Kỹ thuật điều chế pha là kỹ thuật điều chế trong đú pha của súng mang thay đổi theo tớn hiệu tin tức. Điều chế pha là kỹ thuật điều chế đảm bảo mức lỗi thấp nhất với một mức thu đó nhận trước
Hỡnh 2.1: Điều chế QPSK
Để thực hiện điều chế pha QPSK (4PSK) người ta chia luồng số đầu vào thành hai luồng số bằng cỏch cho luồng tớn hiệu đi qua bộ biến đổi nối tiếp – song song.
S(t) 00011111 tiếp – song songBộ biến đổi nối
A 0 0 1 1
B 0 1 1 1
Hỡnh 2.2: Bộ biến đổi nối tiếp song song
Và mỗi tổ hợp bit gụm hai bit sẽ được gỏn với một trạng thỏi pha của súng mang như: π , 4 3π ,4 5π , 7π 4 4
Hỡnh 2.3: Tổ hợp bit điều chế QPSK
Ta cú biểu thức điều chế QPSK như sau: U00 (t) = A cos(ω 0 t + U01 (t) = A cos(ω 0 t + U11 (t) = A cos(ω 0 t + U10 (t) = A cos(ω 0 t + π + ϕ 0 ) 4 3 π + ϕ 0 ) 4 5π + ϕ 0 ) 4 7 π + ϕ 0 ) 4
Như vậy độ dịch pha giữa hai trạng thỏi pha là 900 vỡ vậy điều chế QPSK cũn được gọi là điều chế pha vuụng gúc.
Sơ đồ khối của bộ điều chế QPSK :
Luồng số ở đầu vào qua bộ biến đổi nối tiếp - song song thành hai luồng số dI(t) và dQ(t). Hai luồng số này được đưa vào bộ biến đổi NRZ đơn cực thành NRZ lưỡng cực sau đú được đưa vào bộ trộn M1 và M2 để trộn
cựng với dao động súng mang. Hai súng mang được đưa tới bộ trộn đó được làm lệch pha nhau một gúc pha 900. Tớn hiệu ra của hai bộ trộn sẽ được đưa và bộ tổng để tạo ra tớn hiệu QPSK
Cụng thức cho súng mang được điều chế PSK 4 mức như sau:
Si (t) = 2E . cos(2πt + θ (t) + θ ) T 0 0 ≤ t ≤ T t〈0;t〉T
Với θ pha ban đầu ta cho bằng 0 θ (t) = (2i −1) π
4
Trong đú, "10"
i = 1,2,3,4 tương ứng là cỏc ký tự được phỏt đi là "00", "01", "11", T = 2.Tb (Tb: Thời gian của một bit, T: thời gian của một ký tự)
E : năng lượng của tớn hiệu phỏt triển trờn một ký tự. Khai triển s(t) ta được:
2E S (t) = cos[(2.i − 1). π ]cos(2πf t) − 2E sin[(2i − 1)] π .sin(2πf t) (0 ≤ t ≤ T ) i T 4 c T 4 c T < t;t < 0
Chọn cỏc hàm năng lượng trực chuẩn như sau:
Φ1 (t ) = − 2 sin(2πfc .t ) T 0 ≤ t ≤ T Khi đú, Φ2 (t) = 2 sin(2πfc . t) T π 0 ≤ t ≤ T π 0
si (t ) = φ1(t )
E sin[(2i
− 1) (t ] ) 4+ φ2 E cos[(2i − 1) ] 4
E sin[(2i − 1) π s s = 4 = i1 (i = 1,2,3,4) i π E cos[(2i − 1) 4 si 2
Ta thấy một tớn hiệu PSK 4 mức được đặc trưng bởi một vector tớn hiệu hai chiều và bốn bản tin như hỡnh vẽ.
Hỡnh 2.5 : Biểu đồ tớn hiệu tớn hiệu QPSK
Xem bảng ta thấy, mức '1' thay đổi vào − E , cũn logic '0' thỡ biến đổi vào E . Vỡ cựng một lỳc phỏt đi một symbol nờn luồng vào phải phõn thành hai tương ứng và được biến đổi mức rồi nhõn rồi nhõn với hai hàm trực giao tương ứng.
2.1.2. Kỹ thuật điều chế biờn độ cầu phƣơng
QAM
Kỹ thuật điều chế M_QAM là kỹ thuật được kết hợp giữa phương phỏp điều chế biờn độ và phương phỏp điều chế pha. Hai súng mang điều chế vuụng pha với nhau. Số trạng thỏi trong phương phỏp này là M=L2 trong đú l
là số mức biờn độ của mỗi súng mang vuụng gúc. Tớn hiệu tổng của hai súng mang này sẽ cú dạng vừa điều biờn vừa điều pha.
Phương trỡnh điều chế của phương phỏp QAM:
SQAM (t) = x(t) cosω0t + y(t) sinω0t u
x(t ) = xn . p(t − nTb ) y(t ) = y
n . p(t − nTb )
xn và yn là cỏc mức biờn độ rời rạc.
Trước khi điều chế với cỏc tải tin sin và cos thỡ cỏc dũng bit I và Q được cho qua bộ biến đổi D/A tạo thành cỏc mức biờn
độ xn và yn .
Sau đõy là sơ đồ khối của phương phỏp điều chế M_QAM:
Hỡnh 2.6: Sơ đồ khối phương phỏp điều chế M_QAM
Trong phương phỏp này khi biến đổi 2 mức thành 4 mức thỡ ta cú phương phỏp điều chế 16 QAM , khi biến đổi 2 mức thành 6 mức thỡ ta cú phương phỏp điều chế 64 QAM . Và cỏc tổ hợp bit tương ứng với cỏc trạng thỏi pha cú cỏc biờn độ súng mang khỏc nhau, súng mang cú 16 trạng thỏi pha tương ứng với phương thức điều chế 16 QAM, và súng mang cú 64 trạng thỏi pha ứng với phương thức điều chế 64 QAM . Mỗi trạng thỏi pha tương ứng với một biờn độ của súng mang khỏc nhau, vỡ vậy khoảng cỏch giữa cỏc tổ hợp bit xa nhau hơn, khả năng mắc lỗi sẽ giảm. Như vậy với phương phỏp
điều chế này độ rộng băng tần yờu cầu thấp nờn sử dụng hiệu quả băng tần truyền dẫn. Tuy nhiờn trong phương phỏp này mộo phi tuyến và mộo xuyờn kờnh tăng, tỷ lệ lỗi bit BER tăng nếu tỉ số tớn hiệu trờ tạp õm khụng đổi. Và bộ điều chế cũng sẽ phức tạp hơn so với phương thức điều chế riờng rẽ.
Dạng tổng quỏt của điều chế QAM, 14 mức (m-QAM) được xỏc định
như sau: S (t) = 2E0 a cos(2π f t−) 2E0 b sin(2π f t);(0 ≤ t ≤ T ) 1 T i Trong đú, c T i c
E0 : năng lượng của tớn hiệu cú biờn độ thấp nhất
ai , bi : cặp số nguyờn độc lập được chọn tựy theo vị trớ bản tin. Tớn hiệu súng mang gồm hai thành phần vuụng gúc được điều chế bởi một tập hợp bản tin tớn hiệu rời rạc. Vỡ thế cú tờn là " điều chế tớn hiệu vuụng gúc".
Hỡnh 2.7: Chựm tớn hiệu M-QAM
Φ1(t) = − 2
T bi
sin(2πfc.t)
Φ2 (t) = 2
T ai sin(2πfc.t)
0 ≤ t ≤ T
2.1.3. Kỹ thuật đa truy nhập theo tần số FDMA vàFDMA/TDM FDMA/TDM
-Kỹ thuật FDMA: Là phương phỏp trong đú độ rộng băng tần cụng tỏc của vệ tinh (tiờu chuẩn 500 MHz) được chia ra cỏc khoảng tần số gọi là luồng phỏt đỏp. Độ rộng luồng phỏt đỏp (thường là 36MHz hoặc 72 MHz) được phõn chia cho mỗi trạm mặt đất để phỏt đi ở cỏc tần số riờng biệt cho mỗi trạm. Khi nhận, trạm mặt đất điều chỉnh mỏy thu của chỳng đến tần số mong muốn để khụi phục lưu lượng thụng tin đó dành cho trạm. Cỏc tớn hiệu được truyền đi đồng thời nhưng ở cỏc tần số khỏc tương ứng với mỗi súng mang. Việc phỏt đi lưu lượng sẽ chiếm băng tần qui định ở luồng phỏt đỏp dành cho chỳng. Cỏc súng mang được phõn cỏch với nhau bằng băng tần bảo vệ thớch hợp sao cho chỳng khụng chồng lấn lờn nhau. Trong hệ thống Thụng tin vệ tinh dựng FDMA thỡ mỗi trạm mặt đất khi phỏt tớn hiệu thỡ được làm việc với một phần bộ phỏt đỏp đó được dành riờng trước cho trạm đú. Trong trường hợp đơn giản thỡ trạm mặt đất thu gom toàn bộ lưu lượng thụng tin của trạm đú lờn một súng mang đơn bằng cỏch ghộp cỏc băng tần cơ bản FDMA hoặc TDM mà khụng biết địa chỉ của thụng tin đú. Súng mang FM này mang cỏc tớn hiệu cú địa chỉ khỏc nhau được khuyếch đại lờn nhờ bộ khuyếch đại cụng suất của trạm mặt đất và đưa tới anten phỏt lờn vệ tinh. Anten của vệ tinh thu nhận súng mang này đồng thời với cỏc súng mang khỏc. Toàn bộ băng tần thu được sẽ đưa qua bộ lọc và cỏc bộ khuyếch đại sẽ khuyếch đại cỏc tớn hiệu đưa ra từ sau cỏc bộ lọc tương ứng.
-Kỹ thuật FDMA/TDM: Cỏc kờnh đường xuống ở tuyến ra (từ Hub đến cỏc nhúm UT) là cỏc kờnh TDM liờn tục, đa đớch băng thụng tương đối rộng. Thậm chớ trong rưoqừng hợp mạng thụng lượng cao một súng mang TDM đơn cú thể được phỏt trờn một bộ phỏt đỏp, nhờ đú cho phộp bộ khuếch đại
hoạt động gần điểm bảo hũa. Thực tế dựng FDMA cho cỏc kờnh đường lờn thỡ dễ điều khiển hơn dựng TDMA và dẫn đến yờu cầu EIRP từ cỏc trạm mặt đất cú thể cú giỏ trị tối thiểu, trong khi đú TDM (dạng súng liờn tục) là kỹ thuật cú tớnh truyền thống đơn giản nhất cho đường xuống (ở tuyến ra) xột cả về phương diện cả phỏt tớn hiệu từ vệ tinh xuống và thu tớn hiệu ở cỏc trạm. Vỡ vậy, phương phỏp sử dụng FDMA/TDM tỏ ra là phương phỏp hiệu quả. Cỏc hệ thống thụng tin FDMA/TDM cú thể hoạt động dưới dạng dạng cỏc ạng chuyển mạch gúi lẫn chuyển mạch kờnh. Trong cảc hai trường hợp, phương phỏp chung để khởi tạo truy cập vào mạng đều được tiến hành thụng qua một kờnh bỏo hiệu dành riờng dựng kỹ thật Aloha phõn khe.Cỏc bản tin tuyến vào được truyền đi trờn một súng mang FDMA được phõn phối trước, bởi cỏc khoảng tần số TDMA đó định. Trong thực tế việc truyền dẫn TDMA khụng được đồng bộ một cỏch đầy đủ bởi một trạm mặt đất chuẩn mà được lựa chọn theo chế độ phõn phối. Để cải thiện chất lượng truyền dẫn thỡ việc điều chế số (SPSK hoặc QPSK) trờn cỏc súng mang tuyến ra hoặc tuyến vào thường được kết hợp với phõn phối mó hoỏ sữa lỗi tại nơi thu. Sự kết hợp TDM, TDMA và FDMA cho phộp xử lý hàng ngàn đầu cuối trạm VSAT cựng chia sẽ trờn một phần tử của bộ phỏt đỏp.Tất cả cỏc bản tin (tuyến vào hay tuyến ra) thường được định dạng dưới dạng cỏc gúi dữ liệu.Trong thực tế hệ thống VSAT thực hiện như một mạng chuyển mạch gúi, trong đú với cỏc giao thức bờn trong đảm bảo việc truyền dữ liệu với độ tin cậy cao.
2.1.4. Kỹ thuật đa truy nhập thời gianTDMA TDMA
TDMA là một phương thức truy nhập của thụng tin vệ tinh nú hoàn toàn thớch hợp cho cỏc viễn thụng số ở dạng gúi, hệ thống thụng tin quang, truyền hỡnh số và cỏc hoạt động của mạng mỏy tớnh dựng chung một cơ sở dự liệu. Phương phỏp truy nhập TDMA dựa trờn việc phõn chia thời gian sử dụng bộ phỏt đỏp thành cỏc khe thời gian, giữa cỏc khe thời gian cú cỏc khoảng bảo
vệ. Điều này hoàn toàn tương tự như trong FDMA chia toàn bộ băng tần ra thành cỏc băng tần con mà giữa chỳng cú những khoảng dón băng (bảo vệ).
Trong phương thức TDMA cho phộp trong một thời điểm chỉ làm việc với một trạm mặt đất, mỗi người sử dụng được phõn chia một khe thời gian. Trong khe thời gian được qui định của mỡnh cỏc trạm mặt đất thu, phỏt thụng tin thành 1 luồng bit cũn gọi là cụm tớn hiệu. Để làm việc được thỡ phải cú tớn hiệu đồng bộ. Tốc độ bit của cụm này cũng như thời gian cho phộp truy nhập là những yờu tố được điều khiển. Khoảng thời gian mà mỗi trạm được phộp truy nhập với bộ phỏt đỏp vệ tinh được phõn chia bởi trạm điều khiển sao cho phự hợp với nhu cầu về lưu lượng thụng tin của mỗi trạm, ở đõy cú sự thay đổi khoảng thời gian của cụm tớn hiệu này.
Hỡnh 2.8: Đa truy nhập phõn chia theo thời gian: TDMA.
- Nguyờn lý TDMA: Trục thời gian được phõn chia thành cỏc khoảng thời gian, được gọi là cỏc khung TDMA. Mỗi khung TDMA được chia thành cỏc khe thời gian, cỏc khe thời gian này được ấn định cho mỗi trạm mặt đất. Cỏc trạm mặt đất: A,B,C...N chỉ được phỏt tớn hiệu của chỳng trong khe thời gian được ấn định cho mỗi kờnh tương ứng. Cỏc trạm mặt đất phỏt cỏc tớn hiệu cú cựng tần số súng mang fo và chiếm toàn bộ băng tần của bộ phỏt đỏp vệ tinh. Vỡ cỏc khe thời gian khỏc nhau được ấn định cho tất cả cỏc trạm mặt đất, nờn chỉ cú tớn hiệu từ trạm mặt đất chiếm toàn bộ phỏt đỏp vệ tinh trong thời gian
được phộp và khụng bao giờ xảy ra trường hợp tớn hiệu từ hai trạm mặt đất trở nờn chiếm toàn bộ phỏt đỏp vệ tinh trong cựng một thời gian.
Hỡnh 2.9 : Khung TDMA
Độ dài của cỏc khe thời gian được ấn định cho mỗi trạm mặt đất được xỏc định trước, tỷ lệ với yờu cầu lưu lượng của TMD đú. Mỗi trạm mặt đất phỏt cỏc tớn hiệu của nú trong khe thời gian được ấn định cho nú trong tất cả cỏc khung TDMA. Vỡ vậy cỏc tớn hiệu được phỏt từ mỗi trạm mặt đất nằm trong cỏc cụm với một chu kỳ đỳng bằng một khung TDMA. Cỏc cụm trong một khung TDMA được ấn định sao cho chỳng khụng chồng lờn nhau. Mạng TDMA chứa cỏc trạm lưu lượng và ớt nhất cú một trạm chuẩn. Cỏc cụm được phỏt từ trạm lưu lượng gọi là cụm lưu lượng. Số liệu lưu lượng được phỏt bằng cỏc cụm lưu lượng. Trạm chuẩn phỏt một cụm đặc biệt theo chu kỳ gọi là cụm chuẩn. Cụm chuẩn cung cấp chuẩn định thời cho cỏc khung TDMA và chu kỳ của nú đỳng bằng khung TDMA. Cỏc trạm lưu lượng phỏt cỏc cụm lưu lượng và điều khiển định thời phỏt cụm sau cụm chuẩn. Ở vệ tinh cụm chuẩn và cỏc cụm lưu lượng được đặt theo thứ tự để trỏnh chồng lấn trong mỗi khung TDMA. Mỗi trạm lưu lượng được đặt theo thứ tự đỳng để trỏnh chồng lấn trong mỗi khung TDMA. Mỗi trạm lưu lượng thu cỏc cụm này và lấy ra cỏc cụm lưu lượng chứa cỏc tớn hiệu đó được định địa chỉ cho trạm lưu lượng đú.
2.2. Kỹ thuật điều chế OFDM
Trong hệ thống OFDM, tớn hiệu đầu vào là ở dạng bit nhi phõn. Do đú, điều chế trong OFDM là cỏc quỏ trỡnh điều chế số và cú thể lựa chọn trờn yờu cầu hoặc hiệu suất sử dụng băng thụng kờnh. Dạng điều chế cú thể qui định bởi số bit ngừ vào M và số phức dn = an + bn ở ngừ ra. Cỏc kớ tự an, bn cú thể được chọn là {± 1,±3} cho 16 QAM và {±1} cho QPSK.
Bảng điều chế QPSK M Dạng điều chế an, bn 2 BPSK 4 QPSK 16 16-QAM 64 64-QAM ±1 ±1 ±1, ±3 ±1, ±3 , ±5 , ±7
Mụ hỡnh điều chế được sử dụng tựy vào việc dụng hũa giữa yờu cầu tốc độ truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn.
2.2.1. Kỹ thuật điều BPSK
Trong một hệ thống điều chế BPSK, cặp cỏc tớn hiệu s1(t), s2(t) được sử
dụng để biểu diễn cỏc kớ hiệu cơ số hai là "0" và "1" được định nghĩa như sau:
Si (t) = 2E b Tb cos[2πf ct + θ (t) + θ ] θ (t) = (i − 1)π ;0 ≤ t ≤ Tb;i = 1,2 Hay: S1(t) = 2bE Tb cos[2πfct + θ ] S2 (t) = 2bE Tb cos[2πfct + π + θ ] = −S1(t) = −
2Eb Tb
cos[2πfct + θ ] Trong đú, Tb : Độ rộng của 1bit
Eb : Năng lượng của 1 bit
θ (t) : gúc pha, thay đổi theo tớn hiệu điều chế
θ : gúc pha ban đầu cú giỏ trị khụng đổi từ 0 đến 2π và khụng ảnh hưởng đến quỏ trỡnh phõn tớch nờn đặt bằng 0
i = 1 : tương ứng với symbol 0
i = 2 : tương ứng với symbol 1
Mỗi cặp súng mang hỡnh sine đối pha 1800 như trờn được gọi là cỏc tớn hiệu đối cực.
Nếu chọn một hàm năng lượng cơ sở là:
Φ(t) = 2 cos(2πfct);0 ≤ t ≤ Tb Tb Khi đú, S1(t) = Eb Φ(t) S2 (t) = − Eb Φ(t)
Ta cú thể biểu diễn BPSK bằng một khụng gian tớn hiệu một chiều (N=1) với hai điểm bản tin (M=2) : S1 = Eb , S2 =
-
Eb như hỡnh sau:
Hỡnh 2.10 : Biểu đồ khụng gian tớn hiệu BPSK
Khi tớn hiệu điều chế BPSK được truyền qua kờnh chịu tỏc động của nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN), xỏc suất lỗi bit giải điều chế được xỏc định theo cụng thức sau: 2E = b N 0 Q Pe
Trong đú,
2.2.2. Mã Gray
Eb : Năng lượng bit
N0: Mật độ nhiễu trắng cộng
Giản đồ IQ(Inphase Quadrature) cho sơ đồ điều chế sẽ chỉ ra vector truyền cho tất cả cỏc liờn hợp từ dữ liệu. Mỗi liờn hợp từ dữ liệu phải được phõn phối một vector IQ duy nhất. Mó Gray là một phương phỏp cho sự phõn phối này, sao cho cỏc điểm canh nhau trong vũm sao chỉ khỏc nhau một bit đơn. Mó này giỳp giảm thiểu tỷ lệ lỗi bit toàn bộ vỡ nú giảm cơ hội nhiều lỗi bit xảy ra từ một lỗi symbol đơn.
Mó Gray cú thể được sử dụng cho tất cả cỏc sơ đồ điều chế PSK ( QPSK, 8-PSK, 16-PSK) và QAM(16-QAM,64-QAM,256-QAM...).