Nén giãn tín hiệu ( Commanding ) - Kỹ thuật thông- 123docz.net

Tín hiệu băng gốc có một dải rộng nào đó chính là dải công suất của tín hiệu BaseBand (ví dụ với tiếng nói thì từ – 50  0dBm). Khi mức nhiễu lớn hơn một phần dải động thì

nó sẽ làm cho tín hiệu trong phần dải động này bị ảnh hởng nghiêm trọng. Vì vậy ngời ta phải thu hẹp hay nén dải động của tín hiệu băng gốc (Compression) nhằm nâng cao công suất toàn bộ giải tín hiệu lên trên mức công suất tạp âm, do vậy mà tỉ số S/N sẽ đợc cải thiện.

Tạp âm - 5 - - - - -

Tuyến SL

Nén dải Giải dải

0 -10

-20

-30

0 -10

-20

-30

(dB (dB

Hình 33 : Nguyên lý Companding

Việc nén giải động đợc thực hiện trớc bộ điều chế và việc giãn dải động đợc thực hiện sau bộ giải điều chế giống nh thực hiện gây méo trớc. Thông thờng hiện nay kỹ thuật nén sẽ làm giảm dải động của tín hiệu đi một nửa và do đó bộ gianxphair giãn giải động ra hai lần. Phơng pháp này làm tăng S/N khoảng 15dB đối với cả thoại và truyền hình. Trong truyền hình đây gọi là phơng pháp DOLBY là một trong những phơng pháp tốt nhất để cải thiện S/N của tín hiệu.

6.2 Thiết bị ghép kênh và phân kênh FDM

Trong truyền dẫn analogue, sóng mang có thể mang một hoặc nhiều kênh tin tức trên sóng mang, các kênh này phải đợc ghép theo một qui định nào đó để trạm thu có thể phân tách đợc. Trong truyền dẫn Analogue việc ghép kênh đợc thực hiện theo kiểu phân chia theo tần số FDM

(Frequency Division Multiplexing). FDM chỉ thờng dùng cho thoại còn truyền hình hay dùng SCPC nên không phải ghép kênh. FDm sẽ phân chia các dải tần số con trong dải phổ của sóng mang cho từng kênh thoại.

Mỗi kênh thoại chiếm một dải Base Band từ 300  3400 Hz và có công suất trung bình PM khoảng –15dB m0. Khi ghép FDM ngời ta phải để các khoảng bảo vệ nhằm tránh xuyên âm nên một kênh thoại ghép FDM sẽ chiếm một dải phổ 4KHz. Tần số thấp nhấp của FDM đợc qui định là 12 KHz. Vì vậy nếu giả sử có 12 kênh thoại ghép FDM thì nosex chiếm một dải phổ 12  16 KHz.

Khi số lợng kênh thoại ghép tơng đối thấp (n < 240) thì

công suất trung bình của sóng mang SM bằng tổng công suất trung bình của các kênh thoại, do đó:

SM = nPM(mW) = PM(dB) + 10log(n) =-15 +10log(n) [dBm0]

Khi số lợng kênh lớn (n >240), tín hiệu FDM có thêm tạp

âm trắng Gauss vì vậy SM sẽ lớn hơn trờng hợp trên và đợc tính bằng công thức:

SM = -1 +4log(n) [dBm0]

Ngời ta thấy rằng xác xuất xảy ra một giá trị SMAX = 10SM trong tín hiệu FDM thoại là 10-3.

7. Các thiết bị truyền dẫn số của trạm mặt đất (Digital Transmission).

Truyền dẫn tín hiệu số qua tuyến vệ tinh nhằm cung cấp cho các dịch vụ thiết bị số của ngời sử dụng nh máy tính (Computer), máy Fax (Facsimile), Telex, máy thu hình số (Digital TV). Tuy nhiên nso cũng cho phép các thiết bị Analogue có khả năng sử dụng tuyến này nh điện thoại, máy thu hình tơng tự, máy thu thanh….Thônh qua các bộ chuyển

đổi tín hiệu tơng tự số AD. Khi biến đổi sang tín hiệu số, các tín hiệu có nguồn gốc khác nhau có thể truyền trên cùng một sóng mang (kênh). Việc truyền dẫn tín hiệu số thờng gắn liền với phơng thức ghép kênh phân chi theo thời gian TDM (Time Division Multiplexing).

Hình 34 sau đây mô phỏng chuỗi các thiết bị truyền dẫn số của ES

Hình 34 Sơ đồ khối các thiết bị truyền dẫn số của ES

Channel

Channel Data

Data

Digital mod

Digital descrambling

scrambling

Source Nguồn

Nguồ

User

UC, HPA…

DC, LNA…

TDM

7.1. Số hoá tín hiệu Analog UE

Tín hiệu tơng tự muốn đợc truyền dẫn trên kênh số thì

phải chuyển thành tín hiệu số. Việc số hoá tín hiệu Analog bao gồm ba bớc sau đây lấy mẫu (Sampling), lởng tử (Quantizing) và mã hoá nguồn (Source Encoding).

* LÊy mÉu:

Là quá trình lấy các đặc trng của tín hiệu tơng tự với một tần số lấy mẫu FS thông thờng bằng 2 lần tần số tín hiệu để tạo ra một dãy xung điện thế (PAM). Đối với thoại, tần số lấy mẫu 8KHz, với truyền thanh là 15 KHz..

* Lợng tử:

Việc lợng tử hoá sẽ tạo ra một lợng giới hạn M mức rời rạc từ các xung PAM. Ví dụ đối với tín hiệu thoại chuẩn thì M = 256 mức. Mức lợng tử tơng tự với mỗi mẫu là một trong M mức sao cho nó gần biên độ của mẫu nhất. Do đó việc lợng tử sẽ có một sai số nào đó so với tín hiệu cực, gây nên một tỷ số

lỗi nhất định và điều này đợc đánh giá nh tạp âm lợng tử.

Các bớc lợng tử có thể chia đồng đều hoặc không đồng

đều. Nếu các bớc lợng tử chia đồng đều thì những chỗ tín hiệu biến đổi qua nhanh hoặc quá chậm rất dễ gây nên lỗi.

Để khắc phục ngời ta có thể tăng số mức lợng tử nhng điều này sẽ làm số bit mã hoá cho mỗi mức tăng lên nên tốc độ dòng cả dòng số cũng tăng lên. Khi mức lợng tử có thể thay

đổi phù hợp với sự biến thiên của tín hiệu analogue ban đầu thì các đặc trng thông tin sẽ đợc lấy chính xác hơn nên ít gây lỗi, đồng thời số mức lợng tử vẫn giữ ở mức trung bình.

* Mã hoá nguồn:

Sau khi lợng tử ta có M mức biên độ tín hiệu nhất định mỗi mức này đợc mã hoá ra một cụm nhị phân và đợc sắp xếp cạnh nhau nên cuỗi cùng ta thu đợc một dòng số có tốc

độ RQ. Ta gọi hoạt động này là mã hoá nguồn để phân biệt

với mã hoá kênh (Channel Encoding) thờng có nhiệm vụ chống lỗi. Số bit M cần thiết để mã hoá cho M mức lợng tử sẽ là m = log2M [bit]. Nếu tần số lấy mẫu là FS thì tốc độ số liệu RQ sẽ là: RQ = RSlog2M [bit/s]: Ví dụ đối với tín hiệu thoại với M

= 256 và RS = 8KHz ta cso tốc độ dòng số là RQ = 8log2256

= 64 [[Kb/s]. Đối với truyền thanh ta có RQ = 384 Kb/s. Tuy nhiên hiện nay ngời ta có thể lợi dụng các phép nội suy (Iterpolation) để giảm tốc độ mã hoá gọi là phơng pháp mã

hoá tốc độ chậm LRE (Low Rate Encoding). Ví dụ phơng pháp ADPCM (Adaptive Diffferental PCM) cho phép tốc độ luồng thoại giảm xuống còn 32 Kb/s và thấp hơn.

7.2. Thiét bị ghép kênh và phân kênh TDM.

Bộ ghép kênh TDM có nhiệm vụ sắp xếp xen kẽ theo thời gian các bit hoặc các nhóm bit tin tức cảu các luồng số liệu khác nhau để tạo thành một luồng số ghép có tốc độ cao hơn truyền qua kênh vệ tinh. Đồng thời nó cũng phải

chuyển vào đó các phần tin tức đièu khiển để trạm ES thu có thể phân kênh chính xác và khôi phục đợc đồng hồ dùng cho việc sử lý đồng bộ. Nói chung có hai phân cấp ghép kênh TDM phổ biến:

Ph©n cÊp CEPT(European Coerence on Post and Telecommunication) là chuẩn của châu Âu . Nó dựa trên cơ

sở một khung dài 125s gồm 256 bit và có tốc độ là 2,048 Mb/s. Mỗi khung mang 30 kênh thoại, 16bit còn lại dùng cho

đồng bộ và báo hiệu. Khi ghép lên các luồng cao hơn chuẩn này quy định ghép 4 luồng có tốc độ thấp hơn ngay sau

đó.

Phân cấp T(T Carrier Hierarchy) đây là chuẩn của Nhật Bản và các nớc Bắc Mỹ. Nó dựa trên một khung cơ sở dài 125s gồm 23 kênh thoại và một kenh báo hiệu (mỗi kênh 8 bit) và thêm một bit đồng bộ khung. Nh vậy mỗi khung chứa

193 bit gồm 24 kênh và có tốc độ 1.544 Mb/s. Để ghép nên các luồng số cao hơn, Nhật Bản và Bắc Mỹ có những phân cấp khác nhau. Ví dụ của Nhật Bản là: 24x4x5x3x4 còn của Bắc Mỹ là 24x4x7x6.

Hiện nay ngời ta có thể dùng kĩ thuật nội suy tiếng nói DSI (Digital Speech Interpolation) để giảm tốc độ dòng số ghép. Nó tận dụng các khoảng Deactive trong mỗi kênh thoại

để mang tin của những kênh khác. Vì vậy số kênh mang tin sẽ giảm đi. Thiết bị thực hiện việc này gọi là bộ tập trung số (Digital Coneetrator). Ví dụ để chuyển 240 kênh thoại ngời ta chỉ thực sự cần 170 kênh tốc độ 64Kb/s. Do đó độ tăng ích của bộ tập trung số là: 240/170 = 1,9. Nếu sử dụng thêm LRE để giảm tốc độ mỗi kênh thoại còn 32 Kb/s thì độ tăng ích sẽ tăng lên gấp 2 lần tức là 3,8. Những kĩ thuật này th-

ờng đợc sử dụng trong thiết bị nhân mạch số DCME (Digital Currruit Multiplication Equipmat).

7.3. Thiết bị bảo mật (Encryption).

Tính bảo mật đợc sử dụng khi ta muốn phòng chống sự khai thác hoặc phá hoại của những ngời dùng không đợc phép (Unauthorised Users) bằng cách chuyển đổi tin tức ra mật mã (Cipher Text). Việc chuyển đổi này đợc thực hiện thông qua một mã khoá (Key). Bên thu cũng phải có Key cũng nh bên phát để có thể giải mã đợc chính xác các bản tin mật mã

nhận đợc.

Hình35: Nguyên lý truyền dẫn bảo mật.

Bé

encryption Bé

decryption

Bé ph©n phèi key

Kẻ xâm nhập ?

KEY KEY

Bản tin Bản tin

MËt MËt

Kênh vệ tinh

Hình 35 cho ta hình ảnh về nguyên lý truyền dẫn bảo mật hai bộ sinh mã đợc điều khiển bởi bộ phân phối mã sẽ sinh ra cùng một kiểu Key cho bên phát và bên thu. Đồng thời thông qua mật mã các bộ phát hiên xâm nhập (Intruder?) sẽ nhận biết đợc các hành động phá hoại của những ngời xâm phạm hệ thống để kịp thời ngăn chặn.

Có hai kĩ thuật bảo mật thờng dùng là:

* Bảo mật trực tuyến (Online Encryption): Mỗi bit của bản tin gốc (Plain text) sẽ đợc kết hợp một cách đơn giản (ví dụ cộng module 2) với mỗi bít của mã khoá (Key). Tại phía thu quá trình giải mã đợc tiến hành ngợc lại (ví dụ OR). Key ở

đây thờng là chuỗi mã giả ngẫu nhiên.

* Boả mật khối (Block Encryption) chuỗi Plain text đợc mã

hoá theo từng khối tuỳ theo các trạng thái logic của Key.

FF FF FF FF

aJ-1 a2

a1 Số liệu

vào

Số liệu đã

Scrambled

7.4. Bộ phân tán năng l ợng (Serrambler And De – Scrambler) Nếu một chuỗi số có chứa nhiều mức một hay nhiều mức không đi cạnh nhau thì sau khi qua bộ điều chế số th- ờng là bộ điều chế PSK, các cụm bit 1 hoặc 0 này sẽ làm xuất hiện các vạch phổ cao trong dải tần của sóng mang. Các vạch phổ cao không những có thể vợt qua giới hạn công suất

đầu vào của máy thu vệ tinh và của ES mà còn gây nên các thành phần xuyên điều chế khi sóng mang đi qua bộ HPA.

Vì vậy tr][ccs khi điều chế ngời ta mong muốn chuyển đổi chuỗi bit này ra một chuỗi có số bit 0 và số bit 1 phân bố khá

đều nhau do đó mà mật độ công suất sóng mang sẽ đợc trải

đều trong dải tần của nó. Chuỗi giải ngẫu nhiên là chuỗi có tính chất phân bố đều các bit 1 và 0 vì vậy nó đợc dùng trong các thiết bị phân tán công suất.

FF FF FF FF

aJ- a2

a1 Số liệu đã

Hình 36: Cấu trúc tổng quát bộ Scrambler và De – Scrambler.

Nếu thực hiện bảo mật thông qua mã giải ngẫu nhiên thì ta có thể đồng nhất hai bộ Scrambler và Encryption.

Việc truyền dẫn CDMA có thể thay thế cho cả hai quá trình sử lý này. Tuy nhiên giữa CDMA và Scrambling có những

điểm khác nhau căn bản. CDMA làm cho phổ của sóng mang PSK trải rộng ra do tốc độ dòng số là tốc độ chíp rất lớn hơn tốc độ bit. Còn Scrambling chỉ làm cho các bit 1 và 0 phân bố đều nhng vẫn giữ nguyên tốc độ bit của chuỗi gốc. Vì

vậy Scrambling không làm mở rộng phổ của sóng mang mà chỉ san bằng.

Sè

(a (b

7.5. Bộ mã hoá kênh (Channel Encoder).

Đối với tín hiệu số, lỗi sẽ xảy ra khi bên thu nhận nhầm mức logic của các bit. Mức sai lỗi thờng đợc đánh giá bởi tỷ số lõi bit BER (Bit Error Rate) là tỷ số giữa số bít bị nhận sai mức logic trên tổng số bít thu đợc trong một đơn vị thời gian. Do có ảnh hởng đờng truyền và sự không lý tởng của các thiết bị cho nên khi truyền dẫn số, ta không thể tránh đ- ợc một mức độ BER nhất định. Vấn đề mà ta mong muốn làm sao có thể giảm BER xuống hết mức có thể. Muốn giảm BER, ngời ta có thể tăng công suất của sóng mang và sử dụng các biện pháp mã hoá chống lỗi kênh truyền (mã kênh) để bên thu khi nhận đợc bit sai vẫn có thể tự đoọng sửa chữa đợc.

Có rất nhiều cách mã hoá chống lỗi khác nhau nhau trong thông tin thờng dùng phơng pháp sửa lỗi trớc FEC (Forward Error Correction).

Khôn

Hình 37: Hiệu quả chống lỗi khi dung FEC

FEC thực chất là làm tăng số bit của dòng số ban đầu theo một qui luật nhất định để nâng cao độ d thừa của thông tin. Khi bản tin có độ d thừa lớn thì dù có bị sai một vài yếu tố, máy thu vẫn có thể đoán ra thông tin đúng do FEC làm số bit tăng lên tốc đọ của dòng số cũng sẽ tăng lên. Nếu gọi r là số bit thêm vào trong n bit tin thì tốc độ mã (Code Rate) sẽ đợc định nghĩa:

P = n/(n+r).

Nếu tốc độ dòng số ra khỏi bộ Channel Encoder là RC thì:

RC = RB/ p [bit/s].

101 10

1 2 3 4 5 6 7 8 Cã

Ber Ber

Ber ®Çu

Vậy giải tần của sóng mang PSK sẽ là:

B = RC = RB/p [Hz].

Thông thờng p có giá trị 7/8, 3/4, 2/3, 1/2. KHi không dùng FEC coi nh p = i. Ta thấy rằng FEC sẽ làm cho tốc độ dòng số và dải tần sóng mang tăng lên nhng ta lại đợc lợi hơn về mặt công suất và tỷ số lỗi bit BER.

FEC cho phép giảm công suất của sóng mang mà vẫn giữ đợc mức BER yêu cầu điều này rất thích hợp cho các tuyến phải giới hạn công suất phát. Do đo nếu gọi tỷ số năng lỡng mỗi bít trên mật độ phổ công suất tạp âm khi cha mã

hoá FEC là EB/N0 và khi có dùng FEC là EC/N0 thì ứng với cùng mét BER ta cã :

EB/No = Ec/N0 –10log(p).

Khi dùng FEC vứi một khả năng lỗi bit nhất định ta có thể giảm EB/NO và lợng giảm đi này hay còn gọi là tăng ích

giải mã(Decoding Gain) thờng đã cho trong các bản Reportcuar CCIR theo các giá trị của p. Trên hình 3.7 ta thấy có lỗi BER khi dùng FEC lại lớn hơn khgi không dùng FEC. Đó là do tốc độ dòng số tăng lên mà công suất sóng mang (EB/NO) lại giảm quá làm cho lỗi tổng cộng của hệ thống tăng lên

Trên hình 38 là sơ đồ của một bộ mã hoá FEC đơn giản, tốc độ mã 1/2

00 00 00 00 00

11 11 11 11 11 11 11 11 11 00 00 00 00

10 10 10 10

01 01 01 01

01 01 01 01 01

10 10 10 10

t = 0 t = 1 t = 2 t = 3 t = 4 t = 5 a(00

b(10

c(01

d(11 Ra

SW 001

100 Vào

F F F