Q-PSK là kỹ thuật điều chế số có khả năng chống nhiễu điện từ trường tốt hơn QAM, thường được sử dụng trong môi trường vệ tinh hoặc kênh phản hồi (kênh ngược) của mạng truyền hình cáp, Q-PSK làm việc dựa trên nguyên lý dịch tín hiệu số để không có pha trong tín hiệu ra, Q-PSK làm tăng độ mạnh của mạng. Tuy nhiên sơ đồ điều chế Q-PSK có thể truyền dữ liệu tại 10Mbit/s.
Q-PSK sử dụng 4 trạng thái pha để đạt hiệu quả sử dụng tần số cao hơn so với hệ thống B-PSK. Tín hiệu truyền đi được biến đổi từ nối tiếp sang song song, hai sóng mang khác pha nhau π/2 được điều chế hai tín hiệu nhị phân trên và chúng được kết hợp lại với nhau thành tín hiệu ra. Tốc độ tín hiệu trong đường truyền dẫn bằng tốc độ chuỗi đầu vào. Quá trình giải điều chế Q-PSK được coi là hai quá trình giải điều chế B-PSK độc lập. Hai tín hiệu băng gốc I(t) và Q(t) là kết quả so pha tín
hiệu thu được với hai sóng mang chuẩn lệch pha với nhau một góc π/2. [2], [3]
Hình 1.7.Cấu hình bộ giải điều chế Q-PSK
Hình 1.8. Biểu đồ sao tín hiệu 1.7. Kết luận chương I
Qua chương I, ta thấy được ưu cũng như nhược điểm của Truyền hình số so với truyền hình tương tự, trong đó truyền hình số vệ tinh là thích hợp phát triển ở Việt Nam với địa hình địa lý nhiều đồi núi của Việt Nam. Ở chương một nội dung trình bày về các vấn đề truyền dẫn, tiêu chuẩn nén hình ảnh, cũng như kỹ thuật điều chế tín hiệu số đã tạo tiền đề cho chương II dưới đây khi trình bày về truyền hình số vệ tinh. Qua chương I ta có thể hình dung được khả năng phát triển, cạnh tranh mạnh mẽ của hệ thống này trong hiện tại cũng như trong tương lai với rất nhiều dịch vụ khác nhau và chất lượng.
Chương 2
TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH
Hiện nay truyền hình tương tự cổ điển đã dần bị thay thế bởi truyền hình số với chất lượng và các dịch vụ tốt hơn, với địa hình nhiều đồi núi của Việt Nam thì hướng phát triển truyền hình số vệ tinh là hướng được các nhà phát hành và làm chương trình truyền hình lựa chọn. Với tiền đề là các nội dung tổng quan đã trình bày về Truyền hình số ở chương I, trong chương II em sẽ trình bày nội dung về Truyền hình số vệ tinh. Nội dung cụ thể của chương này như sau:
- Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh.
- Một số điểm quan trọng trong truyền hình số vệ tinh.
- Trọng điểm của chương là nội dung về Truyền hình số vệ tinh TVRO.
2.1. Hệ thống thông tin vệ tinh
Ngày nay thì các hệ thống thông tin vệ tinh có thể truyền trực tiếp đến người sử dụng. Thông tin vệ tinh tuy ra đời muộn nhưng được phát triển nhanh chóng bởi vì nó có nhiề lợi thế so với các hệ thống truyền thông khác đó là:
Vùng phủ sóng rộng, chỉ cần 3 vệ tinh là có thể phủ sóng toàn cầu.
Thiết bị phát sóng của hệ thống thông tin vệ tinh chỉ cần công suất nhỏ.
Việc lắp đặt hoặc di chuyển một hệ thống thông tin vệ tinh trên mặt đất
tương đối nhanh chóng và không phụ thuộc vào cấu hình mạng cũng như hệ thống truyền dẫn.
Hệ thống thông tin vệ tinh có thể phục vụ nhiều dịch vụ khác nhau như
viễn thông thoại và phi thoại, thăm dò địa chất, truyền hình ảnh, quan sát mục tiêu, nghiên cứu khí tượng, phục vụ quốc phòng an ninh, v.v …
Thông tin vệ tinh rất ổn định. Đã có nhiề trường hợp bão to, động đất,
trong lúc các phương tiện truyền thông khác mất tác dụng chỉ còn duy nhất thông tin vệ tinh hoạt động.
Các thiết bị lắp đặt trên vệ tinh có thể tận dụng năng lượng mặt trời để cung cấp điện hầu như cả ngày và đêm.
Tuy vậy, thông tin vệ tinh cũng có một số nhược điểm, đó là:
Kinh phí ban đầu để phóng một vệ tinh lên quỹ đạo là khá lớn và công
nghệ phóng cũng như sản xuất thiết bị không phải quốc gia nào cũng làm được.
Bức xạ của sóng vô tuyến trong thông tin vệ tinh bị hao tổn lớn trong
môi trường truyền song, đặc biệt là ở những vùng có nhiều mưa hoặc mây mù. Nếu muốn dùng anten bé, trọng lượng thiết bị nhẹ thì tổn hao sóng truyền sẽ lớn và giá thành thiết bị cũng sẽ gia tăng.
Vùng phủ sóng của vệ tinh tối đa là 1/3 diện tích bề mặt Trái Đất, do đó
cường độ trường tại điểm thu phụ thuộc vào búp sóng của anten vệ tinh phủ sóng. Điều đó cũng có nghĩa là phụ thuộc vào vị trí tọa độ của vệ tinh trên quỹ đạo mà vị trí đó thì lại tập trung vào một số giới hạn các vị trí có những thuận lợi. Tín hiệu truyền qua tuyến lên và xuống của hệ thống thông tin vệ tinh phải
chịu một thời gian trễ đáng kể (khoảng 0,25s với vệ tinh địa tĩnh). [5] (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.1.1. Các dạng quỹ đạo của vệ tinh
Quỹ đạo của vệ tinh là hành trình của vệ tinh trong không gian mà trong đó vệ tinh được cân bằng bởi hai lực đối nhau. Hai lực đó là lực hấp dẫn của Trái Đất và lực ly tâm được hình thành do độ cong của hành trình vệ tinh. Quỹ đạo của vệ tinh nằm trên một mặt phẳng có thể là hình tròn hoặc hình elip. Nếu quỹ đạo là tròn thì tâm của quỹ đạo tròn trùng với tâm của Trái Đất. Nếu quỹ đạo là elip thì có một đầu elip nằm xa Trái Đất nhất và một đầu kia nằm gần Trái Đất nhất. Điểm xa nhất của vệ tinh trên quỹ đạo so với Trái Đất được gọi là viễn điểm (apogee) và điểm gần nhất được gọi là cận điểm (perigee). Vệ tinh trong quỹ đạo elip sẽ di chuyển trên quỹ đạo chậm hơn khi khoảng cách giữa vệ tinh
và Trái Đất tăng lên (theo định luất Kepler). [5]
Tuỳ thuộc vào độ cao so với mặt đất các quỹ đạo của vệ tinh trong hệ thống thông tin vệ tinh được phân chia như hình dưới.
Hình 2.1. Các dạng quỹ đạo của vệ tinh
Đa số vệ tinh thường được mô tả đặc điểm dựa theo quỹ đạo của chúng. Các loại quỹ đạo đó là:
- Quỹ đạo Trái Đất tầm thấp LEO: 200 đến 1200 km bên trên bề mặt Trái Đất. - Quỹ đạo Trái Đất tầm trung ICO hay MEO: 1200 đến 35286 km.
- Quỹ đạo địa tĩnh GSO.
- Quỹ đạo Trái Đất tầm cao HEO: trên 35786 km.
Ngoài ra còn có các dạng quỹ đạo đặc biệt như: Quỹ đạo Molniya, quỹ đạo đồng bộ mặt trời, quỹ đạo cực, quỹ đạo di chuyển mặt trăng, quỹ đạo di chuyển
Hohmann, quỹ đạo siêu đồng bộ, quỹ đạo dưới đồng bộ. [2]
2.1.2. Quy mô và phạm vi các vùng được vệ tinh phủ sóng
Trong thực tế với nhiều lý do đã xác nhận rằng, độ cao của vệ tinh không phải là nhân tố quyết định trong liên lạc đối với vùng phủ sóng cụ thể. Lý thuyết truyền sóng vô tuyến đã chứng minh rằng, sự suy giảm của sóng trên đường truyền trong khônng gian tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách và điều này phù hợp với các vệ tinh có quỹ đạo thấp vì chúng có độ cao bé hơn. Tuy nhiên trong trường hợp này vệ tinh nhìn vùng phủ sóng dưới 1 góc khối lớn hơn. Kết quả là, tuy có lợi thế về độ cao nhưng lại giảm độ tăng ích của anten. Các vệ tinh
quỹ đạo thấp chỉ phục vụ một phạm vi phủ sóng giới hạn theo thời gian và địa điểm xác định. Nếu như độ tăng ích của anten vệ tinh có giá trị thấp (cỡ vài dB) với độ hướng tính kém thì bức xạ đa phương được hình thành và trong trường hợp này thì các tram mặt đất phải trang bị các thiết bị bám vệ tinh. Điều này dẫn đến chi phí cao, thế nên các vệ tinh địa tĩnh có lợi thế về việc phủ sóng các vùng có diện tích rộng với thời gian liên tục ngày đêm. Tuy nhiên các vệ tinh địa tĩnh không thể phủ sóng được các vùng cực mà các vùng này chỉ được phủ sóng bởi các vệ tinh có quỹ đạo elip nghiêng hoặc quỹ đạo cực.
2.1.3. Góc ngẩng của các anten tram mặt đất
Một vệ tinh có quỹ đạo nghiêng hay quỹ đạo cực xuất hiện trên bầu trời tương ứng với vùng phủ sóng của mặt đất trong một khoảng thời gian nhất định và có thể cho thiết lập liên lạc tại các vùng thành thị có các tòa nhà cao tầng gây cản trở sóng truyền với một góc ngẩng cho phép trong khoang từ 0 đến 700. Đối với các vệ tinh địa tĩnh thì góc ngẩng đó sẽ giảm khi sự chênh lệch về kinh tuyến và vĩ tuyến giữa trạm mặt đất và vệ tinh gia tăng.
2.1.4. Thời gian truyền và thời gian trễ
Vệ tinh địa tĩnh cung cấp một sự chuyển tiếp liên lạc liên tục cho các trạm trong khoảng tầm nhìn của vệ tinh và trong trường hợp tổng quát, tín hiệu từ trạm mặt đất này đến trạm mặt đất khác bị trễ một thời gian khoảng 0,25s. Điều này dẫn đến các việc cần phải có thiết bị điều khiển tiếng vọng (echo control devices) cho các kênh thoại hoặc cần phải có các giao thức đặc biệt để truyền dẫn tín hiệu số. Nếu như vệ tinh di chuyển ở quỹ đạo thấp thì thời gian truyền dẫn đó sẽ giảm. Thời gian truyền dẫn cũng có thể lâu hơn (ví dụ một vài giờ) nếu như phương thức truyền dẫn “lưu trữ-chuyển tiếp” được sử dụng.
2.1.5. Nhiễu trong thông tin vệ tinh
Mỗi một vệ tinh địa tĩnh chiếm 1 vị trí có tọa độ tương ứng với các trạm mặt đất trong vùng phủ sóng của chúng. Hiện nay số lượng vệ tinh địa tĩnh hoạt
động trên quỹ đạo là rất lớn và chúng có thể gây nhiễu cho nhau. Các hệ thống viba mặt đất cũng có thể gây nhiễu cho thông tin vệ tinh và ngược lại. Do đó để chống nhiễu hay nói đúng hơn là hạn chế nhiễu giữa các hệ thống người ta phải có những quy định về phân phối vị trí quỹ đạo và băng tần sử dụng. Khoảng không gian nhỏ giữa các vệ tinh trên quỹ đạo của các vệ tinh gần kề nhau tại cùng một băng tần sẽ làm gia tăng độ nhiễu và cản trở thiết lập các vệ tinh mới. Các hệ thống khác nhau có thể sử dụng các tần số hoặc các băng tần khác nhau nhưng điều này bị hạn chế bởi số lượng và giới hạn băng tần được phân bổ của Hiệp hội viễn thông Quốc tế ITU (International Telecommunication Union) cho các vùng địa lý trên Trái Đất và các loại hình dịch vụ khác nhau. Trong trường hợp này, một băng tần có thể bị giới hạn bởi phổ tần của quỹ đạo. Mặt khác các thông số hình học của vệ tinh so với hệ thống khác cũng sẽ biến đổi và việc đồng bộ sẽ được đặt ra.
2.1.6. Phân bổ tần số trong thông tin vệ tinh
Phổ tần số vô tuyến điện là một nguồn tài nguyên thiên nhiên hữu hạn vì vậy phải sử dụng nguồn tài nguyên này một cách hợp lý, kinh tế và có hiệu quả. Phân bố tần số cho các dịch vụ vệ tinh là một quá trình phức tạp đòi hỏi sự cộng tác quốc tế và có quy hoạch. Phân bố tần số được thực hiện dưới sự bảo trợ của Liên đoàn viễn thông quốc tế ITU.
Toàn thế giới được chia thành 3 vùng:
Vùng 1: gồm Châu Âu, Châu Phi, Liên xô cũ và Mông Cổ Vùng 2: gồm các nước Nam Mỹ và Bắc Mỹ
Vùng 3: gồm Châu Úc, phần còn lại của Châu Á và Thái Bình Dương. Việt Nam thuộc vùng này.
Trong các vùng này băng tần được phân bố cho các dịch vụ vệ tinh khác nhau, một dịch vụ có thể được cấp phát các băng tần khác nhau ở các vùng khác nhau. Các dịch vụ vệ tinh cung cấp:
- Các dịch vụ vệ tinh cố định FSS: cung cấp các đường truyền cho các mạng điện thoại hiện có cũng như các tín hiệu truyền hình cho các hãng TV cáp để phân phối trên các hệ thống cáp.
- Các dịch vụ vệ tinh quảng bá BSS: Có mục đích chủ yếu phát quảng bá trực tiếp đến gia đình và đôi khi được gọi là vệ tinh quảng bá trực tiếp DBS.
- Các dịch vụ vệ tinh di động: bao gồm di động mặt đất, di động trên biển và di động trên không. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Các dịch vụ vệ tinh đạo hàng: gồm các hệ thống định vị toàn cầu. - Các dịch vụ vệ tinh khí tượng.
Các ký hiệu băng tần sử dụng chung cho các dịch vụ vệ tinh:
Bảng 2.1. Băng tần và ký hiệu của chúng
Dải tần (GHz) Ký hiệu băng tần
0.1 – 0.3 VHF 0.3 – 1.0 UHF 1.0 – 2.0 L 2.0 – 4.0 S 4.0 – 8.0 C 8.0 – 12.0 X 12.0 – 18.0 Ku 18.0 – 27.0 K 27.0 – 40.0 Ka 40.0 – 75 V 75 – 110 W 110 – 300 mm 300 – 3000 um
Băng Ku là băng nằm dưới băng K, băng Ka là băng nằm trên băng K là băng hiện nay được sử dụng cho các vệ tinh quảng bá trực tiếp và nó cũng được sử dụng cho một số dịch vụ vệ tinh cố định. Băng C được sử dụng cho các dịch vụ vệ tinh cố định và các dịch vụ quảng bá trực tiếp không được sử dụng băng này. Băng VHF được sử dụng cho một số dịch vụ di động và đạo hàng và để truyền số liệu từ các vệ tinh thời tiết. Băng L được sử dụng cho các dịch vụ di
động và đạo hàng. Đối với các dịch vụ vệ tinh cố định trong băng C, phần băng được sử dụng rộng rãi nhất là vào khoảng (4 – 6)GHz. Hầu như các tần số cao hơn được sử dụng cho đường lên. Do đó băng C được ký hiệu là 6/4 GHz trong đó số viết trước là tần số đường lên. Đối với dịch vụ quảng bá trực tiếp trong băng Ku, dải tần được sử dụng rộng rãi là (12 – 14)GHz và được ký hiệu là 14/12 GHz ( các giá trị tần số có thể bị sai lệch ví dụ tần số băng Ku có thể là 14.04 GHz và 11.763 GHz ).
Ta có bảng phân chia băng tần như sau:
Bảng 2.2. Phân chia băng tần sử dụng cho thông tin vệ tinh Ký hiệu Dải tần
(GHz) Phạm vi sử dụng
L 1 – 2 Thông tin vệ tinh di động, phát thanh
quảng bá, vô tuyến định vị
S 2 – 4 Thông tin vệ tinh di động, thông tin vệ
tinh hàng hải
C 4 – 8 Thông tin vệ tinh cố định
X 8 – 12 Thông tin vệ tinh quân sự và chính phủ
Ku 12 – 18 Thông tin vệ tinh cố định, truyền hình
quảng bá
K 18 – 27 Trạm cố định
Ka 27 – 40 Thông tin vệ tinh cố định, truyền hình
quảng bá, liên lạc giữa các vệ tinh
Sóng mm > 40 Liên lạc giữa các vệ tinh
2.1.7. Cấu hình của hệ thống thông tin vệ tinh
Cấu trúc một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm 2 phần: Phần không gian (Space segment) và phần mặt đất (Ground segment).
Hình 2.2. Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh
a. Phần không gian
Bao gồm vệ tinh và các thiết bị liên quan :
Hình 2.3. Phần không gian của hệ thống thông tin vệ tinh
Trong hệ thống thông tin vệ tinh, vệ tinh đóng vai trò là một trạm chuyển tiếp, làm chức năng của một trạm lặp (repeater). Thu tín hiệu từ các trạm mặt đất, khuếch đại, biến đổi sang một tần số khác và khuếch đại lên một công suất yêu cầu rồi phát trở lại mặt đất. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Phần mặt đất bao gồm toàn bộ hệ thống trạm thu-phát mặt đất. Khi muốn thiết lập đường liên lạc giữa hai điểm với nhau trên Trái đất thông qua trạm chuyển tiếp vệ tinh thông tin người ta phải thiết lập hai trạm trên mặt đất, do đó người ta gọi là trạm mặt đất SES (Satellite Earth Station).
Hình 2.4. Trạm mặt đất
Trạm mặt đất tiếp nhận các luồng tín hiệu từ mạng mặt đất hoặc trực tiếp từ