- NGUYỄN THANH TÙNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TRẠM MẶT ĐẤT CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG Hà Nội – Năm 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI. - NGUYỄN THANH TÙNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TRẠM MẶT ĐẤT CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG Người hướng dẫn khoa học PGS.TS VŨ VĂN YÊM Hà Nội – Năm 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan. - Những nội dung trong luận văn là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Vũ Văn Yêm. - Học Viên Nguyễn Thanh Tùng LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM Trang 1 LỜI MỞ ĐẦU Hệ thống thông tin vệ tinh mới chỉ xuất hiện trong hơn bốn thập kỷ qua nhưng đã có những bước phát triển như vũ bão cùng với cuộc cách mạng công nghệ viễn thông. - Lĩnh vực vệ tinh ngày nay đã trở nên quen thuộc trên phạm vị toàn thế giới cũng như có những bước tiến vững chắc tại Việt Nam. - Các hệ thống thông tin vệ tinh ngày nay giúp con người cảm nhận và đánh giá được thế giới xung quanh. - Trong tình hình chung của thế giới cũng như sự phát triển công nghệ vệ tinh tại Việt Nam hiện nay, việc tìm hiểu phát triển công nghệ trong thông tin vệ tinh để giảm bớt khối lượng, kích thước và tích hợp nhiều chức năng cho hệ thống vệ tinh mà không phải thay đổi nền tảng phần cứng. - Sự ra đời của công nghệ Software Defined Radio (SDR), hay thiết bị vô tuyến có cấu trúc định nghĩa bằng phần mềm đã đáp ứng được các nhu cầu đó. - Vì lý dó trên cùng với sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Vũ Văn Yêm tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết kế trạm mặt đất cho hệ thống thông tin vệ tinh” trong đó chủ yếu nghiên cứu công nghệ SDR để thiết kế trạm mặt đất cho luận văn tốt nghiệp của mình. - Mục tiêu của luận văn là tìm hiểu về công nghệ SDR và áp dụng để thiết kế trạm mặt đất cho hệ thống thông tin vệ tinh. - Nội dung chính của luận văn gồm 3 chương: Chương I: Tổng quan về trạm mặt đất Chương II: Công nghệ SDR Chương III: Trạm mặt đất sử dụng công nghệ SDR LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM Trang 2 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU. - 8 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TRẠM MẶT ĐẤT. - 10 1.1 Kiến trúc tổng quan của trạm mặt đất. - 10 1.2 Phân hệ anten. - 13 1.2.4 Nhiệt độ tạp âm của anten. - 14 1.3 Phân hệ tần số vô tuyến. - 16 1.4 Phân hệ xử lý tín hiệu trung tần. - 17 1.5 Phân hệ giao diện mạng. - Phân hệ điều khiển và giám sát. - 24 CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ SDR. - 25 2.2 Cấu trúc hệ thống SDR lý tưởng. - 28 2.3.3 Lấy mẫu tín hiệu thông dải. - 29 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM Trang 3 2.4 Điều chế số. - 35 2.4.2 Điều chế số hai trạng thái BPSK. - 38 2.4.4 Điều chế QAM. - 53 2.6.4 Giới hạn của công nghệ. - 61 CHƯƠNG III: TRẠM MẶT ĐẤT SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ SDR. - 62 3.1 Cấu trúc hệ thống trạm mặt đất sử dụng công nghệ SDR. - 62 3.2 Cấu trúc bộ DDC và DUC. - 67 3.2.1 Cấu trúc bộ DDC (digital down conventer. - 67 3.2.2 Cấu trúc bộ DUC (digital up converter. - 82 3.4.1 Lấy mẫu tín hiệu. - 83 3.4.2 Lượng tử hóa tín hiệu. - 83 3.4.3 Mã hóa tín hiệu và tính toán SNR cho bộ ADC. - 84 3.5 Ước lượng và khử jitter trong trạm mặt đất. - 85 3.5.1 Ước lượng jitter từ các tín hiệu âm thanh tham chiếu. - 85 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM Trang 4 3.5.2 Khử jitter. - 87 3.6 Mô phỏng vấn đề thu phát trạm mặt đất sử dụng công nghệ SDR. - 91 3.6.1 Sơ đồ khối hệ thống mô phỏng. - 102 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM Trang 5 DANH MỤC HÌNH VẼ Chương I Hình 1. - 1: Sơ đồ khối chức năng một trạm mặt đất điển hình. - 2: Mô tả kích thước hình học của anten parabol. - 4: Tăng ích của anten trạm mặt đất theo khuyến nghị của ITU. - 6: Mô tả sơ đồ khối chức năng phần phát. - 1: Cấu trúc của hệ thống SDR lý tưởng. - 2: Sơ đồ bộ điều chế I/Q. - 3: Tín hiệu tần số Nyquist ở F / 2. - 4: Không gian tín hiệu của BPSK. - 5: Sơ đồ khối máy phát và thu BPSK. - 7: Mật độ phổ công suất của tín hiệu QPSK. - 10: sơ đồ khối truyền QAM. - 12: Sơ đồ khối tổng quát của quá trình downsample với factor 3. - 17: Phân tích Walden trong kỹ thuật ADC. - 18: Oversampling ADC làm đòn bẩy cho kỹ thuật số. - 1: Cấu trúc đơn giản của thiết bị vô tuyến SDR. - 2: Một kiến trúc máy trạm mặt đất thu phát dùng công nghệ SDR. - 3: Kiến trúc hệ thống của thiết bị đầu cuối trạm mặt đất dùng công nghệ SDR. - 4: Cấu trúc 3 tầng của trạm mặt đất. - 5: Sơ đồ khối hệ thống. - 6: Cấu trúc chung của hệ thống DDC. - 7: Sơ đồ nguyên lí bộ DDC. - 68 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM Trang 6 Hình 3. - 8: Sơ đồ khối bộ DDC. - 9: Sơ đồ khối bộ trộn tần. - 10: Sơ đồ khối bộ PLL ( phase lock loop. - 11: Đồ thị biểu diễn liên hệ giữa độ sai pha 2 tín hiệu đầu vào và giá trị điện áp trung bình đầu ra. - 12: Sơ đồ khối bộ dò sai pha. - 13: Tín hiệu trước và sau bộ suy giảm. - 14: Sơ đồ khối bộ DUC. - 15: Tín hiệu trước và sau nội suy trên miền thời gian. - 16: Tín hiệu trước và sau nội suy trên miền tần số. - 19: Sơ đồ nguyên lí ước lượng và khử jitter. - 20: Sơ đồ khối đầy đủ hệ thống SISO. - 21: Tín hiệu vào ra các thành phần phía phát hệ thống SISO. - 22: Tín hiệu vào ra các thành phần phía thu hệ thống SISO. - 23: Tín hiệu điều chế BPSK thu được sau khi qua kênh truyền. - 24: Tín hiệu điều chế QPSK thu được sau khi qua kênh truyền. - 25: Tín hiệu điều chế 4 - QAM thu được sau khi qua kênh truyền. - 26: Đồ thị biểu diễn qua hệ BER và Eb/No của hệ thống sử dụng ước lượng kênh truyền và hệ thống sử dụng kênh đã biết. - 27: Đồ thị biểu diễn qua hệ BER và Eb/No của hệ thống sử dụng các phương thức điều chế khác nhau. - 28: Đồ thị mối quan hệ giữa BER với Eb/No hệ thống SISO. - 98 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM Trang 7 DANH MỤC BẢNG Chương I Bảng 1. - 1: Dung lượng và băng tần của ghép kênh tương tự trong thông tin vệ tinh. - 2: Các tham số chính của trạm mặt đất trong băng tần C. - 3: Các tham số chính của trạm mặt đất trong băng tần Ku. - 4: Các tham số chính của trạm mặt đất trong băng tần Ka 30/20 Ghz. - 75 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM Trang 8 CÁC TỪ VIẾT TẮT ADC Analog-to-Digital Converter AGC Automatic Gain Control AM Amplitude Modulation AMPS Advanced Mobile Phone System ASK Amplitude-Shift Keying AWGN Additive White Gaussian Noise BPS Bandpass Sampling BPSK Binary phase-Shift Keying BTS Base Transceiver Station BW Bandwidth CDMA Code Division Multiple Access CPU Central Processing Unit DAC Digital-to-Analog Converter DPSK Differential Phase-Shift Keying DNR Dynamic Range Budget DSB Double-Side Band DSP Digital Signal Processing FM Frequency Modulation FPGAs Field-Programmable Gate Array FSK Frequency-Shift Keying GMSK Gaussian Minimum-Shift Keying LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM Trang 9 GSM Global System for Mobile Communications HDR Hardware Defined Radio IF Intermediate Frequency IrDA Infrared Data Association ISI Intersymbol Interference LPS Lowpass Sampling LNA The Low-Noise Amplifier MIPS Million Instructions Per Second NCO Numberically Controlled Oscillator OOK On-Off Keying OPQSK Offset QPSK PA Power Amplifier PSD Power Spectral Density PSK Phase-Shift Keying QAM Quandrature Amplitude Modulation QPSK Quadrature Phase-Shift Keying RF Radio Frequency SDR Software Defined Radio SNDR Signal to Noise and Distortion Ratio SNR Signal-to-Noise Ratio SSB Single Sideband TDMA Time Division Multiple Access LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM Trang 10 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TRẠM MẶT ĐẤT 1.1 Kiến trúc tổng quan của trạm mặt đất Cấu trúc tổng quát của một trạm mặt đất gồm năm phân hệ như hình 1.1 bao gồm. - Phân hệ anten - Phân hệ thu - Phân hệ phát - Phân hệ ghép kênh và giao diện - Phân hệ bám vệ tình và điều khiển Hình 1. - 1: Sơ đồ khối chức năng một trạm mặt đất điển hình Dưới góc độ phân tích tín hiệu, trạm mặt đất bao gồm năm phân hệ: Phân hệ phát Phân hệ thu Phân hệ ghép kênh và giao diện Thiết bị đầu cuối người sử dụng Dữ liệu Phân hệ bám và điều khiển vệ tinh Mô tơ điều khiển Tín hiệu lệnh Tín hiệu lỗi Bám Chương trình bám Khuếch đại công suất Chuyển đổi tần số lên Điều chế Xử lý tín hiệu phát Hỗn hợp Khuếch đại tạp âm thấp Phân chia Chuyển đổi tần số xuống Giải điều chế Xử lý tín hiệu thu Giao diện kết nối mạng mặt đất Tách kênh Ghép kênh Phân hệ anten anten thu/phát Bộ song công LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM Trang 11 - Phân hệ anten - Phân hệ tần số vô tuyến - Phân hệ xử lý tín hiệu trung tần - Phân hệ ghép kênh và giao diện mạng - Phân hệ giám sát, bám và điều khiển vệ tinh 1.2 Phân hệ anten Yêu cầu đầu tiên của anten mặt đất là có độ tăng ích lớn và búp sóng nhọn hướng về phía vệ tinh. - Nhiều trường hợp anten thu và phát của trạm mặt đất được sử dụng chung và tín hiệu của hai đường thu/phát được tách biệt nhau qua một bộ chia (bộ phân luồng). - Có 2 loại anten được sử dụng phổ biến nhất ở trạm mặt đất là anten parabol và anten Cassegrain 1.2.1 Anten gương Parabol Cấu trúc của anten gương Parabol gồm hai bộ phận chủ yếu là là gương phản xạ (chảo phản xạ hình parabol) và một phần tử tích cực gọi là bộ chiếu xạ. - 2: Mô tả kích thước hình học của anten parabol Như ở hình 1.2 thì: FA + AA. - k Trong đó FX là tiêu cự của parabol LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM Trang 12 k là hằng số Hệ số tăng ích của anten parabol Gp có thể tính theo biểu thức gần đúng: Gp = η Trong đó η là hiệu suất của anten D là đường kính miệng parabol là bước sóng công tác (m) Thông thường hiệu suất η của anten chỉ đạt khoảng 55% một số năng lượng sóng được hấp thụ từ gương và một số năng lượng bị nhiễu xạ xung quanh mép gương, thêm vào đó bộ chiếu xạ còn tạo nên một vùng tối đối diện với gương. - 1.2.2 Anten Cassegrain Cấu tạo của anten Cassegrain gồm có: gương phản xạ paraboloid (gương chính), gương phản xạ hyperboloid và bộ chiếu xạ dùng anten loa nối với ống dẫn sóng cấp điện. - f là tiêu cự chung - Z0 là khoảng cách từ tiêu cự đến mặt phẳng sóng quan sát LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT GVHD:PGS.TS VŨ VĂN YÊM Trang 13 - 2a là khoảng cách giữa hai gương Hình 1. - 3: Anten Cassegrain 1.2.3 Bức xạ của búp sóng chính và búp sóng phụ Thông số quan trọng nhất của một anten trạm mặt đất là đặc tính bức xạ của búp sóng chính đặc trưng bởi độ tăng ích G, độ rộng búp sóng Ө-3dB và độ phân ly phân cực. - Độ tăng ích của anten có quan hệ trực tiếp với công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) và tỷ số G/T của trạm mặt đất. - Độ rộng của búp sóng cũng đồng thời liên quan đến hệ thống bám vệ tinh. - Giá trị độ cách ly phân cực xác định dung lượng của một anten trong trường hợp hệ thống sử dụng phân cực trực giao. - Khuyến cáo các nhà sản xuất anten sao cho giá trị tăng ích búp sóng phụ của anten trạm mặt đất không vượt quá: Gbúp phụ(Ө
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt