và điều chế 3.1.1 Kỹ thuật ghép kênh
• Cơ sở ghép kênh
Vệ tinh có khả năng cung cấp nhiều dịch vụ khác nhau nh telephone, fax, truyền hình, truyền số liệu. Một trạm vệ tinh thông thờng dùng chung cho rất nhiều trạm thông tin mặt đất để chuyển tiếp tín hiệu từ các kênh khác nhau, do đó các kênh tín hiệu cần đợc tách riêng rẽ để tránh can nhiễu sang nhau. Việc tách /ghép kênh tín hiệu lại với nhau gọi là kỹ thuật (multiplexer/demultiplexer). Có hai phơng pháp thực hiện ghép kênh là:
TDM (time division multiplexer-ghép kênh theo thời gian) các tín hiệu có cùng tần số nhng chiếm khoảng thời gian khác nhau.
FDM (frequency division multiplexer-ghép kênh theo tần số) các tín hiệu đợc xử lý để chiếm các khoảng tần số riêng trong dải tần bộ phát đáp vệ tinh, nh- ng truyền liên tục đồng thời trong cùng khoảng thời gian. Về mặt lý thuyết cả hai phơng pháp ghép kênh này đều có thể đợc sử dụng cho tín hiệu digital & analog. Nhng phơng pháp TDM dễ thực hiện hơn với tín hiệu digital, và FDM thích hợp với tín hiệu analog.
3.1.1.1 Ghép kênh TDM tín hiệu số(digital)
Tín hiệu xung PAM ghép đợc đa tới bộ mã hoá, Sau bộ mã hoá ta đợc luồng tín hiệu của n kênh, tín hiệu này đợc đa tới bộ tập hợp khung và ở đây tiến hành chèn thêm các bít cho đồng bộ, giám sát, điều khiển.…Từ mã đồng bộ khung (FS) Frame Sychronuous đợc tạo ra từ một bộ tạo xung để đánh dấu xác định khung hoặc các tập tín hiệu trong khung. Các bit báo hiệu mục đích cảnh báo tình trạng của khung, đánh số cho tín hiệu từng kênh, các bit chèn (âm, d- ơng) để cùng tốc độ bit.. Ngoài ra có thể thêm các bit parity, CRC, đồng bộ thời
gian... Bên thu sau khi thu tín hiệu qua bộ lọc đầu vào đợc đa qua bộ khôi phục thời gian, để khôi phục lại tín hiệu ban đầu
Hình 3.1 Sơ đồ ghép kênh TDM tín hiệu số 3.1.1.2 Ghép kênh TDM tín hiệu tơng tự (analog)
Tín hiệu analog đợc lấy mẫu ở những thời điểm khác nhau. Các xung lấy mẫu mang thông tin về biên độ đợc ghép lại trên đờng truyền. Kết quả là một dãy xung PAM ghép với nhau. Trong đó mỗi một xung đợc điều biên trong chu trình bắt nguồn từ mỗi tín hiệu khác nhau. Điều này có thể đợc thực hiện. Vì bề rộng xung lấy mẫu của mỗi tín hiệu ngắn hơn rất nhiều so với khoảng thời gian trôi qua cho đến lần lấy mẫu tiếp theo
ở bên thu tách xung đồng bộ khung. Làm ngợc lại bên phát để tách ra khôi phục các tín hiệu analog nguyên thủy ban đầu.
43 Analog signal ~ 1 2 3 n Bộ mã hoá Tập hợp khung Tạo xung
Các bít báo hiệu parity..
Khôi phục thời gian Khôi phục khung Bộ giải mã Điều khiển ~ ~ ~ ~ 3 n 1 2 Phân phối Kênh truyền ~ ~ ~ ~ ~ . . . Chuyển mạch
lấy mẫu Chuyển mạch lấy mẫu
~
~ . . .
Hình 3.2 Sơ đồ ghép kênh TDM tín hiệu tơng tự 3.1.1.3. Ghép kênh theo tần số FDM
Trớc tiên xử lý chuyển các kênh analog dịch chuyển đi các khoảng tần số khác nhau, sao cho chúng không có thể gây ảnh hởng tác động sang nhau khi kết hợp. Quá trình xử lý này phải áp dụng cho cả hệ thống. Một số lợng kênh nhất định đợc kết hợp thành nhóm, nhiều nhóm kết hợp lại thành nhóm lớn, tập hợp các nhóm lớn thành siêu nhóm và hơn nữa. Số lợng tập hợp các tần số để phát đi tuỳ thuộc vào mỗi quốc gia khác nhau, các tiêu chuẩn khác nhau.
Trong hệ thống thông tin vệ tinh INMARSAT-mini M sử dụng công nghệ và kỹ thuật số, nên sử dụng phơng pháp ghép kênh theo thời gian (TDM)
3.1.2 Các phơng pháp đa truy nhập
Thông tin vệ tinh là hệ thống vô tuyến điểm nối đa điểm, nghĩa là một vệ tinh có thể thông tin với nhiều trạm mặt đất, vì vậy phải sử dụng phơng pháp đa truy nhập. Đa truy nhập là khả năng một số lợng lớn các đài mặt đất có thể đồng thời truy nhập tới vệ tinh, và yêu cầu sử dụng kênh thông tin. Mỗi bộ phát đáp của vệ tinh lọc ra băng tần ấn định riêng cho nó sau đó xử lý dữ liệu để phát lại.
Trong thông tin vệ tinh có các phơng pháp truy nhập sau: Truy nhập phân chia theo thời gian TDMA, truy nhập phân chia theo tần số FDMA, truy nhập phân chia theo mã CDMA, truy nhập phân chia theo vùng không gian SDMA và truy nhập ngẫu nhiên RMA
Việc lựa chọn kỹ thuật truy nhập cần xem xét các yếu tố sau: - Dung lợng kênh yêu cầu
- Công suất yêu cầu - Băng thông yêu cầu
- Khả năng kết nối thông tin
- Khả năng tơng thích, tính mở với sự phát triển thông tin - Khả năng cung cấp đa dịch vụ
- Tính bảo mật thông tin
Đây là các yếu tố để cho các đài hoạt động một cách hiệu quả kinh tế nhất
... ... ... F Biên độ t Khung Tách xung đồng bộ khung F
3.1.2.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA - Fryquency DivisionMultiple Access Multiple Access
Trong đó mỗi trạm mặt đất đợc ấn định cho một khoảng băng tần quy định cho hệ thống. Độ rộng băng tần tuỳ thuộc vào dung lợng và các dịch vụ thông tin của mỗi trạm, toàn bộ dung lợng của một vệ tinh đợc phân chia cho các bộ phát đáp. Mỗi bộ phát đáp thờng có độ rộng 36MHz, 72MHz và 140Mhz. Mỗi bộ phát đáp có thể đợc chia nhỏ cho các khách hàng hoặc các trạm mặt đất khác nhau.
Mỗi khách hàng hay trạm mặt đất đợc phép thu, hoặc phát lu lợng thông tin của mình trong băng tần đã quy định, với cờng độ tín hiệu phải đợc cân bằng sao cho không gây can nhiễu lẫn nhau. Các trạm có băng tần kề nhau thì giữa chúng có một khoảng phòng vệ nhất định chống chồng lấn lên nhau. Ưu điểm của FDMA là kỹ thuật đơn giản, độ tin cậy cao, gía thành hạ, giữa các trạm không cần sự đồng bộ, thủ tục truy nhập đơn giản. Tuy nhiên nó cũng có nhợc điểm là: Thiếu tính mềm dẻo khi cần thay đổi dung lợng. Hiệu quả thấp khi số sóng mang tăng
Nhận xét: Dễ dàng ứng dụng việc phân phối theo yêu cầu , và kích hoạt bằng tiếng nói trong SCPC dung lợng nhỏ
fc ft P f1 f2 f3 fn fpv1 fpv2 f
Hình 3.3 Đa truy nhập phân chia theo tần số
3.1.2.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division MultipleAccess) Access)
Phơng pháp này là mỗi trạm mặt đất đợc ấn định một "khe thời gian" nhất định. Và trạm mặt đất chỉ đợc thu hoặc phát thông tin của mình trong "khe thời gian" quy định đó, và đợc gọi là "cụm" (burst). Các "cụm" của một số trạm mặt đất đợc sắp xếp lại trong một khoảng thời gian dài hơn gọi là khung TDMA. Độ sâu của khe thời gian đợc ấn định cho mỗi trạm đợc xác định trớc tỷ lệ với yêu cầu về lu lợng của trạm mặt đất đó. Mỗi trạm mặt đất phát đi tín hiệu của nó trong khe thời gian đợc ấn định cho nó trong tất cả các khung TDMA. Nh vậy mỗi "cụm" đợc phát đi đúng bằng chu kỳ của khung TDMA. Để các "cụm" trong khung TDMA không chồng lấn lên nhau thì giữa các "cụm" kề nhau phải có một khoảng thời gian phòng vệ. Một mạng đa truy nhập phân chia theo thời gian có trạm A,B,C đợc chỉ ra hình 3.5. Các trạm mặt đất phát không liên tục trong một thời gian TB đã đợc ấn định, và đợc gọi "cụm". Khi thu mỗi trạm thu tất cả các
"cụm" trong khung TDMA, trạm thu nhận dạng "cụm" của mình , "từ duy nhất" có trong "cụm chuẩn" do trạm chuẩn phát đi.
Trạm mặt đất nhận thông tin ở dạng một luồng số có hài liên tục với tốc độ Rb từ mạng mặt đất bên ngoài, hoặc từ ngời sử dụng. Thông tin đợc lu giữ ở bộ nhớ đệm trong khi chờ thời gian phát "cụm". Khi thời gian này tới cụm đợc phát đi trong khoảng thời gian TB,. luồng số với tốc độ Rb điềuchế sóng mang sẽ có tốc độ:
R= Rb(TF/TB) (bit/s)
Tốc độ luồng số điều chế sóng mang sẽ cao khi khoảng thời gian của "cụm" ngắn và chu kỳ phát (TF/TB) của trạm thấp. Ví dụ Rb=2Mbit/s và TF/TB, R=2.10 =20Mbit/s.
Chú ý rằng R là tổng dung lợng của mạng, nghĩa là tổng các dụng lợng trạm ở bit/s. Nếu tất cả các trạm có dung lợng nh nhau thì chu kỳ TF/TB biểu thị cho số trạm trong mạng.
Khi thu "cụm". mỗi trạm sẽ thu tất cả các "cụm" trong khung. Trạm thu nhận dạng khởi đầu của mỗi cụm trong khung bằng việc tách "từ duy nhất". Sau đó lấy ra lu lợng dành cho nó chứa trong cụm con của trờng lu lợng có trong mỗi cụm. Lu lợng này nhận đợc không liên tục với tốc độ R bit/s. Để khôi phục lại tốc độ ban đầu Rb ở dạng một luồng bít liên tục, thông tin đợc lu lại ở trong bộ nhớ đệm đối với một chu kỳ khung, và nó đợc đọc ra ở tốc độ Rb trong thời gian khung.
f
t
Hình 3.5 Cấu trúc “cụm” của khung TDMA
A B C D A
Cụm Thời gian bảo vệ
Khung TDMA
P
f F
TB
Băng thông của bộ phát đáp Cùng tần số
TF T
F
Phía phát Phía thu
Các trạm A, B, C
Hình 3.6 Hoạt động của một mạng theo nguyên lý TDMA
Đa truy nhập phân chia theo thời gian sử dụng hiệu quả hơn đối với độ rộng băng tần, và tận dụng đợc công suất của bộ khuếch đại công suất cao, do mỗi khung TDMA (hay bộ phát đáp trên vệ tinh) chỉ cho một sóng mang, nên không có nhiễu điều chế khi tầng khuếch đại công suất làm việc tại điểm bão hoà hay lân cận điểm bảo hoà, nên sẽ cho ra công suất cực đại.
Hệ thống TDMA có tính mềm dẻo trong việc thay đổi lu lợng giữa các trạm chỉ cần thay đổi độ rộng "cụm" của mỗi trạm mặt đất. Nhng TDMA yêu cầu về công nghệ trạm mặt đất phức tạp hơn FDMA, bởi vậy giá thành sẽ đắt hơn vì phải có sự đồng bộ chính xác giữa các trạm và với vệ tinh. Do vị trí vệ tinh luôn luôn thay đổi nên độ trễ của các trạm mặt đất là khác nhau, làm cho việc đồng bộ trong mạng gặp nhiều khó khăn và phức tạp hơn nhiều so với các hệ thống vi ba trên mặt đất.
Tốc độ của khách hàng sử dụng Ri (bit/s); tốc độ tin tức của bộ ghép kênh Rb=∑Ri(bit/s); tốc độ mỗi cụm R(bit/s), khoảng thời gian "cụm" TB (s), khoảng thời gian khung TF(s).
Ưu điểm: Hiệu quả sử dụng tuyến cao, làm tăng đợc số trạm truy nhập. Linh hoạt cao trong viêc thay đổ thiết lập tuyến
Nhợc điểm: Yêu cầu phải đồng bộ các cụm. Công suất cần thiết ở các trạm mặt đất là cao
3.1.2.3. Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA
Làm việc theo nguyên lý trải phổ tín hiệu phát rộng hơn nhiều so với độ rộng thực tế. Chuỗi mã dùng để trải phổ thành "ký hiệu" riêng của máy phát. Máy thu khôi phục lại thông tin hữu ích bằng việc khôi phục lại sóng mang phát ở độ rộng băng ban đầu. Hoạt động này đồng thời với mã trải phổ của những khách hàng sử dụng khác, cũng nh sự xuất hiện tạp âm mật độ phổ thấp làm cho tạp âm và can nhiễu ở hệ thống CDMA rất ít. Việc truyền dẫn mã kết hợp thông tin có ích đòi hỏi độ rộng băng tần số vô tuyến (RF) lớn hơn nhiều so với khi chỉ phát riêng thông tin. Đó là nguyên nhân vì sao phải thực hiện trải phổ. Có hai công nghệ đợc sử dụng ở CDMA là phát tuần tự trực tiếp (DS), và phát nhảy tần (FH). Nguyên lý trải phổ đợc chỉ ra trên hình 3.7. Trong CDMA mỗi trạm phát sử dụng một mã giả ngẫu nhiên (PN) giống hệt nhau để khôi phục lại và chọn ra thông tin. Những mạng khác có thể làm việc đồng thời trong cùng phổ tần nhng với mã khác nhau thì không gây can nhiễu. Phơng pháp cơ bản của việc phát thông tin trải phổ đòi hỏi phải gửi đi một mã tạp âm giả ngẫu nhiên (PN) ở tốc độ khoảng Mbit/s. Mã này đợc gọi là "Chíp".
Đa truy nhập phân chia theo mã có các u điểm: Đơn giản vì không yêu cầu đồng bộ giữa các trạm. Bảo mật ít can nhiễu, có khả năng làm việc với C/N rất thấp. Sử dụng ít tần số, giá thành các trạm mặt đất thấp.
Các nhợc điểm:Tăng độ phức tạp ở bên thu do yêu cầu đồng bộ mã, không hiệu quả sử dụng công suất phát tối u. Hoạt động đa sóng mang hạn chế các bộ khuyếch đại công suất. Hiệu quả sử dụng băng thông không tối u do yêu cầu băng thông độc lập với lu lợng kênh thông tin.
ứng dụng: Sử dụng trong quân sự vì tính chống nhiễu tốt và bảo mật thông tin. Sử dụng cho các trạm di động vì độ phức tạp chỉ ở đài thu cố định. Sử dụng ở hệ thống mà việc phối hợp tần số khó khăn. Phù hợp với các hệ thống trong trạm có lu lợng nhỏ 48 trải phổ tín hiệu số C D A Bộ phát đáp Nén phổ các tín hiệu không mong muốn Khôi phục lại tín hiệu số B Mật độ phổ công suất (PSD) Tần số PSD f c Độ rộng băng RF w 0 A B fc PSD C w D Tạp âm +các tín hiệu khác+nguồn nhiễu PSD Tần số
3.1.2.4. Phơng pháp SDMA
Các đài mặt đất sử dụng phơng pháp SDMA phân chia theo thời gian nhờ sử dụng sự phân cực tuyến tính, hay phi tuyến của vệ tinh tạo ra các búp sóng. Sự phân chia này cho phép 2 búp sóng bao phủ cùng một khu vực trên trái đất đợc cách ly với nhau, do sự phân cực khác nhau hoặc dùng một anten nhiều chiếu xạ tử. Sự phân chia vùng không gian giữa các vệ tinh do sự khác nhau về vĩ độ hoặc mặt phẳng quỹ đạo. Phơng pháp SDMA cho phép khả năng sử dụng lại tần số, và các chuyển mạch vệ tinh cho phép giảm kích thớc anten của đài mặt đất, và tăng độ tập trung công suất tín hiệu từ vệ tinh.
Đây là phơng pháp đợc sử dụng cho hệ thống vệ tinh thế hệ 3 .Trong tơng lai sẽ đợc sử dụng nhiều vì u điểm tái sử dụng tần số. Do đó tăng dung lợng kênh cho đài. Nhng có bất lợi là vùng phủ sóng không phải là toàn cầu
3.1.2.5. Phơng pháp truy nhập ngẫu nhiên (RMA)
Truy nhập ngẫu nhiên là một biến thể của truy nhập TDMA. Trong đó đài mặt đất phát thông tin ở thời điểm ngẫu nhiên mà không quan tâm tới các quá trình phát khác. Do tính ngẫu nhiên dẫn tới khả năng xung đột thông tin giữa các quá trình phát gây lỗi dữ liệu thu. Khi xảy ra xung đột đài phát đợc yêu cầu phát lại thông tin và việc phát lại nếu cần thiết có thể diễn ra nhiều lần khoảng thời gian trễ khác nhau. Nếu đài phát là độc lập thì các bức điện xung đột ban đầu đợc tách riêng rẽ về thời gian ở các lần phát lại tiếp theo. Hiện nay có 3 phơng pháp truy nhập ngẫu nhiên là:
- Phơng pháp ALOHA
Các gói dữ liệu đợc phát ngẫu nhiên, do đó dữ liệu có thể không đợc vệ tinh thu chính xác ở lần phát thứ nhất. Khi đó vệ tinh phát lại gói tin sao cho đài phát cũng thu đợc. Đài phát phát lại gói tin sau khoảng thời gian trễ khoảng 0,27s. Tổng thời gian để gói dữ liệu thu chính xác là 0,27 số lần phát lại.
-Phơng pháp S-ALOHA
S-ALOHA là một dạng của ALOHA. Trong đó dự liệu phát đợc chia nhỏ sau đó đợc phát ở các khe thời gian ngẫu nhiên của miền thời gian. Phơng pháp này có u điểm là giảm nhỏ sự va chạm do đó tăng dung lợng bão hoà lớn gấp 2
lần ALOHA, thời gian trễ và khả năng mất dữ liệu đợc cải thiện. Tuy nhiên phơng pháp này đòi hỏi thiết bị đài mặt đất phức tạp hơn vì yêu cầu định thời.
- Phơng pháp truy nhập theo khe thời gian đăng ký
Trong phơng pháp này. Mỗi đài phát (ở thời điểm ban đầu) phát gói tin của