Trong thông tin vệ tinh, hiện có hai chuẩn ghép kênh TDM được sử dụng phổ biến, đó là các chuẩn G.732 và G.733 của châu Âu (CEPT) và chuẩn sóng mang T (của Mỹ và Canada). Ngoài hai chuẩn trên còn có chuẩn của Nhật Bản nhưng không được thông dụng.
Chuẩn ghép kênh số châu Âu được xây dựng trên cơ sở một khung có 256 bit. Thời gian của khung là 125 s. Tốc độ bit là 2,048 Mbit/s. Khung 125 µs đó được chia làm 32 khe thời gian, đánh số từ 0 đến 31 và mỗi khe thời gian dài 3,9
s gồm một từ mã 8 bit, hoặc thời gian bit dài 488 ns. Dung lượng ghép kênh là 30 kênh thoại và hai kênh dành cho báo hiệu và đồng bộ.
Chuẩn sóng mạng T của Mỹ được xây dựng trên cơ sở một khung 192 bit ghép 24 kênh, mỗi mẫu 8 bit. Độ dài của khung là 125 s, tốc độ bit là 1.544 Mbps. Trong 24 kênh có một kênh đồng bộ. Trong khung có bit đồng bộ.
Bảng 2.1 nêu một số tham số của các chuẩn ghép kênh.
Bảng 2.1: Đặc điểm ghép kênh của CEPT và sóng mang T
Cấp bậc ghép kênh CEPT Mỹ/Ca-na-đa Nhật Bản Thông lượng (Mbit/s) Dung lượng kênh Thông lượng (Mbit/s) Dung lượng kênh Thông lượng (Mbit/s) Dung lượng kênh 1 2,048 30 1,544 24 1,544 24 2 8,448 120 6,312 96 6,312 96 3 34,386 480 44,736 672 32,064 480 4 13,9264 1920 274,176 4032 97,728 1440 5 565,128 7680 560,160 8064 400,352 5760 2.4.2 Mã hóa mật dữ liệu
Nếu dữ liệu có yêu cầu bảo mật thì được mã hóa mật. Mã hóa mật có thể là đối xứng hoặc không đối xứng. Trong các hệ thống truyền tin qua vệ tinh nếu có yêu cầu bảo mật thường sử dụng mật mã đối xứng, tức là phía phát và phía thu có khóa mật giống nhau. Hai kỹ thuật mật mã sau đây thường được sử dụng:
1. Mật mã trực tuyến (on-line encryption), tức dãy bit (bản tin rõ) được trộn (cộng modul 2) với một dãy khóa mã (có thể là một dãy giả ngẫu nhiên) để tạo thành bản tin mật và truyền đi. Phía thu sẽ giải mã theo quy trình ngược lại.
2. Mã hóa mật theo khối, ví dụ sử dụng mật mã chuẩn DES (Data Encryption Standard) hoặc 3DES, 4DES với phía phát và phía thu có khóa mật giống nhau để mã hóa và giải mã. Hai phương thức bảo mật trên chủ yếu là để chống kẻ xâm nhập khai thác đoạn tin truyền, bởi vì vùng phủ sóng của vệ tinh khá rộng, việc thu sóng vệ tinh không có gì là khó khăn.
Ngoài hai phương pháp trên còn có các phương pháp bảo mật khác, chống kẻ xâm nhập làm giả hoặc làm sai lạc đoạn tin truyền.
2.4.3 Mã hóa kênh
Nhiệm vụ của mã hóa kênh là để phục vụ phát hiện lỗi và sửa lỗi dữ liệu truyền (do nhiễu trong môi trường truyền và các yếu tố tác động khác của kênh truyền, đoạn tin nhận được ở phía thu bị lỗi, không giống đoạn tin phía phát).
Mã hóa kênh Các bit dư r
được thêm vào
Tốc độ bit Rb Tốc độ bit Rc 2n Dữ liệu ra (n = k + r) 2k Dữ liệu vào (k) Tốc độ mã: R = k/n Số bit dư: m = n - k
Hình 2.3 Mô hình nguyên lý mã hóa kênh
Nguyên lý chung của các mã hóa kênh là cộng thêm một số bit dư (bit kiểm tra) vào đoạn tin dữ liệu nguồn theo một quy tắc nào đó (mã hóa) và phía thu giải mã để phát hiện lỗi và sửa lỗi. Hình 2.3 mô tả nguyên lý mã hóa kênh.
Trong các kênh thông tin vệ tinh, các mã kênh sau đây thường được lựa chọn sử dụng:
- Mã kiểm tra độ dư vòng CRC-16 và CRC-32 thường được chuẩn hóa với đa thức sinh g(x) cho trước, được ứng dụng phát hiện lỗi (không sửa lỗi) trong trường tiêu đề (header) của các giao thức truyền tin số.
- Mã cyclic khối hệ thống được sử dụng kiểm tra và sửa lỗi trong trường dữ liệu có cấu trúc khối.
- Mã chập (convolutional code) được ứng dụng để kiểm tra và sửa lỗi trong trường dữ liệu nếu dự liệu truyền có cấu trúc dãy.
- Dữ liệu truyền hình có cấu trúc khung, hàng và cột thích hợp nhất là nên sử dụng mã Reed-Solomon (RS), trong đó GF(q) = GF(28).
2.4.4 Điều chế số
Điều chế số ở đây được hiểu là tín hiệu bị điều chế là tín hiệu số còn tín hiệu sóng mang vẫn là tín hiệu tương tự. Hình 2.4 mô tả nguyên lý của bộ điều chế số trong kênh thông tin vệ tinh. Bộ điều chế đó gồm 3 khối chính, đó là:
- Khối tạo tín hiệu (symbol generator) - Bộ mã hóa
- Bộ tạo tín hiệu sóng mang tần số vô tuyến
Bộ tạo ký hiệu tạo ra các ký hiệu với M trạng thái, trong đó M = 2m, từ m bit liên tiếp nhau của dãy dữ liệu nhị phân đầu vào.
Bộ mã hóa thiết lập một sự tương ứng của M trạng thái của các ký hiệu đó với M trạng thái có thể của sóng mang được truyền. Trong thực tế có hai loại bộ mã hóa sau đây:
- Mã hóa trực tiếp: một trạng thái của ký hiệu xác định một trạng thái của sóng mang.
- Mã hóa chuyển tiếp, còn gọi là mã hóa vi phân tức một trạng thái của ký hiệu xác định một sự chuyển tiếp giữa hai trạng thái kế tiếp nhau của sóng mang.
Nếu Rc là tốc độ bít ở đầu vào bộ điều chế và Rs là tốc độ bit ở đầu ra bộ điều chế (số lần thay đổi trạng thái của sóng mạng trong một giây), thì sẽ có quan hệ sau đây:
Rs = Rc/m = Rc /log2M (baud) (2.4)
Các tín hiệu điều chế số thường được sử dụng trong các hệ thống thông tin vệ tinh là: BPSK, DE-BPSK, M-PSK, QAM, M-QAM.
Bộ tạo ký hiệu kênh M mức Bộ tạo sóng mang kênh M mức Bộ mã hóa Bộ điều chế số Dữ liệu vào Tín hiệu kênh M = 2m
Hình 2.4 Mô tả nguyên lý bộ điều chế số của truyền tin số qua kênh thông tin vệ tinh
2.4.5 Giải điều chế số
Chức năng của bộ giải điều chế số là đồng nhất pha (hoặc dịch pha) của sóng mang thu được để từ đó suy ra giá trị các bit của dãy bit nhị phân được truyền. Bộ giải điều chế có thể là:
- Gắn kết (coherent): bộ giải điều chế sử dụng một tín hiệu tham chiếu hình sin nội bộ, có cùng tần số và pha giống như sóng điều chế ở máy phát, sóng mang thu được sẽ được đem so sánh pha với tín hiệu tham chiếu của bộ giải điều chế để hồi phục lại dãy bit đã được truyền từ bộ mã hóa. Bộ giải điều chế loại “gắn kết” này có thể là giải điều chế cho cả hai loại mã hóa được truyền đó là trực tiếp (BPSK, QPSK) hoặc vi phân (DE-BPSK và DE-QPSK).
- Vi phân (differential): bộ giải điều chế so sánh pha của sóng mang thu được trong khoảng thời gian truyền của một ký hiệu và pha của nó trong khoảng thời gian của ký hiệu trước. Như vậy, bộ giải điều chế tách các sự thay đổi về pha. Thông tin được truyền chỉ có thể được hồi phục nếu như nó có khả năng chứa đựng các sự thay đổi về pha. Việc giải điều chế vi phân luôn luôn được kết hợp với việc mã hóa vi phân trong quá trình truyền. Loại điều chế và giải điều chế này được ký hiệu đồng nhất bởi các chữ cái đầu: D-BPSK (Differential Demodulation – BPSK) hoặc D-QPSK (Differential – QPSK).
Bộ lọc thông thấp Tách sóng ngưỡng A/D Hồi phục định thời bit Acos(ωct + qk) cosωct Đầu vào cosqk Đầu ra 1 hoặc 0 (a) Trễ T Bộ lọc thông thấp Tách sóng ngưỡng A/D Hồi phục định thời bit Acos(ωct + qk) Cos(qk - qk-1) Đầu ra 1 hoặc 0 Hồi phục sóng mang Acos(ωct + qK -1) mk (b)
Hình 2.5 Mô hình cấu trúc bộ giải điều chế
a) Điều chế gắn kết đối với điều chế pha hai trạng thái; b) Điều chế vi phân đối với điều chế pha hai trạng thái;
Hình 2.5 mô tả nguyên lý bộ giải điều chế đối với điều chế pha hai trạng thái và hình 2.6 mô tả nguyên lý bộ giải điều chế với điều chế pha bốn trạng thái. Sóng mang được điều chế hoặc IF (a) Hồi phục sóng mang Bộ lọc thông thấp Bộ lọc thông thấp Hồi phục định thời dữ liệu Tách sóng ngưỡng A/D Chuyển đổi song song/ nối tiếp Tách sóng ngưỡng A/D 900 Đầu ra dữ liệu Bộ lọc thông thấp Bộ lọc thông thấp Hồi phục định thời dữ liệu Tách sóng ngưỡng A/D Chuyển đổi song song/ nối tiếp Tách sóng ngưỡng A/D 900 Đầu ra dữ liệu Trễ Ts Trễ Ts (b) Hình 2.6
a) Cấu trúc bộ giải điều chế gắn kết đối với điều chế pha bốn trạng thái b) Cấu trúc bộ giải điều chế vi phân đối với điều chế pha bốn trạng thái
2.5 Hiệu năng kênh truyền
Hiệu năng (performance) của một kênh truyền thông tin vệ tinh thường được xem xét dưới các góc độ và tham số sau đây:
Tỷ số S/N = tỷ số công suất tín hiệu băng cơ sở/công suất nhiễu băng cơ sở (đối với tín hiệu tương tự).
- Méo tín hiệu.
- Nhiễu xuyên điều chế (intermodulation) do đặc tính phi tuyến của kênh truyền (chỉ yếu do đặc tính phi tuyến của bộ phát đáp).
- Thời gian truyền và trễ tín hiệu (đối với vệ tinh địa tĩnh thời gian truyền theo góc thẳng đứng là tu + tD = 238 ms; với góc ngẩng 17,4 o là 278ms).
- Độ tin cậy (availability) truyền tin tính theo thời gian năm tháng.
- Khả năng đồng bộ giữa trạm phát/thu hoặc đồng bộ giữa các mạng trong hệ thống.
- Xác suất lỗi bit (Pe) hoặc tỷ lệ lỗi bit (BER) đối với các kênh truyền tin số. Trong thực tế, tùy thuộc vào kết cấu kênh truyền và yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) cụ thể mà các tham số trên được đánh giá xem xét trong từng trường hợp cụ thể.
Hiệp hội Viễn thông Quốc tế (ITU) và các tổ chức chuẩn quốc tế khác như CCIR, IEEE, IETS… cũng đã đưa ra các chuẩn khuyến nghị cho từng loại hình dịch vụ cụ thể.
Đối với các kênh truyền tin số trong hệ thống thông tin vệ tinh, tham số quan trọng thường được quan tâm xem xét là tác động của nhiễu, can nhiễu (của toàn tuyến) và xác suất lỗi (Pe) hoặc tỷ lệ lỗi bit (BER) tại điểm thu. Vấn đề sẽ được xem xét ở các chương sau.
Do ảnh hưởng của nhiễu kênh truyền cho nên việc đồng nhất pha (hoặc dịch pha) tại bộ giải điều chế máy thu bị sai lệch và điều đó dẫn tới lỗi trong việc đồng nhất dãy kí hiệu hoặc dãy bit thu được. Đơn vị để đánh giá hiệu năng cả bộ giải điều chế tại phía thu là tỷ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate). Tỷ lệ lỗi bit có thể được biểu thị dưới dạng xác xuất lỗi bit, Pe (error probability). Xác suất lỗi là luôn luôn nhỏ hơn tỷ lệ lỗi được xác định. Tuy nhiên nó cũng cho phép các kỹ thuật giải điều chế khác nhau được so sánh và lượng giá một hệ thống thực.
Đối với điều chế hai trạng thái, thì ký hiệu (symbol) được đồng nhất với bit. Xác xuất lỗi ký hiệu, Ps (Symbol Error Probability) cũng đồng thời là xác suất lỗi bit, Pe.
Ps= Pe
Đối với điều chế bốn trạng thái, ở đây có các ký hiệu I và Q, cho nên xác suất lỗi bit sẽ là:
Pe = Ps/2
Pe = Ps / log2M với M 2
Hàm erfc là hàm bù của hàm lỗi có dạng 2 2 ( ) - u x efrc x e du
(hàm thường được biểu thị dưới dạng bảng với các giá trị gần đúng)
Bảng 2.2 cho các biểu thức về xác suất lỗi bít, Pe đối với một số bộ giải điều chế điển hình đã được giới thiệu ở mục 2.4
Bảng 2.2 Các biểu thức về xác suất lỗi bit
Loại điều chế - giải điều chế Xác suất lỗi bit
Giải điều chế gắn kết – Mã hóa trực tiếp BPSK 0 1 2 c E erfc N QPSK 0 1 2 c E erfc N Mã hóa vi phân DE-BPSK 0 c E erfc N DE-QPSK 0 c E erfc N
Giải điều chế vi phân BPSK 0 1 2 b E erfc N -
Giá trị Ec trong các biểu thức về xác suất lỗi bit trên là năng lượng bit/năng lượng bit Ec đó là tích của công suất sóng mang thu được trong thời gian tồn tại của một bit ; Ec = C.Tc = C.Rc.
Như vậy :
Ec/No = (C/Rc). No = (C/No)/Rc.
Đối với các tuyến thông tin vệ tinh thì giá trị C/No được sử dụng là (C/No)
Bảng 2.3 cho một số giá trị Ec/N0 về lý thuyết cần thiết để xác định xác suất lỗi bit cho một số dạng điều chế và giải điều chế. Các giá trị trong các dấu ngoặc đơn là giá trị khác nhau giữa điều chế và giải điều chế.
Trong thực tế ứng dụng, các giá trị Eb/N0 yêu cầu đối với giá trị tỷ lệ lỗi bit cho BER là lớn hơn so với các giá trị lý thuyết tính toán trong bảng 2.3.
Bảng 2.3: Các giá trị tính toán theo lý thuyết của Ec/N0 để xác định xác suất lỗi bit cho đối với các phần tử nhị phân được truyền (Ec = năng lượng bit được truyền; N0 = mật độ phổ tạp âm; ∆ = độ suy giảm tương đối của Ec/No
BER BPSK DE-BPSK(∆) DE-QPSK D-BPSK(∆) D-QPSK(∆) 3 10- 6,8dB 7,4dB(0,6dB) 7,9dB(1,1dB) 9,2dB(2,4dB) 4 10- 8,4 dB 8,8dB(0,4dB) 9,3dB(0,9dB) 10,7dB(2,3dB) 5 10- 9,6 dB 9,9dB(0,3dB) 10,3dB(0,7dB) 11,9dB(2,3dB) 6 10- 10,5 dB 10,8dB(0,3dB) 11,2dB(0,7dB) 12,8dB(2,3dB) 7 10- 11,3 dB 11,5dB(0,2dB) 11,9dB(0,6dB) 13,0dB(2,3dB) 8 10- 12,0 dB 12,2dB(0,2dB) 12,5dB(0,5dB) 14,3dB(2,3dB) 9 10- 12,6 dB 12,8dB(0,2dB) 13dB(0,4dB) 14,9dB(2,3dB)
Chương 3
NHIỄU, CAN NHIỄU VÀ TÍNH TOÁN DỰ TRỮ TUYẾN
3.1 Nhiễu, can nhiễu
Trong luận văn này, sử dụng hai khái niệm là nhiễu và can nhiễu.
- Nhiễu (noise): được hiểu là các tín hiệu không chứa nội dung thông tin ví dụ nhiễu trắng, nhiễu nhiệt,… Nhiễu làm giảm độ tin cậy của máy thu khi tái tạo lại thông tin của tín hiệu hữu ích.
- Can nhiễu (interference): được hiểu là các tín hiệu có chứa nội dung thông tin nào đó nhưng không phải là thông tin hữu ích mà máy thu cần tái tạo.
3.2 Nhiễu
3.2.1 Nhiễu trắng
Công suất nhiễu có hại, xuất hiện trong độ rộng băng tần của tín hiệu hữu ích, có mật độ phổ công suất N0 (W/Hz) đồng đều trong băng tần, được gọi là
nhiễu trắng (hoặc nhiễu Gaussian). Trong nhiều tài liệu gọi là nhiễu Gaussian trắng cộng, AWGN (Additive White Gaussian Noise).
Công suất nhiễu tương đương N(W) đo được trong độ rộng băng tần BN(Hz) có giá trị là:
N = N0BN (W) (3.1)
Trong thực tế, các nguồn nhiễu không phải luôn luôn có mật độ phổ công suất hằng số nhưng mô hình trên thích hợp với cách biểu thị nhiễu được quan sát trong độ rộng băng tần có giới hạn.
3.2.2 Nhiễu nhiệt
Công suất nhiễu N từ một nguồn nhiễu nhiệt tác động vào độ rộng băng tần B của thiết bị thu được biểu thị bởi biểu thức:
N = k.Te.B (3.2)
Trong đó:
K = hằng số Boltzman = 1,379.10-13 = 228,6 dB (W/HzK);
Te = nhiệt độ nhiệt động (thermodynamic temperature) của nguồn nhiệt
B = độ rộng băng tần
Nhiệt độ nhiễu Te của một phần tử bốn cực được biểu thị bởi nhiệt độ nhiệt động của một điện trở đặt ở đầu vào phần tử đó với giả thiết phần tử đó không
có nhiễu, để xác định công suất nhiễu đầu ra của phần tử (hình 3.1). Đây được hiểu là nhiệt độ vật lý.
Hệ thống thực có
nhiễu Công suất nhiễu có
giá trị giống nhau N=k.Te.G.B
Hệ thống không
nhiễu G = Độ lợi công suất
của hệ thống Nhiệt độ vật lý T = Te
Đầu vào không nhiễu T = 0
Hình 3.1 Mô tả nhiễu nhiệt tương đương ở đầu vào một hệ thống
3.3 Nhiệt độ nhiễu của anten
Các máy thu trong hệ thống thông tin vệ tinh thường có độ nhạy cao và sử dụng anten có búp sóng hẹp. Nhiễu từ các nguồn bức xạ của các vật thể trong không gian có thể lọt vào búp sóng thu của anten, do đó việc xác định nhiễu tại đầu vào máy thu là một vấn đề quan trọng. Công suất nhiễu được xác định theo biểu thức (3.2), trong đó các tham số k (hằng số boltzman) và B (độ rộng băng tần) là đã biết, do đó chỉ cần xác định nhiệt độ Te.
Anten trong trường hợp này được giả sử như một nguồn nhiễu, được đặc trưng bởi một nhiệt độ nhiễu và được gọi là nhiệt độ nhiễu của anten, TA(K).
Nếu như Tb(q,) là nhiệt độ chói (brightness temperature) của một vật thể bức xạ theo hướng (q,) và G(q,) là hàm phương hướng (độ lợi) của anten thì