Sóng điều biên cầu phương QAM (Quadrature Amplitude Modulation) có thể nhận được bằng cách thay đổi đồng thời hai tham số biên độ và pha. Đây là phương pháp điều chế có hiệu quả đối với mã nhiều mức và được dùng nhiều trên thông tin vệ tinh. Một tín hiệu hình sin có dạng cos( t + ) được biểu diễn:
Acos( t + ) = Acos cos t – Asin sin t = Xicos t – Xqsin t
Trong đó, cos t và sin t là các tín hiệu sóng mang hình sin lệch pha nhau 900, cos và sin là các hệ số tương ứng. Nếu chọn các hệ số thích hợp ta có thể biểu diễn được tất cả các điểm tín hiệu điều chế nhiều mức.
Biểu diễn tín hiệu QAM bằng tổng của 2 tín hiệu hình sin điều biên 2 mức (+1,-1) vuông góc với nhau như sau:
E t( ) x ti( ) x tq( ) Xicos t Xqsin t . 1
2
Bảng sau là trạng thái các tín hiệu băng gốc và tín hiệu tổng E(t) của chúng:
Xi Xq Xi(t) Xq(t) E(t) 1 1 1 2 cos t 1 2 sin t cos( t + /4) -1 1 - 1 2 cos t 1 2 sin t cos( t + 3 /4) -1 -1 - 1 2 cos t - 1 2 sin t cos( t + 5 /4) 1 -1 1 2 cos t - 1 2 sin t cos( t + 7 /4)
Do xi(t) và xq(t) là các sóng điều biên vuông góc với nhau nên sóng thu được sau khi kết hợp chúng được gọi là sóng điều biên cầu phương QAM. Sơ đồ khối bộ điều chế QAM như sau:
Hình 1-28.a: Sơ đồ khối bộ điều chế QAM
Hình 1-28.b: Sơ đồ khối bộ giải điều chế QAM
Thật vậy, đưa tín hiệu Xicos t + Xqsin t vào giải điều chế với sóng mang cos t, ta sẽ được như sau:
Biến đổi song song - nối tiếp ASK 900 ~ ASK Dãy bit nhị phân Xq Xi cos t Lọc thấp Lọc thấp Xicos t + Xqsin t
Biến đổi nối tiếp - song song ASK 900 ~ ASK Dãy bit nhị phân Xq(t) Xq E(t) Xi(t) Xi cos t Lọc thấp Lọc thấp
(Xicos t + Xqsin t). cos t = Xi 1 t Xq t Xi 2 1 2 2 2 2 1 2 cos sin
(Xicos t + Xqsin t). cos t = Xq t Xi t X q 1 2 1 2 2 2 2 1 2 cos sin
Các thành phần bậc cao đã bị loại bỏ bởi bộ lọc.
Chƣơng 2. ĐA TRUY NHẬP TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 2.1 Tổng quan
Đa truy nhập: Là một phương pháp để cho nhiều trạm mặt đất sử dụng chung một bộ phát đáp. Và là kỹ thuật để nhiều người sử dụng có thể truy nhập khai thác hoặc được phân chia tài nguyên nguồn hoặc dung lượng của hệ thống. Các hệ thống thông tin vệ tinh sử dụng đa truy nhập một bộ phát đáp đơn qua nhiều đường lên và nhiều đường xuống các trạm mặt đất.
Yêu cầu đối với đa truy nhập là không để nhiễu giữa các trạm mặt đất. Vì vậy phải phân chia, phân phối tần số, thời gian (hoặc không gian) của sóng vô tuyến một cách thích hợp cho từng trạm mặt đất.
Có ba phương pháp chính thường được dùng cho đa truy nhập trong các hệ thống thông tin vệ tinh là:
- Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA). - Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA). - Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA).
2.2 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)
2.2.1 Tổng quan
Theo phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số thì độ rộng băng tần của kênh ở bộ phát đáp được phân chia thành các băng tần con (sub-band) và mỗi băng tần con đó được gán cho các sóng mang được phát bởi trạm mặt đất. Với dạng truy nhập này, các trạm mặt đất phát một cách liên tục và kênh truyền một số sóng mang đồng thời với các tần số khác nhau.
Đây là phương pháp sử dụng rộng rãi nhất. Trong hệ thống này mỗi trạm mặt đất có dùng riêng một tần số phát không trùng với các trạm khác sao cho khoảng cách tần số giữa các trạm không bị chồng lẫn lên nhau.
Băng tần của bộ phát đáp vệ tinh có thể từ vài trăm MHz đến vài GHz. Thông thường các bộ phát đáp thiết kế với dải thông 36 MHz hoặc 72MHz, trong đó dải thông 36 MHz là chuẩn phổ biến cho dịch vụ truyền hình băng C (6/4 GHz).
Các trạm thu mặt đất muốn thu được tin tức phải dùng các bộ lọc dải tương ứng với tần số cần thu. Phương pháp này cho phép các trạm truyền dẫn liên tục mà không cần điều khiển định thời đồng
Hình 2-2: Mô hình đa truy nhập phân chia theo tần số
Hình 2-3: Mô hình thác nước với các tín hiệu thực vệ tinh
Sóng mang sử dụng kỹ thuật đa truy nhập FDMA (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.2.2. Các mô hình truyền tín hiệu của đa truy nhập FDMA
Phụ thuộc vào ghép kênh và kỹ thuật điều chế sử dụng mà có thể có một số mô hình truyền tín hiệu đối với đa truy nhập FDMA là:
Ghép kênh phân chia theo tần số (FDM), điều tần (FM) và đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)
Các tín hiệu băng cơ sở từ mạng hoặc từ những người sử dụng là thuộc dạng tương tự. Chúng được tổ hợp dưới dạng ghép kênh phân chia theo tần số (FDM)
Tần số tín hiệu tương tự được ghép kênh sẽ điều chế với một sóng mang, sóng mang này sẽ truy nhập vệ tinh trên một tần số cụ thể ở cùng thời gian như các sóng mang khác với các tần số khác của các trạm mặt đất khác.
Ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM), điều khóa dịch pha (PSK) và đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)
Các tín hiệu từ băng cơ sở từ mạng hoặc từ những người sử dụng là tín hiệu số (digital). Chúng được tổ hợp lại dưới dạng tín hiệu ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM). Dòng nhị phân đặc trưng cho tín hiệu ghép kênh đó được điều chế với một sóng mạng theo phương thức khóa dịch pha (PSK) và tín hiệu sóng mang đã được điều chế đó sẽ truy nhập đến vệ tinh ở một tần số cụ thể cùng lúc với các sóng mang có tần số khác của các trạm mặt đất khác. Việc định tuyến lưu lượng trong trường hợp này phù hợp với nguyên lí “một sóng mang cho một trạm phát”. Việc ghép kênh phân chia theo thời gian như vậy phù hợp với tất cả các tín hiệu theo thời gian đặc trưng cho các trạm mặt đất khác nhau.
Hình 2-4: Mô tả các dạng truyền theo đa truy nhập phân chia theo tần số từ các trạm mặt đất đến vệ tinh
Một sóng mang cho một kênh (SCPC), ghép kênh phân chia theo tần số (FDMA)
Các tín hiệu băng cơ sở từ mạng hoặc từ người sử dụng điều chế trực tiếp với một sóng mang dưới dạng tương tự hoặc số (SCPC). Mỗi một sóng mang đã điều chế sẽ truy nhập vệ tinh ở một tần số cụ thể cùng lúc với các sóng mang khác của các trạm khác. Việc định tuyến lưu lượng trong trường hợp này phù hợp với nguyên lí “một sóng mang cho một tuyến”
2.2.3. Nhận xét chung
Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) được đặc trưng bởi sự truy nhập liên tục tới vệ tinh trong dải tần cho trước. Kỹ thuật này có ưu điểm là đơn giản và dựa trên những thiết bị có sẳn. Tuy nhiên, có những nhược điểm sau:
- Phương pháp này thiếu linh hoạt trong việc thay đổi cách phân phối kênh do các kênh truyền dẫn được phân chia theo tần số quy định, khi muốn tăng số kênh bắt buộc phải giảm nhỏ băng thông nghĩa là thay đổi các bộ lọc dải đối với trạm thu. Đồng thời phương pháp này tốn kém nhiều kênh truyền.
- Khó thay đổi cấu hình, để điều tiết sự biến đổi dung lượng thì cần phải thay đổi các kế hoạch về tần số. Điều này cũng có nghĩa là phải thay đổi tần số thu, tần số phát và dải tần bộ lọc của các trạm mặt đất.
- Bị tổn hao về dung lượng khi số lượng truy nhập tăng lên.
- Cần phải điều khiển công suất phát của các trạm mặt đất trong trường hợp công suất sóng mang tại đầu vào của vệ tinh là cùng bậc để tránh hiệu ứng bất lợi. Sự điều khiển này phải được thực hiện theo thời gian thực và phải phù hợp với sự suy giảm do mưa tại các đường lên.
Kỹ thuật FDMA ra đời rất sớm và ngày nay nó vẫn thường xuyên được sử dụng bởi những ưu điểm đặc biệt của nó về vận hành với đặc điểm không cần đồng bộ giữa hai trạm mặt đất và do đã có sẵn những sự đầu tư cho nó từ trước tới nay.
2.3 Đa truy nhập phân chia theo thời gian
2.3.1 Tổng quan
Là một hệ thống mà các trạm thu mặt đất dùng chung một bộ phát đáp trên cơ sở phân chia thời gian. Hệ thống này định ra khung thời gian gọi là khung TDMA. Khung này sẽ chia ra làm nhiều khoảng tương ứng với mỗi trạm mặt đất. Nguyên lý hoạt động cơ bản là các trạm mặt đất khác nhau gửi lên vệ tinh các chùm (burst) năng lượng tần số RF trong đó có chứa các gói thông tin. Trong khe thời gian dành cho một trạm mặt đất cụ thể , tín hiệu của trạm đó sử dụng toàn bộ dải thông của bộ phát đáp vệ tinh.
So với FDMA, TDMA có bất lợi ở chổ là yêu cầu đồng bộ burst (chùm dữ liệu) nghiêm ngặt tại trạm mặt đất để ngăn chặn sự va chạm các burst tại vệ tinh. Nói cách khác, burst từ một trạm mặt đất cụ thể nào đó đến vệ tinh phải đúng trong khe thời gian (time slot) giành cho trạm đó, sao cho nó không làm nhiễu các burst đến của các khe lân cận.
Quá trình như trên gọi là truyền burst. Việc truyền burst được chèn vào trong một cấu trúc thời gian lớn hơn được gọi là một chu kỳ khung, TF và chu kỳ khung đó tương ứng với cấu trúc thời gian theo chu kỳ của hệ thống. Mỗi một sóng mang đặc trưng cho một burst chiếm toàn bộ độ rộng dải tần của kênh. Vì vậy mà kênh mang một số sóng mang tại cùng một thời điểm.
Hình 2-5: Mô tả hoạt động của một mạng TTVT hoạt động theo nguyên lý TDMA
Tương tự các trạm thu mặt đất, để lấy được tin tức cần được xác định đúng khe thời gian để lấy sóng mang của chính nó. Đây là phương pháp có thể sử dụng tốt nhất công suất của vệ tinh. Nó có thể thay đổi số khe cũng như độ rộng của khe thời gian trong khung mà không ảnh hưởng tới các thiết bị phần cứng.
Hình 2-6: Khung đa truy nhập phân chia theo thời gian
Hình 2-7: Mô hình thác nước với các tín hiệu thực vệ tinh (TDMA)
2.3.2. Tạo lập burst
Xem xét Burst tương ứng với sự chuyển đổi lưu lượng từ trạm mặt đất. Sự chuyển đổi này có thể được tạo ra phù hợp với phương pháp một sóng mang cho một tuyến. Trường hợp này, trạm mặt đất phát (N - 1) burst trong một khung, với N
là số trạm của mạng và số lượng burst là P được xác định bởi P = N(N-1).
Hình 2-8: Mô tả quá trình tạo lập burst (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Dải tấn số sử dụng kỹ thuật đa truy nhập TDMA
Trạm mặt đất nhận thông tin dưới dạng chuỗi nhị phân liên tục với tốc độ Rb
từ mạng hay từ giao diện người dùng. Thông tin này phải được lưu trữ trong bộ nhớ đệm trong khi đợi thời gian truyền dẫn burst. Khi thời điểm này xuất hiện, nội dung của bộ nhớ này được truyền trong khoảng thời gian là Tb. Tốc dộ bit R điều chế sóng mang được xác định bởi biểu thức: R = Rb(TF/TB) (bit/s). Giá trị R lớn khi chu kỳ burst ngắn và chu kỳ truyền dẫn (TF/TB) của trạm thấp.
2.3.3. Cấu trúc khung
Khung được hình thành ở mức vệ tinh. Nó bao gồm tất cả các burst được truyền bởi các trạm mặt đất và được nối tiếp nhau nếu như sự đồng bộ truyền dẫn của các trạm được thực hiện đúng. Lưu ý có hai loại burst sau:
- Các burst của các trạm lưu lượng có tiêu đề là 280 ký hiệu hoặc 560 bit và trường hợp lưu lượng được cấu trúc gồm bội số của 64 ký hiệu phù hợp với dung lượng của mỗi trạm.
- Các burst của trạm tham chiếu với phần tiêu đề là 288 ký hiệu hoặc 576 bit và không có trường lưu lượng. Trạm tham chiếu là trạm định nghĩa đồng bộ khung bằng cách truyền burst tham chiếu của nó, tất cả các trạm lưu lượng của mạng phải tự đồng bộ với trạm tham chiếu bằng cách định vị burst của trạm tham chiếu.
2.3.4. Thu burst
Ở tuyến xuống, mỗi trạm mặt đất sẽ thu tất cả các burst trong khung. Máy thu của trạm mặt đất nhận dạng điểm bắt đầu (start) của khung (frame) bằng cách dò tìm từ UW sau đó lấy lưu lượng (traffic) dành riêng cho mình và lưu lượng đó được chứa trong burst phụ của trường lưu lượng (traffic field) của mỗi burst. Lưu lượng này được nhận một cách không liên tục với tốc độ bit R.
Đặc tính của bộ dò tìm từ UW được xác định bởi hai yếu tố sau:
- Xác suất không dò tìm được. Là xác suất không dò tìm được sự có mặt của từ UW tại thời điểm bắt đầu (start) của việc thu burst.
- Xác suất báo hiệu sai. Là xác suất nhận dạng sai từ UW trong bất kỳ chuỗi nhị phân.
2.3.5. Đồng bộ hệ thống thông tin vệ tinh TDMA
Đồng bộ việc truyền tín hiệu thông tin vệ tinh là một công việc quan trọng vì nó tránh việc khôi phục burst khác nhau trong khung. Các yếu tố sau ảnh hưởng đến việc đồng bộ truyền tín hiệu thông tin.
- Các chuyển động dư của vệ tinh địa tĩnh. Trong thực tế, vệ tinh địa tĩnh không hoàn toàn đứng yên mà có sự chuyển động dao động nào đó xung quanh tọa độ của nó, chuyển động đó gọi là chuyển động dư.
- Sự liên quan của điểm khởi đầu khung giữa phát và thu. Bất kỳ một trạm mặt đất n nào (n = 1, 2, …, N) cũng phải truyền burst của nó đến vệ tinh theo phương thức truyền dẫn của nó với một độ trễ thời gian dn so với burst tham chiếu.
2.3.6. Nhận xét chung
Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) được đặc trưng bởi việc truy nhập các kênh trong các khe thời gian. Nó có những ưu điểm sau:
- Tại mỗi khe thời gian ngắn, kênh chỉ khuếch đại một sóng mang đơn chiếm toàn bộ độ rộng giải tần của kênh.
- Thông lượng truyền cũng như số lượng truy nhập lớn.
- Không cần phải điều khiển công suất phát tại các trạm mặt đất.
- Tất cả các trạm phát và thu trên cùng một tần số, kể cả nơi phát và nơi thu burst, điều này sẽ đơn giản trong việc điều chỉnh.
Tuy nhiên, TDMA cũng có nhược điểm: - Cần phải có cơ chế đồng bộ.
- Cần có các trạm có tầm cở để có thể truyền với thông lượng lớn.
2.4. Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)
2.4.1. Tổng quan
Hệ thống thông tin vệ tinh sử dụng kỹ thuật này thì các trạm của mạng phát liên tục trên cùng băng tần của kênh. Để có thể nhận dạng được tín hiệu mong muốn, mỗi máy phát và máy thu phải có một chữ ký riêng biệt. Chữ ký này được biểu diễn dưới dạng một dãy số nhị phân, gọi là mã. Mã đó được kết hợp với thông tin hữu ích tại mỗi máy phát. Tập các mã được sử dụng cần phải có các tính chất tương quan sau đây:
- Mỗi mã phải dễ dàng phân biệt được với chính bản sao của nó được dịch chuyển theo thời gian.
- Mỗi mã phải dễ dàng phân biệt với bất kỳ mã nào được sử dụng trong mạng.
Việc truyền mã kết hợp với thông tin hữu ích như vậy yêu cầu khả năng độ rộng dải tần vô tuyến lớn hơn nhiều so với yêu cầu truyền thông tin. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Có hai kỹ thuật được sử dụng trong đa truy nhập CDMA, đó là: - Kỹ thuật trải phổ dãy trực tiếp, DS (Direct Sequence)
- Kỹ thuật trải phổ nhảy tần, FH (Frequency Hopping)
Các tín hiệu từ tất cả các trạm đều có cùng một vị trí trong bộ phát đáp về