Thiết kế kênh truyền hình số vệ tinh

Dựa vào các hệ thống truyền hình số vệ tinh có sẵn, theo các tài liệu huấn luyện của các chuyên gia nước ngoài, tác giả tổng hợp , biên soạn tính toán ứng dụng cho một hệ thống dùng ở cá

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI



LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

THIẾT KẾ KÊNH TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH

NGUYỄN TIẾN LONG

HÀ NỘI 2006

1.1.2 - Ưu điểm chính của thông tin liên lạc qua vệ tinh 2 1.2 - CẤU HÌNH KHÁI QUÁT CỦA MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN 4

1.3 - TẦN S LÀM VIỐ ỆC VÀ BĂNG THÔNG

1.4 - CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN TRÊN TUY N THÔNG TINẾ 7

1.4.4 - Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu tại đầu vào decoder 21 1.4.5 - Tỉ số năng lượng của bit/mật độ nhiễu Eb/NR O R 21 Chương 2- PHÂN TÍCH HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH 22 2.1 - HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ QUA Ệ TINHV 22 2.1.1 - Thực tiễn truyền hình số và chuẩn DVB-S 22 2.1.2 - Kỹ huật đt a ruy ập ua ệ inht c q v t 23 2.2 - CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG

2.2.1 - iĐ ều tần FM (frequency modulation) 28 2.2.2 - Mã hoá kênh (Channel encoding) 31 2.2.3 - Điều chế số ( Digital Modulation ) 31 2.2.4 - Hiệu suất phổ (spectral efficiency ) Г 32

2.2.7 - Tính toán tốc độ dữ liệu có ích so với dải thông vệ tinh 38

2.2.16 - Nhiệ ột đ nhiễu tương đương TR R R, hệ số nhiễu 44

2.2.18 - Mức công suất của bộ dao động ở ngõ vào Low-band 45

2.3.1 - Đặc tính , yêu cầu của anten trạm mặt đất 45

2.3.3 - Các thông số ủa anten parabol đố ứ c i x ng 46

3.1.3 - Nén tín hiệu chuẩn MPEG 2 cho Audio số– 56

3.2.1 - Các hệ truyền hình màu trên thế giới 60

3.2.4 - Chuẩn nén MPEG 2 cho video số - 71

3.2.7 - MPEG 2 Profiles, Levels, and Layer - 84

3.3.1 - Phân tán năng lượng (Energy dispersion) 87

4.2.5 - Thiết kế tính toán 107 4.2.6 - Thiết kế tính toán tuyến xuống băng Ku 111

  

Trong thời đại ngày nay, thời đại của công nghệ thông tin liên lạc, các thiết bị

và hệ thống mạng phát triển từng giờ, từng ngày Hệ thống viễn thông nói chung và

hệ thống truyền hình nói riêng đã, đang phát triển như vũ bão

Truyền hình từ kỹ thuật tương tự, đen trắng trên mặt đất đã bước qua kỷ

nguyên số, màu, độ phân giải cao trong các ứng dụng truyền dẫn bằng cáp, vô tuyến mặt đất, vệ tinh Thế giới tuy có nhiều chuẩn, hệ thống , nhưng chung quy nhằm giải quyết từng hoàn cảnh , đặc điểm , nhu cầu riêng của mỗi nước

Truyền hình số vệ tinh các nước đã phát triển đến mức hoàn thiện và không ngừng cải tiến nhằm nâng cao chất lượng và dung lượng các kênh Truyền hình số vệ tinh ở Việt Nam tuy bước đầu có ứng dụng và phát triển nhưng chỉ mới dừng ở mức

độ thuê kênh tính tại thời điểm hiện tại Công nghệ truyền hình số vệ tinh trên Thế giới cũng có nhiều chuẩn, hệ thống do vậy việc chọn theo hệ thống và chuẩn nào để ứng dụng cho quốc gia mình là điều đáng quan tâm của các nhà ứng dụng chuyên ngành

Việc thiết kế kênh truyền hình số qua vệ tinh cũng là điều mới mẻ với các nhà chuyên môn ở nước ta Nếu xét toàn diện từ thiết kế tính toán đến công nghệ chế tạo cho một hệ thống truyền hình số vệ tinh riêng ở Việt Nam hiện nay thì quả là một công trình phức tạp Nhưng nếu xét trên phương diện thiết kế tính toán, chọn thiết bị mua ở nước ngoài về lắp ráp thi công là điều khả thi

Trong khuôn khổ nội dung bản luận văn này, tác giả chủ yếu là thiết kế hệ thống kênh truyền hình số qua vệ tinh Ứng dụng công nghệ chuẩn châu Âu, từ đó lựa chọn thiết bị cho từng yêu cầu cụ thể trong hệ thống Dựa vào các hệ thống truyền hình số vệ tinh có sẵn, theo các tài liệu huấn luyện của các chuyên gia nước ngoài, tác giả tổng hợp , biên soạn tính toán ứng dụng cho một hệ thống dùng ở các đài truyền hình tỉnh hay một thành phố nào đó

Trong quá trình tính toán thiết kế cũng đề cập việc chọn lựa tốt nhất cho từng chỉ tiêu và các giải pháp khắc phục các hạn chế thường gặp

Tuy nội dung bản luận văn này có tính thực tiễn cao nhưng không tránh khỏi thiếu sót do trình độ của tác giả và thời gian có hạn Xin các thầy cô giáo và các đồng nghiệp góp ý chỉ bảo để nội dung bản luận văn này thực sự có ích

Xin chân thành cảm ơn

Chương 1- TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH

1.1 - ĐẶC Đ ỂI M H Ệ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH

1.1.1 - Định nghĩa, phân loại

+ Một vệ tinh có khả năng thu và phát sóng vô tuyến điện khi được phóng vào vũ

trụ ta gọi là vệ tinh thông tin Khi đó vệ tinh sẽ khuếch đại sóng vô tuyến điện nhận

được từ các trạm mặt đất và phát lại sóng vô tuyến điện đến các trạm mặt đất khác

Do vệ tinh chuyển động khác nhau khi quan sát từ mặt đất, phụ thuộc vào quỹ đạo

bay của vệ tinh, vệ tinh có thể phân ra vệ tinh quỹ đạo thấp và vệ tinh địa tĩnh

+Vệ tinh quỹ đạo thấp ( hình 1.1 ) là vệ tinh nhìn từ mặt đất nó chuyển động liên

tục, thời gian vệ tinh chuyển động một vòng trên quỹ đạo của nó khác với chu kỳ

quay của trái đất xung quanh trục của mình Các quỹ đạo thấp có hình ellipse gồm :

- LEOs (Low Earth Orbits) ở độ cao 750 - - 1500 km

- MEOs (Medium – Earth Orbits) ở độ cao 10000 20000 km-

- Ngoài ra còn có quỹ đạo cực, HEO

+ Ưu điểm chính của các hệ thống thông tin dùng ở các quỹ đạo này là :

- Giảm thời gian trễ

- Có thể thông tin đến bất cứ nơi nào trên trái đất

LEOs được ứng dụng nhiều trong các dịch vụ thông tin di động, MEOs cũng đang

cạnh tranh với LEOs, hệ thống định vị toàn cầu GPS ( Global Position System) là

một ví dụ về ứng dụng của MEOs

+ Vệ tinh địa tĩnh ( Geostationary Orbits – GEOs) là vệ tinh được phóng lên quỹ

đạo tròn nằm trên mặt phẳng đường xích đạo cách trái đất 35786 km, vệ tinh loại này bay xung quanh quả đất một vòng mất 24 giờ Do chu kỳ bay của vệ tinh trùng chu

kỳ quay của quả đất xung quanh trục của nó theo hướng từ tây sang đông, bởi vậy vệ tinh dường như đứng yên khi quan sát từ mặt đất

Mặc dù được sử dụng rộng rãi trong thông tin vệ tinh nhưng vệ tinh đặt ở GEO cũng

có một số khuyết điểm như :

Khó bao phủ ở những vùng cực

Khó đặt đúng quỹ đạo

Góc ngẩng tương đối thấp khi vĩ độ cao

Thời gian trễ lớn ( thời gian đi về của tín hiệu gần 0.25s )

- Có ba loại hình thông tin liên lạc qua vệ tinh :

Dịch vụ cố định (FSS –Fixed Satellite Service): VSAT + GSO

Dịch vụ quảng bá (BSS Broadcast Satellite Service): TVRO,SMATV,Radio –

Dịch vụ di động (MSS Mobile Satellite Services): SNG, LEO, MEO …–

1.1.2 - Ưu điểm chính của thông tin liên lạc qua vệ tinh

- Vùng phủ sóng rộng : do vệ tinh đặt cách xa trái đất

- Dung lượng thông tin lớn : vì sử dụng ở tần số cao nên băng tần rộng và áp dụng

các biện pháp tiết kiệm khoảng tần số (FDMA, TDMA, CDMA …)

- Độ tin cậy và chất lượng thông tin cao : do tuyến thông tin chỉ có ba trạm, trong đó

vệ tinh đóng vai trò như trạm lặp, còn hai trạm đầu cuối trên mặt đất nên xác suất hư

hỏng trên tuyến rất thấp

- Tính linh hoạt và hiệu quả kinh tế : hệ thống thông tin được thiết lập nhanh chóng

trong điều kiện các trạm mặt đất cách xa nhau Đặc biệt hiệu quả kinh tế cao trong

thông tin cự li lớn, thông tin xuyên lục địa

- Đa dạng về loại hình dịch vụ :

Dịch vụ thoại, Fax, Telex cố định

Dịch vụ phát thanh, truyền hình quảng bá

Dịch vụ thông tin di động qua vệ tinh

Dịch vụ VSAT, Inmarsat

Hình 1.1 : Vệ tinh quỹ đạo thấp Hình 1.2 : Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh

Vệ tinh địa tĩnh có thể bảo đảm thông tin ổn định liên tục hơn so với vệ tinh

quỹ đạo thấp, nên nó được sử dụng trong truyền hình

Nếu ba vệ tinh địa tĩnh được đặt cách đều nhau trên đường xích đạo như

hình 1.2 thì có thể thiết lập thông tin giữa hầu hết các vùng trên quả đất bằng cách

chuyển tiếp qua 1 hoặc 2 vệ tinh Điều này cho phép xây dựng một mạng thông tin

trên toàn cầu

Hình 1.3 : Hệ thống thông tin vệ tinh

1.2 - CẤU ÌNH HÁI UÁT H K Q CỦ MỘT HỆA THỐNG HÔNG T TIN

Hệ thống thông tin vệ tinh( hình 1.3 ) gồm có:

Một vệ tinh địa tĩnh

Các trạm mặt đất

Đường hướng từ trạm phát mặt đất đến vệ tinh được gọi là tuyến lên

Đường hướng từ vệ tinh đến trạm thu mặt đất gọi là tuyến xuống

1.2.1 - Cấu trúc cơ bản của vệ tinh :

Hình 1.4 mô tả một vệ tinh bao gồm:

- Vệ tinh nhân tạo chứa các máy thu phát hình, các bộ điều khiển bay

- Anten định hướng cho mặt đất, góc tỏa sóng của anten được chọn sao cho sóng

bao trùm những vùng cần phủ trên mặt đất (cả nước hoặc cả vùng lục địa)

- Nguồn năng lượng cung cấp cho vệ tinh hoạt động chủ yếu là dùng pin mặt trời

Hình 1.4 : Cấu trúc cơ bản của vệ tinh

Hình 1.5 – Sơ đồ khối chức năng của vệ tinh

- Hoạt động của vệ tinh ( hình 1.5 ):

Đầu tiên anten nhận tín hiệu của tuyến lên, kế đến bộ lọc sẽ bỏ đi dãy tần số không

mong muốn, bộ khuếch đại nâng công suất tín hiệu lên và tín hiệu được dịch xuống

dãy tần phù hợp với dãy tần của tuyến xuống Tiếp theo bộ khuếch đại, mạng lưới

phân kênh tách các kênh riêng lẻ để xử lý như : cân bằng, khuếch đại, lọc… tất cả

các kênh sau đó được kết hợp lại và truyền xuống

Hình 1.6 – Sơ đồ khối chức năng trạm mặt đất

1.2.2 - Trạm mặt đất

Phần mặt đất ( hình 1.6 ) hay còn gọi là các trạm thu, phát trên mặt đất, viết tắt

là SES (Satellite Earth Station) Có nhiều loại trạm mặt đất khác nhau được sử dụng,

tùy thuộc vào kiểu dịch vụ liên lạc qua vệ tinh Ví dụ như trạm cố định hoặc di động, chỉ thu, phát hoặc cả hai, mục đích sử dụng để truyền thông tin dữ liệu, thoại hoặc

truyền hình

Hệ thống thiết bị trong trạm mặt đất bao gồm : antenna, thiết bị phát và thiết bị thu

siêu cao, các bộ biến đổi tuyến lên và tuyến xuống, hệ thống xử lý tín hiệu, hệ thống

thiết bị băng tần cơ bản, hệ thống giám sát

- Tín hiệu băng tần cơ bản ( Base Band ) ở trạm mặt đất được chia làm hai loại

cơ bản là :

Tín hiệu thoại, Telex, dữ liệu dưới dạng tương tự hay số được đưa đến và lấy ra từ trung tâm bảo trì trung kế quốc tế ITMC (International Trunk Maintenance Center)

được đấu nối đến trạm mặt đất bằng hệ thống cáp đồng trục hoặc cáp sợi quang

Tín hiệu hình được đưa đến trạm mặt đất từ Studio truyền hình ( phát hình hoặc thu

hình ) cũng bằng cáp đồng trục hoặc cáp sợi quang

- Hệ thống anten :

Đường kính anten thu, phát của trạm mặt đất thông thường từ 0.6 - 30 m tuỳ theo

tiêu chuẩn của từng loại trạm Anten được một hệ thống cơ khí vững chắc giữ, đảm

bảo đỡ anten được trong các điều kiện mưa to gió lớn thậm chí động đất

Hệ thống anten được đấu nối trực tiếp với bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA và bộ

khuếch đại công suất lớn HPA bằng hệ thống ống dẫn sóng Để ngăn cách giữa tín

hiệu công suất phát và tín hiệu thu về không lẫn sang nhau( vì dùng chung antenna ) người ta dùng bộ lọc thu phát siêu cao ( Diplexer )

- Hệ thống thu tín hiệu :

Tín hiệu SHF thu từ antenna được khuếch đại lên nhờ LNA, sau đó qua bộ chia cao

tần rồi vào bộ biến đổi xuống (Down Converter) để đổi từ tần số RF xuống trung tần

IF, kế đến qua bộ giải điều chế để thu lại tín hiệu băng tần cơ bản ( Base Band ) Tín

hiệu sẽ được xử lý như giải nén, sửa lỗi ( Redundancy ), giải nhấn (De-emphasis),

triệt tiếng dội (Echo-Cancellation) sau đó các tín hiệu thoại hay truyền hình được

phân kênh để có thể truy xuất dễ dàng theo các tần số sóng mang chuẩn

- Hệ thống phát tín hiệu :

Tín hiệu băng tần cơ bản được dồn kênh (Mux), sau đó qua bộ xử lý tín hiệu, điều

chế, tổng hợp tần số, đổi tần cho từng kênh riêng lẻ sau đó qua bộ khuếch đại công

suất lớn truyền qua Diplexer, Feeder và bức xạ ra antenna

Ngoài ra còn có hệ thống bám vệ tinh (Tracking), hệ thống giám sát, cấp nguồn

Các thiết bị điện tử trong trạm đều bắt buộc làm việc trong môi trường thích hợp, đó

là nhiệt độ 20P

0

PC với độ ẩm % để đảm bảo an toàn, duy trì tuổi thọ cũng như chất 70lượng thông tin

1.3 - TẦN SỐ ÀM ỆC À ĂNG HÔNG L VI V B T CỦA THÔNG TIN VỆ INH T

Hình 1.7 – Sự suy giảm của sóng vô tuyến trong không gian

1.3.1 - Cửa sổ vô tuyến

Hình 1.7 cho thấy sóng điện từ ở tần số thấp bị hấp thụ năng lượng mạnh khi

truyền qua tầng điện li ( đặc biệt là mây từ ) và ở tần số cao ( lớn hơn 10Ghz ) bị suy

hao đáng kể khi truyền qua lớp khí quyển ( mây mù và đặc biệt là mưa ) Chỉ có dải

tần từ 1-10 GHz là có suy hao tương đối thấp nên được chọn sử dụng trong thông tin

vệ tinh, ta gọi khoảng tần số này là cửa sổ vô tuyến ( Radio Window )

Liên đoàn thông tin quốc tế ITU chia thế giới ra làm 3 khu vực :

Khu vực 1 : Châu Âu, Châu Phi, Liên bang Nga và các nước đông Âu cũ

Băng S ( uplink GHz downlink 1.GHz ) được sử dụng cho di động 2 -

Băng C, Ku được sử dụng nhiều ở cả 3 vùng, dùng cho thông tin cố định và truyền

Băng Ka sử dụng ở Nhật

Bảng 1.1 – Quy định băng tần thông tin vệ tinh

Bảng 1.2 - Ứng dụng cụ thể theo băng tần vệ tinh

1.4 - CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN TRÊN TUYẾN THÔNG TIN

1.4.1 - Các mức công suất

1.4.1.1 - Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

Hình 1.8 cho một anten có hệ số khuếch đại GR T R = 1, góc đặc là góc được tạo

bởi một cung có độ dài bằng bán kính Đặt một công suất RF có giá trị PR T R tại tâm

hình cầu khi đó ta có công suất bức xạ trên một đơn vị góc đặ anten đẳng hướng c là:

π 4

T

P [ w/steradian ] (1.1) Hướng mà giá trị độ lợi truyền cực đại là GR T R, bất kỳ anten nào bức xạ trên đơn vị

góc đặ bằng :c

π 4

. T

T G

P [ w/steradian ] (1.2)

Hình 1.8 – Mô tả anten đẳng hướng

ф = 2 2

4

EIRP R

PR T R : Công suất đưa ra anten phát

GR T R: Độ lợi anten phát; trường hợp anten vô hướng GR T R= 1 (0dB)

ф: Mật độ thông lượng công suất

Hình 1.10 – Tính mức công suất thu

1.4.1.2 - Công suất thu

Hình 1.10 tính công suất thu PR ở cự ly R:

G G

P [W] (1.10) 1.4.2 - Các loại uy ao s h

1.4.2.1 - Suy hao do phi đơ thu phát (hình 1.11)

Hình 1.11 –Tính suy hao thu phát

Suy hao LR FTX Rgiữa máy phát và anten phát là suy hao bởi các ống dẫn sóng và

các đầu nối, để anten bức xạ một công suất PR T R thì công suất tại đầu ra bộ khuếch đại

L

G

P [w] (1.13) Suy hao giữa máy thu và anten thu là suy hao tạo nên bởi các phi đơ dẫn sóng

và các đầu nối Công suất PR RX R tại đầu vào máy thu có độ lớn như sau:

PR RX R =

FRX

R

LP [w] (1.14) Tính theo dB: PR RX R[dB] = PR R R[dB] - LR FRX R[dB]

1.4.2.2 - Suy hao do anten thu phát lệch nhau (hình 1.12)

Khi anten phát và thu lệch nhau thì sẽ tạo ra suy hao vì búp sóng chính của

anten thu không hướng đúng chùm tia phát xạ của anten phát, ta biểu diễn hai loại

suy hao bằng công thức sau:

Hình 1.12 – Suy hao do anten thu phát lệnh nhau

LR T R = 10 lg eP

2 3

) ( 76 2

) ( 76 2

70 70

=

λ [degrees] (1.17) Trong đó D: đường kính anten parabol

1.4.2.3 - Suy hao do không thu đúng phân cực

Loại suy hao này xẩy ra khi anten thu không đúng hướng phát cùng với phân

cực sóng máy thu, ví dụ đối với sóng điện từ phát đi phân cực tròn thì chỉ trên trục

bức xạ của anten sóng mới có phân cực tròn, ngoài trục bức xạ phân cực biến dạng

thành ellip, khi truyền trong môi trường khác nhau ( đặc biệt trong mưa ) phân cực bị biến đổi

Nếu gọi σ là góc giữa hai mặt sóng thì suy hao do lệch phân cực được biểu diễn :

LR POL R= 20 lg(cosσ ) [dB] (1.18)

Thường lấy góc lệch beam 3 dB trong phân cực tròn

1.4.2.4 - Suy hao do khí quyển

L = LR FS RLR A R (1.19)

LR A R : Suy hao do khí quyển bao gồm suy hao trong tầng điện ly ( chủ yếu là suy hao trong mây từ ) và suy hao trong tầng đối lưu chủ yếu suy hao trong chất khí O( R 2 R

và hơi nước HR 2 RO)

1.4.2.5 - Suy hao do mưa và mây

Nước ta mưa nhiều nên việc thu sóng vệ tinh cũng bị ảnh hưởng không ít Theo hình 1.13, Việt Nam nằm ở vùng quy định N của ITU Bảng 1.3 là lượng mưa trung

bình ở vùng châu Á-Thái Bình Dương

Suy hao do mưa Arain được tính theo công thức :

Arain = γR R RLe [dB] (1.20) Trong đó γR R R : Suy hao trên một đơn vị dài (dB/Km), γR R R phụ thuộc tần số sóng mang

và lượng mưa RR P R (mm/h) γR R R được xác định từ nomogram hình 1.1 Kết quả sẽ là 5

giá trị suy giảm theo phần trăm trong năm (p)

Le : Chiều dài thực của đoạn đường sóng đi qua mưa (Km)

Hình 1.13 - Lượng mưa trung bình (mm/h) của các vùng trên thế giới

1 năm = 8.760 h; 0,3% của 1 năm = 26,28h

99,7% được tính trong vùng mưa N đòi hỏi máy thu dự trữ đủ trên mức ngưỡng ứng với

lượng mưa nhỏ hơn 15 mm/h

Bảng 1.3 – Lượng mưa tương ứng với tổng thời gian suy giảm tín hiệu

do mưa trung bình trong năm [9]

Hình 1.14 – Tính suy giảm do mưa của CCIR

+ Tính đoạn đường nằm nghiêng đi qua mưa LR S R: hình 1.14

LR S R =

e

h

hR Ssin

− [Km]

Với e : góc ngẩng của trạm mặt đầt , e > 5P

0

hR S R : Là độ cao anten trạm mặt đất so với mực nước biển (Km)

+ Tính toán chiều dài hình chiếu LR G R của chiều dài nghiêng đi qua mưa LR S R: hình 1.14

LR G R = LR S Rcos e [Km] (1.23) + rR 0.01 Rlà hệ số rút gọn đoạn đường đối với 0.01% thời gian toán đồ tính khi lượng

mưa không đồng đều

rR 0.01 R=

e L

L

O

S cos 1

1 +

(1.24)

Ở đây LR O R 35e = P -0.015R

P [Km] (1.25) Hoặc rR 0.01 R=

G

L 045 0 1

1 + [Km] (1.26) Xác định tỷ lệ mưa (RR 0.01 R)Rvượt quá 0.01% của một năm trung bình từ bảng 1.3 và

hình 1.15 cho trạm mặt đất

+ Tính quãng đường thực tế sóng đi qua mưa sẽ là

Le = LR S R rR 0.01 R [Km] (1.27) + Tính toán suy hao đơn vị chiều dài trong mưa γR R R (dB/Km) được xác định từ toán đồ hình 1.16

+ Suy hao vượt quá AR 0.01 R0.01% của một năm trung bình là :

AR 0.01 R= γR R R Le [dB] (1.28) + Suy hao vượt quá (AR P R) đối với tỷ lệ mưa (RR P R)Rvượt quá p% thời gian của một

năm trung bình p = 0.001% - 1% nhận từ AR 0.01 R(dB) theo công thức sau :

AR P R= AR 0.01 R x 0.12pP

-(0.546 + 0.43lgp)

P

[dB] (1.29) + Suy hao vượt quá đối với phần trăm thời gian pR W R của tháng xấu nhất cho bởi AR P R

trong đó :

p = 0.3(pR W R)1.15

P

[%] (1.30) p

Giá trị có ích : R W R= 0.3% ( ≈ 2 giờ/tháng) = 0.075%.p

Đối với những giá trị lớn hơn phần trăm tháng thứ nhất của thời gian

(p = 20%) suy hao do mưa thường đủ nhỏ để có thể bỏ qua (trong điều kiện bầu trời

trong sáng)

Hình 1.17 cho thấy suy hao do mưa ở băng Ku nghiêm trọng hơn băng C

Hình 1.17 – Suy hao do mưa đối với tín hiệu băng Ku và băng C

1.4.3 - Nhiễu rên uyến hông in t t t t

Nhiễu là tín hiệu không mong muốn mà nó xen vào tín hiệu ta thu được Nhiễu

làm giảm chất lượng thông tin như làm giảm tỉ số S/N hoặc C/N, tăng tỉ lệ t lỗi trên bíđường truyền Đối với tín hiệu ta thu được từ vệ tinh thì rất nhỏ do đường truyền quá

xa mà nhiễu lại lớn Bên cạnh đó, anten bản thân nó đã góp nhặt nhiễu từ môi trường thông qua các búp sóng phụ của nó Tín hiệu suy giảm do môi trường truyền sóng, do mưa nên tín hiệu thu gần như chìm trong nhiễu

1.4.3.1 - Các nguồn nhiễu

+ Nhiễu phát ra từ các nguồn bức xạ bên ngoài như : Nhiễu không gian, nhiễu khí

quyển , tạp nhiễu do mưa và nhiễu từ trái đất

+ Tạp nhiễu bên trong thiết bị như : Anten, hệ thống Feerder và máy thu

+ Nhiễu từ các máy phát khác, các vệ tinh cận kề, các hệ thống mặt đất

1.4.3.2 - Mật độ phổ công suất tạp nhiễu NR 0

Mật độ phổ công suất nhiễu NR 0 R (W/Hz) được mô tả trên hình 1.18

Hình 1.18 - Mật độ phổ công suất nhiễu NR 0

NR 0 R(f) giá trị công suất tạp nhiễu trên đơn vị độ rộng băng tần Nếu NR 0 R(f) = NR 0

Rlà hằng số, ta gọi NR 0 Rlà nhiễu trắng

Gọi N là công suất nhiễu đo được ở băng B thì :

R O R =

B

N [W/Hz] (1.31) 1.4.3.3 - Nhiễu nhiệt của một nguồn nhiễu hình 1.19

Trong đó N: Công suất nhiễu đo được

O

PK], T thay thế cho nhiệt độ phát ra từ một điện trở động ( thermodynamic ) có cùng công suất nhiễu như nguồn nhiễu đang xét hình 1.19

Te : Nhiễu nhiệt bên trong linh kiện

Hệ số nhiễu F là tỉ lệ toàn bộ công suất nhiễu nhiệt tại đầu ra của các phần tử với

công suất nhiễu nhiệt tại đầu vào phần tử

F =

o

o e

Te: Nhiễu nhiệt của bộ suy giảm

TR F R : Nhiệt độ môi trường

Trong trường hợp TR F R= To thì hệ số nhiễu bộ suy giảm bằng độ suy giảm FR F R = LR F R

1.4.3.6 - Nhiệt độ nhiễu của phần tử tích cực

Hình 1.20 mô tả nhiệt độ nhiễu của phần tử tích cực được xem là nhiệt độ phát ra

do 1 điện trở đặt ở ngõ vào một hệ thống không nhiễu, có nhiệt độ vật lý T = Te

Như vậy Te được coi là nhiễu bên trong của phần tử tích cực được xét như mạch 4

cực

Giả sử mạch 4 cực có độ lợi công suất là G, băng thông B, ngõ vào là nguồn nhiễu

có nhiệt độ nhiễu là To Công suất nhiễu ngõ vào là GkBTo Tổng công suất nhiễu

ngõ ra là GkB(To + Te ) Hệ số nhiễu của phần tử tích cực tính như sau:

F =

GkBTo

Te To GkB ( + ) = 1 +

Hình 1.20 - Nhiệt độ nhiễu của hệ thống

1.4.3.7 - Nhiệt độ nhiễu của hệ thống các thiết bị mắc nối tiếp

Hình 1.21 giả thiết các mạch khuếch đại Mi mắc nối tiếp , có cùng băng thông B,

có độ lợi công suất Gi và hệ số nhiễu Fi, i = 1, 2 …, n

Công suất nhiễu tại ngõ ra hệ thống MR 1 R

NR 1 R = GR 1 R.k.B.(To + TR e1 R) (1.36) Công suất nhiễu NR 1 Rđược khuếch đại bởi MR 2

NR 1,2 R = GR 1 R.GR 2 Rk.B.(To + TR e1 R) (1.37) Công suất nhiễu được tạo bởi nguồn nhiễu bên trong của MR 2

NR (2) R = GR 2 R.k.TR e2 R.B (1.38) Công suất nhiễu toàn bộ MR 1 R và MR 2

NR 2 R = NR 1,2 R N+ R (2) R = G1 R R.GR 2 Rk.B.(To + TR e1 R) + GR 2 R.k.TR e2 R.B = GR 1 R.GR 2 R.k.B(To + TR e1 R + TR e2 R/GR 1 R) (1.39)

Nhiễu nhiệt tương đương của hệ thống mắc nối tiếp của MR 1 R và MR 2

1 n−

en

G G G

T (1.41)

Hệ số tạp âm hệ thống là:

Fn = FR 1 R +

1 2 1 2

1

3 1

2

1

1 1

−

− +

+

− +

−

n

n

G G G

F G

G

F G

…

Hình 1.21 – Công suất nhiễu của hệ thống các mạch mắc nối tiếp

1.4.3.8 - Nhiễu nhiệt của anten TR A

Hình 1.22 mô tả nhiễu nhiệt từ bầu trời và mặt đất đến anten uplink, còn anten

downlink thì ở hình 1.23 Hình 1.24 chỉ TR SKY Rlà hàm của góc ngẩng anten

TĐiều kiện trời trong : R A R T= R Sky R + TR ground R [P

o

PK] (1.43) Khi trời có mưa : TR A R =

TR m R: Tambient R R: Nhiệt độ môi trường do mây, mưa, TR m R = 260P O

Hình 1.23 – Nhiễu nhiệt mặt đất khi trời trong và khi mưa

1.4.3.9 - Nhiễu nhiệt ở hệ thống thu

Hình 1.25 – mô tả một hệ thống thu điển hình gồm:

+ Anten có nhiễu nhiệt TR A R, hệ số khuếch đại GR A R

+ Bộ dịch tần nhiễu thấp LNB(có nhiễu nhiệt là TR LNB R): Gồm mạch khuếch đại LNA

(có nhiễu nhiệt là TR LNA R), mạch đổi tần MIX (có nhiễu nhiệt là TR MX R và hệ số khuếch

đại GR MX R ), mạch khuếch đại trung tần IF1(có nhiễu nhiệt là TR IF R, hệ số khuếch đại

1 < 1; LR FRX R còn gọi là tổn hao do feeder )

+ Decoder giải mã tín hiệu có nhiễu nhiệt là TR R

IF

G G

Hình 1.24 - Nhiệt độ nhiễu bầu trời TR SKY R khi trời trong là hàm của góc ngẩng e [10]

1.4.4 - Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu tại đầu vào decoder

Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu tại đầu vào máy thu được xác định theo công thức sau:

NR O R : Công suất nhiễu trắng (Mật độ phổ tạp âm tại mọi điểm trên hệ thống )

T: Nhiệt độ nhiễu tại đầu vào decoder xác định theo (1.47)

Thay các giá trị ở (1.10), (1.13), (1.14), (1.15), (1.16), (1.18), (1.19), (1.45) và (1.46) vào (1.48) lần lượt ta có:

C = PR RX R =

FTX T

T TX

L L

G

P max

A

FS L L

1

POL FRX R

R

L L L

T L

T

L L L

G L L L L

G P

R FRX

F FRX A

POL FRX R

R A FS FTX T

T TX

1 )

1 1 (

max

+

− +

1.4.5 - Tỉ số năng lượng của Bit/mật độ tạp âm Eb/NR 0

(Energy of Noise Density Ratio)

Người ta sử dụng khái niệm tỉ số Eb/NR O R là tỉ số năng lượng trên bít Eb và mật độ

phổ công suất nhiễu NR O R để đo khả năng phục hồi dữ liệu của modem số khi có nhiễu

Tỉ số này càng lớn thì BER (Bit Error Rate : tỉ lệ bit lỗi) càng giảm có nghĩa quan

hệ giữa chúng là quan hệ tỉ lệ nghịch

S/N = (REb) : (BNR O R) (1.53) Nếu băng tần để truyền được một bit rộng 1Hz thì ta có:

BR noise demodulater R: Băng thông nhiễu của kênh

RR info R: Tốc độ thông tin của chương trình

C: Công suất sóng mang tại đầu vào decoder [W]

NR o R: Mật độ phổ công suất nhiễu tại đầu vào decoder [W/Hz]

RR trans R: Tốc độ bít tại ngõ vào decoder [b/s] Tốc độ này bao gồm dữ liệu truyền

đã dồn kênh + FEC

Eb: Năng lượng trên bít và được tính từ C/RR trans

Chương 2- PHÂN TÍCH HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH

2.1 - H Ệ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ QUA VỆ TINH

2.1.1 - Thực tiễn truyền hình số và chuẩn DVB-S

Trên trang web thương mại 24TUwww.lyngsat.comU24T ( phụ lục trang PL1-5 ) chỉ rõ:

2.1.1.1 - Vùng địa lý, các vệ tinh truyền hình- truyền thanh thương mại.

Xem bảng 2.1 tại thời điểm cập nhật ta thấy

160°W 73°E - 73°E 0°E - 0°W 61°W - 61°W 160°W Frequencies: Asia Europe Atlantic America

-Packages: Asia Europe Atlantic America

SatTracker: Asia Europe Atlantic America

Bảng 2.1 Tọa độ vệ tinh theo vùng địa lý–

Phân vùng tọa độ vệ tinh cho châu Á ( Asia + South Pacific ), châu Âu ( Europe + Africa + Middle East ), Đại Tây Dương ( Atlantic Ocean ) và châu Mỹ ( North & South America )

Tại thành phố Hồ Chí Minh có thể thu được các vệ tinh có tọa độ từ 66P

Băng C 6/4: Băng thông tổng cộng của vệ tinh là 500MHz được chia thành các

băng tần phụ chiếm 18, 36 hay 72 MHz cho mỗi Transponder, DVB chọn 36MHz

- Dải tần tuyến lên : 5.925 đến 6.425 GHz

- Dải tần tuyến xuống : 3.7 đến 4.2 GHz

Hiện nay số vệ tinh sử dụng Band C trên quỹ đạo địa tĩnh đã dày đặc và quỹ tần số hầu như cạn kiệt Để tăng số kênh người ta đã dùng kỹ thuật sử dụng lại tần số ( back

off frequency ) nhờ phân cực sóng khác nhau cho 2 kênh kề nhau như hình 2.1:

Hình 2.1 – Phân bố Băng C chuẩn cho tuyến xuống

Tất cả các kênh chẵn được truyền về mặt đất với phân cực ngang (Horizontal

tâm của các kênh lệch nhau khoảng 20 MHz để chống nhiễu xuyên kênh

Vệ tinh Band C dùng cho thông tin quảng bá được thiết kế để truyền 24 kênh với băng thông tối đa là 36 MHz/1 kênh 12 kênh được truyền ở dạng phân cực ngang và

12 kênh ở dạng phân cực dọc với 4 M z băng tần bảo vệ giữa mỗi Transponder.H Band Ku 14/10-12 :Băng thông tổng cộng của vệ tinh là 500MHz được chia thành các băng tần phụ chiếm 27, 54, 72 hay 128 MHz, DVB chọn 27MHz

- Phân cực tuyến tính : Gồm có phân cực ngang (Horizontal) và phân cực dọc

(Vertical) Theo quy ước, phân cực của sóng được xác định theo hướng của điện trường (electric field) Nếu điện trường của tín hiệu bức xạ song song với mặt phẳng sóng thu – phân cực ngang, còn vuông góc với mặt phẳng sóng thu phân cực dọc.–

- Phân cực tròn : Theo hướng truyền sóng, điện trường bức xạ xoay theo chiều

kim đồng hồ ta sẽ có phân cực tròn phải ( RHCP) hoặc ngược chiều kim đồng hồ có phân cự tròn trái (LHCP)

Mục đích của phân cực sóng là để sử dụng lại các khoảng tần số

- Tái sử dụng bằng cách chọn các 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 sóng điện từ Sóng điện từ trong vệ tinh có phân cực tròn và tuyến tính nên anten thu cũng có hai loại phân cực như sóng điện từ

Kỹ thuật này cũng được áp dụng cho các vệ tinh cạnh nhau để chống nhiễu

2.1.2 - Kỹ thuật đa truy cập qua vệ tinh

2.1.2 - .1 Hệ thống SCPC ( Single Channel Per Carrier )

Hệ thống này cho phép uplink lên vệ tinh từ các vị trí khác nhau Thông

thường SCPC được dùng cho các ứng dụng riêng chẳng hạn như SNG (Satellite

News Gathering) truyền hình giáo dục , hoặc ở những nơi không thể hoặc khó uplink tới vệ tinh tất cả các chương trình từ một vị trí Các dịch vụ dựa trên SCPC thường dùng một dải thông Transponder vệ tinh Khi ghép kênh, các dịch vụ SCPC chia xẻ cùng một Transponder, mỗi dịch vụ được truyền trên một sóng mang có dải thông hẹp trong phạm vi Transponder Giữa các sóng mang SCPC phải có khoảng bảo vệ và

phải thực hiện back-off công suất transponder vệ tinh để ngăn giao thoa giữa các dịch

vụ

SCPC là có ích cho truyền hình trực tiếp nhưng việc tận dụng dải thông transponder

vệ tinh là không hiệu quả do phải có khoảng bảo vệ giữa các sóng mang (Tham

khảo phụ lục trang PL11 về thông số World Cup Germany 2006)

Sau khối MUL, tín hiệu chuyển đến khối mã bản quyền Trong khối mã này dòng tín hiệu được ghép và xáo trộn (Scrambling) theo một quy luật mà chỉ người quản lý mới biết Đồng thời người ta có hình thức khoá mã Nếu máy thu không nhận được

“chìa khoá” của nhà quản lý gửi đi, thì không thể nào sắp xếp lại trật tự dòng tín hiệu được Cách xáo trộn tín hiệu tạo thuận tiện cho công tác quản lý việc xem chương trình trên bình diện Quốc Khối mã này được điều khiển bằng máy tính tế

Bảo vệ tín hiệu truyền : hiễu sinh ra trong các linh kiện điện tử và trong các can Nnhiễu khác luôn phá tín hiệu hữu ích cần truyền và gây ra sai Trong kỹ thuật truyền dẫn và xử lý tín hiệu số để chống nhiễu có khái niệm “mã sửa sai” người ta cài vào dòng dữ liệu một số loại mã để nếu xảy ra hiện tượng sai, đầu thu có thể phát hiện và

tự sửa được sai

Trong kỹ thuật truyền hình thường dùng mã sửa sai Viterbi và mã Reed Solomon Tiếp theo tín hiệu được điều chế số QPSK Quá trình điều chế của trạm này được thực hiện ở tần số trung tần 70MHz Sau đó đến khối khuếch đại công suất, truyền đến anten

Chi tiết các khối sẽ phân tích sau

* Sơ đồ khối hệ thống dowlink SCPC

Hình 2.4 - Sơ đồ khối hệ thống Downlink SCPC

2.1.2.2 - Hệ thống MCPC ( Multi Channel Per Carrier )

Những nhà phát chương trình TV số vệ tinh sử dụng một dạng truyền được gọi

là đa kênh trên một tần số sóng mang MCPC để ghép hai hoặc nhiều chương trình, được minh họa trên hình 2.5 Với MCPC gói của dịch vụ chương trình có thể sử dụng cùng truy nhập có điều kiện và hệ thống sửa lỗi tiến FEC, do đó tiết kiệm trên toàn bộ băng thông và tốc độ truyền được yêu cầu

Hình 2.5 - Biểu diễn sắp xếp theo thời gian trên một Transponder

Hơn nữa, người phát chương trình có thể thay đổi tốc độ bít bất kỳ kênh truyền nào, tại bất kỳ thời gian nào Tăng bit nhiều hơn cho chương trình bóng đá và ít bit hơn cho chương trình bản thông báo tin tức hay là chương trình giới thiệu

Hệ thống MCPC sử dụng kỹ thuật truyền là ghép kênh phân chia theo thời gian TDM (Time Division Multilexer) Với TDM nhiều chương trình được sắp xếp ở những khe thời gian khác nhau trong vòng khung thời gian đã được sắp xếp sẵn và được truyền bằng những burst ở tốc độ bit cao IRD (Integrated Reciever/Decoder) số

chọn những gói thông tin về dịch vụ đã được chọn sóng để nhận trong khi phớt lờ và loại bỏ tấ cả những gói khác đang đượt c truyền trên transponder Bằng cách này, mỗi chương trình trong tổ hợp có cơ hội sử dụng toàn bộ băng thông và công suất

Ở đây dùng nguyên tắc ghép kênh thống kê (Statistical Multiplexing hay Statmux),

có nghĩa tốc độ bit của các chương trình khác nhau phụ thuộc vào nội dung hình ảnh trong các chương trình Bộ ghép kênh ưu tiên tốc độ bit cao hơn cho các chương trình chất lượng có tốc độ bit lớn hơn (ví dụ như chương trình bóng đá) và giảm tốc

độ bit cho các chương trình khác ít phức tạp hơn tại cùng thời điểm

Vì vậy, các bộ mã của statmux có mối liên hệ hiệu quả với nhau về giá trị dải thông cần thiết cho frame video mà chúng đang nén và chúng chia sẻ thông tin này cho processor trung tâm Mỗi chương trình được chỉ định một tốc độ bit cực tiểu và một tốc độ cực đại Trên cơ sở đó processor sẽ phân phối tốc độ bit trong phạm vi cho phép cho các dịch vụ cụ thể ở từng thời điểm Ví dụ việc dùng dải thông cho một chương trình ở thời điểm này có thể là 6 Mb/s nhưng ở thời điểm khác chỉ còn 4 Mb/s, phụ thuộc vào việc nó cần tốc độ nào ở thời điểm đó Như vậy ghép kênh

thống kê hoạt động dựa trên sự phân tích ở mỗi mành video chia sẻ toàn bộ dải thông một cách linh hoạt

Sau cùng TS được mã sửa lỗi, điều chế số, khuếch đại và phát lên vệ tinh

* Sơ đồ khối hệ thống downlink MCPC

Hình 2.7 - Sơ đồ khối hệ thống downlink MCPC

2.1.2.3 - So s nh 2 hệ thống SCPC và MCPC á

* Về nguyên lý:

Các dịch vụ chia sẻ cùng transponder,

mỗi dịch vụ truyền riêng trên một sóng

mang có dải thông hẹp trên phạm vi một

transponder, giữa các sóng mang phải có

khoảng bảo vệ và phải thực hiện back-off

công suất transponder vệ tinh ngăn giao

Các dịch vụ ghép kênh nhiều chương trình được sắp xếp ở những khe thời gian khác nhau, tức là một gói dịch vụ được truyền ở một thời gian nhất định nào đó, sau đó truyền gói dịch vụ khác ở một thời gian khác

Băng thông 4 – 18 MHz Tuỳ thuộc vào số chương trình

và tốc độ bit ở mỗi chương trình

Tốc độ bit 3 – 26.663Mb/s cho mỗi kênh 3 - 9Mb/s cho mỗi kênh

Mã kênh Mã ngoài RS (188, 204) và :

Mã trong FEC: 1/2, 3/4, 7/8

Mã ngoài RS (188, 204) và :

Mã trong FEC: 1/2, 3/4, 7/8Truy nhập Khác nhau cho mỗi kênh Có cùng điều kiện truy nhập Băng tần Băng Ku và băng C Băng Ku và băng C

Sử dụng lại tần số Phân cực V, H, LHCP, RHCP Phân cực V, H, LHCP,RHCP

2.2 - CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN ỦA HỆ THỐNG C

TRUYỀN HÌNH SỐ V Ệ TINH

Các thông số ở 1.4 được áp dụng cho hệ thống truyền hình số vệ tinh Ngoài ra

ta xét thêm các thông số sau:

2.2.1 - Điều tần FM (frequency modulation)

2.2.1.1 - Chỉ số điều chế (Modulation index)

Nếu tín hiệu điều chế là dạng sin có tần số fm và biên độ là A thì độ di tần cực đại ΔFmax của sóng mang có giá trị :

k

Với R FM R[Hz/V] là đặc tính của bộ điều chế

Chỉ số điều chế mR FM R được định nghĩa là :

2.2.1.2 - Sự phân bố phổ

Phổ của sóng mang được điều chế bởi tín hiệu sin tần số fm chiếm băng thông

B cho bởi công thức Carson :

B = 2(mR FM R+ 1)fm Hz[ ] (2.3)

2.2.1.3 - Giải điều chế sóng điều tần

Sóng mang ở ngõ vào bộ giải điều chế có tỉ số công suất sóng mang trên công suất nhiễu là (C/NR 0 R)T R Bộ giải điều chế lập tức nhận ra độ di tần tức thời ΔF(t) của sóng mang và phục hồi (recover) lại điện áp u(t) :

u(t) = σR FM RΔF(t) [V ] (2.4)

σR FM R[V/Hz] là đặc tính của bộ giải điều chế

Mật độ phổ của nhiễu (noise spectral density) ở ngõ ra bộ giải điều chế được cho bởi công thức :

không là hằng số, nó tăng theo hình parabol theo tần số

2.2.1.4 - Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (S/N) tại ngõ ra bộ giải điều chế

Tín hiệu chưa điều chế với độ rộng phổ (từ 0 đến fmax) thì tỉ số S/N tại ngõ ra

bộ giải điều chế (khi công suất nhiễu được đo trong băng thông BR N R = fmax) được cho bởi công thức :

2.2.1.5 - Độ lợi giải điều chế

Sóng mang điều chế chiếm băng thông B tại ngõ vào bộ giải điều chế được cho bởi công thức Carson Giả sử máy thu có băng thông nhiễu tương đương BR N R bằng với phổ của sóng mang tức là BR N R= B thì công suất nhiễu tại ngõ vào bộ giải điều chế là

Và công suất sóng mang trên công suất nhiễu có giá trị

C/N = (C/NR 0 R)T R /BR N R (2.8) Thay (2.8 ) vào (2.6 ) ta có

C (2.9) Khi mR FM Rđủ lớn thì S/N = 3mP

3

PR FM R

N

C > C/N ( sự giải điều chế sóng điều tần cung cấp

“độ lợi giải điều chế” (demodulator gain) đóng góp vào tỉ số S/N Chú ý là ưu điểm này ngụ ý rằng cung cấp cho tuyến thông tin vệ tinh (satellite link) băng thông lớn hơn băng thông của tín hiệu đem điều chế Bởi vì độ lợi giải điều chế tăng theo băng thông, giá trị C/N thấp có thể được bù bằng cách tăng băng thông được dùng, trong trường hợp tuyến liên lạc bị giới hạn công suất Đây là nguyên lý “băng thông đổi C/N” (“bandwidth C/N exchange” or “bandwidth-power exchange”) để đạt giá trị S/N mong muốn mà nó làm cho điều chế theo tần số thích hợp với việc truyền tín hiệu tương tự qua vệ tinh

2.2.1.6 - Chất lượng của tín hiệu truyền hình

Chất lượng của tín hiệu truyền hình được quy định bởi tỉ số S/N tỉ số này được cho bởi :

N

S = 2

p : hệ số cải thiện chất lượng do pre-emphasis và de-emphasis hay companding w: hệ số trọng số nhiễu (psophometric weighting factor) = 2.5 dB

BR N R: băng thông nhiễu đo ở ngõ vào máy thu (bằng với fmax)

ΔFR TPP R: độ di tần đỉnh đỉnh của tín hiệu ngõ vào tính từ tần số cắt fr của mạch pre- emphasis và de-emphasis (fr cross over frequency) – - ,

fr = 1.152 MHz for 625/50 systems

= 0.762 MHz for 525/60 systems

Bảng 2.2 là giá trị của pw cho các hệ thống khác nhau (CCIR Report 637)

System type (lines

Ví dụ: Băng thông máy thu (Video bandwidth):

Tín hiệu cao tần truyền hình qua vệ tinh được điều chế FM truyền với băng thông trong transponder 36 MHz Mặc dù tín hiệu truyền hình (Analog) có thể tái tạo với băng thông hẹp đến 15 MHz nhưng chất lượng hình ảnh sẽ giảm Dùng băng

thông giới hạn cho phép truyền thêm kênh nhưng dễ bị nhiễu Băng thông 24 - 28 MHZ so với 36 MHz có chất lượng không phân biệt

Máy thu phải có băng thông bằng với băng thông B của sóng mang Băng thông nhiễu tương đương của máy thu BR N R(theo CCIR Report 215) phải bằng

BR N R= B = Δ FR TPP R + 2fmax (2.11)

fmax là tần số cực đại của phổ tín hiệu Video

Ví dụ 1 : Đường truyền tín hiệu truyền hình 625/50 của INTELSAT

F

Số liệu : Δ R TPP R = 15 MHz, fmax = 6 MHz, BR N R= 5 MHz

Từ (2.10) ta có :

S/N = (3/2) (15 MHz/5 MHz)P

2

P (1/5 MHz) (C/N R 0 R)T R pw

Theo bảng 2.2 cho pw = 13.2 dB Suy ra

,6 10S/N = 5 P

-5

P (C/NR 0 R)Ttính theo dB

–

S/N = 42.5 + (C/NR 0 R)T R [dB]

Để đạt được giá trị 45 dB, cần thiết phải có (C/NR 0 R)T R = 87.5 dB (Hz)

Từ (2.11 t) ính được băng thông của sóng mang điều chế là :

S/N = 29.5 dB + (C/N)R T R [dB]

Để đạt được giá trị 45 dB, cần thiết phải có (C/N)R T R= 15.5 dB

Ví dụ 2 T: ruyền tín hiệu truyền hình 625/50 bởi vệ tinh ASTRA

F

Số liệu : Δ R TPP R = 13.5 MHz, fmax = 6 MHz, BN R R= 5 MHz

Từ (2.10) có

S/N = (3/2) (13.5 MHz/5 Mhz)x P

2

x (1/5 MHz) (C/Nx 0 R)T Rx pwvới pw = 13.2 dB, ta có :

x 10S/N = 4.6 P

-5

P x (C/NR 0 R)TBiểu diễn theo dB

–

S/N = 43.4 + (C/NR 0 R)T R [dB]

Để đạt được giá trị 45 dB, cần thiết phải có (C/NR 0 R)T R = 88.4 dB (Hz)

Băng thông của sóng mang điều chế là :

x

B = 13.5 MHz + 2 6 MHz = 25.5 MHz

Xem như BR N R= B :

x 10S/N = 4.6 P

-5

P x (C/N)R T R x BR N R = 1173 (C/N)R TTính theo dB

n

Trong đó r là số bit được thêm vào n bit thông tin

Tốc độ bit tại ngõ vào bộ mã hoá là Rb [b/s], tại ngõ ra là

Rc Rb/ = ρ [b/s] (2.13)

Hình 2.8 - Nguyên lý của mã hoá kênh

Mã kênh được ứng dụng trong sửa lỗi trực tiếp FEC ( Forward error correct ) FEC được mã ở phía phát FEC = ρ = 1/2, 2/3 , 3/4 , 7/8

2.2.3 - Điều chế số Digital Modulation ) (

Hình 2.9 chỉ ra nguyên lý của bộ điều chế số, gồm có:

- Một bộ phát Symbol (A symbol generator)

- Một bộ mã hoá (An encoder)

- Một bộ phát tín hiệu RF (A radio frequency signal (carrier) generetor)

Bộ phát symbol phát ra các symbol với M trạng thái, M = 2P

m

P, m là số bit ngõ vào

Bộ mã hoá thành lập sự tương xứng giữa M trạng thái của các symbol và M

trạng thái của sóng mang Có hai loại mã hoá được dùng trong thực tế :

+ Mã hoá trực tiếp (direct encoding) – một trạng thái xác định của symbol là một

trạng thái của sóng mang

+ Mã hoá theo sự chuyển trạng thái (encoding of transitions – differential

encoding): Một trạng thái xác định của symbol là một sự chuyển tiếp giữa hai trạng

thái liên tiếp của sóng mang

Hình 2.9 - Nguyên lý ộ điều chế cho kênh truyền sốb

Với tốc độ Rc b/s tại ngõ vào bộ điều chế, tốc độ Rs tại ngõ ra bộ giải điều [ ]

chế (số trạng thái thay đổi sóng mang trên giây) được cho bởi :

Rs = Rc/m = Rc/logR 2 RM [baud] (2.14) Điều chế pha PSK (phase shift keying) đặc biệt thích hợp với đường truyền vệ tinh vì có đường bao không thay đổi (constant envelope) và cung cấp hiệu suất sử

dụng phổ tần tốt (spectral efficiency = number of bits/s transmitted per unit of radio

frequency bandwidth)

2.2.4 - Hiệu suất phổ (spectral efficiency ) Г

Là tỉ số giữa tốc độ bit Rc(bit/s) của sóng mang và băng thông mà nó chiếm B (Hz)

Г =

B

Nếu sóng mang có tốc độ 54 b/s truyền trong băng thông 36 MHz M thì

Hiệu suất phổ = 54/36 = 1.5 [bit/s Hz ]

Hình 2.10 - Hệ thống thu truyền hình số vệ tinh

E =

O

N

Đối với điều chế BPSK, hiệu suất phổ theo lý thuyết là 1 bit/s Hz và bằng 2 bit/s .Hz với điều chế QPSK Trên thực tế, do sự không hoàn hảo của kênh truyền (ví dụ như

bộ lọc không tối ưu và độ không tuyến tính - non optimal filtering and non

linearities), hiệu suất phổ trong khoảng:

0.7 - 0.8 bit/s Hz với BPSK

1.4 - 1.6 bit/s.Hz với QPSK

2.2.5 - Chất lượng của bộ giải điều chế

Được đánh giá thông qua tỉ lệ bit lỗi (BER) hoặc ác uất bit lỗi BEP (Bit x sError Probability)

Với M ≥ 2

SEP (Symbol Error Probability): Xác xuất biểu trưng lỗi

Tỉ số (2.19) liên quan mật thiết đến Ec/NR 0 R, trong đó Ec là năng lượng trên bit (đây là công suất sóng mang nhận được trong thời gian một bit).Theo (2.8) có

Thông thường trong tuyến thông tin vệ tinh, C/NR 0 Rđược dùng là (C/NR 0 R)T R

(C/NR 0 R)T R = (C/NR 0 R)U R + (C/NR 0 R)D R + (C/NR 0 R)IM R (2.20*)

Với: T (Total), U ( Uplink), D ( Downlink ), IM ( Intermodulation Noise )

Bảng 2.3 đưa ra các biểu thức BEP cho từng loại giải điều chế khác nhau

( )1 / 2 erfc (Ec/ N 0) ( )1 / 2 erfc (Ec/ N 0)Differential encoding:

DE – BPSK

DE - QPSK

(E / N0)

erfc c(E / N0)

erfc cDifferential demodulation :

(Defferential encoding only)

D – BPSK ( ) (1 / 2 exp − Ec/ N 0) Trong đó erfc(x) =

π

2

du e

Table 2 3 - Expression for binary error probability [11]

Hình 2.11 mô tả quan hệ giữa tỉ lệ bit lỗi và mức Ec/NR 0 Rtheo lý thuyết

Bảng 2.4 minh họa ER C R/NR 0 Rtheo lý thuyết cần thiết để đạt được giá trị BEP tiêu biểu cho mỗi loại điều chế và giải điều chế Giá trị trong ngoặc chỉ giá trị khác nhau của Ec/NR 0 R giữa loại điều chế /giải điều chế xem xét và giá trị đạt đ c với QPSKượ , đại lượng này gọi là “sự suy giảm E/NR 0 R” (degradation in E/NR 0 R )

Trên thực tế, giá trị Ec/NR 0 R yêu cầu đạt được mức BEP cho trước lớn hơn giá trị cho ở bảng 2.4 và được xem như là sự suy giảm do sự không hoàn hảo của bộ giải điều chế thực tế

E = energy per bit E = E R b R if no coding

E = ER c Rif coding

NR 0 R= one sided noise spectral density [- W/Hz]

Hình 2.11 - Quan hệ giữa tỉ lệ bit lỗi và mức Ec/NR 0 R theo lý thuyết

Bảng 2.4 - Giá trị lý thuyết của ER C R/NR 0 R để đạt được giá trị BEP tiêu biểu Giá trị (Δ) là

độ suy giảm Ec/NR 0 Rtương đối với BPSK và QPSK

Ví dụ : Giá trị E/NR 0 R yêu cầu để đạt được mức BEP = 10P

-6

P dùng bộ giải điều chế nhất quán (coherent demodulator) để giải điều chế mã vi sai (differentially encoded

modulator – DE BPSK or DE QPSK) có giá trị theo lý thuyết là 10.8dB, cộng thêm - 0.3dB giá trị suy giảm và cộng tiếp 1.5dB do sự không hoàn hảo của mạch giải điều chế trực tiếp Cuối cùng giá trị E/N đạt đến 12.6dB

7.4 dB (0.6 dB) 8.8 dB (0.4 dB) 9.9 dB (0.3 dB) 10.8 dB (0.3 dB) 11.5 dB (0.2 dB) 12.2 dB (0.2 dB) 12.8 dB (0.2 dB)

7.9 dB (1.1 dB) 9.3 dB (0.9 dB) 10.3 dB (0.7 dB) 11.2 dB (0.7 dB) 11.9 dB (0.6 dB) 12.5 dB (0.5 dB) 13.0 dB (0.4 dB)

9.2 dB (2.4 dB)10.7 dB (2.3 dB) 11.9 dB (2.3 dB) 12.8 dB (2.3 dB) 13.6 dB (2.3 dB) 14.3 dB (2.3 dB) 14.9 dB (2.3 dB)

2.2.6 - Giải mã và sửa lỗi

Bộ giải mã dùng các bit thêm do bộ mã hoá tạo ra để dò và sửa lỗi Tại ngõ vào của bộ giải mã, tốc độ bit là Rc và xác suất lỗi bit là (BEP)in Tại ngõ ra, tốc độ bit thông tin lại là Rb (bằng tốc độ ở ngõ vào bộ mã hóa) Bởi vì việc sửa lỗi được thực hiên tại bộ giải mã nên xác suất bit lỗi ở ngõ ra (BEP)out thấp hơn ở ngõ vào Hình 2.12 là một ví dụ mô tả mối quan hệ giữa (BEP)in và (BEP)out

Hình 2.12 - Mối quan hệ giữa (BEP)In và (BEP)Out trong mạch giải mã

Giá trị (BEP)in được xem như hàm của Ec/NR 0 R tuỳ thuộc vào loại điều chế/giải điều chế biểu diễn bởi đồ thịhình 2.11; kết hợp với đường cong ở hình 2.12 cho loại

mã / giải mã đang xét, tạo thành đồ thị ở hình 2.13

Đường cong hình 2.13 đánh giá chất lượng của hệ thống điều chế và mã hoá Chú ý

là lỗi bit được biễu diễn như hàm của Eb/NR 0 Rvà quan hệ với Ec/NR 0 R theo biểu thức :

Hình 2.13 - C hất lượng của hệ thống điều chế và mã hoá

“Độ lợi giải mã” (decoding gain) được định nghĩa là sự khác nhau giá trị

Eb/NR 0 R tại giá trị BEP cho trước giữa truyền có mã hoá và không có mã hoá

Bảng 2.5 chỉ ra một số giá trị độ lợi giải mã tiêu biểu Ưu điểm này được tận dụng trong hoạch định tuyến liên lạc để giảm giá tiền thuê băng thông Trên thực tế, cần thiết để truyền với tốc độ bit Rc lớn hơn Rb, lúc đó băng thông dùng sẽ là :

+ Khi không có sửa lỗi FEC ( ρ = 1) Tốc độ bit được truyền là Rb = Rc = 36 Mbps

Băng thông được dùng là :

B = Rc/Г =

Hz s b

s Mb / 5 1

/

Vì vậy chỉ có một phần băng thông của bộ lặp được dùng

Theo 16 g(2 ), iá trị (C/NR 0 R)T Ryêu cầu là :

Tính đến suy giảm 1.5 dB do sự không hoàn hảo của bộ giải điều chế thì :

(Eb/NR 0 R)1 R = 10.5 dB + 1.5 dB = 12 dB

Vì vậy : (C/NR 0 R)1 R = (Eb/NR 0 R)1 RRb = 12 dB +10lg 36 10P 6

P= 87.6 dB Hz] [Như vậy, giá trị (C/NR 0 R)T Ryêu cầu lớn hơn giá trị có thể có do công suất của tuyến bị

giới hạn Tương phản với điều này, băng thông được dùng lại ít hơn băng thông của

bộ lặp

+ Khi dùng sửa lỗi FEC =2/3 Tốc độ truyền là: Rc = Rb/ρ = 36 3/2 = 54 Mbps.

Băng thông được dùng lúc này là :

Rb/

B = ρ Г =

Hz s b

s Mb / 5 1

, từ bảng 2.5 có (Eb/NR 0 R)T R 5.7dB, là tương ứng có độ lợi giải

mã 4.8 dB, suy giảm do bộ giải điều chế không hoàn hảo 1.5 dB; Nên:

Ta thấy giá trị này ít hơn 4.8 dB so với Khi không có sửa lỗi FEC do có thêm độ lợi

giải mã Lúc này giá trị (C/NR 0 R)T R yêu cầu thấp hơn giá trị có thể có bởi việc tận dụng

toàn bộ băng thông Ngoài ra còn đạt được một sự tiết kiệm công suất, mức lề công

suất (power margin) là 85 dB(Hz) – 82.8 dB(Hz) = 2.2 dB

Yêu cầu tỉ số C/N hay Eb/NR 0 R lớn hơn mức ngưỡng để có thể phục hồi được tín hiệu audio, Video hay data có chất lượng hơn

Hình 2.14 là ngưỡng của máy thu số được đánh dấu tại mức BER yêu cầu:

Tỉ số C/N yêu cầu của đầu thu số có thể được tính từ Eb/NR 0 R, tốc độ thông tin của

chương trình và băng thông nhiễu của kênh như các công thức (1.55), (1 6) và (1.57) 5hoặc (2.16), (2 ), (2 ).17 18

Bảng 2.6 - BIT RATES (Mbps) versus FEC

(QPSK Modulation Г=1.5 bit/Hz and 10P

-11

P BER) [11]

Hình 2.14 - Ngưỡng của máy thu số được đánh dấu tại mức BER nhất định

Trên bảng 2.6 là tốc độ bit (Mb/s) đối với từng loại giải mã FEC để được tỉ lệ lỗi bit 10P

-11

2.2.7 - Tính toán tốc độ dữ liệu có ích so với dải thông vệ tinh.

Xác định tốc độ bit thông tin có thể truyền qua một kênh Thông tin này phụ thuộc công suất Transponder, băng thông và loại điều chế được sử dụng

Ví dụ : Trên vệ tinh PAS – 4, kênh truyền hình ở băng C có tốc độ thông tin là 41.2 Mbps và băng Ku à 43.7 Mbps với mức BER 10l , P

Một sự giảm số byte mang thông tin khác là việc dùng sửa lỗi Viterbi (Viterbi hay FEC- Forward Error Correction) Các chỉ số V terbi ( i FEC khác nhau bao gồm ) 1/2 , 2/3, 3/4 ,5/6 và 7/8 là thường dùng Tốc độ 3/4 có nghĩa là 3/4 số byte mang thông tin và 1/4 số byte sửa lỗi