2.3.1. Hệ thống anten.
2.3.1.1. Đặc tính, yêu cầu của anten trạm mặt đất
Để thu được những sĩng yếu đến từ vệ tinh và cĩ thể phát đi các sĩng cĩ cơng suất đủ mạnh lên vệ tinh, anten cần cĩ một số đặc tính sau:
+ Độ định hướng cao dọc theo trục của anten và nhỏ ở các hướng khác (búp phụ nhỏ) để khơng can nhiễu vào các hệ thống khác (vệ tinh, mặt đất).
Ví dụ: Độ rộng nửa cơng suất (-3dB Beamwidth) cho tuyến lên của anten phải đủ hẹp để khơng làm nhiễu vào các vệ tinh lân cận (được đặt cách nĩ 2o trên quỹ đạo địa tĩnh)
Hình 2.5. Độ rộng búp sĩng anten trạm mặt đất θ3dB ≤ 1,6O.
Đối với anten parabol thì độ rộng búp xạ khơng (BWFN) gấp 2.5 lần độ rộng -3dB. Giả sử hai vệ tinh lân cận nằm ở hai trục bức xạ khơng thì BWFN = 4O suy ra θ3dBmax ≤ 1,6O
2.3.1.2. Phân loại anten
Cĩ nhiều loại anten khác nhau cĩ thể sử dụng ở trạm mặt đất. Tuỳ theo tiêu chuẩn từng loại trạm mà đường kính của anten thu – phát trạm mặt đất thơng thường cĩ đường kính từ 0.6 ÷ 30 m.
Cĩ 3 loại anten hình 2.6 thường dùng trong truyền hình vệ tinh, đĩ là: + Anten cĩ phễu đặt tại tiêu điểm (Prime Focus Antenna)
+ Anten cĩ phễu đặt lệch trục (Offset – Fed Antenna) + Anten hai mặt phản xạ (Cassegrain Antenna)
-3dB Geosynchronous orbit Main lobe Sidelobes Null Null 1.60 20 20 40 Sub-relector Feed horn
Hình 2.6: Các loại anten dùng trong truyền hình vệ tinh
2.3.1.3. Các thơng số của anten parabol đối xứng - Kích thước và cấu trúc của antenna: - Kích thước và cấu trúc của antenna:
Kích thước và cấu trúc của antenna quan hệ đến đặc tính độ lợi, hiệu suất … Cấu trúc của anten parabol được mơ tả ở Hình 2.7
Hình 2.7: Cấu trúc của anten parabol đối xứng
Ta cĩ quan hệ: f = x D 16 2 [m] (2.1) Trong đĩ: D là đường kính chảo parabol = 2y
x là bề sâu lịng chảo, được tính từ tâm đến mặt chảo
f là tiêu cự chảo, được tính từ tâm chảo đến tiêu điểm của nĩ.
- Hiệu suất của anten:
Hiệu suất của chảo cịn bị chi phối bởi tỉ số f/D (focal/diameter). Nếu tỉ số này nhỏ (0.3), tức chảo sâu (chảo sâu nhất cĩ tỉ số f/D = 0.25) thì chiều dài tiêu cự nhỏ nên địi hỏi Feedhorn cĩ gĩc mở chùm sĩng (beamwidth) rộng hơn và búp phụ nhỏ, ít gây tạp nhiễu nhưng làm giảm độ lợi. Cịn tỉ số f/D lớn thì tiêu cự dài, yêu cầu Feedhorn cĩ gĩc mở chùm sĩng hẹp, độ lợi tăng nhưng búp phụ lớn, làm tăng tạp
nhiễu. Tỉ số f/D thường được chọn từ 0.33 - 0.6. Đối với anten đối xứng, f/D từ 0,3 – 0,45.
Thường gặp nhất là: f/D = 0.4
Hình 2.8: Tín hiệu phản xạ trên bề mặt anten
Hình 2.9 là cường độ tín hiệu tiêu biểu phân bố trên mặt phản xạ của chảo liên quan đến gĩc mở của Feedhorn.
Hình 2.9: Quan hệ giữa mức năng lượng ở rìa chảo và tỉ số f/D.
Hình 2.9 : Quan hệ giữa mức năng lượng ở rìa chảo và tỉ số f/D.
- Nhiệt độ nhiễu của anten (TA):
Nhiệt độ nhiễu của anten (TA) phụ thuộc vào 3 yếu tố chính: + Tần số hoạt động
+ Gĩc ngẩng
+ Điều kiện trời trong hay trời mưa
+ Nhiễu từ nhiệt độ mơi trường, thường là 293OK (do Feedhorn hướng về trái đất).
+ Nhiệt độ nhiễu anten, thơng thường từ 30O - 50 OK (TSKY + TGROUND). TA ảnh hưởng đến hệ số phẩm chất trạm mặt đất G/T.
- Độ lợi anten:
Độ lợi của anten là tỉ số của cơng suất phát xạ (hay cơng suất nhận) trên đơn vị gĩc khối của một anten phát xạ (hay nhận) định hướng và một anten đẳng hướng cĩ cùng cơng suất. Gmax = 42 λ π .Aeff (2.2) Với c = λ.f = 3.108 [m/s] f [Hz] là tần số của sĩng điện từ anten trịn cĩ diện tích bề mặt là : A = 4 2 D
π Suy ra diện tích bề mặt hiệu dụng là: Aeff = η A
η : hiệu suất của anten Thay tất cả vào (2.2) được: Gmax = η.( λ πD )2 = η.( c Df π )2 (2.3) biểu diễn theo dBi cách li (dB above isotropic antenna):
Gmax[dBi] = 10lg{η.( λ πD )2} = 10lg{η.( c Df π )2} (2.4) Mẫu bức xạ (Radiation Pattern) anten parabol được chỉ ra ở hình 2.10.
- Độ rộng búp hướng antenna:
Tham số độ rộng búp hướng (Beamwidth) anten biểu thị khả năng định hướng (Directivity) của anten vơ tuyến. Người ta thường sử dụng búp hướng –3dB để chỉ hướng cĩ độ lợi giảm 50% so với giá trị cực đại (gĩc nửa cơng suất). Giá trị này phụ thuộc vào tỉ số bước sĩng cơng tác và đường kính của anten (λ/D).
θ−3dB = 70( λ/D) = 70.(c/fD) [degree]
(2.5)
Ở hướng lệch α (từ o - θ−3dB/2) so với hướng chính, độ lợi cho bởi:
Gα[dB] = Gmax – 12(α/θ−3dB)
Từ (2.3) và (2.5) suy ra quan hệ giữa độ lợi và độ rộng búp hướng, quan hệ này độc lập với tần số: Gmax = η.( c Df π )2 = η.( dB 3 70 − θ π )2 (2.6) Nếu chọn giá trị η = 0,6; thường η = từ 0,5 đến 0,7, ta cĩ :
Gmax = 2 3 ) ( 29000 dB − θ Do đĩ cĩ: Gmax[dBi] = 44,6 – 20lgθ−3dB (2.7) θ−3dB = ( max, /20) 10 170 dBi G [Degree] (2.8)
Kết luận: Mối quan hệ giữa G, D và θ−3dB của anten parabol đối xứng được mơ
tả theo hình 2.14 dưới đây : Chú ý f tính bằng GHz. Bước 1 là tính: θ-3dB = 20 ) lg 10 8 , 46 ( [ 10 η + −G [degree] (2.9) Bước 2 là tính: G = 46,8 – 20lg θ-3dB + 10lgη [dBi] (2.10) Bước 3 là tính: D = 20 ) lg 10 lg 20 4 , 20 ( [ 10 η − − − f G [m] (2.11) Bước 4 là tính: G = 20,4 + 20lgD + 20lgf +20lgη [dBi] (2.12) Bước 5 là tính: D = dB f. 3 94 , 20 − θ [m] (2.13)
Bước 6 là tính: θ-3dB = 20f.,D94 [degree] (2.14)
Hình 2.11. Mơ tả quan hệ G, D và θ−3dB của anten parabol đối xứng
Bảng 2.10 quan hệ giữa độ lợi và đường kính khác nhau ở hiệu suất tiêu chuẩn η=0.6
Bảng 2.1: Độ lợi anten với các đường kính khác nhau ở những băng tần chính.
- Hệ số sĩng đứng:
Nguyên nhân phát sinh sĩng đứng là do cĩ một số tia sĩng phản xạ ở rìa chảo (front-end) chênh lệch về khoảng cách với chùm sĩng chính ở tâm chảo khi tập trung về tiêu điểm. Thời gian chênh lệch đĩ làm sai pha, gây nên sĩng đứng (VSWR).
Ngồi ra, sĩng đứng cịn do lịng chảo gồ ghề, méo mĩ và do giá đỡ phễu gây nên. Tỉ số VSWR cho phép khơng vượt quá 2:1, giá trị cho phép là 1,5:1 hay nhỏ hơn.
2.3.2. Dải thơng
DIAME TER
[m]
ANTENNA GAIN [ dB ], Efficiency η = 60%
2GHz 4GHz 6GH z 11G Hz 14GH z 20GH z 30GH z 1 24.2 30.22 33.7 39.00 41.4 44.19 47.7 2 30.2 36.23 39.7 45.02 47.1 50.21 53.7 4 36.2 42.25 45.7 51.04 53.1 56.23 59.7 6 39.7 45.77 49.3 54.56 56.7 59.75 63.3 8 42.2 48.27 51.7 57.06 59.1 62.25 65.7 10 44.2 50.01 53.7 59.00 61.1 64.19 67.7 15 47.7 53.73 57.2 62.52 64.6 67.71 71.67 1 Hệ số khuếch đại anten G[dB] Đường kính anten [m] Búp hướng anten θ3dB [độ] 2 3 6 5 4
Dải thơng RF là khả năng của bộ biến đổi để bao phủ băng RF hoạt động, phát (hoặc thu) bằng cách hiệu chỉnh tần số dao động nội LO để bao phủ đầy đủ dải thơng RF (khoảng 575 MHz).
Dải thơng IF phụ thuộc vào tần số IF được lựa chọn. Nếu tần số IF là 70 MHz thì dải thơng là 36 MHz, cịn nếu tần số IF là 140 MHz thì dải thơng sẽ là 72 MHz. Với kiểu biến đổi này, tất cả sĩng mang của một bộ phát đáp cĩ thể được biến đổi lên hoặc xuống. Theo cách thức đĩ mỗi sĩng mang sẽ khác với tần số trung tâm cho nên tần số sĩng mang sẽ được điều chỉnh và mang tới modem.
2.3.3. Kỹ thuật trong truyền dẫn2.3.3.1. Kỹ thuật đồng bộ: 2.3.3.1. Kỹ thuật đồng bộ:
Đồng bộ cĩ nghĩa là tạo tần số đồng hồ để xác định vị trí bắt đầu và kết thúc của tin tức bao gồm:
- Đồng bộ bit: phát đi các bit đồng bộ, bên thu sẽ tái tạo lại tín hiệu đồng hồ từ các tín hiệu thu được để tạo ra các vị trí giống nhau ở cả phía phát và thu.
- Đồng bộ khung: ở hệ thống TDMA sẽ cĩ nhiều kênh thơng tin sử dụng một đường, nên phái xác định rõ ràng thứ tự các thơng tin cho việc ghét kênh và phân kênh. Các xung đồng bộ cĩ chức năng chỉ ra điểm đẩu của một khung được phát đi, đồng thời chỉ rõ thời điểm đĩng mở các cổng phân kênh
Thứ tự phân kênh, ghép kênh định thời các thơng tin được thiết lập giống nhau ở cả hướng thu và phát. Quá trình này được gọi là đồng bộ khung.
Đồng bộ mạng: để tạo tần số đồng bộ như nhau trên tồn bộ mạng truyền dẫn.
2.3.3.2. Sửa lỗi mã:
- Do tín hiệu nơi thu cực kỳ bé nên lỗi mà do tạp âm gây ra là khơng thể tranh khỏi.
- Cĩ hai cách sửa mã:
+ FEC (Forward Error Correction) dùng để sửa lỗi tại bên thu, trong đĩ chỉ cĩ bên thu kiểm tra và xác định vị trí lỗi và sửa số liệu bị lỗi.
+ ARQ (Automatic Repeat Request) là loại yêu cầu phát lại tự động, trong đĩ phía thu chỉ phát hiện lỗi và yêu cầu phía phát lại số liệu.
- Điện thoại và TV sử dụng FEC vì nĩ địi hỏi thời gian thực, cịn ARQ sử dụng trong truyền số liệu vì nĩ khơng cần thiết truyền dẫn theo thời gian thực.
2.3.4. Các thiết bị truyền dẫn số trên mặt đất
Truyền dẫn số liên quan đến các tuyến thơng tin vơ tuyến mà các đầu cuối khách hàng của chúng tạo ra các tín hiệu số. Nhưng cũng cĩ thể phát các tín hiệu gốc tương tự trong dạng số. Mặc dù sự lựa chọn này hàm ý một sự gia tăng băng tần gốc, nhưng nĩ cũng cho phép các tín hiệu từ các nguồn khác nhau được phát đi trên cùng một kênh vệ tinh và tuyến thơng tin vệ tinh được kết nối vào mạng số đa dịch vụ tích hợp. Điều này hàm ý sử dụng các kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM).
Hình 2.12: Các thành phần của một chuỗi truyền dẫn số qua vệ tinh.
2.3.4.1. Số hố tín hiệu tương tự
Số hố tín hiệu tương tự gồm 3 giai đoạn: lấy mẫu, lượng tử hĩa, mã hĩa nguồn.
- Lấy mẫu:
Việc lấy mẫu phải được thực hiện tại một tần số Fs ít nhất bằng hai lần tần số cực đại fmax của phổ tín hiệu tương tự. Tín hiệu tại đầu ra bộ lấy mẫu là một dãy xung điều biên (PAM). Đối với tiếng nĩi trên một kênh thoại, fmax = 3400 Hz và Fs=8KHz. Đối với chương trình phát thanh fmax=15KHz và Fs=32KHz.
- Lượng tử hố:
Sau đĩ, mỗi mẫu được lượng tử hố thành một số lượng xác định M mức rời rạc. Quá trình lượng tử hố sẽ tạo ra một sai lỗi được mơ tả như tạp âm lượng tử hố. Lượng tử hố cĩ thể đồng nhất hoặc khơng đồng nhất tuỳ theo bước lượng tử
Nguồn số
Nguồn ttự
Bộ TDM
Mã hĩa
số liệu Mã hĩa kênh Xáo trộn
Bộ mã hĩa Giải điều chế Giải mã khĩa số liệu Điền chế số Tốc độ bit
Rb (bit/s) Tốc độ bit Rc (bit/s)
Tốc độ bit R (baud) Bộ xáo trộn Giải mã kênh Giải điều chế TDM Tốc độ bit Rb (bit/s) Tốc độ bit Rb (bit/s) Người dùng
hố; bước này cĩ thể độc lập hoặc là một hàm số của giá trị mẫu. Trong trường hợp lượng tử hố khơng đồng nhất, cĩ thể chấp nhận sử dụng luật lượng tử hố cho phân cấp biên độ của các mẫu nhằm duy trì một tỷ số tín hiệu trên tạp âm lượng tử hố khơng đổi cho tất cả các biên độ mẫu. Hoạt động này được gọi là nén. Đối với các mẫu của tiếng nĩi, hiện nay cĩ hai luật nén được sử dụng đĩ là nén theo “quy luật A” và “quy luật µ”.
- Mã hố nguồn:
Các mẫu lượng tử hố cĩ một số lượng M mức, các mức đĩ cĩ thể được đại diện bởi một bảng ký tự xác định của một tín hiệu sẽ được phát đi trên tuyến. Hoạt động này được gọi là mã hố nguồn (PCM) nhằm phân biệt nĩ với mã hố kênh và nhiệm vụ chính là chống lỗi truyền dẫn. Phần tử thơng thường của bảng ký tự này là tín hiệu nhị phân và do vậy nĩ nhất thiết phải phát đi m = log2M bit cho mỗi mẫu và đĩ là tốc độ bit: Rq = Fslog2M
Ví dụ: đối với điện thoại, nếu M=28=256 thì cần cĩ 8 bit cho một mẫu. Với Fs=8KHz, tốc độ bit sẽ là Rq=64Kbps. Đối với một chương trình phát thanh mã hố nguồn cĩ nén được sử dụng sẽ cung cấp một tốc độ bit là 384Kbps. Các kỹ thuật khác nhau sẽ được sử dụng để giảm tốc độ bit. Các kỹ thuật này lợi dụng sự dư thừa hiện diện giữa các mẫu kế tiếp nhau. Theo cách này một tốc độ bit Rb ≤ Rq cĩ thể đạt được và đĩ là tốc độ thơng tin cần được phát. Các kỹ thuật này cịn được gọi là mã hố tốc độ thấp (LRE – Low Rate Encoding). Chúng cĩ thể áp dụng cho tiếng nĩi và hình ảnh. Đối với điện thoại, thiết bị thơng dụng nhất sử dụng mã hố vi phân thích ứng (ADPCM – Adaptive Differential PCM) cung cấp một giá trị Rq=32Kbps.
2.3.4.2. Thiết bị bảo mật (Encryption)
Thiết bị bảo mật được sử dụng khi muốn ngăn chặn việc khai thác, hoặc can thiệp vào các tin tức được phát của những người dùng khơng được phép. Nĩ là phép thực hiện một phép thuật giải theo từng bit theo thời gian thực trên dịng nhị phân. Tập trung các tham số dùng để xác định phép biến đổi được gọi là “khố”. Mặc dù việc sử dụng thiết bị bảo mật thường liên quan đến thơng tin quân sự, song các hệ thống vệ tinh thương mại cũng đang được ngày càng nhiều khách hàng đề nghị cĩ
các tuyến được bảo mật, đặc biệt là các mạng thương mại và quản trị. Trong thực tế, do vùng bao phủ vệ tinh rất rộng và cĩ thể truy nhập tới các vệ tinh đĩ bằng các trạm nhỏ, cho nên việc nghe nén và ngụy tạo tin tức là rất cao.
Hình 2.13 Minh hoạ nguyên lý truyền dẫn bảo mật. Các khối bảo mật và giải bảo mật hoạt động với một chìa khố do các khối tạo khố cung cấp. Việc cĩ được một chìa khố chung hàm ý một phương pháp an tồn cho phân phối khĩa.
Hình 2.13: Nguyên lý truyền dẫn bảo mật
Bảo mật bao gồm hai khía cạnh:
- Khía cạnh bảo mật: tránh khơng để những người khơng được phép khai thác tin tức.
- Khía cạnh xác thực: cung cấp việc bảo vệ khơng cho kẻ thâm nhập cĩ bất kỳ sự thay đổi tin tức nào.
Hai kỹ thuật được sử dụng trong thiết bị bảo mật là:
- Bảo mật trực tuyến (mật mã luồng) mỗi bit của một dịng nhị phân gốc (văn bản rõ) được kết hợp, nhờ sử dụng một phép tính đơn giản (chẳng hạn như cộng modun 2) với mỗi bit của một dịng nhị phân (dịng khố) do một thiết bị khố tạo ra. Dịng này, cĩ thể là một bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên mà cấu trúc của nĩ do mã khố quyết định.
- Bảo mật theo khối (mật mã hố khối) chuyển một dịng nhị phân gốc thành một dãy mật hố được thực hiện theo từng khối theo một logic do khố mã xác định.
Khối mã hĩa Khối giải mã
khĩa Kẻ xâm
nhập
Phân bố khĩa (Phân bố khĩa cơng khai)
Mã khĩa Mã khĩa Kênh vệ tinh Văn bản rõ Văn bản mã hĩa Văn bản rõ
2.3.4.3. Bộ mã hố kênh (Channel Encoder)
Hình 2.16 minh họa nguyên lý của mã hố kênh. Mục tiêu của mã hố kênh là cộng thêm các bit sửa lỗi (redundant bits) vào các bit thơng tin để máy thu cĩ thể dị và sửa lỗi. Tỷ lệ mã ρ được định nghĩa:
ρ =
r n
n
+
Trong đĩ r là số bit được thêm vào n bit thơng tin
Tốc độ bit tại ngõ vào bộ mã hố là Rb [b/s], tại ngõ ra là Rc = Rb/ ρ [b/s]
Hình 2.14: Nguyên lý của mã hố kênh
Mã kênh được ứng dụng trong sửa lỗi trực tiếp FEC (Forward error correct).