Nghiên cứu kỹ thuật thông tin vệ tinh, thiết kế trạm mặt đất ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số

Phủ sóng vùng tạo ra để phát xạ năng lượng cho khách hàng nhằm đáp ứng các nhu cầu về ngôn ngữ và các vấn đề về chính trị sự đồng sắp xếp tần số, sự giới hạn nội dung chùm sóng vùng cun

1

Lời nói đầu

Công nghệ thông tin vệ tinh đóng một vai trò rất quan trọng trong thông tin liên lạc Thông tin vệ tinh đảm bảo các kết nối giữa các lục địa, các quốc gia trong khu vực các vùng trong một quốc gia Thông tin vệ tinh rất đa dạng

về loại hình dịch vụ cung cấp (thoại, dữ liệu, hình ảnh, phát thanh- truyền hình, thông tin di động, định vị dẫn đường, khí tượng ) Một tuyến liên lạc vệ tinh có thể cung cấp dung lượng lớn có thể thay đổi theo nhu cầu với độ tin cậy cao, việc thiết lập tuyến cũng nhanh chóng

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin quang thì thông tin quang và thông tin vệ tinh trở thành hai phương thức chính đảm bảo các kết nối khu vực và quốc tế Hai phương thức này song song tồn tại và bổ trợ cho nhau Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi điện tử số, giá thành các thiết bị đầu cuối thông tin giảm trong khi các tính năng thì ngày càng được bổ xung và hoàn thiện Các nhà sản xuất trên thế giới đang nỗ lực sản xuất các thiết bị thu phát tín hiệu vệ tinh cho gia đình có giá thành dưới 300USD phục vụ cho các dịch vụ DTH (Direct to Home) tương tác hai chiều

Đây sẽ là một trong những hướng phát triển chính của dịch vụ thông tin vệ tinh trong thế kỷ 21 này bên cạnh các dịch vụ truyền thống

Với sự hướng dẫn của phú giỏo sư, tiờ́n sĩ Pha
m Minh Viờ
t, tôi đW thực hiện luận văn với đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật thông tin vệ tinh, thiết kế trạm mặt đất ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số” Bản luận văn này đề cập các kiến thức cơ bản của thông tin vệ tinh và thiết kế một trạm vệ tinh mặt đất cho Công ty Viễn thông Quân đội (Viettelsat-1) Nội dung của luận văn gồm:

2

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh

Chương 2: Một số phương pháp điều chế số dùng trong thông tin vệ tinh Chương 3: MW Turbo

Chương 4: Tính toán đường truyền

Chương 5: Thiết kế trạm vệ tinh mặt đất Viettelsat-1

Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thõ̀y Pha
m Minh Viờ
t, các thầy cô giáo trong Trung tâm đào tạo và bồi dưỡng sau đại học, Khoa Điờ
n Tử Viờ̃n Thụng, Viện Đại học Mở Hà nội Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ, góp ý quý báu của các đồng nghiệp, bạn bè để bản luận văn này được hoàn thành Vì thời gian có hạn nên bản luận văn chắc chắn còn rất nhiều thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo của các Thầy, Cô, đồng nghiệp, bạn

bè để hoàn thiện các vấn đề đW nêu trong bản luận văn này

Hà nội, ngày tháng năm 2012

Người viết

3

Chương 1 Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh

1.1 Tại sao lại sử dụng thông tin vệ tinh:

Thông tin là một nhu cầu cơ bản của một xW hội phát triển Có nhiều phương thức truyền thông tin : hữu tuyến ( cáp đồng trục, cáp quang ), vô tuyến ( vi ba, vệ tinh ), Việc chọn phương thức truyền thông tin phụ thuộc vào loại dịch vụ, giá thành, độ tin cậy yêu cầu Cùng với sự phát triển của công nghệ chế tạo, phóng vệ tinh, các thiết bị viễn thông phạm vi sử dụng vệ tinh ngày càng mở rộng sang nhiều lĩnh vực: truyền số liệu, truyền hình, thông tin di động, định vị dẫn đường

Thông tin vệ tinh có những đặc điểm sau:

Vùng phủ sóng lớn: với 3 vệ tinh địa tĩnh có thể phủ sóng toàn cầu

Dung lượng thông tin lớn: do có băng tần công tác rộng và áp dụng

kỹ thuật sử dụng lại băng tần

Độ tin cậy thông tin cao: tuyến thông tin chỉ có 3 trạm hai trạm đầu cuối mặt đất, vệ tinh đóng vai trò như trạm lặp xác suất lỗi do khí quyển và

do fading là không đáng kể Tỉ lệ lỗi bit có thể đạt 9

10ư

Tính linh hoạt cao: hệ thông thông tin được thiết lập nhanh chóng trong điều kiện các trạm ở mặt đất ở rất xa nhau, dung lượng thông tin có thể thay đổi theo yêu cầu

Đa dạng về loại dịch vụ : có rất nhiều loại dịch vụ như:

+ Dịch vụ thoại, fax, telex cố định

+ Dịch vụ phát thanh truyền hình quảng bá

+ Dịch vụ định vị dẫn đường, cứu hộ

+ Dịch vụ thông tin di động

+ Dịch vụ khôi phục cáp

4

1.2 Quỹ đạo vệ tinh

Có ba loại quỹ đạo sau:

∗ Quỹ đạo địa tĩnh ( Geostationary orbit ):

Đây là quỹ đạo mà vệ tinh nằm tại một điểm tương đối so với mặt đất

Vệ tinh có chu kỳ quay của trái đất Vệ tinh địa tĩnh có độ cao khoảng 36.000km trên đường xích đạo Hướng quay của vệ tinh trùng với hướng quay của quả đất Vị trí cố định của vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh được gọi là vị trí quỹ đạo Vị trí này được xác định bằng kinh tuyến chứa vệ tinh Các vệ tinh của một quốc gia phải được xác lập trên một cung quỹ đạo theo sự phân chia của chuẩn quốc tế Vị trí quỹ đạo của từng vệ tinh được xác lập theo quy định của quốc gia

∗ Quỹ đạo nghiêng elíp (Elliptically incline orbit)

Đây là quỹ đạo được sử dụng thành công bởi hệ thông Intersputnik cho

hệ thông viễn thông của Liên Xô cũ Chu kỳ quay của vệ tinh là 12h, trong đó 8h vệ tinh chuyển động chậm, trong thời gian này vệ tinh sẽ phủ sóng cho miền cực của trái đất Đặc điểm của quỹ đạo này là do chuyển động tương đối của vệ tinh ở xa là rất nhỏ nên có thể thu được tín hiệu liên tục với anten thu

cố định, trong khi đó anten trên vệ tinh phải được điều chỉnh theo sự chuyển

động của vệ tinh

∗ Quỹ đạo cực tròn ( Circular polar orbit ):

Đây là quỹ đạo chỉ tồn tại trên lý thuyết, thực tế trong viễn thông không

sử dụng quỹ đạo này do khó khăn về mặt kỹ thuật, kinh tế

5

Hình 1.1: Quỹ đạo của vệ tinh

1.3 Vùng phủ sóng của vệ tinh:

Vì bề mặt của trái đất có diện tích 2/3 là nước nên việc phủ sóng toàn cầu không đáp ứng tốt cho các dịch vụ của các trạm mặt đất Giảm vùng phủ sóng dẫn đến việc tăng hệ số tăng ích của anten trong vùng phủ sóng đó Mặt khác giới hạn vùng phủ sóng lên các vùng dịch vụ có thể sử dụng lại tần số phân chia theo không gian; hai búp sóng không chồng lấn lên nhau có thể sử dụng cùng một tần số mà can nhiễu lên nhau giảm

6

Sự phân chia phủ sóng vùng dựa trên cơ sở ngôn ngữ hay địa lý (đất nước) Vùng phủ sóng này được tạo ra bởi một chùm sóng anten đơn hoặc nhiều chùm sóng nhỏ bao phủ vùng được yêu cầu Phủ sóng vùng tạo ra để phát xạ năng lượng cho khách hàng nhằm đáp ứng các nhu cầu về ngôn ngữ và các vấn đề về chính trị ( sự đồng sắp xếp tần số, sự giới hạn nội dung) chùm sóng vùng cung cấp khả năng định hướng cao có thể được sử dụng để tăng hiệu suất năng lượng của vệ tinh hay giảm chi phí của hệ thống trên mặt đất Phủ sóng toàn cầu :

Vệ tinh phủ sóng toàn cầu cung cấp khả năng truyền dẫn trong vùng

được tạo nên bởi nhiều miền (ngôn ngữ, chính trị) hay nhiều đất nước ví dụ: vùng bao phủ của Pan European cung cấp cùng 1 nội dung dịch vụ cho tất cả các khách hàng ở nhiều đất nước khác nhau trong Châu âu Chùm phủ sóng rộng bao phủ các nước Châu âu cung cấp vùng phủ sóng cho Pan European Việc sử dụng nhiều chùm sóng bao phủ cũng có thể làm cho hiệu quả của hệ thống tăng lên Một ví dụ cho các chùm của vệ tinh Pan European được chỉ ra trong hình 1.2:

Hình 1.2: Vùng phủ sóng của vệ tinh Pan European

7

1.3.2 Tăng cường dung lượng của vệ tinh:

Khả năng của hệ thống vệ tinh được tăng cường bằng cách sử dụng băng thông khả dụng cao hơn tại các băng tần cao hơn (Ka, V) và thực hiện sử dụng lại tần số bao gồm tối ưu hoá, đa dạng hoá các kế hoạch kênh truyền dẫn Số lượng và sự phức tạp của việc thực hiện các bộ phát đáp trên vệ tinh giới hạn sự tăng cường dung lượng kênh truyền hệ thống Số lượng lớn nhất của các bộ phát đáp bị giới hạn bởi các khả năng(khối lượng, công suất, cỡ của vệ tinh) của loại tàu vũ trụ sử dụng để phóng vệ tinh

Sử dụng lại tần số:

Dung lượng của hệ thống sẽ tăng lên bằng cách sử dụng lại phổ tần cho phép nhờ tối ưu hoá việc phân định tần số và việc phân cực trên tuyến liên lạc Nhiều bước sóng bao phủ và đa dạng hoá kế hoạch tần số sẽ tăng cường hơn nữa dung lượng hệ thống Các tần số được sử dụng lại trong hệ thống cho vùng Châu á Thái Bình Dương được minh hoạ trong hình 1.3

Có hai cách phủ sóng : Dùng 1 chùm sóng đơn rộng và 1 tập hợp các chùm sóng điểm Ví dụ 1 hệ thống sử dụng phân cực đôi và gồm 50 chùm

điểm lúc đó băng thông hiệu dụng thực chất được tăng lên Sử dụng lại tần số

Số lượng bộ phát đáp tương đương 36M là:

ENT = 12,5GHz/40MHz=310(bộ)

ESB:Effective System Bandwith

ENT:Equivalent Number Transponder

Kế hoạch phát đa tần số:

Kế hoạch phát đa tần số dùng cùng tần số cho nhiều phần khác nhau của vùng phủ sóng với các vị trí khác nhau Sự thực hiện những kĩ thuật này tăng cường thêm dung lượng của hệ thống

Ví dụ :Bằng cách kết hợp phương pháp trên cho 1 vệ tinh( Sử dụng lại

và đa dạng hoá tần số ), dung lượng của hệ thống có thể tăng trên 58% 96%) sử dụng cùng 1 khe tần số chỉ định mà không cần thay đổi bất kì thiết bị mặt đất nào Hệ thống cung cấp dung lượng cao hơn trong 6 vùng với 6 thứ tiếng khác nhau Sự tăng dung lượng thực sự của hệ thống phụ thuộc vào khả năng của phần tải trọng không gian vệ tinh để cài đặt các phần cứng và cung cấp công suất hoạt động

(56-1.4 Băng tần của vệ tinh:

Để thực hiện được liên lạc giữa mặt đất và vệ tinh thì các sóng mang phải có tần số cao hơn tần số giới hạn xuyên qua tầng điện ly Qua kết quả nghiên cứu truyền sóng thấy rằng các tần số nhỏ hơn 1GHz bị tiêu hao lớn do tầng điện ly, còn các sóng cao hơn 10GHz thì bị khí quyển, mây, mưa hấp thụ, chỉ có giới hạn từ 1 đến 10GHz là bị tiêu hao nhỏ nhất và được gọi là “cửa sổ vô tuyến” truyền các tín hiệu sóng vô tuyến trong dải này được xem là truyền

9

sóng trong không gian tự do Thông tin vệ tinh cũng là một dạng truyền sóng trong không gian tự do Người ta chọn các dải tần trong khoảng 1 đến 30GHz

để đảm bảo thông tin vệ tinh

Để phân bổ tần số người ta chia thế giới ra 3 khu vực sau:

- Khu vực 1: bao gồm Châu Âu, Châu Phi, Trung Đông và Nga

- Khu vực 2: bao gồm các nước Châu Mỹ

- Khu vực 3: bao gồm Châu á (trừ Trung Đông, Nga) và Châu Đại Dương

Tần số phân phối cho một loại dịch vụ nào đó có thể phụ thuộc vào khu vực Trong một khu vực một dịch vụ có thể được dùng toàn bộ băng tần của khu vực này hoặc phải chia sẻ với các dịch vụ khác Các dịch vụ cố định sử dụng các băng tần sau:

- Tuyến lên: 5,725 đến 6,275GHz; tuyến xuống: 3,4 đến 3,9GHz Dùng trong hệ thống Intersputnik (Nga)

- Tuyến lên: 5,850 đến 7,075GHz; tuyến xuống: 3,4 đến 4,2 GHz hoặc 4,5 đến 4,8GHz Dùng cho các băng tần mở rộng do WARC phân định

- Băng X:

- Tuyến lên: 7,925 đến 8,425GHz; tuyến xuống: 7,25 đến 7,75GHz Dùng cho các vệ tinh thông tin của quân đội và chính phủ

- Băng Ka:

-Tuyến lên 27,5 đến 31GHz tuyến xuống 17,7 đến 21,2GHz Dùng cho các đề án nghiên cứu nhưng chắc chắn sẽ được dùng phổ biến trong tương lai

Mỗi trạm vệ tinh được phân phối cho một băng tần nhất định Trong thông tin vệ tin người ta thường phân biệt các khái niệm băng tần như sau: Băng tần chiếm dụng(Occupied Bandwidth) BOCC, Băng tần danh định (Allocated Bandwidth) BALL, Băng tần tạp âm (Noise Bandwidth) BN, Băng tần phân tích (Resolution Bandwidth) BRES và băng tần công suất tương

đương (Equivalent Power Bandwidth) BEqP

Băng tần danh định BALL là băng tần thực sự mà vệ tinh cung cấp cho trạm mặt đất Để đánh giá chất lượng sóng mang trong BALL người ta phải

đo công suất (dB) của nó tại một vị trí nào đó xác định bởi BRES Nếu lý tưởng thì BRES=1Hz nhưng trên thực tế BRES bằng khoảng 1% BALL

11

Hình 1.4 Các định nghĩa băng tần Các dải BALL của các trạm mặt đất được đặt sát cạnh nhau cho nên giữa chúng phải có một khoảng bảo vệ nào đó nhằm tránh xuyên nhiễu Vì vậy thực sự các sóng mang chỉ làm việc với dải tần chiếm dụng BOCC nhỏ hơn

và nằm trong BALL BOCC được xác định bằng khoảng băng tần giữa hai BRES sao cho giá trị công suất đỉnh lớn hơn công suất mỗi BRES tối thiểu 40dB Thông thường thì BOCC có giá trị trong khoảng 1/1.1 đến 1/1.2 BALL

Với mỗi một giá trị BOCC nào đó các trạm mặt đất còn phải chịu sự qui định về mức công suất phát không được lớn hơn một giá trị cực đại nhất định Bởi vì nếu một trạm phát công suất lớn quá thì các hài do nó sinh ra sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến các kênh lân cận có công suất nhỏ hơn Do vậy một trạm nếu muốn phát công suất lớn thì tương đương với việc dải tần chiếm dụng của nó sẽ mở rộng ra Giá trị của BEqP đặc trưng cho sự tương đương đó Theo hình vẽ ta thấy BEqP có mức công suất đỉnh thấp nhưng độ rộng của nó tăng lên do vậy công suất cả dải của nó vẫn bằng công suất BOCC Ta thấy tuy chỉ phát công suất trong BOCC nhưng trạm vẫn phải thuê cả dải BEqP vì vậy phần mở rộng của nó không thể cho các trạm khác trong mạng thuê được nữa Do vậy các kỹ thuật truyền dẫn hiện nay đang cố gắng để làm cho BEqP bằng với BOCC dựa trên việc giảm mức công suất phát cần thiết của các trạm mặt đất Một trong những kỹ thuật

1.5 Các phương pháp truy nhập vào vệ tinh:

1.5.1 Phương pháp truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)

Trong phương pháp này độ rộng băng tần ( thường là 500MHz) được chia nhỏ thành các phần gọi là các bộ phát đáp (Transponder) thường là 36 hoặc 72 MHz Trạm mặt đất sẽ điều chỉnh tần số thu và phát sao cho bằng với tần số thu và phát của Transponder Các tín hiệu sẽ được phát đi đồng thời nhưng tại các tần số khác nhau, mỗi sóng mang sẽ chiếm một dải tần định trước tương ứng với các Transponder

Có hai kiểu FDMA được dùng là MCPC ( Multi Channel Per Carrier) và SCPC ( Single Channel Per Carrier )

1.5.2 Phương pháp truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) Trong phương pháp này mỗi trạm mặt đất sẽ sử dụng vệ tinh trong một khoảng thời gian định trước gọi là khe thời gian (Time slot) có độ dài cố định Cần để ra khoảng thời gian trống ( thời gian bảo vệ) giữa các khe thời gian cạnh nhau sao cho các sóng mang phát từ nhiều trạm không lấn nhau trong bộ phát đáp Dựa trên cơ sở phân chia theo thời gian mỗi một trạm thu chỉ lấy ra những sóng mang của chính nó

Trong phương thức TDMA, mỗi một trạm mặt đất được thiết kế sử dụng một khe thời gian riêng biệt ( dành riêng cho nó ) để phát lưu lượng

13

thông tin của mình dưới dạng chuỗi bít số nằm trong một luồng bít số gọi là burst tín hiệu

1.5.3 Phương pháp truy nhập phân chia theo m0 (CDMA)

Trong kỹ thuật CDMA mỗi trạm mặt đất sẽ phát cùng một lúc và cùng tại một tần số Để phân biệt, mỗi một trạm mặt đất có một mW riêng, mW này

được sử dụng để mW hóa tín hiệu của chúng Các trạm mặt đất sẽ chuyển tín hiệu đến một trung tâm Trung tâm này có một số bộ thu mà chúng chỉ có thể khôi phục lại thông tin sử dụng mW thích hợp Tín hiệu sau khi được khôi phục

sẽ được chuyển đến đích đW định Hệ thống này đòi hỏi một số lượng lớn các

bộ thu trong bộ trung tâm Tuy nhiên trạm mặt đất có thể nhỏ và công suất thấp do đó giá thành có thể giảm

1.5.4 Phương pháp truy nhập phân chia theo yêu cầu (DAMA)

Hệ thống sử dụng phương thức này có độ linh hoạt cao, sử dụng Transponder trên vệ tinh có hiệu quả, đặc biệt với những vùng có dung lượng thấp Hệ thống truyền dung lượng thoại bằng việc phân định kênh cho mỗi cuộc gọi khi có nhu cầu tức là kênh thông tin chỉ được thiết lập giữa hai trạm mặt đất trong thời gian thông tin với nhau Hệ thống có khả năng kết nối nội

bộ với cấu hình dạng hoàn toàn lưới, một số thuê bao trong một vùng dịch vụ của một trạm mặt đất nào đó qua các kênh vệ tinh để thiết lập đường thông với các vùng dịch vụ của các trạm mặt đất khác.DAMA có nhiều ứng dụng trong mạng viễn thông và ngày nay càng được sử dụng rộng rWi

Khi bắt đầu mỗi cuộc gọi thì trạm trung tâm chọn kênh vệ tinh và phân

định các bộ MODEM ở cả hai trung tâm đường trục có thuê bao gọi đi và thuê bao gọi đến để thực hiện thiết lập cuộc gọi tại các vị trí xa mỗi đường trục

được nối với các bộ MODEM hoạt động theo phương thức SCPC và các bộ MODEM được điều khiển tới các tần số sóng mang được phân định bằng các lệnh từ bộ điều khiển phân định theo nhu cầu từ xa

14

Trung tâm điều khiển mạng DAMA được xem như quan trọng nhất, nó

có máy điều khiển chủ MCC nối với MODEM kênh số liệu để liên lạc với các

bộ điều khiển phân định từ xa và MCC cũng được nối với các MODEM thu phát thoại để thu tín hiệu báo hiệu Trung tâm điều khiển DAMA có chức năng chính là phân định các kênh vệ tinh cho các cuộc gọi mới Nó có thể thay đổi cấu hình hệ thống, giám sát chất lượng Khai thác tổng thể hệ thống thông qua người khai thác

Tuy vậy thời gian trễ truyền dẫn không dưới 810ms vì vậy không kinh

tế khi dùng DAMA cho dịch vụ truyền số liệu Ví dụ truyền bản tin 8Kb trên thiết bị đầu cuối 2,048 Mbps chỉ hết 3,91 ms mà hệ thống phải tốn không dưới

810 ms để thiết lập cuộc nối Nên sử dụng DAMA cho liên lạc điện thoại 1.6 Các dịch vụ cung cấp bởi thông tin vệ tinh:

Phạm vi phục vụ của thông tin vệ tinh rất rộng, nó có thể đảm bảo hầu hết các dịch vụ của thông tin viễn thông như cố định và di động Các loại dịch

vụ có thể được vệ tinh cung cấp là:

- Điện thoại

- Điện báo

- Truyền số liệu và các dịch vụ kinh doanh mới

- Phát thanh truyền hình

- Các loại dịch vụ kết hợp (ISDN, Multimedia, Video conference)

- Các dịch vụ cứu hộ, cứu nạn, khẩn cấp, định vị dẫn đường

- Dịch vụ dự phòng, hỗ trợ cho các tuyến cáp backbone

- Các mục đích quân sự, viễn thám, khí tượng,

1.6.1 Dịch vụ thoại:

Đây là loại dịch vụ cơ bản nhất của mọi hệ thống thông tin nói chung và

vệ tinh nói riêng Tất cả các hệ thống vệ tinh quốc tế cũng như khu vực và nội hạt đều cung cấp dịch vụ thoại Các hệ thống thông tin vệ tinh quốc tế có chức năng đảm bảo các sóng mang thông tin công cộng giữa các châu lục và

15

các quốc gia Các sóng mang này sẽ đảm bảo liên kết thông tin giữa các mạng mặt đất nội hạt khác nhau cho phép kết nối các kênh thoại giữa các quốc gia

Do lưu lượng thông tin quốc tế là rất lớn nên nhìn chung các kênh thoại quốc

tế thường được ghép kênh vào các sóng mang (theo tần số FDM, theo thời gian TDM) Mỗi sóng mang có thể ghép được 12 đến 972 kênh thoại tương

tự có phổ tần 4KHz khi sử dụng chế độ FDM-FM Khi sử dụng các sóng mang số ghép kênh theo thời gian đặc biệt dùng kết hợp với thiết bị tích hợp kênh số thì số lượng kênh thoại được ghép kênh trên mỗi sóng mang còn lớn hơn nhiều

1.6.2 Các dịch vụ điện báo:

Các kênh điện báo, truyền chữ tốc độ thấp (50 hoặc 75 baud) thường

được ghép vào một kênh thoại nhờ kỹ thuật ghép kênh theo tần số hoặc thời gian Tuỳ thuộc vào kỹ thuật ghép kênh mà một kênh thoại có thể ghép được

46 kênh báo theo thời gian hoặc 24 kênh báo theo tần số (tốc độ 50 baud) 1.6.3 Dịch vụ phát thanh, truyền hình:

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của truyền hình số, các dịch vụ DTH (Direct to home) qua vệ tinh tận dụng được những ưu điểm vốn có của thông tin vệ tinh là vùng phủ sóng rộng, thiết bị đầu cuối rẻ và nhỏ gọn dễ triển khai, lắp đặt khi sử dụng băng tần Ku DTH là một trong những hướng phát triển dịch vụ truyền hình trả tiền bên cạnh các chương trình quảng bá của Đài Truyền hình Việt nam Thông tin vệ tinh cũng cung cấp các dịch vụ phát quảng bá cho phát thanh thông qua hệ thống VSAT, nơi mà phạm vi đảm bảo của hệ thống phát thanh mặt đất không đáp ứng được có thể dùng các trạm remote VSAT thu và phát lại các chương trình của đài trung ương Mô hình này đang được Đài Tiếng nói Việt nam áp dụng cho các đài phát địa phương ở các vùng xa, hải đảo

16

Dịch vụ vệ tinh cũng đáp ứng rất tốt cho các dịch vụ phát thanh truyền hình lưu động với các thiết bị nhỏ gọn có thể mang xách tay được và triển khai rất nhanh

1.6.4 Dịch vụ truyền số liệu và các dịch vụ nghiệp vụ kinh doanh mới:

Do nhu cầu ngày càng cao của nền kinh tế hội nhập toàn cầu hoá nên

đòi hỏi phát triển nhiều loại dịch vụ thông tin nghiệp vụ phục vụ kinh doanh mới ứng dụng truyền dẫn số Các ứng dụng này dựa trên các thành tựu tiên tiến của công nghệ viễn thông và tin học, xử lý số tín hiệu Các thành tựu này thường được ứng dụng cho các dịch vụ kiểu Telematic, bao gồm:

- Phân chia dung lượng tính toán giữa các phương tiện (ví dụ giữa các máy tính tập trung hay phân tán)

- Thiết lập các đường thông tin tốc độ cao để đảm bảo sự trao đổi và chuyển mạch thông tin nhanh chóng giữa các chế độ chủ yếu của mạng xử lý

số liệu

- Cập nhật tức thời số liệu của một trung tâm xử lý phân tán

- Trao đổi giữa các ngân hàng dữ liệu

- Phát quảng bá tin tức và phân phối số liệu

- Mở rộng truyền dẫn Fax từ tốc độ thấp đến tốc độ cao dùng cho các ứng dụng như thư tín điện tử, in ấn từ xa

- Mở rộng các tiện nghi hội nghị từ xa, từ các hội nghị trợ giúp hình

ảnh đơn giản (64Kbps) tới các hình ảnh phức tạp (2Mbps) và hình ảnh đầy

đủ (34Mbps)

Có rất nhiều hệ thống cung cấp dịch vụ nghiệp vụ kinh doanh qua vệ tinh ra đời để đáp ứng cho những nhu cầu ngày càng cao trong lĩnh vực này, như: hệ thống IBS và Intelnet của Intelsat, hệ thống SMS của Eutelsat và các

hệ thống VSAT

và trong IBS, với tỷ lệ lỗi bit BER < 10-7

1.6.6 Các dịch vụ liên lạc, cứu trợ khẩn cấp, định vị dẫn đường: Trong các thời gian có thiên tai, động đất chiến tranh, các phương tiện liên lạc trên mặt đất có thể bị phá huỷ hay quá tải thì thông tin vệ tinh có thể

được triển khai một cách nhanh chóng, hiệu quả bằng các thiết bị có thể mang vác bằng tay, đáp ứng kịp thời các nhu cầu liên lạc khẩn cấp

Ngày nay hệ thống GPS rất phát triển có thể cung cấp thông tin chính xác, nhanh chóng về vị trí của các đối tượng cần xác định Hệ thống này đóng vai trò rất quan trọng trong các lĩnh vực an ninh quốc phòng và dân sự

1.6.7 Các dịch vụ hỗ trợ, dự phòng cho các tuyến cáp backbone: Thông tin vệ tinh có thể đáp ứng được nhu cầu về dung lượng lớn của các tuyến cáp backbone khi bị sự cố hoặc trong thời gian bảo hành sửa chữa

1.7 Cấu hình một hệ thống thông tin vệ tinh:

Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm hai phân hệ chính đó là: phân

hệ không gian và phân hệ mặt đất

1.7.1 Phân hệ không gian:

Phân hệ không gian bao gồm vệ tinh và tất cả các thiết bị phụ trợ cho hoạt động của vệ tinh như các trạm điều khiển và giám sát vệ tinh Các trung tâm này có nhiệm vụ bám sát, đo lường từ xa và điều khiển (TT&C- Tracking Telemetry and Command) để giữ cho quỹ đạo vệ tinh luôn ổn định,

Hình 1.5 : Phân hệ thông tin (payload) của vệ tinh Anten: do đặc thù của vệ tinh nên các anten này phải có khối lượng nhỏ, kích thước khi phóng gọn nhẹ Có hai loại anten trên vệ tinh đó là anten dùng để đo xa, điều khiển (thường dùng băng tần VHF) và anten thông tin dùng để nhận/ phát sóng vô tuyến từ/ về trạm mặt đất

Trong các thiết kế gần đây nhất cho vệ tinh băng rộng thế hệ mới, các nhà sản suất đW phát triển các loại anten trọng lượng nhỏ, kích thước phản xạ khi triển khai lớn để cung cấp tính định hướng cao và có thể cung cấp nhiều chùm sóng bao phủ Tập đoàn TRW Astro Aerospace đW phát triển loại anten mặt phản xạ dạng lưới, có đường kính khi triển khai từ 6 đến 30m với trọng

hệ thống phụ thuộc chủ yếu vào phẩm chất của anten và LNA

Bộ đổi tần (FC-frequency converter): Dùng biến đổi tần số thu đ−ợc xuống tần số thấp hơn và phát xuống, đồng thời khuếch đại tín hiệu để bù suy hao của chính nó Có thể có 2 kiểu đổi tần là đổi một lần và đổi hai lần tuỳ thuộc vào số bộ dao động nội (LO) trên vệ tinh Đổi tần một lần có −u điểm là

20

đơn giản vì chỉ cần một bộ LO, nhưng nhược điểm của nó là dễ bị nhiễu lọt thẳng và phổ tần sau khi biến đổi bị đảo ngược Đổi tần hai lần tuy có phức tạp hơn vì phải dùng tới hai bộ LO nhưng lại khắc phục được những nhược điểm của phương pháp trên

Bộ khuếch đại tiền công suất PPA và bộ phân chia HYBRID: Bộ PPA(Prior Power Amplifier) làm nhiệm vụ khuếch đại sơ bộ công suất tín hiệu đi ra từ bộ đổi tần để cung cấp cho các bộ phát đáp (transponder) Việc phân chia này do bộ HYBRID thực hiện, bộ HYBRID có n đầu ra tương ứng với số transponder trên vệ tinh

Bộ MUX: Trước khi ra anten phát tín hiệu của các transponder ở các băng tần con khác nhau phải được ghép lại với nhau Yêu cầu ghép phải đảm bảo cho sự can nhiễu giữa các kênh vệ tinh là thấp nhất và mức công suất của chúng đồng đều nhau trong tín hiệu tổng hợp Có nhiều kỹ thuật được áp dụng cho bộ MUX nhưng thông dụng nhất vẫn là bộ CIRCULATOR

Các bộ phát đáp (Transponder): Một transponder gồm một loạt các khối được kết nối với nhau tạo ra một kênh thông tin giữa anten thu và anten phát Để xem xét một cách chi tiết cấu tạo của một transponder ta lấy ví dụ với băng tần C Băng thông của băng tần C là 500MHz được chia ra làm nhiều băng con, mỗi băng cho một transponder Băng thông chuẩn cho một transponder là 36MHz và 4MHz cho khoảng bảo vệ tổng cộng là 40MHz vậy toàn bộ 500MHz được chia làm 12 băng con Bằng cách sử dụng phân cực con

số này có thể tăng gấp đôi Ngoài ra với anten đa chùm có thể sử dụng lại tần

số, vì vậy băng tần thực 500MHz có thể được sử dụng lại với băng tần hiệu dụng là 2000MHz

21

Hình 1.7 : Các kênh cho transponder vệ tinh băng C

Hình 1.8 : Cấu tạo một transponder trên vệ tinh và các mức năng lượng Mỗi một bộ khuyếch đại riêng rẽ cung cấp nguồn ra cho một kênh phát

đáp Như chỉ ra trên hình 1.8, mỗi một bộ khuyếch đại nguồn được đặt trước

đổi cần cho việc thiết lập các mức khác nhau cho các loại dịch vụ khác nhau (một ví dụ cho lùi công suất sẽ được thảo luận ở phần sau) Bởi vì sự điều chỉnh suy hao này là yêu cầu vận hành nên nó sẽ theo sự điều chỉnh của trạm

TT & C Đèn khuyếch đại sóng chạy (TWTA) được sử dụng rộng rWi trong bộ phát đáp với cấu hình dự phòng 1:5 để cung cấp cho đầu ra yêu cầu truyền tới anten Hiện nay người ta dùng HPA bán dẫn SSPA

1.7.2 Phân hệ mặt đất:

Khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh khoảng 36000 Km xa hơn 700 lần so với các trạm chuyển tiếp trong hệ thống Viba mặt đất Do vậy, chúng ta phải có công nghệ thu tín hiệu rất nhỏ từ vệ tinh và phát công suất đủ lớn,

đồng thời phải đối phó với thời gian trễ Phân hệ mặt đất hay còn gọi là các trạm thu phát mặt đất bao gồm:

+ Anten thu phát và các thiết bị điều khiển, bám vệ tinh

+ ống dẫn sóng, các bộ chia cao tần và ghép công suất

+ Bộ thu tạp âm thấp, các bộ điều chế và giải điều chế

+ Các bộ đổi tần tuyến lên và tuyến xuống

+ Các bộ ghép kênh và giải ghép kênh

+ Bộ khuyếch đại công suất cao

23

Hình 1.9: Sơ đồ một tuyến liên lạc vệ tinh

* Khối MOD (Modulation): có nhiệm điều chế tín hiệu BB (Base band) lên thành tín hiệu trung tần IF đồng thời nó có nhiệm vụ mW hoá kênh truyền

để chống lỗi

* Khối U/C (Up Converter): có nhiệm vụ đổi tín hiệu trung tần IF thành tần số cao tần RF, nó biến đổi tín hiệu trung tần lên tần số các băng C, Ku tuỳ theo yêu cầu

* Khối Combiner: các tín hiệu đầu ra của các bộ biến đổi nâng tần đ−ợc

đ−a tới bộ Combiner ở đây chúng đ−ợc hợp lại thành một tín hiệu chung để

đ−a đến bộ khuyếch đại công suất cao (HPA) xuyên suốt hệ thống và đặc biệt tại điểm đó các trễ nhóm và các vấn đề tuyến tính có thể đ−ợc bù lại bằng cách sử dụng các mạch đặc biệt nh− bộ cân bằng

* Khối HPA (High Power Amplifier): có nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu sóng mang cao tần RF có biên độ nhỏ đ−ợc cung cấp bởi thiết bị phát mặt đất thành tín hiệu hữu ích có công suất lớn Sau khi ra khỏi HPA tín hiệu sóng mang cao tần đ−ợc bức xạ bởi anten có hệ số tăng ích thích hợp để đảm bảo

24

công suất bức xạ của tín hiệu tới được vệ tinh Các trạm mặt đất thường dùng

bộ HPA có công suất ra từ vài chục W đến vài KW tuỳ theo dung lượng của trạm thông tin mặt đất Để khuyếch đại công suất người ta thường dùng các thiết bị khuyếch đại chân không như đèn sóng chạy TWT (Travelling Wave Tube), đèn Klystron hay các thiết bị bán dẫn Đèn TWT có băng tần rộng hơn 500MHz nhưng cấu tạo phức tạp, công suất tiêu thụ lớn Đèn Klystron có cấu tạo đơn giản, tiêu thụ nguồn ít nhưng băng thông chỉ đạt 80MHz Hiện nay, trong các trạm mặt đất thường dùng loại HPA SSPA vì nó có những ưu điểm nổi bật so với TWTA và Klystron là hiệu suất cao, dịch pha nhỏ, đặc tuyến khuếch đại và pha tuyến tính hơn, trọng lượng nhỏ hơn, độ tin cậy cao và tuổi thọ lớn hơn

* Khối LNA (Low Noise Amplifier): có nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu thu được từ vệ tinh lên đủ lớn do tín hiệu thu được thường rất yếu (thường khoảng –150dBw) trên nền tạp âm lớn Vì vậy khi khuyếch đại sẽ khuyếch đại luôn cả tạp âm cho nên bộ LNA có một vai trò đặc biệt quan trọng trong trạm

vệ tinh mặt đất vừa đảm bảo khuyếch đại tín hiệu lên mức đủ lớn vừa không làm giảm chất lượng tín hiệu LNA thông dụng thường là các bộ khuyếch đại tham số và transistor trường

* Khối Divider : Mục đích của bộ Divider là để phân chia đầu ra từ LNA đến các bộ biến đổi hạ tần

* Khối D/C (Down Converter): có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu cao tần

RF thu được thành tín hiệu trung tần IF

* Khối DEM (Demodulation): có nhiệm vụ giải điều chế, giải mW hoá kênh truyền thành tín hiệu BB (Base band)

* Anten: có nhiệm vụ bức xạ (thu) tín hiệu RF lên (từ) vệ tinh Đường kính anten thu, phát của trạm mặt đất thông thường có đường kính từ 0,6m

đến 30m tuỳ theo tiêu chuẩn từng loại trạm Hệ số khuyếch đại anten quy về

đầu vào máy thu kể cả suy hao do fiđơ được tính theo công thức sau đây:

η λ

π

Trong đó:

• D: đường kính anten tính theo mét

• η: hiệu suất anten với giá trị từ 50% đến 70%

• λ: bước sóng tín hiệu mà anten thu (phát)

• Lfido: suy hao ống dẫn sóng

Intelsat đW phân loại các trạm vệ tinh mặt đất , đầu tiên dựa vào các đặc tính hoạt động của chúng Đặc tính hoạt động của chúng liên quan đến kích thước của anten và tần số công tác băng C hoặc Ku Intelsat phân loại trạm từ

A đến Z cùng với các phân loại F1, F2 như bảng sau:

Tín hiệu truyền qua vệ tinh bị giới hạn bởi băng thông đồng thời phải

đảm bảo được tỷ lệ lỗi cho phép Vì vậy để sử dụng một cách hiệu quả băng thông cần phải điều chế và mW hoá tín hiệu trước khi truyền Trong phần này

sẽ đi vào xem xét một số kiểu điều chế số thường dùng trong thông tin vệ tinh: như BPSK, QPSK, 8PSK, 16 QAM đồng thời cũng xem xét ảnh hưởng của các

bộ lọc được sử dụng trong khi điều chế đến hiệu suất băng thông của một tín hiệu số

2.2 ảnh hưởng của các bộ lọc:

Việc sử dụng các bộ lọc thông thấp hay thông dải trong các quá điều chế hay đổi tần là không thể tránh khỏi Một vài thành phần tần số của xung khi đi qua bộ lọc sẽ bị loại bỏ, kết quả là xung sẽ có các góc “tròn” thay vì là xung vuông Theo Nyquist thì nếu các xung được truyền với tốc độ fS (b/s) chúng sẽ đạt giá trị biên độ đầy đủ nếu qua một bộ lọc thông thấp có băng thông fS/2(Hz) Đây là yêu cầu tối thiểu về bộ lọc để truyền xung mà không suy giảm chất lượng Băng thông truyền dẫn cần thiết phụ thuộc vào phương thức điều chế và tốc độ truyền theo công thức sau:

) ( 2

) 1 (

Hz fm

27

) ( 2 log

) 1 ( ) 1 (

M

fs fm

α = ++

Điều chế số pha được phát triển trong những ngày đầu của chương trình vũ trụ Hiện nay nó được sử dụng rộng rWi trong các hệ thống thông tin quân sự, thương mại, truyền hình Điều chế pha được xem như là dạng

điều chế dữ liệu hữu hiệu nhất cho các ứng dụng truyền tin bằng vô tuyến, vì nó đảm bảo xác suất lỗi thấp nhất với một tín hiệu thu đW định khi đo trên một chu kỳ tín hiệu

Các tín hiệu để truyền tải thông tin được chọn từ các pha khác nhau của một sóng mang Nếu để truyền từng bit một cần chọn ra hai trạng thái pha khác nhau, do tính đối xứng có thể thấy rằng nếu chọn ra hai trạng thái pha ngược nhau là hợp lý nhất, khi đó ta có tín hiệu điều chế số 2PSK hay BPSK (Binary Phase Shift Keying) Nếu muốn truyền tổ hợp hai bit một cần có 4 trạng thái pha khác nhau, các trạng thái pha khác nhau của sóng mang sẽ được chọn cách nhau 0

90 khi đó ta có điều chế số 4PSK hay QPSK (Quanternary Phase Shift Keying) Tương tự nếu cần truyền mỗi lần tổ hợp n bit nhị phân thì cần có M trạng thái pha khác nhau với M = 2n Các trạng thái pha của sóng mang sẽ được chọn cách nhau một góc 0

360 /M hay 2 π/M, tín hiệu điều chế số như vậy được gọi là M-Ary-PSK (điều chế dịch pha M trạng thái hay điều chế dịch pha bậc M)

Phương trình tổng quát của tín hiệu điều chế PSK như sau:

=

ư ( ) cos ( 2i 1 )

M t w A t

+ Bit “0” tương ứng với pha sóng mang là 00

+ Bit “1” tương ứng với pha sóng mang là 1800

Biểu thức toán học của sóng mang: SBPSK(t)=A.d(t).cos(ωct+ϕ)

Trong đó

d(t) là luồng bit nhị phân cần truyền, được chuyển sang dạng NRZ với quy ước:

+d(t)=+1 nếu bit nhị phân có giá trị logic là “1”

+d(t)=-1 nếu bit nhị phân có giá trị logic là “0”

Để thuận tiện cho tính toán tín hiệu BPSK thường được xét bởi

Với Ps là công suất sóng mang Ta có: SBPSK(t)= 2 Psd(t).cos(ωct)

Do vậy ta có sóng mang mW hóa bít “1” là: S1(t)= 2 Pscos(ωct)

Sóng mang mW hoá bit “0” là: S0(t)= - 2 Pscos(ωct) =

29

S1(t)= 2 Pscos(ωct+π) Nếu luồng d(t) có tốc độ bit là fb, chu kỳ của mỗi bit tương ứng sẽ là:

Tb=1/fb, do vậy sóng mang sẽ dùng một năng lượng là Eb=PS.Tb để truyền tải mỗi bit

2.3.1.2 Sơ đồ khối bộ điều chế và dạng sóng tín hiệu BPSK

Hình 2.1: Sơ đồ khối và dạng sóng tín hiệu BPSK

2.3.1.3.Nguyên lý hoạt động:

Tín hiệu vào ở dạng NRZ đơn cực, trước khi đưa tới đầu vào bộ trộn

được đưa qua bộ chuyển đổi sang mW NRZ lưỡng cực ( mức -1 ứng với bit “0”, +1 ứng với bit “1”) Tín hiệu được đưa vào bộ trộn có dao động sóng mang

được cung cấp bởi bộ dao động nội (LO) MW lưỡng cực sẽ tạo ra 2 trạng thái pha cho dao động sóng mang là 00 và 1800 Đầu ra của bộ trộn là sóng mang

đW được điều chế BPSK

Nhìn vào dạng sóng BPSK ta thấy:

+ Điều chế BPSK có góc lệch pha giữa hai bit là 1800

+ ứng với mỗi thời điểm chuyển đổi pha luôn kèm theo chuyển đổi biên

độ trong một thời gian ngắn hay điều biên sinh ra khi thực hiện điều chế pha,

đây gọi là điều biên ký sinh Vì vấn đề này mà yêu cầu các thiết bị số phải

− ( ) cos ( 2i 1 )

M t w A t

4 cos 2 )

(2.6) Gi¸ trÞ cña i t−¬ng øng víi pha cña sãng mang lµ tæ hîp 2bit ®−îc truyÒn cho bëi b¶ng sau ( víi b e (t) vµ b o (t) lµ bit lÎ vµ bit ch½n trong symbol hay tõ ®iÒu chÕ t¸ch ra tõ luång s¬ cÊp d(t)) Gi¸ trÞ cña b e (t) vµ

).

( cos

).

( )

31

Vector sóng mang đ−ợc phân tích thành hai thành phần một trên trục I

và một trên trục Q, b e (t) và b o (t) có dạng NRZ với mức xung ±1, trục I là trục trùng pha với sóng mang chuẩn cosw C t trục Q sẽ trùng pha với sin(w C t+ π ) Nếu tốc độ bit của luồng số d(t) là f b, hay thời gian của mỗi bit là T b, thời gian tồn tại của các bit lẻ và chẵn trong các luồng b e (t) và b o (t) sẽ là 2 T b, hay nói cách khác thời gian tồn tại của mỗi symbol là T S = 2 T b Vậy sóng mang sẽ dùng một năng l−ợng; E S = P S.T S = P S 2 T b để truyền một truyền ký hiệu, còn năng l−ợng để truyền mỗi bit là: E b =P S.T b = E S / 2

2.3.2.2.Sơ đồ khối và dạng sóng tín hiệu QPSK

Hình 2.2: Sơ đồ khối và dạng sóng tín hiệu QPSK

32

2.3.2.3.Nguyên lý hoạt động

Đầu vào bộ biến đổi nối tiếp song song (SPC) là luồng số d(t) ở dạng

mW NRZ đơn cực, đầu ra ta được hai luồng số b e (t) và b o (t) có tốc độ bit giảm

đi 2 lần Mỗi luồng số đó nhận các bit xen kẽ ở luồng cơ sở d(t)

Hai luồng mới này được đưa vào bộ biến đổi mW NRZ đơn cực thành

mW NRZ lưỡng cực, rồi đưa tới hai bộ trộn Mixer 1 và Mixer 2 đây cũng giống như 2 bộ điều chế BPSK Tại hai bộ trộn có các dao động sóng mang từ khối dao động nội (LO- Local Oscilator) đưa tới, 2 sóng mang dẫn tới hai bộ trộn lệch pha nhau 90 0 là cosw C t và sinw C t Đầu ra bộ trộn ta được tín hiệu 2PSK Cộng hai tín hiệu này ở bộ tổng, ta có sóng mang có góc pha là: π/4, 3π/4, 5π/4, 7π/4, đó chính là sóng mang được điều chế QPSK (4PSK) Tín hiệu QPSK có độ dịch pha giữa hai trạng thái pha là 0

90 , chính vì vậy kiểu điều chế này còn được gọi là: Điều chế pha vuông góc QPSK

Điều chế QPSK cho ta tín hiệu giống 4QAM, chỉ khác là các chòm sao của QPSK có biên độ không đổi và di chuyển theo vòng tròn đơn vị còn các chòm sao của 4QAM không di chuyển theo vòng tròn đơn vị QPSK có hiệu suất băng thông gấp hai lần so với BPSK, nhưng tần số truyền symbol lại bằng 1/2 của BPSK

2.3.3 Điều chế 8PSK

2.3.3.1.Biểu thức của 8PSK

Dựa vào công thức tổng quát của điều chế PSK, tương tự như điều chế QPSK đW trình bày ở trên, với 8PSK ta có n = 3bit/symbol là số bit trên một symbol hay từ điều chế, do đó phải sử dụng bộ chia 3 đường song song (bộ chia modul 3) và số trạng thái pha của tín hiệu điều chế 8PSK ở đầu ra là M =

8 cos

2 ) (

(2.8) Với i = 0, 1, 2, 3, 7;

33

Bảng các giá trị của i tương ứng với tổ hợp 3 bit và pha của sóng mang:

Tổ hợp 3bit 000 001 011 010 110 111 101 100 Pha sóng mang π/8 3π/8 5π/8 7π/8 9π/8 11π/8 13π/8 15π/8 2.3.3.2.Sơ đồ khối điều chế

Hình 2.3: Sơ đồ khối điều chế 8PSK Các mức tiếp theo của PSK từ 16PSK không được dùng nhiều, thông dụng hơn là điều chế pha và biên độ kết hợp 16 QAM Bởi vì từ 16 trạng thái trở nên thì phương thức điều chế QAM cho khoảng cách giữa các symbol điều chế lớn hơn PSK cùng mức, do vậy tỷ số BER sẽ tốt hơn với cùng một công suất phát

2.3.3.3.Nguyên lý hoạt động

Chuỗi tín hiệu số nối tiếp d(t) được biến đổi thành 3 luồng bit song song nhờ bộ đếm nhị phân chia modul 3, với tốc độ giảm đi 3 lần f b/ 3, sau đó được chuyển thành tín hiệu số 4 mức nhờ bộ đổi mức, đầu ra bộ đổi mức là 1 trong

4 mức đưa vào các bộ điều chế biên độ DSB-SC (2 biên nén sóng mang), các mức này tại đây được nhân với dao động nội LO rồi cộng lại để tạo ra tín hiệu

điều chế 8PSK ở đây, có thể thấy 8PSK = QPSK + QPSK

34

Như vậy, mỗi trạng thái là một chòm sao gồm tổ hợp 3 bit, khoảng cách giữa các trạng thái pha là 0

45 2.3.4 Điều chế cầu phương 16QAM

Đây là phương thức điều chế kết hợp giữa điều chế biên độ ASK và điều chế pha PSK Trong phương thức điều chế này người ta thực hiện điều chế biên độ nhiều mức 2 sóng mang mà 2 sóng mang này được dịch pha 1 góc 0

90

(vuông pha trên 2 trục I, Q; một sóng mang sinw c t một sóng mang la cosw c t)

Số trạng thái pha trong điều chế này là M = L2 (L là số mức biên độ của mỗi sóng mang vuông góc) Tín hiệu điều chế QAM là tổng của hai sóng điều biên vuông góc này:

QAM = ASK1+ASK2 hoặc QAM = ASK+PSK;

Vậy hai thông số biên độ và pha của sóng mang bị thay đổi đồng thời, tạo ra tín hiệu QAM

2.3.4.1.Điều chế nhiều mức (bộ chuyển mức biên độ)

Để đáp ứng yêu cầu thông tin số tốc độ cao, người ta phải tăng số trạng thái pha của dao động sóng mang Muốn có được số trạng thái pha nhiều mà khoảng cách giữa các trạng thái pha lớn, người ta tăng số mức biên độ của số liệu trước khi đưa vào bộ điều chế Để thấy rõ vấn đề này chúng ta xem xét mô hình chung bộ điều chế QAM đa mức (nhiều trạng thái hay M-Ary- QAM) như hình vẽ dưới đây, với điều chế 4 mức nếu là 16QAM, 8 mức nếu là

điều chế 64QAM,

Hình 2.4: Sơ đồ tóm tắt bộ điều chế QAM đa mức

35

Với các bộ điều chế QAM nhiều trạng thái , thì tín hiệu số vào thường

là xung NRZ có hai mức -1 và +1 logic phải được đưa qua bộ biến đổi nối tiếp thành song song dể tạo ra số luồng bit cần thiết tuỳ theo loại điều chế Sau đó tại hai nhánh I và Q thì tín hiệu 2 mức cần phải được chuyển lên thành 4 hoặc

8 mức biên độ tuỳ theo kiểu điều chế Bộ biến đổi mức này chính là bộ điều chế biên độ xung PAM Công thức chuyển mức tổng quát:

*n bit vào bằng 2n mức ra

*Với 2 bit logic vào có 22 = 4 mức đầu ra

*Với 3 bit logic vào có 23 = 8 mức đầu ra

Ví dụ sơ đồ bộ chuyển mức từ 2 lên 4:

Hình 2.5: Bộ biến đổi mức2-4 Với số trạng thái cao QAM có công thức: L2 = M-QAM: số trạng thái pha sóng mang đW được sau điều chế Trong đó: L là số mức biên độ của sóng mang trên mỗi trục I và Q

2.3.4.2.Bộ điều chế 16 QAM

*Sơ đồ khối và biểu đồ chòm sao:

36

S P C

LO

90 °

ASK

ASK d(t)

PAM2/4

)

S Q A M

t Cosw c

Tổ hợp4Bit

Biểu đồ chòm sao 16QAMHình 2.6: Sơ đồ khối và biểu đồ chòm sao 16QAM

37

2.3.4.3.Nguyên lý hoạt động:

Chuỗi số liệu nối tiếp đưa qua bộ biến đổi nối tiếp thành song song, là một bộ đếm chia modul 4 tạo thành 4 luồng dữ liệu song song đưa tới các bộ chuyển đổi mức từ 2 lên 4 mức biên độ, đưa vào các bộ điều chế ASK tại mỗi nhánh I, Q, tại đây mỗi một mức lại được nhân với sóng mang từ LO tới tạo ra sóng mang đW được điều chế ASK bởi tín hiệu 4 mức biên độ Các tín hiệu sau

điều chế ASK được cộng lại để tạo ra tín hiệu điều chế 16QAM theo công thức L2 =42=16 trạng thái biên độ và pha như trong biểu đồ không gian ở trên, với tổ hợp 4bit một tín hiệu

Mỗi chòm sao hay mỗi tín hiệu tương ứng với một vector sóng mang có biên độ và pha riêng gồm tổ hợp 4bit Khoảng cách giữa các chòm sao (tổ hợp bit) xác định và tỷ lệ nghịch với tỷ số BER Với QAM khoảng cách này là :

là giống nhau (Ví dụ 16 PSK và 16 QAM) Đặc tính lỗi của bất kỳ hệ thống

điều chế số nào cũng quan hệ với khoảng cách giữa các điểm trong đồ thị chùm sao của tín hiệu Khi các trạng thái trở nên gần nhau, do có nhiễu tạp nên làm cho chúng định vị xung quanh điểm lý thuyết thay vì vị trí chính xác của các điểm này Do vậy khi số mức điều chế tăng lên ta được lợi là hiệu suất

sử dụng băng thông tăng lên (theo công thức:

) ( 2 log

) 1 ( ) 1 (

M

fs fm

α = ++

phải trả giá là tỷ lệ thu lỗi tăng lên do định vị nhầm Như vậy để đảm bảo tỷ số lỗi nhất định mà muốn tăng số mức điều chế để tiết kiệm băng thông thì phải

38

t¨ng c«ng suÊt ph¸t (C/N) (xem h×nh 2.7) Lùa chän c¸c ph−¬ng ¸n ®iÒu chÕ ph¶i c©n nh¾c gi÷a hiÖu suÊt b¨ng th«ng vµ hiÖu suÊt n¨ng l−îng sao cho hiÖu qu¶ vµ hîp lý nhÊt

H×nh 2.7: HiÖu suÊt b¨ng th«ng lý thuyÕt so víi C/N víi c¸c kiÓu ®iÒu chÕ

kh¸c nhau (BER=10-6, WT=1,33)

đề cập đến một số mô hình mW hoá sử dụng nguyên lý mW turbo để đạt được hiệu quả băng thông cao Nội dung của chương này gồm hai phần chính:

- Giới thiệu mW Turbo truyền thống

- Một số thiết kế hiệu quả băng thông sử dụng mW turbo

3.1 Mã turbo truyền thống

ở dạng nguyên thuỷ bộ mW hoá turbo bao gồm hai bộ mW hoá xoắn hệ thống đệ quy RSC (recursive systematic code) tốc độ 1/2 ghép song song với nhau Hai bộ mW hoá này hoàn toàn đồng nhất về mặt cấu trúc và làm việc với cùng một đầu vào số liệu (hình 3.1)

Hình 3.1: Bộ mW hoá turbo

40

Dòng số liệu đầu vào được xáo trộn (interleaver) trước khi đưa vào bộ

mW hoá thứ 2 Chức năng của bộ xáo trộn là nhóm chuỗi số liệu đầu vào thành các khối N bit và sắp xếp lại theo cách thức giả ngẫu nhiên nào đó Do cả hai

bộ mW hoá có tính hệ thống và cùng nhận dòng số liệu như nhau (theo trật tự khác nhau) nêu đầu ra hệ thống của bộ mW hoá thứ 2 là hoàn toàn thừa và không cần thiết phát đi Nhờ vậy mà tốc độ mW chung của mW turbo tăng từ 1/4 lên 1/3 Tốc độ này có thể đạt cao hơn nữa khi sử dụng biện pháp lược bớt (puncturing) từ dòng bit kiểm tra đầu ra thông qua một bộ ghép kênh MUX

Hình 3.2: Nguyên lý giải mW turbo Với bộ xáo trộn, việc giải mW tối ưu (với nghĩa chọn từ mW có khả năng nhất) trở nên phức tạp và vì vậy không có ý nghĩa thực tế Tuy nhiên luật giải

mW lặp cận tối ưu được Berrou và đồng nghiệp giới thiệu trong “Near Shannon-limit error-correcting coding and decoding: turbo codes” lại có chất lượng rất cao trong khi vẫn giữ được độ phức tạp vừa phải ý tưởng chính của nguyên lý này là chuyển việc giải mW chung thành hai thao tác nhỏ hơn, mỗi thao tác cho từng bộ mW hoá con với giải thuật cục bộ, song song là quá trình trao đổi thông tin lẫn nhau giữa hai bộ giải mW Bộ giải mW gắn với từng mW thành phần được sửa đổi lại để tạo ra đầu ra mềm dưới dạng xác suất hậu nghiệm APP ( a posteriori probability) của các bit số liệu Hai bộ giải mW