Tài liệu Truyền hình qua vệ tinh

ĐỀ TÀI: Truyền hình qua vệ tinh
Lời nói đầu


Truyền h́nh là một h́nh thức thông tin rất sinh động, được nhiều người, nhiều ngành, quan tâm. Truyền h́nh đen trắng đă bắt đầu tư trước chiến tranh thế giới lần thứ hai. Từ những năm 1953 đă bắt đầu truyền h́nh mầu các hệ truyền h́nh màn NTSC, SECAM, PAL. Hiện nay đang trở thành truyền h́nh cổ điển để nhường cho thế hệ truyền h́nh mới có độ phân giải cao.
So với truyền h́nh cổ điển, truyền h́nh bằng vệ tinh và cáp băng rộng đang trở thành vấn đề rất thời sự hiện nay trên thế giới.
Truyền h́nh vệ tinh có phần ưu điểm đối với HDTV và cả truyền h́nh cổ điển. Phạm vi phủ sóng bằng vệ tinh rất rộng, có thể vượt ra ngoài phạm vi của một lănh thổ. Ở Châu Á, truyền h́nh bằng vệ tinh đang rất phát triển, ở Việt Nam hiện nay có thể thu được 25 chương tŕnh truyền h́nh qua vệ tinh của các nước trên thế giới.
Muốn thu truyền h́nh trực tiếp từ vệ tinh, phần máy thu h́nh vệ tinh (DBS) phải có cấu tạo đặc biệt so với máy thu h́nh thông dụng. Việc thu h́nh trực tiếp từ vệ sinh có thể thực hiện tại gia đ́nh hoặc thu tập thể rồi phân phối ddi các hộ gia đ́nh, cho một nhà cao tầng, khách sạn, cơ quan hoặc cho một tuyến phố, quận, xă .
Trong phạm vi đồ án tốt nghiệp này, em t́m hiểu về hệ thống thu truyền h́nh trực tiếp từ vệ tinh. Do lĩnh vực c̣n rất mới mẻ, thời gian có hạn, nên cuốn đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được các thầy cô và các bạn đồng nghiệp chỉ bảo. Qua đồ án nhỏ này em xin bày tỏ ḷng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Kiều Khắc Lâu đă hết ḷng chỉ bảo, hướng dẫn để đồ án hoàn thành tốt đẹp.

CHƯƠNG I
Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh
1.1. Giới thiệu
Từ ư tưởng về hệ thống liên lạc viễn thông không dây toàn cầu trong truyện khoa học viễn tưởng của nhà văn Arthurc Clarke năm 1945. Ngày nay thông tin vệ tinh đă trở thành một dịch vụ phổ thông trên toàn thế giới. Hàng ngày các vệ tinh địa tĩnh của hai hệ thống thông tin toàn cầu lớn nhất là Itelsat và Intersputryk bay ṿng quanh trái đất cung cấp hàng ngàn kênh thoại cố định nối hàng trăm quốc gia với nhau.
Ngoài ra c̣n có các vệ tinh khu vực như Aussat, Eusat, Aeabsat, phát thanh truyền h́nh, truyền số liệu, đảm bảo thông tin dẫn đường cho hàng không, cứu hộ cho hàng hải, thăm ḍ tài nguyên bằng các vệ tinh quỹ đạo thấp, người ta đă đưa chương tŕnh đào tạo và giáo dục từ xa vào cuộc sống.
Tổ chức thông tin vệ tinh quốc tế Intelsat là một tổ chức viễn thông quốc tế hoạt động phi lợi nhuận - do các nước thành viên góp vốn, hiện nay có hơn một trăm thành viên. Mạng thông tin vệ tinh quốc tế Intelsat đă trở thành mạng vệ tinh lớn nhất thế giới cung cấp 1/3 tổng số kênh liên lạc quốc tế toàn cầu.
Tổ chức thông tin vệ tinh Inters punyk có mạng vệ tinh cho hơn chục nước tham gia vào mạng thông tin liên lạc cố định và phủ sóng phát thanh truyền h́nh. Việt Nam là thành viên của tổ chức này từ năm 1980 với trạm mặt đất Hoa sen 1 là quà tặng của Chính phủ Liên Xô trước đây, cho phép Việt Nam liên lạc nhanh chóng với thế giới bên ngoài.
Với việc tiến bộ nhanh của các ngành khoa học kỹ thuật đặc biệt là điện tử - viễn thông - tin học - viễn thông đă tạo ra khả năng tăng dung lượng các hộ phát đáp trên vệ tinh và kỹ thuật điều khiênr phát xạ cho phép điều chỉnh hướng liên lạc từ vùng này sang vùng kia của hành tinh một cách tuỳ ư theo mức độ công suất tuỳ ư.
1.2. Đặc điểm của thông tin vệ tinh
Thông tin liên lạc nhờ chuyển tiếp qua vệ tinh có những đặc điểm sau:
Vùng phủ sóng lớn: V́ từ quỹ đạo địa tĩnh có bán kính cách trái đất trung b́nh khoảng 37.000km nên vệ tinh có thể nh́n thấy 1/3 trái đất, như vậy với 3 vệ tinh vùng phù sóng có thể bao trùm toàn cầu trừ vùng cực.
Dung lượng thông tin lớn: Với băng tần công tác rộng, nhờ áp dụng các kỹ thuật sử dụng lại băng tần nên hệ thông tin vệ tinh cho phép đạt tới dung lượng lớn trong một thời gian rất ngắn mà không một loại h́nh thông tin nào có thể đạt được.
Độ tin cậy thông tin cao: Tuyến thông tin vệ tinh chỉ có 3 trạm trong đó vệ tinh đóng vai tṛ trạm lặp c̣n hai trạm đầu cuối trên mặt đất v́ vậy xác xuất hư hỏng trên tuyến là rất thấp v́ vậy độ tin cậy trung b́nh đạt 99,9% thời gian thông tin trên một năm.
Chất lượng cao: Đường thông tin có chất lượng cao do các ảnh hưởng do nhiều khí quyển, pha dinh là không đáng kể. Tốc độ bít lồi kênh có thể đạt 10[SUP]-9[/SUP]
Tính linh hoạt cao: Hệ thống tin được thiết lập rất nhanh trong điều kiện các trạm mặt đất ở rất xa nhau về mặt địa lư, dung lượng có thể thay đổi rất linh hoạt tuỳ theo yêu cầu sử dụng.
Đa dạng về loại h́nh dịch vụ: Thông tin vệ tinh cung cấp các loại h́nh dịch vụ sau:
Dịch vụ thoại, fax, telex cố đính.
Dịch vụ phát thanh truyền h́nh quảng bá.
Dịch vô thông tin di động qua vệ tinh
Dịch vô PAMA, VSAT, đạo hàng, cửa hộ hàng hải.
1.3. Tần số công tác của thông tin vệ tinh
Hiện nay thông tin vệ tinh sử dụng các băng tần sau đây:
Băng C:
Tuyến lên nằm trong các dài tần sau: 3,85 ¸ 5,9 ¸ 7,025 GHz
Tuyến xuống nằm trong dải 3,7 ¸4,2; 4,5 ¸ 4,8 GHz
Trong đó hiện nay gải 4,5 ¸ 4,8 GHz cho tuyến xuống chưa có hàng nào chế tạo thiết bị.
Băng Ku
Tuyến lên: 12,75 ¸ 13,25 GHz; 14 ¸ 14,5 GHz
Tuyến xuống: 10,7 ¸ 10,95 ¸ 11,2 ¸ 11,45 ¸ 11,7 GHz
1.3.1. Độ rộng bằng tần thông tin vệ tinh
Hiện nay các vệ tinh thông tin được sử dụng có dải thông 500MHz nó được chia ra các băng tần nhỏ hơn như 36 hoặc 72MHz. Tuy có độ rộng 500MHz song nó rất hạn chế việc tăng dung lượng v́ vậy việc tăng độ rộng băng tânhiều là cần thiết. Các kỹ thuật sử dụng lại băng tần cho phép nâng giá trị hiện dùng của nó lên 2,59GHz được thực hiện bằng một trong hai cách sau đây:
1.3.2. Tái sử dụng tần số bằng cách phân hiệp các ch́m tia phát xạ từ Anten, các băng tần giống nhau được phát đi bằng các Anten trên vệ tinh dùng các bộ phát đáp khác nhau có chùm tia thu và chùm tia phát không trùng lên nhau.
1.3.3. Tái sử dụng tần số bằng cách chọn phân cực: Các băng tần giống nhau, được phát xạ do các Anten thông qua các bộ phát đáp khác nhau sử dụng phân cực trực giao của các sóng điện từ.
Trong thông tin vệ tinh sóng điện từ được phân cực theo hai loại tṛn và tuyến tính để truyền đi trong không gian, để thu được các sóng có phân cực như trên th́ anten cũng phải có phân cực tṛn và tuyến tính tương ứng. Anten có fead hom thu phân cực tuyến tính thu được với mức lớn nhất sóng điện từ cùng phân cực nếu góc nghiêng của sóng điện từ và anten trong không gian là bằng nhau.
1.4. Cấu h́nh hệ thống thông tin vệ tinh
Hệ thống thông tin vệ tinh được h́nh thành bằng hai phần chính đó là không gian và phần mặt đất.
1.4.1. Phần không gian gồm vệ tinh, các thiết bị thông tin trên vệ tinh, thiết bị điều khiển độ xa, các thiết bị cung cấp nguồn lấy từ năng lượng mặt trời. Trong hệ thống thông tin vệ tinh th́ vệ tinh thông tin thực chất là một trạm lặp tín hiệu của tuyến thông tin siêu cao tần.
1.4.2. Phần mặt đất hay c̣n gọi là các trạm thu phát, trên mặt đất gọi tắt là trạm mặt đất:
- Anten thu phát và các thiết bị điều khiển bám vệ tinh
- Èng dẫn sóng, các bộ chia cao tần và ghép công suất.
- Máy thu tạp âm thấp, các bộ điều chế và phản điều chế
- Các bộ đổi tần tuyến lên và tuyến xuống
- Bộ khuếch đại công suất lớn
Đường lên lạc trên hệ thống thông tin vệ tinh được mô tả như sau
H́nh 1.4





1. BR: Băng tần cơ bản
2. MOD: Bộ điều chế
3. U/C: Bộ đổi tần tuyến lên
4. HPA: Bộ khuếch đại công suất
5. LNA: Bộ khuếch đại tạp âm thấp
6. D/C: Bộ đổi phần xuống
7. DEM: Bộ phản điều chế
Ta đă coi vệ tinh thông tin như là một trạm lặp không gian của thông tin vô tuyến siêu cao tần có đường truyền sóng rất dài xuyên qua khí quyển vào trong vũ trụ. Chiều dài đường truyền từ Anten phát trạm mặt đất đến anten thu trên vệ tinh khoảng 37.000km.
Hoạt động của hệ thống thông tin vệ tinh như sau:
Tại đầu phát băng tầng cơ bản (BR), tín hiệu thoại, video, telex . được điều chế lên thành trung tần IF (Intermediate Frequency) sau đó được đổi lên thành cao tần (Radiorequency) nhờ bộ đổi tần tuyến lên u/c (up - converter) rồi được khuếch đại lên mức công suất cao nhờ bộ HPA (High power amplifier) rồi được phát lên vệ tinh qua anten phát trạm mặt đất.
Tại đầu thu của vệ tinh, tín hiệu thu được qua bộ khuếch đại, qua đổi tần, khuếch đại công suất rồi phát xuống mặt đất nhờ anten phát.
Anten thu trạm mặt đất thu tín hiệu từ vệ tinh phát về, tín hiệu được qua bé LNA (Low noise amplifier) , tần số siêu cao được biến đổi thành trung tần IF nhờ bộ D/C (Dowr converter) bộ biến đổi xuống, sau đó sang DEM (Denodulatar) phản điều chế, để phục hồi lại băng tần cơ bản như trạm mặt đất Pháp.
1.5. Kỹ thuật trạm mặt đất
1.5.1. Tổng quát về trạm mặt đất thông tin vệ tinh
Khi muốn thiết lập đường liên lạc gữa hai điểm trực tiếp với nhau, trên trái đất thông qua trạm chuyển tiếp vệ tinh người ta phải thiết lập hai trạm trên mặt đất. Trạm đó có tên là trạm mặt đất thông tin vệ tinh và thu tín hiệu từ vệ tinh về.
Có nhiều loại trạm mặt đất khác nhau được sử dụng tuỳ thuộc vào kiểu dịch vụ liên lạc qua vệ tinh, ví dụ như các dịch vụ vệ tinh cố định th́ có các trạm mặt đất cố đinh, các dịch vụ di động cần các trạm mắt đất di động . Các trạm mặt đất tuỳ theo loại mà được quy định chỉ tiêu kỹ thuật hệ thống như G/T, đường kính anten.
Trạm mặt đất thông tin vệ tinh nằm trong mạng thông tin vệ tinh intelsar được phân loại A, B, C . theo đường kính anten, hệ số phẩm chÊt của trạm. Để đảm bảo các chỉ tiêu chuẩn liên lạc toàn hệ thống. Ngoài ra khi thiết lập đường liên lạc mới Intelsat c̣n quy định các chỉ tiêu kênh và bài đo thứ bắt buộc phải làm sau khi xong phải báo cáo và liên lạc chỉ được chép mở khi cơ quan quản lư khai thác chấp thuận các kết quả đo đă được báo cáo.
Trạm mặt đất loại công suất nhỏ cố định hoặc di động thường được đặt lại các vùng nông thôn hoặc rừng núi hẻo lánh, trên ô tô, tàu thuỷ, hoặc xách tay để phục vụ cho các mực đích liên lạc khác nhau.
Việc duy tŕ hoạt động của trạm mặt đất về mặt kỹ thuật có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng đường liên lạc qua vệ tinh.
1.5.2. Cấu trúc trạm mặt đất
Hệ thống trong trạm mặt đất bao gồm: Anten na, thiết bị phát và thiết bị thu siêu cao, các bộ biến đổi tuyến lên, tuyến xuống, hệ thống xử lư tín hiệu, hệ thống thiết bị băng tần cơ bản, hệ thống giám sát . Tín hiệu có băng tần cơ bản của trạm mặt đất được chia làm hai loại cơ bản.
Tín hiệu thoại, telex, dữ liệu . dưới dạng tương tự hay số được đưa đến và lấy ra từ trung tâm bảo tŕ trung kế quốc tế để đấu nối đến trạm mặt đất bằng hệ thống thông tin cáp đồng trục hoặc hệ thống thông tin cáp sợi quang.
1.5.3. Hệ thống anten
Đường kính anten thu phát trạm mặt đất thông thường có đường kính từ 0,6 đến 30m tuỳ theo tiêu chuẩn từng loại tạm ứng với tiêu chuẩn do intelsat quy định. Để bám được vệ tinh kể cả trong trường hợp vệ tinh bị lệch quỹ đạo với mức độ cho phép, người ta phải trang bị các thiết bị bám antenna kèm theo đảm bảo cho antenna lúc nào cũng hướng đúng vệ tinh.
Hệ số phẩm chất của trạm mặt đất được diễn tả bằng tỷ số giữa độ tăng Ưch antenna trạm (G) và nhiệt độ âm hệ thống (T) ta được: G/T theo tiêu chuẩn trạm mặt đất loại A th́ tỷ số G/T trang 35,5dB.
Hệ thống anten được đấu nối trực tiếp với bộ khuếch đại tập âm thấp LNA (Low noise amplifier) và bộ khuếch đại công suất lớn HPA (High powen amplifien) bằng hệ thống ống dẫn sóng, để ngăn cách giữa công suất phát và tín hiệu thu về không lần sang nhau. V́ dùng chung antenna người ta dùng bộ lọc thu phát hiên cao.
Khi thiết kế trạm người ta phải bố trí sao cho ống dần sáng nối thiết bị thu phát đến anten là ngắn nhất để giảm mức suy hao tín hiệu do suy hao của ống dẫn sóng gây ra. Việc lấy tạo độ để điều chỉnh anten hướng đúng vệ tinh là việc rất khó khăn nó đồi hỏi phải tính toán trước góc ngẩng và góc phương vị của anten khi biết vị trí quỹ đạo vệ tinh và vị trí đặt trạm sau đó phải chỉnh thật chính xác.
1.5.3.1. Hệ thống thu tín hiệu.
1.5.3.2. Thu tín hiệu thoại và dữ liệu
Tín hiệu thoại và dữ liệu được thu nhờ antenna sau đó qua bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA nó được khuếch đại lên và cả tạp âm thấp cũng được khuếch đại lên, sau đó sang bé chia cao tần và rồi vào bộ biến đổi xuống D/C để đổi từ tần số RF xuống trung tần IF, cuối cùng đến bộ điều chế và sau đó ta thu được băng tần cơ bản của tín hiệu thoại đưa về ITMC.
1.5.3.3. Thu tín hiệu h́nh
Tín hiệu h́nh thu được sau khi được đổi tần lấy ra trung tần h́nh và tiếng đi kèm, khuếch đại nếu cần sẽ có rửa và đưa sang studio h́nh trong trường hợp thu h́nh.
V́ tín hiệu thu về rất yếu khoảng -150 dB nên thông thường bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA được đặt ngay đầu thu của Anten để tránh suy hao do phi đơ. Để giảm nhiệt độ tạp âm hệ thống người ta chọn hộ LNA có nhiệt độ tạp âm càng thấp càng tốt.
1.5.4. Hệ thống phát tín hiệu
1.5.4.1. Phát tín hiệu thoại
Tín hiệu thoại và dữ liệu được đưa đến từ ITMC sang trạm mặt đất dưới dạng băng tần cơ bản sau đó được tách ghép và xử lư thêm tín hiệu nghiệp vụ của hệ thống sau đó được xử lư biến đổi lên trung tần rồi nâng lên cao tần cho phù hợp với trong hệ thống thông tin vệ tinh, sau đó nhờ bộ khuếch đại công suất cao nhờ bộ HPA, qua bộ cộng rồi đưa ra anten phát lên vệ tinh.
1.5.4.2. Phát tín hiệu h́nh
Tín hiệu h́nh có băng tần cơ được tạo ra từ studio truyền h́nh theo các đường h́nh và đường tiếng riêng biệt sau đó xử lư thành tín hiệu phù hợp. Sau đó được khuếch đại lên mức công suất cao nhờ bộ HPA, rồi cộng với tín hiệu tiếng rồi đưa ra anten phát lên vệ tinh.
Các trạm mặt đất thường phát công suất từ vài W đến vài KW tuú theo dung lượng thông tin trạm, ngoài ra phải dự trữ vài dBW công suất cho những trường hợp mưa lớn.
1.5.5. Hệ thống điều khiển và giám sát
Để giám sát chất lượng các sóng mang và toàn bộ hoạt động của trạm mặt đất người ta thường trang bị một hệ thống gọi tắt là CMA. (control mono toring and alarm system), được điều khiển bằng máy tính năng lượng cao.
Công việc theo dơi của hệ thống CAN bao gồm
- Theo dơi và điều khiển mức công suất phát theo tiêu chuẩn
- Theo dơi mức công suất tín hiệu thu tức là tỷ số C/N
- Theo dơi các thiết bị xử lư tín hiệu như các modem số, các thiết bị đổi tần tuyến lên U/C và tuyến xuống D/C.
- Theo dơi chất lượng tín hiệu h́nh
1.6. Anten trạm mặt đất thông tin vệ tinh th́ anten là một thiết bị quan trọng nhất chiếm tới 50% giá thành trạm, bản thân nó quyết định cấu h́nh và hoạt động khai thác của trạm.
Các anten thường đồng thời thu - phát tín hiệu với vệ tinh do có bộ lọc tín hiệu thu phát siêu cao gọi là Dupg lexer. Yêu cầu chất lượng đối với anten rất cao kể từ độ bằng phẳng của gương phản xạ cho đến kết cấu cơ khí, chất lượng điện khí, các thiết bị điều khiển đi kèm theo nă.
1.6.1. Hệ số khuếch đại anten quy về đầu vào máy thu kể cả suy hao do phi đơ được tính theo công thức:
G = (p[SUP]2[/SUP] D[SUP]2[/SUP]/l[SUP]2[/SUP]) . hL phi đơ = ()[SUP]2[/SUP] hL phi đơ
D: đường kính anten (m)
h: Hiệu suất anten đạt giá trị từ 50 ¸ 70%
l: Bước sóng tín hiệu mà anten thu hoặc phát l - 2
Lphi đơ: Suy hao ống dẫn sáng
Công thức tính hệ số khuếch đại anten như sau