CÁC KỸ THUẬT GHÉP KÊNH, ĐIỀU CHẾ, ĐA TRUY NHẬP TRONG THÔNG TIN VỆ TINH VÀ VSAT VINH
3.1 Các kỹ thuật ghép kênh sử dụng trong thông tin vệ tinh và VSAT Vinh
3.1.1 Phương pháp ghép kênh FDM [2] 3.1.1.1 Đặc điểm
Phương pháp ghép kênh theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing) là phương pháp ghép kênh sử dụng cho các tín hiệu băng gốc tương tự, FDM cung cấp một phương pháp để giữ một số các tín hiệu độc lập riêng rẽ trong khi truyền chúng liên tục trên một mạch truyền thông tin. Mỗi tín hiệu băng gốc được điều chế với các sóng mang riêng, tất cả các sóng mang đã điều chế được kết hợp tạo thành sóng mang ghép kênh theo tần số.
Trong thông tin vệ tinh cũng như các mạng VSAT phương pháp ghép kênh FDM thường được sử dụng cho việc ghép kênh các tín hiệu băng gốc, các tín hiệu ghép kênh FDM tiếp tục được để sử dụng điều chế với sóng mang vô tuyến.
3.1.1.2 Phương pháp thực hiện
Hình 3.1 mô tả phương pháp ghép kênh cho một số kênh thoại, nguyên lý tương tự như vậy cũng được áp dụng chung cho tất cả các kênh thông tin thực hiện phương pháp ghép kênh theo tần số. Các kênh thoại có giải tần từ 300- 3400 KHz được điều chế với các sóng mang là 12, 16, 20 KHZ. Các sóng mang cách nhau 4 KHz để đảm bảo cho băng thông kênh thoại 3,1 KHz đảm bảo khoảng bảo vệ khi lọc. Các tín hiệu sau điều chế được lọc lấy các dải biên trên, sau khi bộ cộng tổng của mạng trở thành tín hiệu ghép kênh theo tần số của 3 kênh thoại có dải tần từ 12- 24 KHz.
3.1.1.3 Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp ghép kênh FDM • Ưu điểm: Phương pháp ghép kênh FDM cho phép tăng hiệu quả sử dụng băng thông của một đường truyền cho trước, cho phép truyền nhiều tín
hiệu băng gốc trên cùng một đường truyền. Với các sóng mang điều chế và dải thông tần thích hợp các tín hiệu băng gốc vẫn đản bảo được chất lượng thông tin khi ghép kênh, dải bảo vệ giúp cho các tín tiệu băng gốc không bị ảnh hưởng khi bị lọc lấy một đơn biên.
Hình 3.1 Minh họa ghép kênh FDM cho 3 kênh thoại
• Nhược điểm: Các tín hiệu sau ghép kênh vẫn là các tín hiệu tương tự do vậy chỉ có thể sử dụng các phương pháp điều chế tín hiệu tương tự mà phổ biến là điều chế FM.
3.1.2 phương pháp ghép kênh TDM [2] 3.1.2.1 Đặc điểm
Phương pháp ghép kênh theo thời gian TDM (Time Division Multiplex) được sử dụng cho việc ghép kênh các tín hiệu số.Các tín hiệu số dạng nhị phân được truyền chung trên một kênh nhờ vào các khoảng thời gian xen kẽ nhau. Trên các kênh thông tin các khoảng chu kỳ thời gian được giữa các mẫu bit được truyền của cùng một kênh thông tin được tính toán sao cho vẫn đảm bảo chất lượng thông tin yêu cầu, các chu kỳ thời gian đó được gọi là các khung thời gian, các khung thời gian được tính toán và chia thành các khe
thời gian, mỗi một mẫu bit thông tin của các kênh thông tin chiếm một khe thời gian đó.
Cũng giống như phương pháp ghép kênh FDM, phương pháp ghép kênh TDM ứng dụng trong thông tin vệ tinh nói chung cũng như trong các mạng VSAT tại phần xử lý tín hiệu băng tần gốc tạo ra từ các thiết bị đầu cuối sử dụng, nhưng TDM là phương pháp sử dụng cho các tín hiệu số nhị phân.
3.1.2.2 Phương pháp thực hiện
Các tín hiệu nhị phân được ghép kênh trực tiếp bằng phương pháp ghép kênh TDM, còn đối với các tín hiệu thoại chúng được mã hoá thành tín hiệu số nhị phân sau đó mới tiến hành ghép kênh. Quá trình ghép kênh và giải ghép kênh cho tín hiệu thoại được mô tả như hình 3.2.
Ta xét cấu trúc dạng khung của của phương pháp ghép kênh TDM cho hệ thống Bell T1, tuy nhiên nguyên tắc chung của phương pháp ghép kênh TDM sử dụng trong hệ thống này cũng giống như các hệ thống khác. Tín hiệu các kênh thoại được mã hoá thành tín hiệu số nhị phân theo phương pháp PCM, các bit thông tin trên kênh thông tin số PCM được tổ chức thành các từ mã (word) gồm 8 bit. Các từ mã của 24 kênh PCM được ghép vào một khung và chèn thêm một bit đồng bộ để có tổng số bit là 193 bit. Theo các tính toán thì để khôi phục lại giữ liệu sau mã hoá thì tốc độ lấy mẫu khi mã hoá PCM là 64 kb/s, như vậy là thời một từ mã 8 bit có thời gian truyền là (1/64000)*8= 125 µs, vậy một khung T1 có thời gian truyền là 125 µs. Các khung lại tiếp tục được ghép kênh TDM và thêm các bit báo hiệu để tạo thành các khung chính (Master frame). Tại phía thu, một thiết bị đặc biệt gọi là bộ tương quan (correlator) sẽ tìm ra vị trí các bit đồng bộ và căn cứ vào các thứ tự các kênh để tách các khung PCM từ luồng các bit.
3.1.2.3 Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp ghép kênh TDM • Ưu điểm: Phương pháp ghép kênh TDM làm tăng hiệu quả sử dụng kênh thông tin có sẵn. Các bit thông tin của nhiều kênh khác nhau được ghép
kênh và truyền đi mà vẫn đảm bảo khôi phục lại được thông tin theo chất lượng yêu cầu. Thiết bị thực hiện đơn giản.
• Nhược điểm: Để phân tách các bit theo đúng các kênh được ghép vào đòi hỏi phải sử dụng kỹ thuật đồng bộ bit và chèn các bit nghiệp vụ, đây là các kỹ thuật tương đối phức tạp.
Hình 3.2 Hệ thống ghép kênh TDM cho tín hiệu thoại
Hình 3.3 Cấu trúc khung T1 trong hệ thống Bell 3.2 Các kỹ thuật điều chế và giải điều chế trong tín hiệu VSAT
Quá trình điều chế là dùng tín hiệu thông tin để thay đổi một hay nhiều thông số của phương tiện mang tin. Phương tiện mang tin trong thông tin vệ tinh và trong VSAT thường là sóng mang tần số vô tuyến (RF). Có 2 phương
pháp điều chế: Điều chế tương tự cho các tín hiệu mang thông tin dạng tương tự và điều chế số cho tín hiệu mang thông tin dạng số. Đối với điều chế tương tự thì kỹ thuật điều chế thường dùng trong thông tin vệ tinh và VSAT là điều tần FM (dùng cho thoại, số liệu và truyền hình). Phương thức điều biên AM 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 sóng mang bị thay đổi rất mạnh gây nhiều khó khăn cho quá trình giải điều chế. Phương pháp điều chế pha PM hầu như không được sử dụng trong thực tế do các vấn đề liên quan đến kỹ thuật và đặc điểm của đường truyền uplink và downlink trong thông tin vệ tinh.
Các phương pháp điều chế số sử dụng trong VSAT áp dụng cho các tín hiệu số mang thông tin thường là tín hiệu tương tự đã được mã hoá nhị phân bằng phương pháp mã hoá PCM (Pulse Code Modulation). Trong thực tế các mạng VSAT và các hệ thống thông tin vệ tinh hiện nay thì kỹ thuật điều chế số thông dụng điều chế dịch mức pha PSK (Phase Shift Keying) và điều chế dịch pha tương đối DPSK (Differental PSK). Các kỹ thuật điều chế dịch tần FSK, dịch biên độ ASK và điều chế cầu phương QAM rất ít được sử dụng cho các vấn đề kỹ thuật và điều kiện đặc thù của thông tin vệ tinh và VSAT.
3.2.1 phương pháp điều chế FM
3.2.1.1 Nguyên lý điều chế tần số FM
Điều chế tần số FM (Frequency Modulation) là dùng tín hiệu tương tự mang thông tin cần truyền để làm thay đổi tần số của sóng mang cao hay còn gọi là quá trình ghi tin tức vào tải tin. Gọi ut(t) là tải tin dao động điều hoà thì ut(t) có dạng:
ut( )t =Ut cos(ϖtt+ϕ0) (3.1)
Trong đó: Ut là biên độ của tải tin, ωt: Tần số góc của tải tin, ϕ0: Pha ban đầu của tải tin. Giả thiết tín hiệu điều chế us là tín hiệu đơn âm có dạng: us = Us cosϖ st (3.2)
Trong đó: Us là biên độ của tín hiệu điều chế, ωs: Tần số góc của tín hiệu điều chế. Khi dùng us điều chế sóng mang ut(t), tần số của sóng mang sẽ biến đổi theo quy lụât thời gian cùng với tải tin và được tính theo công thức: ϖ( )t =ϖt +kFMUs cosϖst (3.3)
Với kFM là một hệ số. Gọi kFMUs= ∆ωm là lượng di tần cực đại thì biểu thức (3.3) có thể viết lại như sau:
ϖ( )t =ϖt + ∆ϖmcosϖst (3.4)
Biểu thức của dao động điều tần có dạng:
( ) + ∆ + = cos sinϖ ϕ0 ϖ ϖ ϖ t t U t u s s m t t FM (3.5)
Như vậy sự biến đổi biên độ của tín hiệu mang tin tức us (là điện thế hoặc dòng điện) được tải lên sóng mang tạo thành sóng điều chế uFM(t). Tín hiệu này sẽ được dùng để giải điều chế thu lại tín hiệu mang tin tức.
3.2.1.2 Phương pháp thực hiện điều tần FM
Các mạch điều tần có thể thực hiện trực tiếp hoặc gián tiếp bằng cách điều chế pha các tín hiệu đã được tích phân. Đối với các mạch điều tần trực tiếp thì tần số dao động riêng của mạch tạo dao động được điều khiển theo tín hiệu điều chế. Mạch điều tần trực tiếp thường được thực hiện bởi các mạch tạo dao động mà tần số dao động riêng của nó được điều khiển bởi dòng hoặc áp (VCO: Voltage Controlled Oscillator và CCO: Circuit Controlled Oscillator) hoặc bởi các mạch biến đổi điện áp- tần số. Các mạch tạo dao động có tần số biến đổi theo điện áp đặt vào có thể là các mạch tạo dao động xung hoặc các mạch tạo dao động điều hoà LC. Các mạch tạo dao động LC cho khả năng biến đổi tần số khá rộng và có tần số trung tâm cao. Nguyên tắc thực hiện điều tần trong các bộ tạo dao động biến đổi là biến đổi trị số điện kháng của bộ tạo dao động theo điện áp đặt vào. Phương pháp phổ biến nhất là dùng điot biến dung varicap và tranzistor điện kháng.
• Ưu điểm: Điều chế tần số FM yêu cầu thiết bị tương đối đơn giản. Nếu so với phương pháp điều biên AM thì điều tần có lơi thế là việc khôi phục thông tin sau khi truyền qua khoảng cách lớn cho uplink và downlink, chất lượng thông tin không bị ảnh hưởng của suy hao biên độ. Phương pháp điều tần FM có băng thông tín hiệu sau điều chế không phụ thuộc vào tần số điều chế trong khi các tín hiệu sau điều pha PM có băng thông phụ thuộc vào tần số tín hiệu điều chế.
• Nhược điểm: Hiệu ứng dịch tần Doppler ảnh hưởng đến tần số của các sóng mang điều chế tần số uplink và downlink, do đó việc sử dụng các vệ tinh không địa tĩnh cho các mạng VSAT cũng như các mạng thông tin vệ tinh có sử dụng điều chế tần số FM là rất khó khăn. Các tính toán trong thực tế chỉ ra rằng tỷ số tín hiệu trên tạp âm S/N của các sóng điều tần giảm khi hệ số điều chế Mf giảm (tần số điều chế tăng), do đó phải sử dụng một bộ lọc thông cao để ưu tiên các các thành phần tần số cao của tín hiệu điều chế về mặt biên độ, tại phía thu sau khi tách sóng lại phải sử dụng một mạch lọc thông thấp có hằng số thời gian bằng hằng số thời gian của mạch lọc thông cao phía phát.
3.2.2 Kỹ thuật tách sóng điều tần FM 3.2.2.1 Khái niệm
Tách sóng điều tần là quá trình biến đổi độ lệch tần số tức thời của tín hiệu đã điều tần so với tần số trung bình thành biến thiên điện áp ở đầu ra. Đặc trưng cho quan hệ biến đổi đó là đặc tuyến truyền đạt của bộ tách sóng, đó là đường biểu diễn quan hệ điện áp ra và lượng biến thiên tần số ở đầu vào như trong hình 3.4. Để hạn chế méo phi tuyến, phải chọn điểm làm việc trong phạm vi tương đối thẳng của đặc tuyến truyền đạt (đoạn AB trên hình 3.4). Hệ số truyền đạt của bộ tách sóng là độ dốc lớn nhất của đặc tuyến truyền đạt trong khu vực làm việc.
3.2.2.2 Phương pháp thực hiện
Tách sóng tần số thường được thực hiện theo một trong những nguyên tắc sau đây:
Biến đổi tín hiệu điều tần thành tín hiệu điều biên rồi tách sóng biên độ. Biến đổi tín hiệu điều tần thành tín hiệu điều chế độ rộng xung rồi thực hiện tách sóng tín hiệu điều chế độ rộng xung nhờ một mạch tích phân.
Làm cho tần số của tín hiệu cần tách sóng bám theo tần số của một bộ tạo dao động nhờ hệ thống vòng giữ pha PLL (Phase Locked Loop), điện áp sai số chính là điện áp cần tách sóng.
Hình 3:4 Đặc tuyến truyền đạt của bộ tách sóng tần số
3.2.3 Phương pháp điều chế BPSK
3.2.3.1 Đặc điểm của phương pháp điều chế BPSK
Phương pháp dịch pha nhị phân BPSK (Binary phase- shift keying) sử dụng sự đối lập về mức logic của tín hiệu nhị phân để tạo ra thay đổi 1800
trong pha của sóng mang. Điều này có thể đạt được nhờ sử dụng hai dải biên tần, điều chế loại trừ suppressed- carrier modulatiuon (DSBSC), với tín hiệu nhị phân như mã NRZ đơn cực. Trong thực tế, biên độ của tín hiệu mang thông tin là một dạng xung thay đổi với 2 mức ±1. Khi tín hiệu nhị phân ở mức +1, sóng mang hình sin không đổi, khi tín hiệu nhị phân ở mức -1, sóng mang hình sin thay đổi pha 1800. Điều chế tín hiệu số dịch pha BPSK còn được gọi là điều chế đảo pha PRK (Phase reversal keying). Tín hiệu nhị phân được lọc tại băng tần gốc trước khi điều chế để giới hạn dải biên, và quá trình lọc cần thiết để giảm bớt nhiễu giữa các ký hiệu (ISI- intersymbol interference). Dạng sóng điều chế được minh hoạ trong hình 3.5.
BPSK có thể đạt được bằng cách sử dụng tín hiệu nhị phân NRZ nhân với sóng mang như trong hình 3.6. Với một tín hiệu nhị phân , sóng điều chế có thể viết dưới dạng:
Hình 3.5 Dạng tín hiệu điều chế BPSK
Hình 3.6 Sơ đồ phương pháp điều chế BPSK
Khi p(t)= +1 thì e(t)= cosω0t
Khi p(t)= -1 thì e(t)= -cosω0t= cos(ω0t ± 1800)
Bộ lọc thông dải BPF có tác dụng lọc tín hiệu sau điều chế để có phổ bức xạ cho phép mà vẫn đảm bảo chất lượng thông tin yêu cầu.
3.2.3.3 Phương pháp giải điều chế BPSK
Tại phía thu như mô tả trong hình 3.7 các sóng mang đã điều chế sẽ qua bộ lọc thông dải để thu lấy sóng cosin mong muốn và hạn chế tạp âm. Sóng cosin sau khi lọc là e’(t)= p’(t) cosω0t, tiếp tục được đưa tới một mạch nhân
và được nhân với một bản sao của cóng mang cosω0t, đầu ra của bộ nhân là p’(t)cos2 ω0t.
Phân tích tín hiệu đầu ra dưới dạng p’(t)(0,5+ 0,5cos2ω0t). Bộ lọc thông thấp được sử dụng để loại bỏ thành phần sóng bậc cao, đầu ra của bộ lọc này là bản sao của tín hiệu nhị phân cần truyền đi, là 0,5 p’(t). Tuy nhiên các bit này đã bị biến dạng và chịu ảnh hưởng của các tín hiệu nhị phân khác nên tiếp tục cần đưa qua mạch lấy mẫu, mạch lấy mẫu dựa trên tín hiệu đưa tới từ mạch định thời bit để lấy mẫu các tín hiệu thuộc dãy các tín hiệu 0,5 p’(t). Một phần các tín hiệu sau bộ lọc thông dải và bộ lọc thông thấp được đưa tới bộ định thời bit để phục vụ cho quá trình đồng bộ. Bộ phát hiện và quyết định ngưỡng sẽ quyết định tín hiệu nhị phân của tín hiệu thu được.
Hình 3.7 Sơ đồ khối giải điều chế BPSK
3.2.3.4 Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp điều chế BPSK • Ưu điểm: BPSK có đầy đư ưu thế mà dịch pha PSK có được so với dịch biên độ ASK và dịch tần FSK. Để nghiên cứu và tính toán cho tín hiệu điều chế PSK, giả thiết tín hiệu số băng gốc là tín hiệu nhị phân lưỡng cực để có 2 mức logic ±1 tương ứng với đảo pha sóng mang. Phân tích tín hiệu băng gốc thành chuỗi Furier: − + − = cos5 ... 5 1 3 cos 3 1 cos 4 ) (t 0t 0t 0t Vd ϖ ϖ ϖ π (3.10)
− + − = = cos cos5 ... 5 1 3