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). FEC được mã ở phía phát. FEC = ρ = 1/2, 2/3, 3/4, 7/8.
2.3.5. Kỹ thuật điều chế
Điều chế tín hiệu là biến đổi tin tức cần truyền sang một dạng năng lượng mới cĩ quy luật biến đổi theo tin tức và thích hợp với mơi trường truyền dẫn. Quá trình điều chế là quá trình dùng tín hiệu tin tức để thay đổi một hay nhiều thơng số của phương tiện mang tin. Phương tiện mang tin trong thơng tin vệ tinh thường là sĩng điện từ cao tần (RF). Việc điều chế phải đảm bảo sao cho tín hiệu ít bị can nhiễu nhất khi sĩng mang đi qua mơi trường trung gian.
Điều chế pha (khĩa dịch pha PSK – Phase Shift Keying) đặc biệt thích hợp đối với các tuyến vệ tinh. Trong thực tế nĩ sử dụng lợi thế của một đường bao khơng đổi nên nĩ cung cấp hiệu quả phổ tốt hơn. Khi sĩng mang đi qua mơi trường trung gian.
Đối tín hiệu tương tự thì kiểu điều chế thường dùng trong thơng tin vệ tinh là điều chế FM (dùng do thoại, số liệu và truyền hình). Các phương pháp điều biên
Các bit dư thưa r Bộ mã hĩa kênh Hệ số mã hĩa p = n/n+r Ký tự số liệu thơng tin N=2n Ký tự số liệu thơng tin N=2n Tốc độ vào Rb Tốc độ vào R b
AM và điều pha QAM (điều chế cầu phương) rất ít dùng bởi khoảng cách truyền dẫn rất lớn của tuyến vệ tinh cùng với các tạp âm đường truyền sẽ làm cho biên độ sĩng mang bị thay đổi rất mạnh gây nhiều khĩ khăn cho quá trình giải điều chế. Cịn các kỹ thuật điều chế số dựa trên cơ sở dùng các biên pháp tải các dịng bít lên sĩng mang. Tín hiệu ở băng gốc bao giờ cũng là tín hiệu tương tự nên chúng phải được chuyển thành tín hiệu số nhờ phương thức PCM trước khi đem điều chế. Kỹ thuật điều chế số được sử dụng trong thơng tin vệ tinh thường là điều chế dịch mức pha PSK và điều chế dịch mức pha vi sai DE-PSK (Different Encode PKS). Ưu điểm của kỹ thuật điều chế số là nĩ khai thác được các mặt mạnh của tín hiệu số so với tín hiệu tương tự, ít bị can nhiễu của mơi trường và dễ kết hợp với các quá trình xử lý như: mã hĩa, bảo mật, chống lỗi, sửa lỗi,…
2.4. Các thơng số cơ bản trên tuyến truyền thơng tin2.4.1. Các mức cơng suất 2.4.1. Các mức cơng suất
2.4.1.1 Cơng suất bức xạ đẳng hướng tương đương
Cho một anten cĩ hệ số khuếch đại GT = 1, gĩc đặc là gĩc được tạo bởi một cung cĩ độ dài bằng bán kính. Đặt một cơng suất RF cĩ giá trị PT tại tâm hình cầu khi đĩ ta cĩ cơng suất bức xạ trên một đơn vị gĩc đặc anten đẳng hướng là:
π 4 T P [ w/steradian ] (2.15) Hướng mà giá trị độ lợi truyền cực đại là GT, bất kỳ anten nào bức xạ trên đơn vị gĩc đặc bằng: π 4 . T T G P [ w/steradian ] (2.16)
Hình 2.15: Mơ tả anten đẳng hướng.
PTGT = EIRP [ w ] (2.17) Anten đẳng hướng Cơng suất bức xạ trên 1 đơn vị gĩc đặc G T = 1 PT
+ EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power) gọi là cơng suất bức xạ đẳng hướng tương đương
Hình 2.16: Anten thực bức xạ vùng A.
Hình 2.16 minh họa cách tính cơng suất bức xạ trên vùng A
PA = (PT GT /4π) (A/R2) = A PTGT/4πR2 [w] (2.18) + Mật độ thơng lượng cơng suất ở cự ly R:
ф = 2 2 4 4 R EIRP R G PT T π π = [W/m2] (2.19)
Trong đĩ: EIRP : Là cơng suất bức xạ đẳng hướng. PT : Cơng suất đưa ra anten phát.
GT: Độ lợi anten phát; trường hợp anten vơ hướng GT = 1 (0dB). ф: Mật độ thơng lượng cơng suất.
Hình 2.17: Tính mức cơng suất thu.
2.4.1.2. Cơng suất thu
Tính cơng suất thu PR ở cự ly R: PR = фAhd = Ahd 2 2 4 4 R EIRP R G PT T π π = Ahd (2.20) Ahd = π 4 R G λ2 [m2 ] (2.21) Trong đĩ Ahd : diện tích hiệu dụng của anten thu.
λ : bước sĩng thu Thay (2.20) vào (2.21) cĩ: PR = 2 4 R G PT T π 4π R G λ2 = PTGTGR( R π λ 4 )2 = PTGTGR FS L 1 [w] (2.22) Ahd GR PR PT GT GT Area A Gĩc đặc A/R2
Trong đĩ LFS = ( λ πR
4
)2 là tổn hao trong khơng gian tự do (2.23) Do vậy PR = FS R T T L G G P [W] (2.24)
2.4.2. Các loại suy hao
2.4.2.1. Suy hao do phi đơ thu phát
Hình 2.18: Tính suy hao thu phát.
Suy hao LFTX giữa máy phát và anten phát là suy hao bởi các ống dẫn sĩng và các đầu nối, để anten bức xạ một cơng suất PT thì cơng suất tại đầu ra bộ khuếch đại của máy phát cĩ độ lớn: PTX = PT.LFTX (2.25) Tính theo dB: PTX[dB] = PT[dB] + LFTX[dB] (2.26)
Từ đĩ cĩ thể tính cơng suất bức xạ đẳng hướng hiệu dụng: EIRP = PTGT = FTX T TX L G P [w] (2.27)
Suy hao giữa máy thu và anten thu là suy hao tạo nên bởi các phi đơ dẫn sĩng và các đầu nối. Cơng suất PRX tại đầu vào máy thu cĩ độ lớn như sau:
PRX
TX LFTX LFRX RX
Tổn hao do
Feeder phát Tổn hao doFeeder thu
L
PT PR
GT G
R
PRX = FRX R L P [w] (2.28) Tính theo dB: PRX[dB] = PR[dB] - LFRX[dB]
2.4.2.2. Suy hao do anten thu phát lệch nhau (Hình 2.23)
Khi anten phát và thu lệch nhau thì sẽ tạo ra suy hao vì búp sĩng chính của anten thu khơng hướng đúng chùm tia phát xạ của anten phát, ta biểu diễn hai loại suy hao bằng cơng thức sau:
Hình 2.19: Suy hao do anten thu phát lệnh nhau
LT = 10 lg e 2 3 ) ( 76 . 2 dB T θ α = 12(θ3dBT α )2 [dB] (2.29) LR = 10 lg e 2 3 ) ( 76 . 2 dB R θ α = 12( dB R 3 θ α )2 [dB] (2.30) θ3dB = Df C D 70 70λ = [degrees] (2.31) Trong đĩ D: đường kính anten parabol.
C = 3.108 : tốc độ truyền sĩng λ : bước sĩng f: tần số sĩng
2.4.2.3. Suy hao do khơng thu đúng phân cực
Loại suy hao này xảy ra khi anten thu khơng đúng hướng phát cùng với phân cực sĩng máy thu, ví dụ đối với sĩng điện từ phát đi phân cực trịn thì chỉ trên trục bức xạ của anten sĩng mới cĩ phân cực trịn, ngồi trục bức xạ phân cực biến dạng thành ellip, khi truyền trong mơi trường khác nhau (đặc biệt trong mưa) phân cực bị biến đổi.
Nếu gọi σ là gĩc giữa hai mặt sĩng thì suy hao do lệch phân cực được biểu diễn: LPOL = 20 lg(cosσ) [dB] (2.32) Thường lấy gĩc lệch beam 3 dB trong phân cực trịn.
αT αR
GT GR
PR PT
2.4.2.4. Suy hao do khí quyển
L = LFSLA (2.33) LA: 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 O2
và hơi nước H2O)
2.4.2.5. Suy hao do mưa và mây
Nước ta mưa nhiều nên việc thu sĩng vệ tinh cũng bị ảnh hưởng khơng ít. Theo Hình 2.24, Việt Nam nằm ở vùng quy định N của ITU. Bảng 2.3 là lượng mưa trung bình ở vùng châu Á-Thái Bình Dương.
Suy hao do mưa Arain được tính theo cơng thức: Arain = γRLe [dB] (2.34)
Trong đĩ γR: Suy hao trên một đơn vị dài (dB/Km), γR phụ thuộc tần số sĩng mang và lượng mưa RP (mm/h). γR được xác định từ nomogram. Kết quả sẽ là giá trị suy giảm theo phần trăm trong năm (p)
Le: Chiều dài thực của đoạn đường sĩng đi qua mưa (Km)
Hình 2.20: Lượng mưa trung bình (mm/h) của các vùng trên thế giới. Bảng 2.2: Lượng mưa tương ứng với tổng thời gian suy giảm tín hiệu do mưa trung bình trong năm.
1 năm = 8.760 h; 0,3% của 1 năm = 26,28h.
99,7% được tính trong vùng mưa N địi hỏi máy thu dự trữ đủ trên mức ngưỡng ứng với lượng mưa nhỏ hơn 15 mm/h.
Hình 2.21. Tính suy giảm do mưa của CCIR