu 1 §1.2 Đặc điểm và các dịch vụ của hệ thống thông tin vệ tinh 2 §1.3 Tần số và các vấn đề truyền sóng trong thông tin vệ tinh. 3 §1.4 Khái niệm về phân cực sóng 1 §1.5 Các tham số kỹ thuật của hệ thống TTVT 2 §1.6 Các hệ thống thông tin vệ tinh và xu thế phát triển. 1 Chương 2: Kỹ thuật thu phát trong hệ thống 18 17 1 TTVT. §2.1 Tạp âm và các ảnh hưởng của tạp âm trên tuyến thông tin vệ tinh 4 §2.2 Công nghệ và các đặc tính của anten vệ tinh 3 §2.3 Cấu hình trạm mặt đất LES 2 §2.4 Máy phát công suất lớn trong thông tin vệ tinh 2 §2.5 Thiết bị thu trong thông tin vệ tinh 2 §2.6 Vấn đề điều chế và truyền dẫn trong thôg tin vệ tinh. 4 Kiểm tra tư cách lần 1 1 Chương 3: Cấu trúc kênh thông tin trong hệ thống 30 24 5 1 INM-C. §3.1 Đặc điểm chung các kênh thông tin trong INM-C 1 §3.2 Các loại kênh thông tin trong INM-C 1 §3.3 Cấu trúc kênh TDM 6 §3.4 Cấu trúc kênh báo hiệu 5 §3.5 Cấu trúc kênh chuyển điện 5 §3.6 Qui trình thực hiện các cuộc gọi trong INM-C 3 4 §3.7 Các phương pháp phát hiện và sửa lỗi trong INM- 3 C Kiểm tra tư cách lần 2 1 Chương 4: Các hệ thống INM khác sử dụng trong 17 16 1 hàng hải §4.1 Khái quát chung 1 §4.2 Hệ thống INM-B 5 §4.3 Hệ thống INM-M v à Mini-M 5
§4.4 Hệ thống INM-F 5 Kiểm tra tư cách lần 3 1 4
Nhiệm vụ của sinh viên: Lên lớp đầy đủ và chấp hành mọi quy định của Nhà trường. Tài liệu học tập: 1. Kỹ thuật thông tin vệ tinh 2. GMDSS handbook 3. Tài liệu trên mạng: http//www. inmarsat.com 4. Đề tài tố nghiệp của sinh viên Hình thức và tiêu chuẩn đánh giá sinh viên: - Thi viết hoặc thi vấn đáp. - Sinh viên phải bảo đảm các điều kiện theo Quy chế của Nhà trường và của Bộ. Thang điểm : Thang điểm chữ A,B,C,D,F. Điểm đánh giá học phần: Z=0,3X+0,7Y.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM -o0o- ThS. NGUYỄN NGỌC SƠN HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH Hải Phòng, tháng 6 năm 2010 MỤC LỤC 1
NỘI DUNG Trang CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TINH VỆ TINH............................3 §1. Giới thiệu...................................................................................................................3 1. Cấu trúc của hệ thống................................................................................................3 2. .Đặc điểm của hệ thống thông tin vệ tinh..................................................................4 3. Các tham số kỹ thuật của hệ thống thông tin vệ tinh................................................4 §3. CHỨC NĂNG THÔNG TIN VÀ................................................................................5 CÁC DỊCH VỤ CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH...........................................5 §4. CÁC HỆ THỐNG INMARSAT..................................................................................5 §5. Tần số và vấn đề truyền sóng trong thông tin vệ tinh..................................................6 CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT THU PHÁT TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH....7 §1. Công nghệ và các đặc tính của anten...........................................................................7 §2. Cấu hình trạm mặt đất..................................................................................................7 §3. Máy phát công suất lớn................................................................................................8 §4. Công nghệ máy thu......................................................................................................9 §5. Điều chế và truyền dẫn..............................................................................................10 §6. Đa truy nhập trong thông tin vệ tinh..........................................................................10 CHƯƠNG III: CẤU TRÚC KÊNH THÔNG TIN TRONG INMARSAT C......................11 §1. CÁC LOẠI KÊNH THÔNG TIN............................................................................11 §2. Cấu trúc kênh TDM...................................................................................................12 §3. Cấu trúc khung kênh báo hiệu...................................................................................23 §5 Cấu trúc gói tin kênh báo hiệu....................................................................................27 §6. Các phương pháp sửa lỗi trong INM-C.....................................................................28 §7. Quy trình thực hiện các cuộc gọi trong thông tin vệ tinh..........................................28 Lớp : ……….....................................2 Lớp : ……….....................................2 Lớp : ……….....................................2 Lớp : ……….....................................3 Lớp : ……….....................................3 Lớp : ……….....................................3 Lớp : ……….....................................4 Lớp : ……….....................................4 Lớp : ……….....................................4 Lớp : ……….....................................1 2
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TINH VỆ TINH §1. Giới thiệu 1. Cấu trúc của hệ thống. Phát Môi trường truyền sóng Thu * Theo nguyên lý hệ thống thông tin vệ tinh gồm các khâu: • Khâu vệ tinh • Khâu mặt đất (trạm điều khiển) • Khâu thiết bị đầu cuối * Vệ tinh được phân ra thành 2 loại: • Vệ tinh địa tĩnh: Có tốc độ quay bằng tốc độ quay của trái đất, tầm cao36.000 km. • Vệ tinh quỹ đạo thấp là vệ tinh mà nhìn từ mặt đất nó chuyển động liên tục, thời gian cần thiết để cho vệ tinh chuyển động xung quanh quỹ đạo của nó khác với chu kỳ quay của quả đất xung quanh trục của nó. * Vai trò của vệ tinh như một trạm lặp. Ngoài ra còn tham gia chức năng điều khiển và xử lý thông tin (thay đổi tần số thu, phát, thay đổi khu vực, vùng phủ sóng...) Yêu cầu về vị trí của vệ tinh phải tương đối ổn định −>sử dụng các động cơ phức tạp, có độ sai lệch vị trí ± 0.1. Do có đặc điểm là búp sóng rất nhỏ để giảm công suất nên vấn đề ổn định vị trí rất quan trọng. * về nguyên tắc sử dụng 3 vệ tinh có thể bao phủ được toàn bộ trái đất. Ở độ cao 36000 km các vệ tinh trùng với mặt phẳng quỹ đạo, từ 700N-700S. Thực tế sử dụng 4 vệ tinh: AOR-E AOR-W IOR POR Các vệ tinh này có sức sống trong vòng 7 năm. * Các trạm điều khiển mặt đất: −Trạm duy trì sự sống của vệ tinh(trạm vệ tinh mặt đất). − −Trạm thực hiện chức năng thông tin thu phát, trạm cung cấp dịch vụ: Vệ tinh - Trạm – Thuê bao * Người sử dụng: có nhiều dạng: − Thuê bao đầu cuối bờ (thoại,fax, telex,...) 3
− Thuê bao di động: trực tiếp liên lạc với vệ tinh chứ không thông qua trạm mặt đất. Vì vậy chức năng có giống trạm mặt đất (cùng kết nối trực tiếp với vệ tinh) nhưng khác là không kết nối với các thuê bao di động khác. 2. .Đặc điểm của hệ thống thông tin vệ tinh. − Vùng phủ sóng rộng − Dung lượng thông tin lớn − Độ tin cậy thông tin cao(99.9%). − Tính linh hoạt cao − Đa dạng về loại hình dịch vụ như: Fax, truyền hình, telex, dịch vụ di động, dịch vụ cố định, truyền ảnh, các dịch vụ đạo hàng, cứu hộ... − Hiệu quả kinh tế, cước phí thông tin rẻ. 3. Các tham số kỹ thuật của hệ thống thông tin vệ tinh. a. nhiệt độ tạp âm của hệ thống TS: nhiệt độ tạp âm hệ thống của 1 trạm vệ tinh mặt đất gồm 2 thành phần cơ bản: TS của hệ thống thu và TS của hệ thống fider: TS = Ta + Tfider +TR (TR: nhiệt độ tạp âm của ống dẫn sóng) b. Hệ số phẩm chất của trạm mặt đất G/T: hệ số phẩm chất của trạm mặt đất của thông tin vệ tinh là 1 giá trị quan trọng nói lên khả năng hoạt động của trạm được biểu diễn bằng tỉ số giữa hệ số khuếch đại anten và nhiệt độ tạp âm của hệ thống. Đơn vị tính (dB/0K). c. Tỉ số sóng mang/T: C/T. Tỉ số sóng mang trên nhiệt độ tạp âm là tỉ số sóng mang trên nhiệt độ tạp âm tương đương tại đầu vào của hệ thống máy thu. Trong đó: − Nhiệt độ tạp âm được tính từ các tham số sau: + Điều chế tương hỗ của hệ thống phát + G/T của hệ thống thu trên vệ tinh + Điều chế tương hỗ của vệ tinh + tỉ số G/T của trạm mặt đất thu − C: công suất sóng mang tại đầu vào máy thu Cr = G.Pr d. nhiệt độ tạp âm của anten. Các búp phụ của anten tại mặt đất thu được tất cả các tín hiệu tại mặt đất và trên không gian. Do các yếu tố con người, thiên nhiên, mặt trời, mặt trăng và do các hệ thống viba khác tạo từ nhiều hướng khác. Ta: nhiệt độ tạp âm của ănten Pn: công suất tạp âm do anten thu được với 1 dải tần số có độ rộng B => Ta = B.Pn/K e. Tỉ số sóng mang trên tạp âm (C/N) Muốn xác định ngưỡng thu của hệ thống ta phải xác định được C/N tại đầu vào bộ giải điều chế tại băng tần mà tín hiệu đó chiếm. C C 1 = . .B N T K C: công suất sóng mang tại đầu vào của hệ thống (dB) B: Độ rộng băng tần của tạp âm tương đương T: nhiệt dộ tuyệt đối K: hệ số Bolzerman. K=1.38.10--23 f. Tỉ số tín hiệu trên tạp âm S/N Là tỉ số giữa tín hiệu thu được trên tạp âm của 1 kênh thông tin được xác định tại 1 băng tần cơ bản S/N = C/N + Dm Dm: hệ số giải điều chế, thuộc kỹ thuật được sử dụng trong hệ thống đó. g. Tỉ số Eb/N0. 4
Ta sử dụng khái niệm tỉ số Eb/N0 khi các sóng mang trên vệ tinh được dùng là sóng mang số và tỉ số này là thước đo khả năng phục hồi dữ liệu số của modem số trong sự có mặt của tạp âm. Tỉ số này càng lớn thì tỉ số tốc độ lỗi bit càng giảm(BER-Bits error rate). => Quan hệ của chúng là nghịch đảo h. Công suất bức xạ đẳng hướng.EIRP: Là công suất bức xạ tại các điểm của anten theo 1 hướng // nhau. §3. CHỨC NĂNG THÔNG TIN VÀ CÁC DỊCH VỤ CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1. Chức năng. − Cung cấp các chức năng cho các dịch vụ thông tin cố định và các dịch vụ thông tin di động (inmarsat là 1 trong các thông tin chuyên dụng phục vụ cho nghành hàng hải. Ngoài ra Inmarsat còn có chức năng báo động điện cấp cứu theo 2 chiều: Tàu ↔ Bờ. − chuyển tiếp báo động cấp cứu: Tàu-bờ-tàu − Báo động cứu nạn: Bờ-Tàu qua hệ thống safety net. Nhờ thiết bị EGC. Các thiết bị này dùng để thu các báo động cứu nạn từ bờ tới tàu, ngoài ra thu các tín hiệu báo động, thời tiết, cứu nạn,... − Thông tin phối hợp tìm kiếm cứu nạn. − Thông tin hiện trường: on Scene. Là thông tin giữa các tàu cứu nạn với nhau hoặc giữa các tàu bị nạn với tàu tìm kiếm cứu nạn. − Phát thông tin an toàn hàng hải MSI − Các thông tin thông thường khác 2. Các dịch vụ. Các hệ thống thông tin nói chung, các hệ thống inmarsat nói riêng − Cung cấp nhiều dịch vụ cho người sử dụng nó bao gồm: − Thông tin thoại, fax,.. − truyền dữ liệu data, telex. − Chức năng tăng cường quản lý tàu. §4. CÁC HỆ THỐNG INMARSAT 1. Inmarsat A. Ra đời năm 1982, sử dụng công nghệ analog, công suất lớn, hiệu suất nhỏ, cồng kềnh, đắt tiền, bao gồm cả tranceiver, ngoài ra có cơ cấu điều khiển ănten, khối thu phát. − Khối trong cabin là processor − thiết bị đầu cuối máy fax, telephone... 2. Inmarsrsat B. Ra đời năm 1994. Chức năng và các dịch vụ cụng cấp giống Inmarsat A nhưng sử dụng hệ thống digital dẫn đến gọn nhẹ, cước phí rẻ hơn. 3. Inmarsat C. Là hệ thống thông tin vệ tinh tối thiểu đáp ứng đầy đủ của GMDSS, cung cấp dịch vụ telex, data, . . . hệ thống này còn kết hợp máy thu gọi nhóm tăng cường EGC. Sử dụng anten vô hướng, kích thước nhỏ 4. Inmarsat M. Báo động cấp cứu và thông tin thông thường, nó bao gồm: khối anten, DTE, IME, cung cấp dịch thoại, fax, . . . 5. Inmarsat Mini M. Cải tiến của inmarsat M, không thuộc hệ GMDSS, Là hệ thống bổ sung cho Inm C, như fax, thoại, . . . làm việc với vệ tinh thế hệ 3.theo chế độ Spot beam nên cước phí rẻ. 6. Inm E. Vệ tinh băng L 7. Inm F Giống Inm B cung cấp đầy đủ các dịch vụ của 1 văn phòng trên bờ như internet (không hệ nào có). 5
§5. Tần số và vấn đề truyền sóng trong thông tin vệ tinh 1. Tần số. Tần số 406.025 Mhz =>Cospass sarsat Tần số 1 Ghz -60Ghz => các hệ thông tin vệ tinh Trong đoạn từ 1 – 60 Ghz người ta chia ra nhiều băng tần phục vụ cho các mục đích thông tin khác như các băng L, C, K (Ka, Ku), X, S. Băng L: 1 - 2 Ghz (1.5 – 1.6 Ghz) Băng C: 4 - 8 Ghz (4 – 6 Ghz) Băng K: Ku = 12.4 – 18 Ghz (sử dụng 14/12, 14/11 Ghz dùng cho các trạm vệ tinh: lên sử dụng tần số 14 Ghz, xuống sử dụng 11 hoặc 12 Ghz Ka = 26.5 – 40 Ghz (30/20 Ghz) Băng X và S: sử dụng trong một số thông tin đặc biệt, trong radar hàng hải (S: 2 – 4Ghz) có khả năng phân định mục tiêu rất tốt nhưng kích thước ănten và thiết bị cũng rất lớn 2. Quá trình truyền sóng. − Truyền sóng ở những dải tần nào cũng chịu sự tác động của nhiễu (sấm, sét, môi trường, . . . ) là những tác động bên ngoài hoặc bản thân nó mang tính đột biến hoặc không có chu kỳ − Tạp âm: tác động liên tục, có chu kì hoặc không có đột biến nhiễu về biên độ và thời gian. − Suy hao đường truyền xảy ra do nhiễu xạ, khúc xạ và tán xạ mà đặc điểm của thông tin vệ tinh là đường truyền rất dài => suy hao lớn − Tần số cao, băng tần lớn dễ bị suy hao, nhiễu, tạp âm và những ảnh hưởng ở những băng tần khác nhau là khác nhau. Băng tần 1 – 10 Ghz ít bị ảnh hưởng nhất và được gọi là cửa sổ vô tuyến. 3. Phân cực sóng * khái niệm: Phân cực sóng là hướng dao động của sóng điện từ (điện trường ) trong không gian. * Phân loại: phân cực sóng thẳng và phân cực sóng tròn. a) Phân cực sóng thẳng: Phân cực sóng thẳng là sóng được bức xạ theo phân cực thẳng đứng, song song với cạnh đứng của anten loa (anten bức xạ). b a b) Phân cực sóng tròn là sóng khi truyền lan trong môi trường truyền có vectơ E quay tròn Để tạo ra sóng này ta kết hợp 2 sóng phân cực thẳng đặt vuông góc nhau hoặc lệch pha nhau 900. * ý nghĩa. Nếu 2 hệ thống anten hướng vào nhau nhưng không thu được tín hiệu thì nghĩ ngay tới phân cực sóng. Chỉ áp dụng cho anten phân cực đứng, còn anten phân cực tròn thì không có ý nghĩa. 6
CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT THU PHÁT TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH Nguyên tắc: là một hệ thống thu-phát của hệ thống vô tuyến điện đã học, cũng bao gồm: Dao động, khuếch đại, nhân chia tần số, điều chế, khuếch đại công suất, . . . Phía thu thông tin vệ tinh chỉ khác ở chỗ do đặc điểm tín hiệu của vệ tinh phát ra nhỏ nên tại đầu vào máy thu sử dụng bộ khuếch đại tạp âm thấp. Máy thu và phát phải nhìn thấy nhau => sử dụng sóng truyền thẳng, 2 anten có hướng §1. Công nghệ và các đặc tính của anten 1. yêu cầu hoạt động đối với anten thông tin vệ tinh − hệ số tăng ích và hiệu suất tăng ích của anten phải cao − Tính hướng cao. 2 búp sóng phụ nhỏ − Đặc tính phân cực phải tốt − Tạp âm thấp => tăng độ nhạy của hệ thống 2. Phân loại anten (trang 63). 3. Hệ thống quay bám. Đảm bảo cho anten mặt đất và anten vệ tinh không được phép lệch quá 10 => sử dụng: − Hệ thống xung đơn: luôn xác định tâm của búp sóng hướng vào vệ tinh − hệ thống bám từng nấc: sử dụng tầng nấc vị trí anten điều khiển hướng sao cho mức tín hiệu lớn nhất. − Hệ thống điều khiển theo cấu hình dựa trên cơ sở dự đoán trước về quỹ đạo của vệ tinh 4. Tính chất về điện của anten §2. Cấu hình trạm mặt đất 1. Sơ đồ khối. 7
đổi tần KĐ Giải điều LPA xuống IF chê KĐ tạp Dao Fiđơ âm thấp động Thiết bị đa truy nhập Dao KĐCS cao động HPA Giải điều đổi tần KĐ chê lên IF Thiết bị Anten Máy phát công suất lớn Thiết bị đa truy nhập, điều bám chế và giải điều chế − Thiết bị quay bám đảm bảo quay bám vệ tinh với sai lệch nhỏ, có kích thước và giá thành tương đối lớn. − hệ thống fiđơ: ghép tín hiệu thu – phát các kênh với nhau. Nó vừa là các bộ chia, vừa là các fiđơ ống dẫn sóng. − LNA: bộ khuếch đại tạp âm thấp, là bộ khuếch đại đặc biệt, thường được đặt ở đầu vào để khuếch đại tín hiệu nhỏ từ vệ tinh về trạm mặt đất. − Bộ đổi tần xuống: biến đổi tần số từ vài Ghz xuống khoảng 70Mhz − Khuếch đại trung tần IF: là bộ khuếch đại điện áp, có hệ số khuếch đại lớn để khuếch đại tín hiệu đủ lớn. − Bộ giải điều chế − Thiết bị đa truy nhập: tách các kênh thông tin đưa ra các bộ chỉ thị độc lập riêng rẽ. Về phần thu, thu nhận các kênh riêng rẽ độc lập ghép kênh với nhau => 1 kênh tần số. − Bộ điều chế − Bộ đổi tần số lên: trộn đưa tần số từ IF =>cao tần. − Bộ HPA: Bộ khuếch đại tín hiệu siêu cao tần =>đưa tín hiệu lên tần số siêu cao tần => fiđơ. − 2. công nghệ sử dụng. §3. Máy phát công suất lớn Với máy phát sử dụng trong thông tin vệ tinh có các đặc điểm: Tần số cao. Công suất lớn. 1. Phân loại. 2. Cấu hình. mod HPA 8
U/C COMBINER U/C mod U/C mod a. Sử dụng 1 HPA HPA U/C mod HPA COMBINER U/C HPA mod HPA U/C mod b. Sử dụng nhiều HPA U/C: bộ đổi tần lên Mod: điều chế Combiner: Kết hợp a) Ghép kênh rồi mới khuếch đại => HPA công suất đủ lớn, độ rộng băng thông đủ lớn, sử dụng cho các trạm có dung kênh lớn. b) Khuếch đại ở từng kênh rồi đưa vào ghép, HPA ở từng kênh không yêu cầu băng thông rộng => đảm bảo hệ số khuếch đại cao, phù hợp với trạm có dung lượng nhỏ, số kênh ít nhưng về phía người sử dụng, khai thác thì phức tạp hơn. §4. Công nghệ máy thu *Đặc điểm: − Tín hiệu thu rất nhỏ, chỉ bằng 1/1021 công suất máy phát do đường truyền dài, qua vùng suy hao lớn cho dù công suất phía phát có công suất rất lớn. − Vì vậy sử dụng công nghệ để thu các tín hiệu (khuếch đại tạp âm thấp). 1. Nhiệt tạp âm. SI/NI S0/N0 Vào Ra SI / N I Hệ số nhiệt tạp âm: F = S0 / N 0 2. Các loại khuếch đại tạp âm thấp. a) Khái niệm: Khuếch đại tạp âm thấp làm tăng S/N bằng cách làm giảm N, là bộ khuếch đại sử dụng các linh kiện bán dẫn đặc biệt có hệ số nhiệt âm, phần tử khuếch đại là Transistor b) Các loại khuếch đại tạp âm: o Loại LNA loại thông số 9
Khi tín hiệu kích thích đặt lên 1 diode biến dung các thông số về điện đặt trên nó tạo nên điện trở âm => khuếch đại được tín hiệu vào. Vì vậy việc giảm điện trở nội của diode biến dung sẽ tạo ra đặc tính của tạp âm thấp. * một số hạn chế: • Cần có mạch tạo ra tín hiệu kích thích • Khó điều chỉnh và phù hợp với việc sản xuất hàng loại. (do phải sử dụng ống dẫn sóng) • Băng tần hẹp • Độ tin cậy kém, khó bảo dưỡng. o Bộ LNA loại GaAs – FET. Sử dụng hiệu ứng của transistor trường của 1 số chất bán dẫn có hệ số nhiệt tạp âm. Đặc điểm: Băng thông rộng, hệ số khuếch đại lớn, độ tin cậy cao=> sử dụng phổ biến trong kĩ thuật thông tin vệ tinh. o Bộ LNA loại HEMT Transistor có độ linh động điện tử cao, sử dụng hiệu ứng chất khí điện tử 2 chiều với độ linh động cao, phù hợp với các bộ khuếch đại tạp âm thấp làm việc với tín hiệu có tân số cao. §5. Điều chế và truyền dẫn. §6. Đa truy nhập trong thông tin vệ tinh. − Đa truy nhập: 1 đài thu có thể cùng một lúc thu được nhiều kênh thông tin của nhiều đài phát khác nhau. 1. Đa truy nhập phân chia theo tần số. Trong phương pháp này băng thông của bộ phát đáp được phân chia thành các kênh tần số khác nhau, mỗi kênh tần số được ấn định riêng cho từng đài mặt đất và các đài này được phát thông tin liên tục tới vệ tinh mà không xảy ra hiện tượng xung đột thông tin nào. 2. Đa truy nhập phân chia theo thời gian Trong phương pháp này thông tin được phát tới vệ tinh được định dạng kiểu gói, mỗi một đài mặt đất phát các bus thông tin của mình tại 1 khe thời gian nhất định. Do đó có thể sử dụng cùng tần số với các đài khác nhau. Khi truy nhập tới bộ phát đáp của vệ tinh mà không bị xung đột và không chồng lấn nhau. Ở phía thu thực hiện việc tách kênh thông tin tại các khe thời gian nhất định ứng với các đài phát nhất định Cấu trúc khung TDM: bus chuẩn SES 1 SES 2 SES 3 ..... khoảng phòng vệ t 3. Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA. Các đài mặt đất truy nhập tới vệ tinh có thể ở cùng 1 thời điểm, cùng tần số, cùng băng thông. Các thông tin ở đài phát đó được mã hoá theo 1 quy luật nhất định mà chỉ ở phía thu có các từ mã đồng bộ với từ mã phía phát thì mới thu được. Thu ở đây có thể hiều là ở các tần số máy thu có thể thu được hết nhưng chỉ với các với các thông tin có từ mã đồng bộ với phía phát thì mới được xử lý để đưa ra thông tin mong muốn, còn các thông tin khác không có từ mã đồng bộ phía phát vẫn được thu nhưng không được xử lý (thông tin này bị chặn ở khâu giải điều chế). Phương pháp này thường sử dụng phương pháp trải phổ: Các tín hiệu có thể nhỏ dưới mức tạp âm nhưng vẫn có thể thu được. Ngoài ra còn có phương pháp SDMA: Phân chia theo vùng địa lý, các đài mặt đất được phân chia theo vùng không gian, trong mỗi vùng không gian đó lại có thể sử dụng TDMA, CDMA, FDMA. Phương pháp truy nhập ngẫu nhiên: Phương pháp mang thông tin CDMA nhưng không được cố định khe thời gian trước để tận dụng các khe thời gian, dung lượng kênh. Trong phương pháp này có 2 loại: ALOHA VÀ SALOHA. 10
• ALOHA: các gói dữ liệu được phát ngẫu nhiên, do đó dữ liệu không được vệ tinh thu ở lần phát thứ nhất, khi đó vì phát lại gói tin này sao cho cả đài phát cũng thu được để đài phát phát lại gói tin đó sau 1 khoảng thời gian trễ sau đó (khoảng 0.27s) được tính dựa trên cơ sở trễ đường truyền. • SALOHA: Đây là 1 dạng của phương pháp trên, trong đó dữ liệu phát được chia thành các gói nhỏ sau đó được phát trong khe thời gian ngẫu nhiên trong miền thời gian của nó. Phương pháp truy nhập theo khe theo khe thời gian đăng ký trước. Câu hỏi cuối chương 1/ Cấu trúc và đặc điểm của hệ thống thông tin vệ tinh 2/ Các tham số kỹ thuật của hệ thống thong tin vệ tinh 3/ Các hệ thống thông tin vệ tinh INM 4/ Tần số và vấn đề truyền sóng trong thông tin vệ tinh 5/ Công nghệ và các đặc tính của anten trong thông tin vệ tinh 6/ Cấu hình trạm vệ tinh mặt đất 7/ Máy phát công suất lớn sử dụng trong trạm vệ tinh mặt đất 8/ Công nghệ máy thu trong thông tin vệ tinh 9/ Đa truy nhập trong thông tin vệ tinh CHƯƠNG III: CẤU TRÚC KÊNH THÔNG TIN TRONG INMARSAT C §1. CÁC LOẠI KÊNH THÔNG TIN 1. Kênh báo hiệu chung: NCS. Là 1 kênh TDM với chiều dài khung 8.64s, kênh này được phát liên tục tới tất cả các đài MES trong khu vực biển phụ trách của đài NCS, nó mang theo các thông tin về hệ thống, thông tin báo hiệu và các bức điện EGC. MES tự động điều chỉnh kênh báo hiệu NCSkhi nó ở trạng thái rỗi (Idle), 1 đài NCS có thể phát nhiều kênh báo hiệu chung tuỳ thuộc lưu lượng thông tin. 2. Kênh TDM của đài LES. Kênh LES TDM có cùng cấu trúc khung như kênh báo hiệu chung NCS, kênh này phát thông tin báo hiệu hoặc chuyển tiếp các bức điện từ LES -> MES, việc truy nhập vào kênh TDM theo phương thức tới trước phục vụ trước hoặc tuỳ theo mức ưu tiên của các gói tin. 3. Kênh chuyển điện. Kênh này được sử dụng để chuyển các bức điện thông thường từ MES => LES, việc truy nhập tới kênh này dựa trên phương thức TDMA hoặc theo sự điều khiển của đài LES. Khi đài MES nhận được ấn định thời gian khởi đầu nó sẽ phát toàn bộ bức điện của mình không gián đoạn, các đài NCS sẽ ấn định 1 hoặc nhiều kênh chuyển điện cho LES tuỳ theo lưu lượng thông tin. 4. Kênh báo hiệuMES. MES sẽ sử dụng kênh báo hiệu được kết hợp với kênh LES TDM hoặc NCS TDM để thiết lập cuộc gọi tới LES, các thủ tục hoà mạng log – in và ra khỏi mạng log-out với NCS hoặc chuyển các báo động cấp cứu tới cả LES và NCS, việc truy nhập ngẫu nhiên theo khe thời gian đăng kí. 11
5. Kênh báo hiệu liên đài ISI. LES sử dụng ISI trên đường truyền vệ tinh để gửi các thông tin báo hiệu, các bức điện EGC hoặc các thông tin đề xướng gọi tới NCS, NCS cũng dùng các kênh này để chuyển các thông tin hệ thống và các thông tin liên quan tới những cuộc gọi tới LES. Các đài NCS ở các vùng biển khác nhau có thể dùng các kênh báo hiệu trong mạng thông tin mặt đất để trao đổi các thông tin liên quan đến các đài MES hoặc kết nối các đài NCS với trung tâm khai thác mạng NOC. Chú ý khi chuyển thông tin từ LES MES phải qua vệ tinh, ở đây ta coi vệ tinh là 1 khâu trung gian. * Đặc điểm chung của các kênh thông tin • Điều chế: Các kênh thông tin đều sử dụng điều chế BPSK , tốc độ 1200 symbols/s (thế hệ 2), 600symbols/s (thế hệ 1). • Tốc độ thông tin vệ tinh: Thế hệ 1:300 b/s Thế hệ 2: 600 b/s • Mã hoá: mỗi 1 kênh thông tin khác nhau đều được xử lý mã hoá (do sử dụng TDMA) hoặc trộn, chèn với kênh TDM sử dụng mã hoá ½ FEC => xử lý tráo, chèn (scramber) • Băng tần sử dụng băng L với tần số phát khoảng 1.6 Ghz tần số thu 1.5 Ghz. §2. Cấu trúc kênh TDM 1. Cấu trúc khung. 8 7 6 5 4 3 2 1 Bulletin board packet Signalling channel descriptor packet Continued packet B containing remainder of an 639 over lapping packet byte Example packet starting and completing in this information field Idle Idle Spare capacity field with idle characters Idle − Độ dài khung 639 Byte − Các gói tin được xử lý xáo trộn, chèn bit để chống lỗi cụm. − Cấu trúc khung: Mỗi khung có chiều dài cố định 10368 symbols. 12
Khoảng thời gian mỗi khung là 8.64s với tốc độ 1200symbols/s. mỗi khung mang theo 639 byte thông tin. Dữ liệu được lưu trữ trong bộ nhớ dưới dạng các gói tin, gói đầu tiên của khung bao giờ cũng là Bulletin board mang các thông tin về hệ thống phục vụ cho việc truy nhập của MES. Một hoặc nhiều gói mô tả kênh báo hiệu được kết hợp với kênh TDM hiện thời, phần còn lại của khung giành cho các gói tin báo hiệu và các bức điện thông thường Bộ nhớ của khung gồm 639 Byte, nếu khôngđủ các gói tin để điền đầy bộ nhớ thì phần trống của bộ nhớ được điền các bits 0. Nếu 1 gói tin có kích thước vượt quá giới hạn của khung thì sẽ được đóng thành 2 gói, 1 được truyền ở cuối phần khung hiện thời, 1 được truyền ở đầu khung tiếp theo. Trong khung 639 byte được mã hoá thành 10368 symbols, và được xử lý tráo (scramber) để chống lỗi cụm hoặc các gói tin có liên tiếp các bits 0 hoặc liên tiếp các bits 1 => mất đồng bộ giữa thu và phát . Sở dĩ có hiện tượng này là do dãy bit tin phát không có đủ các điểm chuyển tiếp để phía thu có thể khôi phục lại định thời để phá vỡ các bit 0, 1 liên tục , * Ngẫu nhiên hoá: ở phía phát thực hiện ngẫu nhiên hoá các bit phát theo 1 quy luật nhất định và phía thu thực hiện đúng quy luật này để khôi phục. Quá trình ngẫu nhiên hoá thường dùng bộ tạo mã giả ngẫu nhiên, bộ tạo mã gồm 1 bộ ghi dịch và 1 cổng cộng modul 2. Tuỳ theo trạng thái ban đầu của bộ ghi dịch mà bộ tạo mã sẽ tạo ra các từ mã khác nhau. Các từ mã bảo đảm tính ngẫu nhiên sao cho khi trên các từ mã với các bit thông tin cõ thể phá vỡ tính liên tục của các bit 0 và 1. Ở mỗi quá trình phát khác nhau có thể sử dụng 1 từ mã khác nhau, các từ mã sẽ lặp lại sau một chu kỳ ghi dịch. Bộ ghi dịch có giá trị ban đầu khác nhau thì tạo ra các từ mã khác nhau. Các giá trị ban đầu của bộ ghi dịch gọi là các vector mã, ở thời điểm ban đầu đài phát sẽ gửi VT mã như 1 thủ tục thiết lập sau đó cả đài phát và thu đặt nội dung ban đầu bộ ghi dịch vt mã đó, nhờ đó quá trình thông tin tiếp theo đài thu có thể thu đúng dãy bit của đài phát. Ở những quá trình phát khác nhau hệ thống có thể lựa chọn 1 vt mã ngẫu nhiên khác Quá trình xử lý ngẫu nhiên hoá các bit tin bằng cách trộn các bit tin với dãy mã giả ngẫu nhiên. Trong inmarsat C, mỗi khung có độ dài 639 byte thông tin, thêm 1 byte san bằng tạo thành 640 byte chia thành 160 nhóm, mỗi nhóm4 byte liên tiếp. Từng nhóm này được đảo tất cả các bit hoặc giữ nguyên các bit tuỳ thuộc vào nó được cộng modul 2 với bit 0 hay 1 của dãy mã giả ngẫu nhiên. Bộ tạo mã sẽ dịch 4 byte thông tin 1 nhịp và từ mã sẽ lặp lại sau 160 lần dịch tín hiệu sau khi được xử lý ngẫu nhiên hoá được đưa đến bộ mã hoá. * Mã hoá tín hiệu: Trong inmarsat C với phương thức FEC thường sử dụng mã xoắn (vòng) Trong 1 từ mã xoắn không phân biệt giữa các bit dữ liệu và các bit parity vì các bit mã hoá được tạo ra bởi sự trộn giữa bit thông tin đầu vào cùng với các thành phần hồi tiếp trước đó. Thông số quan trọng của mã xoắn là K và R. K: độ dài hạn chế, không quá K từ mã dữ liệu được sử dụng để tạo ra 1 từ mã, K tương ứng với chiều dài bộ ghi dịch của bộ mã hoá. R: Tốc độ mã hoá Trong inmarsat C thường: K=7 và R= 1/2 :số bit vào bộ mã hoá là 1 thì sẽ có 2 bit dữ liệu đầu ra.  Mạch mã hoá: + G1 s1 s2 s3 s4 s5 s6 s7 Dãy bit vào Dãy bit ra + G2 13
Có u1 = s1⊕s3⊕s4⊕s6⊕s7 u2 = s1⊕s2⊕s3⊕s4⊕s7 => Bảng mã hoá như sau: Nội dung ghi dịch u1 u2 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 * xử lý tráo: Bộ mã hoá tạo ra khả năng các bit lỗi có khả năng được phát hiện và xửa lỗi ở phía thu, nhưng số lỗi có thể sửa là rất hạn chế. Khi tín hiệu truyền trên đường truyền vệ tinh nó có thể gặp phải hiện tượng phađinh. Phađinh tín hiệu thường biến thiên chậm hơn tốc độ bit do đó có thể gây ra lỗi trên một quãng dài các bit, quá trình chèn được sử dụng để khắc phục hiện tượng này. Việc xử lý chèn giống như quá trình ghép theo thời gian từng symbol của từ mã này với từng symbol của từ mã này với từng symbol của từ mã khác, nghĩa là các burst thông tin được dàn trải về mặt thời gian sao cho nếu xảy ra lỗi thì các lỗi chỉ là ngẫu nhiên ở một vài symbol nào đó. Xét quá trình xử lý chèn 7 từ mã, mỗi từ mã gồm 7 symbol. Các symbol được kí hiệu lần lượt là An1 -> An7, các từ mã lần lượt n1, n2, . . , n7; 2n1, 2n2, 2n3, . . .,2n7; . . .;7n1, . . . ,7n7. Nguyên tắc: có một bảng mã bố trí theo hàng và cột. Tín hiệu đầu vào xếp theo hàng, lấy ra theo cột. n1 2n1 3n1 4n1 5n1 6n1 7n1 n2 2n2 3n2 4n2 5n2 6n2 7n2 n3 2n3 3n3 4n3 5n3 6n3 7n3 n4 2n4 3n4 4n4 5n4 6n4 7n4 n5 2n5 3n5 4n5 5n5 6n5 7n5 n6 2n6 3n6 4n6 5n6 6n6 7n6 n7 2n7 3n7 4n7 5n7 6n7 7n7 Bảng nguyên tắc ma trận trộn. Các từ mã được đọc ra khỏi ma trận là: 1n1, 2n1, 3n1, . . , 7n1; 1n2, 2n2, . . . ,7n2; . . . ; 1n7, 2n7, . . , 7n7. Như vậy nếu lỗi xảy ra trên một quãng 7 symbol thì chỉ một symbol của từng từ mã ban đầu bị lỗi, sau khi giải chèn một từ mã chỉ bị lỗi đơn do đó nó hoàn toàn có khả năng sửa lỗi thành công trong trường hợp không chèn thì có thể một vài từ mã có thể bị mất.. Trong hệ thống INM- C, 640 byte thông tin sau khi được mã hoá tạo ra 10240 symbol đưa tới ma trận chèn. 1 2 161 1 F hàng i = 0 2 S hàng i = 1 unique word unique word các cột 2÷ 161= các symbol từ mạch mã hoá L 63 14
2. Cấu trúc gói tin kênh TDM a) Cấu trúc chung. Gói tin là các gói dữ liệu được lưu trữ trong bộ nhớ trước khi tạo thành các khung phát trên các kênh thông tin. Do đó các gói cũng có cấu trúc như bộ nhớ (hàng, cột) Trong đó mỗi hàng tương đương 1 byte, số lượng hàng phụ thuộc kích cỡ và loại gói. Về phần cơ bản các gói tin có 3 phần: o phần mô tả gói o Thân gói o Kiểm tra tổng o Mô tả gói gồm 2 trường chính: Type và length (trường type cho biết chức năng của gói. Trường length cho biết độ dài của gói (byte), không kể phần type o Trường thân gói: mang toàn bộ nội dung thông tin liên quan đến chức năng của gói tin. Trong trường hợp nội dung thông tin quá dài thì phần thân gói được chia đôi và truyền trên 2 khung liên tiếp. khi đó phần kiểm tra tổng của khung trước bị xoá nhưng trường length vẫn giữ nguyên cấu trúc ban đầu (ghi độ dài gói tin nó mang chứ không ghi độ dài hói tin hiện thời). o Trường kiểm tra tổng để phát hiện và sửa lỗi cả gói tin. b) Cấu trúc gói tin kênh TDM. 8 7 6 5 4 3 2 1 0 type lenght information checksum Gói ngắn 8 7 6 543 21 1 0 type 1 lenght 2 information checksum Gói trung bình 8 7 6 543 21 1 1 1 type lenght 2 3 information checksum Gói dài − Mô tả gói ngắn:  1 byte mô tả: bit 0 (gói ngắn), “1” không phải gói ngắn. 15