Nghiên cứu cơ chế truyền thông và xây dựng công cụ phân tích, xử lý số liệu internet trên thông tin trên thông tin liên lạc vệ tinh địa tĩnh

Mục tiêu nghiên cứu Với mong muốn tìm hiểu về lĩnh vực công nghệ mới thông tin liên lạc vệ tinh, cụ thể là cơ chế, nguyên lý truyền thông trên thông tin liên lạc vệ tinh địa tĩnh, đồng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

PHAN TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ TRUYỀN THÔNG VÀ XÂY DỰNG CÔNG CỤ PHÂN TÍCH, XỬ LÝ SỐ LIỆU INTERNET TRÊN THÔNG

TIN LIÊN LẠC VỆ TINH ĐỊA TĨNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hà Nội - 2012

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

PHAN TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ TRUYỀN THÔNG VÀ XÂY DỰNG CÔNG CỤ PHÂN TÍCH, XỬ LÝ SỐ LIỆU INTERNET TRÊN THÔNG

TIN LIÊN LẠC VỆ TINH ĐỊA TĨNH

Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính

Mã số: 60 48 15

LUẬN VĂN THẠC SĨ: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Văn Tam

Hà Nội - 2012

MỤC LỤC

Lời cam đoan - 4 -

Lời cảm ơn - 5 -

Danh mục thuật ngữ viết tắt - 6 -

Danh mục hình vẽ - 8 -

MỞ ĐẦU - 12 -

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN LIÊN LẠC VỆ TINH ĐỊA TĨNH - 14 -

1.1 Giới thiệu chung về TTLL vệ tinh địa tĩnh - 14 -

1.1.1 Đặc điểm thông tin vệ tinh địa tĩnh - 14 -

1.1.2 Cấu trúc tổng quát hệ thống truyền tin vệ tinh - 16 -

1.1.3 Nguyên lý thông tin liên lạc vệ tinh địa tĩnh - 18 -

1.1.4 Phân bố tần số cho các hệ thống TTLLVT - 19 -

1.2 Truyền tín hiệu số trên kênh truyền vệ tinh - 20 -

1.2.1 Kênh truyền thông tin vệ tinh - 20 -

1.2.1.1 Mô hình kênh truyền - 20 -

1.2.1.2 Đặc tính kỹ thuật kênh truyền - 21 -

1.2.2 Truyền tín hiệu số - 21 -

1.2.3 Ghép kênh TDM - 22 -

1.2.3.1 Ghép kênh TDM đồng bộ - 22 -

1.2.3.2 Khung (Frames) - 22 -

1.2.3.3 Kỹ thuật chuyển dịch luân phiên (Interleaving) - 23 -

1.2.3.4 Bit đồng bộ khung (Framing bits) - 24 -

1.2.3.5 Ghép kênh phân thời không đồng bộ - 24 -

1.2.3.6 Ghép kênh đảo (Invert Multiplexing) - 25 -

1.2.4 Mã hóa kênh truyền - 26 -

1.2.4.1 Tổng quan - 26 -

1.2.4.2 Mã xoắn (Convulotion Code) - 26 -

1.2.4.3 Mã khối - 28 -

1.2.4.4 Mã Reed-Solomon - 29 -

1.2.5 Điều chế số - 30 -

1.2.5.1 Tổng quan - 30 -

1.2.5.2 Điều chế pha hai mức (BPSK) - 31 -

1.2.5.3 Điều chế pha bốn mức (QPSK) - 32 -

1.2.5.4 Điều chế pha 8 mức (8-PSK) - 34 -

1.2.5.5 Điều chế biên độ cầu phương, QAM 16 - 36 -

Chương 2 ĐA TRUY NHẬP TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH - 39 -

2.1 Tổng quan - 39 -

2.2 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) - 39 -

2.2.1 Tổng quan - 39 -

2.2.2 Các mô hình truyền tín hiệu của đa truy nhập FDMA - 41 -

2.2.3 Nhận xét chung - 42 -

2.3 Đa truy nhập phân chia theo thời gian - 42 -

2.3.1 Tổng quan - 42 -

2.3.2 Tạo lập burst - 44 -

2.3.3 Cấu trúc khung - 45 -

2.3.4 Thu burst - 45 -

2.3.5 Đồng bộ hệ thống thông tin vệ tinh TDMA - 45 -

2.3.6 Nhận xét chung - 46 -

2.4 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) - 46 -

2.4.1 Tổng quan - 46 -

2.4.2 Kỹ thuật trải phổ dãy trực tiếp (DS-CDMA) - 47 -

2.4.3 Kỹ thuật trải phổ nhảy tần (FH-CDMA) - 47 -

2.4.4 Tạo mã trong đa truy nhập CDMA - 48 -

2.4.5 Đồng bộ trong đa truy nhập CDMA - 49 -

2.4.6 Nhận xét chung về đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) - 50 -

Chương 3 CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG - 51 -

3.1 Phân tích cấu trúc dữ liệu Internet trên thông tin liên lạc vệ tinh - 51 -

3.1.1 Đặc thù của số liệu đăng ký được từ thông tin liên lạc vệ tinh - 51 -

3.1.2 Tổng quan về mô hình truyền dữ liệu trên Internet - 52 -

3.1.3 Chức năng và cấu trúc giao thức truyền của mô hình TCP/IP - 53 -

3.1.3.1 Tầng giao tiếp mạng (Network access Layer) - 53 -

3.1.3.1.1 Tổng quan chung - 53 -

3.1.3.1.2 Chuẩn HDLC (Hyper Data Link Control) - 54 -

3.1.3.1.3 Chuẩn PPP (Point To Point) - 56 -

3.1.3.1.4 Chuẩn Ethernet - 58 -

3.1.3.1.5 Chuẩn Frame Relay - 60 -

3.1.3.2 Tầng mạng (Network Layer) - 67 -

3.1.3.2.1 Giới thiệu chung về IP - 68 -

3.1.3.2.2 Cấu trúc giao thức IPv4 - 68 -

3.1.3.3 Tầng giao vận (Transport Layer) - 70 -

3.1.3.3.1 Cấu trúc giao thức TCP - 70 -

3.1.3.3.2 Cấu trúc giao thức UDP - 72 -

3.1.3.4 Tầng ứng dụng (Application Layer) - 73 -

3.2 Chương trình ứng dụng - 74 -

3.2.1 Yêu cầu chương trình - 74 -

3.2.2 Quy trình của ứng dụng - 74 -

3.2.3 Giao diện chính của chương trình - 77 -

3.2.4 Kết quả thử nghiệm - 78 -

KẾT LUẬN - 80 -

TÀI LIỆU THAM KHẢO - 81 -

PHỤ LỤC 82

-Danh mục thuật ngữ viết tắt Chữ viết

tắt Tên đầy đủ tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

A/D Analog to Digital Bộ biển đối tương tự - số

BPSK Binary Phase Shift keying Điều chế pha 2 mức

CDMA

Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

mã

FDMA Frequency Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

GSM Global System Mobile

Communication

Hệ thống thông tin di động tòan cầu

HDLC Hyper Data Link Control Giao thức mức cao HDLC

LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp

PCM Pulse Code Modulation Điều xung mã

QAM Quadrature Amplitude

QPSK Quadrature Phase Shift keying Điều chế pha 4 mức

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến

SCPC

Single Channel Per Carrier Một kênh đơn trên một sóng

mang TCP Transmission Control Protocol Giao thức TCP

TCP/IP Transmission Control Protocol

/Internet protocol Mô hình TCP/IP

TDM

Time Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo

thời gian TDMA

Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

thời gian UDP User Datagram Protocol Giao thức UDP

UHF Ultra High Frequency Tần số cực cao

VHF Very High Frequency Tần số rất cao

VSAT Very Small Aperture Terminal Đầu cuối có độ mở rất nhỏ 8PSK 8 Phase Shift keying Điều chế pha 8 mức

Danh mục hình vẽ

1-2 Cấu hình khái quát một hệ thống thông tin vệ tinh 16

1-3 Sơ đồ khối chức năng của một bộ phát đáp đơn giản 17

1-4 Sơ đồ khối chức năng của một trạm mặt đất đơn giản 18

1-5 Mô hình truyền thông trên vệ tinh địa tĩnh Sinosat1-

1-6.a, b Mô tả mạng vệ tinh kết nối với mạng mặt đất 20, 21

1-7 Sơ đồ khối chức năng quá trình truyền tín hiệu số trên kênh

1-22a,b, c Đồ thị chòm sao - Điều chế - Giải điều chế tín hiệu BPSK 32

1-23 Điều chế, giải điều chế BPSK với tín hiệu thực 32

1-24a,b Sơ đồ khối chức năng bộ phát, bộ thu điều chế QPSK 33, 34

1-25 Điều chế, giải điều chế QPSK với tín hiệu thực 34

1-26a,b,c Sơ đồ khối bộ phát, phân bố tín hiệu, bộ thu điều chế 8PSK 34, 35,

36

1-27 Điều chế, giải điều chế 8PSK với tín hiệu thực 36

1-28a,b Sơ đồ khối bộ điều chế, bộ giải điều chế QAM 37

1-29 Giản đồ pha, điều chế (giải điều chế) QAM16 với tín hiệu

2-3 Mô hình thác nước với các tín hiệu thực vệ tinh 40

2-4 Mô tả các dạng truyền theo đa truy nhập phân chia theo

2-5 Mô tả hoạt động của một mạng TTVT hoạt động theo

2-6 Khung đa truy nhập phân chia theo thời gian( TDMA) 44

2-7 Mô hình thác nước với các tín hiệu thực vệ tinh (TDMA) 44

2-9 Mô tả nguyên lý hoạt động hệ thống DS-CDMA trong

2-10

Mô tả sơ đồ nguyên lý hoạt động của một hệ thống truyền dẫn và đa truy nhập phân chia theo mã, ứng dụng kỹ thuật nhảy tần (FH-CDMA)

48

2-11 Mô tả nguyên lý tạo chuỗi mã giả ngẫu nhiên 48

2-12 Mô tả nguyên lý thu nhận chuỗi mã trong hệ thống

3-1 Số liệu trung thực đăng ký từ thông tin liên lạc vệ tinh(chu 51

kỳ 256 bit)

3-8 Số liệu phân tích thực tế cấu trúc chuẩn PPP 58

3-11 Cấu trúc khung Ethernet II trong khung HDLC 59

3-12 Phân tích số liệu thực khung Ethernet II trong khung

3-14 Luồng số Frame Relay thực đăng ký được trên TTLL vệ

3-17 Kết quả phân tích xác định giá trị trong khung 63

3-20 Phân tích, xác định dịch vụ mail (POP3) của tầng ứng

3-23 Phân tích số liệu thực tế chuẩn thoại G.729 trong giao thức

3-24 Mô hình thu, phân tích và xử lý số liệu Internet vệ tinh 74

3-25 Lưu đồ thuật toán phân tích số liệu Internet vệ tinh 75

3-26 Lưu đồ thuật toán xử lý số liệu Internet vệ tinh 76

3-27 Lưu đồ thuật toán xử lý số liệu Internet vệ tinh với dạng

3-28 Giao diện phân tích, xử lý của chương trình ứng dụng 78

4-3 Phân tích số liệu với giao thức truyền ETHERNET 84

4-4 Phân tích số liệu kênh số 11 dạng truyền FrameRelay đa

4-9 Kết quả xử lý số liệu giao thức truyền ETHERNET 87

4-10 Kết quả xử lý số liệu giao thức truyền FrameRelay 87

4-11 Xử lý được dịch vụ email (POP3, SMTP, IMAP, Lotus…) 88

4-12 Xử lý được bản ảnh (*.jpg, *.gif, *.bmp, *.png, …) 88

MỞ ĐẦU

Các hệ thống thông tin vệ tinh được phát triển nhanh chóng trong những thập

kỷ gần đây Qua các hệ thống thông tin vệ tinh, con người có thể thu nhận hoặc trao đổi thông tin với bất kỳ nơi nào trên quả đất Thông tin vệ tinh có khả năng đa dạng dịch vụ, không những các dịch vụ dân sự mà cả dịch vụ phục vụ cho quốc phòng,

an ninh, hàng không, hàng hải, khai thác thăm dò, …

Loại hình truyền thông này tuy mới bắt đầu ứng dụng thực tiễn từ những năm

60, nhưng do có nhiều ưu điểm cho hệ thống viễn thông mà đến nay nó đã có sự phát triển mạnh mẽ về số lượng và chất lượng Đối với các nước phát triển, trung bình một quốc gia có khoảng 50 đến 60 vệ tinh các loại Trong khi đó, tính đến thời điểm hiện tại nước ta đã có 02 vệ tinh địa tĩnh trên quỹ đạo (Vinasat1 - 1320

E, phóng lên quỹ đạo 4/2008, đang được khai thác sử dụng hiệu quả; vệ tinh Vinasat2

- 131.80E được phóng lên quỹ đạo 5/2012)

Ngày nay các hệ thống, các mạng thông tin vệ tinh đang được kết nối với các mạng cố định và di động mặt đất làm cho khả năng truyền thông ngày càng đa dạng, phong phú Một trong các hệ thống vệ tinh nổi bật và nhiều nhất về số lượng

là hệ thống thông tin liên lạc vệ tinh địa tĩnh

Mục tiêu nghiên cứu

Với mong muốn tìm hiểu về lĩnh vực công nghệ mới thông tin liên lạc vệ tinh,

cụ thể là cơ chế, nguyên lý truyền thông trên thông tin liên lạc vệ tinh địa tĩnh, đồng thời có ý tưởng xây dựng một công cụ phân tích giao thức truyền, xử lý các số

liệu Internet trên thông tin liên lạc vệ tinh địa tĩnh Vì thế tôi lựa chọn “Nghiên cứu

cơ chế truyền thông và xây dựng công cụ phân tích, xử lý số liệu Internet trên thông tin liên lạc vệ tinh địa tĩnh” làm đề tài nghiên cứu cho luận văn của mình

Nội dung nghiên cứu

 Về mặt lý thuyết:

- Nghiên cứu tổng quan về thông tin liên lạc vệ tinh và mô hình kênh truyền trên thông tin liên lạc vệ tinh địa tĩnh

- Nghiên cứu các cơ chế đa truy nhập trong hệ thống thông tin

- Nghiên cứu các giao thức truyền thông theo mô hình TCP/IP thường sử dụng trên thông tin liên lạc vệ tinh địa tĩnh

 Về mặt thực hành:

- Nghiên cứu đặc điểm và phân tích số liệu đăng ký được từ thông tin liên lạc

vệ tinh

- Xây dựng công cụ phân tích các giao thức truyền theo mô hình TCP/IP với

các số liệu đăng ký được từ thông tin liên lạc vệ tinh địa tĩnh

- Xây dựng công cụ xử lý ra bản rõ trên số liệu đăng ký được

Bố cục luận văn

Ngoài phần mở đầu giới thiệu về mục tiêu, ý nghĩa, nội dung nghiên cứu và phần kết luận tóm tắt những kết quả chính đạt được cũng như đưa ra nhận xét; bố cục luận văn gồm 3 chương chính:

Chương 1: Tổng quan về thông tin liên lạc vệ tinh địa tĩnh

Chương 2: Đa truy nhập trong hệ thống thông tin liên lạc vệ tinh

Chương 3: Chương trình ứng dụng (Trình bày các giao thức truyền thông

theo mô hình TCP/IP Các kết quả phân tích và xử lý đối với số liệu đăng ký được trên thông tin liên lạc vệ tinh)

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN LIÊN LẠC VỆ TINH ĐỊA TĨNH 1.1 Giới thiệu chung về TTLL vệ tinh địa tĩnh

1.1.1 Đặc điểm thông tin vệ tinh địa tĩnh

Sau khi được phóng vào vũ trụ dùng cho thông tin vệ tinh, vệ tinh sẽ khuyếch đại sóng vô tuyến điện nhận được từ các trạm mặt đất và phát lại sóng vô tuyến điện đến các máy ở trạm mặt đất khác Loại vệ tinh nhân tạo như vậy gọi là

vệ tinh thông tin

Khi quan sát từ mặt đất, sự di chuyển của vệ tinh theo quỹ đạo bay người ta thường phân vệ tinh làm hai loại: Vệ tinh quỹ đạo thấp và vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh

Hình 1-1: Quỹ đạo các vệ tinh

Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh: là vệ tinh được phóng lên quỹ đạo tròn ở độ cao khoảng 36.000km so với đường kính xích đạo Vệ tinh này bay xung quanh trái đất

1 vòng mất 24 giờ Do chu kỳ bay của vệ tinh bằng chu kỳ quay của Trái đất và cùng hướng (hướng Đông), bởi vậy vệ tinh dường như đứng yên khi quan sát từ mặt đất

Nói tới thông tin vệ tinh, chúng ta phải kể đến các ưu điểm nổi bật của nó so với các hệ thống thông tin khác như sau:

+ Có khả năng đa truy nhập

+ Vùng phủ sóng của vệ tinh khá rộng, chỉ cần 3 vệ tinh địa tĩnh thì có thể phủ sóng toàn cầu; dải thông rộng

+ Ổn định cao, chất lượng và khả năng thông tin băng rộng

+ Hệ thống truyền tin vệ tinh có thể phục vụ nhiều dịch vụ khác nhau: Thoại, phi thoại, thăm dò địa chất, định vị toàn cầu, …, phục vụ các mục đích quốc phòng

an ninh

+ Hiệu quả kinh tế cao cho thông tin đường dài, xuyên lục địa Có khả năng quảng bá rộng lớn cho mọi loại địa hình

+ Các thiết bị phát sóng dùng trong hệ thống thông tin vệ tinh chỉ cần công suất bé, còn thiết bị điện tử đặt trên vệ tinh có thể tận dụng năng lượng mặt trời để cung cấp điện cả ngày lẫn đêm

Sóng vô tuyến điện phát đi từ một vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh có thể bao phủ 1/3 toàn bộ bề mặt quả đất Bởi vậy các trạm mặt đất thuộc vùng đó có thể liên lạc với bất kỳ một trạm mặt đất nào thuộc vùng phủ sóng thông qua vệ tinh thông tin Do khả năng phủ sóng rộng lớn nên vệ tinh rất thích hợp cho các phương thức truyền tin đa điểm đến đa điểm, điểm đến đa điểm (cho dịch vụ quảng bá) hay đa điểm đến một điểm trung tâm HUB (cho dịch vụ thu thập số liệu)

Bên cạnh khả năng phủ sóng rộng lớn, băng tần rộng của hệ thống vệ tinh rất thích hợp với các dịch vụ quảng bá hiện tại như truyền hình số phân giải cao HDTV (High Definition Television), phát thanh số hay dịch vụ ISDN thông qua một mạng mặt đất hoặc trực tiếp đến thuê bao DTH (Direct To Home) thông qua trạm VSAT(Very Small Aperture Terminal) Cuối cùng do sử dụng phương tiện truyền dẫn qua giao diện vô tuyến cho nên hệ thống thông tin vệ tinh là rất thích hợp cho khả năng cấu hình lại nếu cần thiết Các công việc triển khai mạng mới, loại bỏ các trạm cũ hoặc thay đổi tuyến đều có thể thực hiện dễ dàng, nhanh chóng với chi phí thực hiện tối thiểu

Kỹ thuật sử dụng một vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất và việc tăng hiệu quả sử dụng của nó tới cực đại gọi là đa truy nhập

Tuy nhiên thông tin vệ tinh có những nhược điểm quan trọng:

- Khoảng cách truyền dẫn xa nên sóng vô tuyến điện bị hấp thụ và suy hao lớn ở tầng điện ly và khí quyển đặc biệt trong mưa, ảnh hưởng của tạp âm lớn

- Giá thành lắp đặt hệ thống, kinh phí ban đầu để phóng một vệ tinh lên quỹ đạo là rất cao, tốn kém nhưng xác suất rủi ro vẫn có thể tồn tại

- Thời gian sử dụng hạn chế, khó bảo dưỡng, sửa chữa và nâng cấp

- Do đường đi của tín hiệu vô tuyến truyền qua vệ tinh địa tĩnh khá dài (hơn 70.000 km) nên từ điểm phát đến điểm nhận sẽ có thời gian trễ đáng kể

Trong thực tế vệ tinh luôn có sự chuyển động tương đối đối với mặt đất, dù

là vệ tinh địa tĩnh nhưng vẫn có một sự dao động nhỏ Điều này buộc trong hệ thống phải có các trạm điều khiển nhằm giữ vệ tinh ở một vị trí nhất định

Thêm nữa do các vệ tinh bay trên quỹ đạo cách rất xa mặt đất với tổng chiều dài từ đường lên và đường xuống là trên 70.000Km thì thời gian truyền trễ là đáng

kể = 1/4 giây mặc dù tốc độ truyền sóng là rất cao 300.000Km/s cho nên việc truyền sóng giữa các trạm phải chịu sự suy hao lớn, bị ảnh hưởng của các yếu tố

thời tiết và phải đi qua nhiều loại môi trường khác nhau

Chi phí phóng vệ tinh là rất cao cho nên nói chung các vệ tinh có khả năng hạn chế Bù lại, các trạm mặt đất phải có khả năng làm việc tương đối mạnh nên các thiết bị phần lớn đều đắt tiền, nhất là chi phí cho anten lớn (Một anten có đường kính 18m giá khoảng 5-7 triệu USD)

Các vệ tinh bay trong không gian cách xa mặt đất, năng lượng chủ yếu dùng cho các động cơ phản lực điều khiển là các loại nhiên liệu lỏng Lượng nhiên liệu

dự trữ này không thể quá lớn vì khả năng của các tên lửa đẩy có hạn và phụ thuộc vào kích thước vệ tinh Nếu vệ tinh đã dùng hết lượng nhiên liệu này thì chúng coi như hết khả năng sử dụng và vì thế tuổi thọ của vệ tinh nói chung thường thấp hơn

so với các thiết bị thông tin mặt đất khác Việc khôi phục vệ tinh hoạt động trở lại hết sức tốn kém và phức tạp nên trên thực tế người ta thường thay thế bằng một vệ tinh hoàn toàn mới

1.1.2 Cấu trúc tổng quát hệ thống truyền tin vệ tinh

Cấu trúc khái quát của một hệ thống vệ tinh gồm:

- Phân đoạn không gian (space segment)

- Phân đoạn mặt đất (ground segment)

Đường hướng từ trạm mặt đất phát đến vệ tinh được gọi là đường lên Đường

vệ tinh đến trạm mặt đất gọi là đường xuống

Hình 1-2: Cấu hình khái quát một hệ thống thông tin vệ tinh

1.1.2.1 Phân đoạn không gian

Phân đoạn không gian của một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm vệ tinh cùng các thiết bị đặt trong vệ tinh và hệ thống các trang thiết bị đặt trên mặt đất để kiểm tra theo dõi và điều khiển hành trình của vệ tinh (cả hệ thống bám, đo đạc và điều khiển) Bản thân vệ tinh bao gồm hai phần: phần tải (payload) và phần thân nền vệ tinh (platform) Phần tải bao gồm hệ thống các anten thu/phát và tất cả các thiết bị điện tử phục vụ cho việc truyền dẫn và xử lý tín hiệu qua vệ tinh Phần thân nền vệ tinh bao gồm các hệ thống phục vụ cho phần tải vệ tinh hoạt động như cấu trúc vỏ, khung vệ tinh, nguồn cung cấp điện, …

Các sóng được truyền từ trạm mặt đất lên vệ tinh được gọi là tuyến lên (uplink) Vệ tinh thu các sóng từ tuyền lên, xử lý, biến đổi tần số, khuếch đại và truyền các sóng vô tuyến đó trở về trạm mặt đất gọi là tuyến xuống (downlink)

Các bộ phát đáp được đặt trong vệ tinh để thu tín hiệu từ tuyến lên, biến đổi tần số, khuếch đại công suất và truyền trở lại tuyến xuống

Vệ tinh trong trường hợp này đóng vai trò một trạm trung chuyển tín hiệu giữa các trạm mặt đất và được xem như là một nút của mạng với hai chức năng chính:

- Khuếch đại các sóng mang thu được từ tuyến lên để sử dụng cho việc truyền lại trên tuyến xuống

- Thay đổi tần số sóng mang (giữa thu và phát) nhằm tránh một phần công suất phát tác động trở lại phía đầu vào đầu thu

Ngoài hai nhiệm vụ chủ yếu trên, thông thường vệ tinh còn có một số chức năng khác tùy thuộc vào tính chất của vệ tinh

Hình 1-3: Sơ đồ khối chức năng của một bộ phát đáp đơn giản

Phần tải của vệ tinh viễn thông được đặc trưng bởi các thông số kỹ thuật sau:

- Dải tần công tác

Bộ dao động nội

Bộ chuyển đổi xuống

Bộ lọc thông thấp

Bộ khuếch đại công suất đèn sóng chạy

Tuyến xuống

Bộ khuếch đại tạp âm thấp

LO

- Số lượng bộ phát đáp

- Độ rộng dải thông qua mỗi bộ phát đáp

- Phân cực sóng của tuyến lên và tuyến xuống

vụ

Hình 1-4: Sơ đồ khối chức năng của một trạm mặt đất đơn giản

1.1.3 Nguyên lý thông tin liên lạc vệ tinh địa tĩnh

Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin vệ tinh có thể được tóm tắt: Tại đầu phát trạm mặt đất, tín hiệu băng tần cơ bản BB (BaseBand) như: tín hiệu thoại, video, telex, fax,… được điều chế lên thành trung tần IF (Intermediate Frequency) sau đó được đổi lên thành cao tần RF (Radio Frequency) nhờ bộ đổi tần tuyến lên U/C (Up Coverter), rồi được bộ khuếch đại công suất HPA (High Power Amplifier) khuếch đại lên mức công suất cao và đưa ra anten phát lên vệ tinh

Tín hiệu cao tần từ trạm mặt đất phát truyền dẫn qua không gian tự do tới anten thu của vệ tinh đi vào bộ khuếch đại, sau đó được đổi tần, khuếch đại công suất rồi phát xuống trạm mặt đất thu qua anten phát

Tại trạm thu mặt đất, sóng phát từ vệ tinh truyền dẫn qua không gian tự do tới anten thu rồi đưa qua bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier), tần số siêu cao RF được biến đổi thành trung tần IF nhờ bộ đổi tần xuống D/C (Down Converter), sau đó đưa sang bộ giải điều chế DEM (Demodulator) để phục hồi lại tín hiệu như lối vào trạm mặt đất

1.1.4 Phân bố tần số cho các hệ thống TTLLVT

Để thực hiện thông tin liên lạc giữa mặt đất và vệ tinh thì trước hết các sóng mang phải có tần số cao hơn tần số giới hạn xuyên qua tầng điện ly Qua kết quả nghiên cứu truyền sóng, thấy rằng: Các sóng thấp dưới 1GHz bị tiêu hao lớn do tầng điện ly, còn các sóng cao hơn 10GHz lại bị tiêu hao lớn do bị hấp thụ của khí quyển, mây, mưa Bởi vậy, chỉ có dải tần số từ 1 tới 10GHz là bị tiêu hao nhỏ nhất

và được coi là dải tần tốt nhất cho thông tin vệ tinh

Việc truyền các tín hiệu sóng vô tuyến trong dải tần này được xem như truyền sóng trong không gian tự do Hiện nay, người ta thường chọn các tần số trong dải tần từ 1 tới 40 GHz để đảm bảo thông tin vệ tinh

Tên gọi băng tần Dải tần (GHz)

Bảng 1: Băng tần công tác của các hệ thống TTVT

Băng C (6/4 GHz; cho đường lên = 6 GHz; đường xuống = 4GHz): Băng tần này có đặc tính là thiết bị tương đối rẻ, tạp âm vũ trụ nhỏ và suy hao tín hiệu trong tầng khí quyển bé Băng tần C trùng với hệ thống Viba dưới mặt đất Nó được sử dụng ở các hệ thống Intelsat, thông tin khu vực và nội địa

Băng Ku [các băng (14/12 và 14/11) GHz]: Băng này được sử dụng tiếp sau băng C cho viễn thông công cộng Được dùng nhiều cho thông tin nội địa và giữa các công ty Do tần số cao cho phép sử dụng các Anten kích thước nhỏ

Băng Ka (30/20 GHz): Vì tần số cao băng tần này cho phép sử dụng các trạm mặt đất nhỏ, sử dụng trong thông tin quốc tế và nội địa Vì suy hao lớn do mưa nên giá thành thiết bị tương đối cao, nhưng nó ít gây nhiễu cho hệ thông Viba số

Sơ đồ bố trí thực hiện truyền thông trên vệ tinh địa tĩnh Sinosat1:

Hình 1-5: Mô hình truyền thông trên vệ tinh địa tĩnh Sinosat1- 110.5 0 E

1.2 Truyền tín hiệu số trên kênh truyền vệ tinh

1.2.1 Kênh truyền thông tin vệ tinh

1.2.1.1 Mô hình kênh truyền

Các hình dưới mô tả kênh truyền từ thiết bị đầu cuối của người sử dụng này

đến thiết bị đầu cuối của người sử dụng khác thông qua vệ tinh (Hình1-6.a)

Đây là trường hợp trạm mặt đất cỡ lớn được kết nối với mạng mặt đất thông qua giao diện trạm/ mạng mặt đất Với các trạm mặt đất cỡ nhỏ loại VSAT, thì kết

nối thông qua giao diện trạm mặt đất/ thiết bị đầu cuối (Hình 1-6.b)

Giữa giao diện trạm mặt đất/mạng hoặc trạm mặt đất/thiết bị đầu cuối và anten phát là thiết bị mặt đất có chức năng cung cấp và xử lý tín hiệu băng gốc, điều chế trung tần (IF) và chuyển đổi thành tần số tuyến (RF) Quá trình ngược lại

sẽ diễn ra ở phía đầu thu

1.2.1.2 Đặc tính kỹ thuật kênh truyền

Các đặc tính của kênh truyền đã được chỉ tiêu hóa trong các khuyến nghị của ITU phù hợp với dạng tín hiệu được truyền trên kênh Chất lượng của tín hiệu cung cấp cho người sử dụng được xác định bởi các tham số:

- Tỷ số C/N = công suất tín hiệu băng gốc/công suất tạp âm băng gốc, trường hợp tín hiệu truyền là tương tự (analog)

- Tỷ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate), trường hợp tín hiệu truyền là số (digital)

- Thời gian truyền tải tín hiệu của tuyến liên lạc ở mô hình bao gồm thời gian truyền trong không gian và thời gian truyền trong mạng mặt đất

1.2.3 Ghép kênh TDM

Ghép kênh TDM là kỹ thuật xử lý số, có thể ứng dụng khi tốc độ truyền dữ liệu trung bình lớn hơn tốc độ truyền dữ liệu yêu cầu bởi thiết bị gửi và nhận Trong trường hợp này, nhiều truyền dẫn phức tạp có thể chiếm lĩnh một liên kết vật

lý bằng cách chia nhỏ chúng và chèn vào các khe khác nhau

Hình 1-8: Phương pháp ghép kênh TDM 1.2.3.1 Ghép kênh TDM đồng bộ

Trong ghép kênh phân thời đồng bộ, thuật ngữ “đồng bộ” ở đây có nghĩa là

bộ ghép kênh phân chia các khe thời gian giống nhau cho mỗi một thiết bị tại tất cả các thời điểm không phân biệt.Tại mỗi thời điểm, thiết bị có khe thời gian tương ứng đã được phân sẽ có cơ hội để gửi một phần dữ liệu của nó Nếu như một thiết

bị không thể thực hiện truyền dẫn hoặc không có dữ liệu để gửi thì khe thời gian

của nó sẽ duy trì trạng thái rỗng

Hình 1-9: Ghép kênh phân thời đồng bộ TDM

1.2.3.3 Kỹ thuật chuyển dịch luân phiên (Interleaving)

TDM đồng bộ có thể so sánh với một cái công tắc chuyển mạch quay cực nhanh Khi mở công tắc ở phía trước của thiết bị, thiết bị đó có cơ hội gửi một số lượng dữ liệu xác định(x bit) trên đường truyền(path) Công tắc chuyển dịch từ thiết bị này đến thiết bị khác với tốc độ không đổi và theo một trật tự xác định Kỹ thuật xử lý này gọi là Interleaving

Interleaving có thể thực hiện theo bit, byte hoặc theo một đơn vị dữ liệu bất

kỳ Trong hệ thống định sẵn, các đơn vị (units) interleaving sẽ luôn có cùng kích thước

Hình 1-10: Interleaving, quá trình dồn kênh

Ở bộ nhận, bộ phân kênh sẽ phân rã từng khung bằng cách rút trích lần lượt các ký tự Khi ký tự được lấy ra khỏi khung nó sẽ được chuyển tới thiết bị nhận tương ứng

Hình 1-11: Interleaving, quá trình tách kênh

Quá trình dồn và tách kênh đã chỉ ra những nhược điểm chính của kỹ thuật TDM đồng bộ là: Khi các đường truyền không hoạt động đồng thời chúng ta

sẽ có những khe thời gian rỗng, vấn đề này gây ra sự lãng phí lớn về tận dụng khả năng của đường truyền Trong hình 1-10, có 3 khung đầu chứa đầy dữ liệu, 3 khung sau có 6 khe rỗng, nghĩa là đã lãng phí 6/24 =1/4 khả năng của đường

truyền

1.2.3.4 Bit đồng bộ khung (Framing bits)

Người ta thường thêm vào đầu mỗi khung một hoặc nhiều bit đồng bộ

Những bit này, được gọi là “framing bit”, từ khung này tới khung khác, mà nó cho

phép bộ phân kênh đồng bộ với dòng dữ liệu đến vì vậy nó có thể phân tách các khe thời gian chính xác Trong phần lớn các trường hợp, thông tin đồng bộ này gồm 1bit/khung, hoán chuyển giữa 0 và 1(01010101010) như chỉ ra ở hình 1-12

Hình 1-12: Khuôn dạng bit đồng bộ

1.2.3.5 Ghép kênh phân thời không đồng bộ

Kỹ thuật TDM đồng bộ không bảo đảm tận dụng hết khả năng của liên kết (link) được sử dụng Ví dụ, giả sử có 20 máy tính ở đầu ra đã được ghép kênh trên một đường truyền đơn ( single line ) Sử dụng TDM đồng bộ, tốc độ của mỗi đường như vậy ít nhất cũng phải bằng 20 lần tốc độ của mỗi một đường vào (input line) Nếu như chỉ có 10 máy tính được sử dụng cùng lúc thì một nửa dung lượng đường truyền không được sử dụng Và TDM không đồng

bộ (TDM thống kê) được thiết kế nhằm tránh sự lãng phí đó Thuật ngữ “không đồng bộ” có nghĩa là linh hoạt và không cố định

Hình 1-13: TDM không đồng bộ

Giống như TDM đồng bộ, TDM không đồng bộ cho phép một số các đường vào (input line) có tốc độ truyền thấp ghép kênh thành một đường có tốc độ truyền cao hơn Khác là, trong kỹ thuật TDM không đồng bộ tốc độ truyền tổng thể của các đường vào có thể lớn hơn khả năng của đường truyền (path) Trong hệ thống

đồng bộ, nếu còn đường vào, số khe thời gian trong khung là cố định và ít nhất bằng n Trong hệ thống không đồng bộ, nếu chúng ta có n đường vào, mỗi khung sẽ chứa không quá m khe, m<n ( Hình 1-13) Như vậy, với liên kết như nhau, TDM không đồng bộ hỗ trợ nhiều thiết bị hơn TDM đồng bộ

Số khe thời gian trong TDM không đồng bộ (m) dựa trên sự phân tích thống

kê số lượng đường vào tham gia truyền dẫn tại thời điểm bất kỳ một cách hợp lý Thay vì việc gán cố định trước các khe cho các đường vào, mỗi một khe sẽ khả dụng để các đường vào có dữ liệu gửi đi gắn vào Bộ ghép kênh quyết các đường vào và chấp nhận các khối dữ liệu cho đến khi khung đầy, sau đó nó truyền các khung qua liên kết Nếu không có đủ dữ liệu để điền đầy các khe của khung, khung vẫn được truyền đi, vì vậy khả năng liên kết đầy có thể không đạt 100% Nhưng có thể phân phối các khe thời gian vào một cách linh hoạt(động), theo cặp với tỷ lệ số khe thời gian/ số đường vào thấp hơn, điều này sẽ giảm đi sự lãng phí về khả năng

của đường truyền rất lớn

1.2.3.6 Ghép kênh đảo (Invert Multiplexing)

Invert Multiplexing nghĩa là ngược lại với ghép kênh, nó nhận dòng dữ liệu

từ một đường truyền có tốc độ cao và chia thành các phần để có thể đồng thời truyền đi trên các đường truyền có tốc độ thấp mà không làm giảm đi tốc truyền tổng thể

Hình 1-14: Ghép kênh và ghép kênh đảo

Xét trường hợp một công ty muốn gửi dữ liệu, âm thanh, video, mỗi loại sẽ yêu cầu tốc độ truyền khác nhau Để gửi âm thanh, nó cần tốc độ truyền là 64Kbps;

Để gửi dữ liệu, nó có thể cần đường truyền có tốc độ 128Kbps; Để gửi video, nó cần đường truyền có tốc độ 1.544Mbps Để đáp ứng tất cả các nhu cầu này, công ty

đó cần phải có một kênh thuê bao riêng có tốc độ 1.544Mbps và họ chỉ đôi khi sử dụng hết khả năng của kênh truyền Xây dựng hệ thống như thế sẽ rất lãng phí Tuy nhiên, công ty có thể sử dụng kỹ thuật kênh truyền đảo bằng cách thuê một vài

kênh có tốc độ truyền thấp hơn Khi truyền âm thanh, dữ liệu và video thì chia nhỏ

ra và truyền qua một hoặc nhiều đường ghép

1.2.4 Mã hóa kênh truyền

1.2.4.1 Tổng quan

Theo định luật Shannon-Harley, dung lượng kênh truyền được xác định bằng biểu thức:

(bit/s) Trong đó:

S là dung lượng của kênh (bit/s)

B là độ rộng dải tần của kênh

C/N là tỷ số tín hiệu/tạp âm tại máy thu

Cũng theo lý thuyết Shannon, nếu tốc độ truyền tin R nhỏ hơn dung lượng

kênh truyền thì các biện pháp mã hóa có thể ứng với xác suất lỗi của tín hiệu thu ở mức nhỏ tùy ý

Mã hóa kênh truyền là một khâu rất quan trọng trong hệ thống thông tin vô tuyến cùng với mã hóa nguồn, ghép kênh, điều chế,… để tạo ra một tín hiệu phù hợp cho việc truyền dẫn vô tuyến và tín hiệu đó có khả năng điều khiển được sự sai bit và sửa các lỗi xảy ra nếu có để có thể khôi phục lại gần như nguyên dạng tín hiệu tin tức mà mình truyền đi

Mục đích mã hoá kênh truyền là làm giảm xác suất sai thông tin khi truyền qua kênh truyền Việc giảm thiểu xác suất sai dựa vào phát hiện sai và sửa sai có

thể dẫn đến giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu (C/N) cần thiết nhờ đó giảm được công suất, tiết kiệm năng lượng Việc sửa sai hữu hiệu cho tín hiệu C/N nhỏ sẽ thuận lợi

cho việc bảo mật, trải phổ và tăng độ chính xác của thông tin nhận

Trong các hệ truyền thông tin vệ tinh, các loại mã hóa kênh được sử dụng phổ biến như là mã hóa xoắn (chập, convulotion), mã khối, mã BCH và mã RS

1.2.4.2 Mã xoắn (Convulotion Code)

Mã xoắn (còn gọi là mã chập), được ký hiệu mã là: (n, k, K) Trong đó, có k phần tử thông tin và (n-k) phần tử kiểm tra, nhưng (n-k) phần tử kiểm tra đó được tạo ra theo một phương pháp hoàn toàn khác K (độ dài bắt buộc của mã) là số các

bit được lưu giữ ở trong thanh ghi dịch chuyển, nó mô tả sự phụ thuộc một bit vào

các bit khác Tỷ số k/n được gọi là tốc độ mã

Tạo mã chập

Các mã chập có thể được tạo ra bởi một thanh ghi dịch chuyển mạch rẽ nhánh và hai hoặc nhiều bộ cộng modulo-2, đầu nối với các tầng cụ thể của thanh

ghi Các bit trong thanh ghi được dịch chuyển do tác động của k bit thông tin ở đầu

vào Mỗi một bit đầu vào tạo ra n bit ở đầu ra và các bit ở đầu ra đó được lấy từ các đầu ra của các bộ cộng modulo-2

Ví dụ: mã chập (2, 1, 7) là bộ mã hóa có độ dài bắt buộc 7 bit và tốc độ 1/2

Sơ đồ tạo mã chập có tốc độ k/n như sau:

Hình 1-15: Sơ đồ tạo mã chập (n,k, K)

Độ phức tạp của bộ mã hóa chỉ phụ thuộc vào chiều dài thanh ghi dịch và tốc

độ mã hóa

Hình dưới mô tả mô hình khối kết nối của một bộ mã chập có độ dài bắt

buộc là 3 (K = 3) Ở đầu vào là một dãy bit 10110, trong đó bit có trọng số lớn nhất

được đưa vào bộ mã hóa trước Khởi đầu, tất cả các giá trị trong bộ mã hóa là 0

Khi bit đầu tiên 1 vào bộ mã hóa thì nội dung của thanh ghi S 1 chuyển về 1; còn nội

dung của thanh ghi S 2 và S 3 vẫn giữ giá trị 0 Kết quả cho ở đầu ra của các bộ cộng

modulo-2, tại V 1 và V 2 có giá trị tương ứng là 1 và 1, và nó là đầu ra được mã hóa

Hình 1-16: Hoạt động của bộ mã hóa chập có tốc độ 1/2 và độ dài bắt buộc là 3

Bit tiếp theo ở đầu vào có giá trị là 0 được đưa đến đầu vào bộ mã hóa và bit

trước đó trong các thanh ghi sẽ được dịch phải, như vậy lúc này trạng thái của S 2 sẽ

là 1; S 1 và S 3 sẽ là 0 Đầu ra của bộ mã hóa lúc này sẽ là 10 Quá trình như vậy cứ

tiếp tục và ứng với dãy bit đầu vào là 10110 sẽ cho chuỗi bit đầu ra là:

Trường GF(2) (Galois Field (2)) là trường nhị phân đồng thời phép cộng là phép cộng modul 2 (kí hiệu là ⊕), còn phép nhân là phép và (AND) Cụ thể:

0 ⊕ 0 = 0 0 ⊕ 1 = 1 1 ⊕ 0 = 0 1 ⊕ 1 = 0

0 0 = 0 0 1 = 0 1 0 = 0 1 1 = 1

Mã tuyến tính C(n, k) có mục đích mã hoá những khối tin (hay thông báo) k

bit thành những từ mã n bit được biểu thị dưới dạng (n, k), trong đó k là số bit thông tin và n là số bit của từ mã Hiệu số của n – k = r là số bit dư hoặc còn gọi là bit kiểm tra Tốc độ mã hoặc hiệu suất mã được xác định bởi tỷ số k/n Các từ mã

tuyến tính có thể được tạo ra bằng cách sử dụng phương pháp biến đổi tuyến tính đoạn tin Một dãy mã c gồm có các vector thành phần [c1, c2, c3, …, cn] được tạo ra

từ một dãy đoạn tin m, gồm các vector thành phần [m1, m2, m3, …, mk] bởi một

phép toán tử tuyến tính có dạng: c = mG

Trong đó G là ma trận sinh

Tất cả các bit mã c đều được tạo ra từ các hỗn hợp tuyến tính của các bit thông tin k Một dạng đặc biệt của mã khối tuyến tính là mã hệ thống (systematic

code) Mã được biểu diễn dưới dạng ma trận trong đó ma trận sinh có dạng:

Ở đây, mã trận gồm có ma trận con nhận dạng I m kích thước [k x k] và ma trận kiểm tra P kích thước [k x r]

Trong thực tế, các từ mã được tạo ra bằng các thanh ghi dịch chuyển và các mạch cộng modulo 2

1.2.4.3.2 Mã TPC (Turbo Product Code)

Tổng quan

Các mã Turbo xuất hiện vào năm 1993 và từ đó đến nay nó là chủ đề cho nhiều nghiên cứu về mã hóa kênh truyền Mã Turbo được ứng dụng rất hiệu quả trong các hệ thống thông tin di động, thông tin vệ tinh và thông tin vũ trụ Các mã Turbo có hiệu năng tốt hơn nhiều so với các loại mã sửa lỗi khác

Mã Turbo được tạo ra bằng cách kết nối gồm hai hay nhiều bộ mã riêng biệt

để tạo ra một mã tốt hơn và cũng lớn hơn Mô hình ghép nối mã đầu tiên được Forney nghiên cứu để tạo ra một loại mã có xác suất lỗi giảm theo hàm mũ với tốc

độ nhỏ hơn dung lượng kênh trong khi độ phức tạp giải mã chỉ tăng theo hàm đại

số Mô hình này gồm sự kết hợp nối tiếp một bộ mã trong và một bộ mã ngoài

Sự kết nối mã

Có hai kiểu kết nối cơ bản là kết nối nối tiếp (Hình 1-17) và kết nối song song (Hình 1-18)

Hình 1-17: Mã kết nối nối tiếp

Bộ mã hoá 1 được gọi là bộ mã ngoài, còn bộ mã hoá 2 là bộ mã trong Đối với mã kết nối nối tiếp, tốc độ mã hoá: Rnt=k1k2/n1n2

Đối với mã song song, tốc độ mã hoá tổng: Rss=k/( n1+ n2)

Hình 1-18: Mã kết nối song song

Trên chỉ là các mô hình kết nối lý thuyết Thực tế các mô hình này cần phải

sử dụng thêm các bộ chèn giữa các bộ mã hoá nhằm cải tiến khả năng sửa sai

Từ mối quan hệ giữa các lỗi được sửa và khoảng cách tối thiểu, nhận thấy

rằng mã RS có khả năng sửa đến ( n – k ) ký tự trong từ mã

Mã RS (255, 223) là một loại mã được sử dụng khá phổ biến trong hệ truyền tin của hệ thống thông tin vệ tinh Với loại mã này, mỗi từ mã có 223 byte dữ liệu

và 32 byte được sử dụng cho kiểm tra lỗi Và do đó, mã này có khả năng sửa đến

16 byte lỗi ở dữ liệu thu nếu có lỗi

Hình 1-19: Mô tả cấu trúc mã Reed-Solomon

Ký tự thu có thể bị lỗi bit đơn hoặc cũng có thể trong trường hợp xấu nhất, tất cả các bit trong ký tự bị lỗi Bất kể trường hợp nào, mã RS có khả năng sửa lỗi theo ký tự Ví dụ với mã RS(255, 223) thì tối thiểu là 16 bit và tối đa là 128(16 x 8) bit có thể được sửa lỗi trong từ mã bị lỗi Điều này nói lên rằng mã sửa lỗi RS là

mã được sử dụng để sửa lỗi mã cụm Các từ mã RS được rút ngắn bằng cách cộng thêm một dãy các số 0 trước khi mã hóa, sau đó loại bỏ chúng trước khi truyền và

sẽ được cài lại phía thu cũng thường được sử dụng Ví dụ mã rút ngắn RS(204, 188) được tạo từ mã RS(255, 239) do việc cộng thêm 51 byte số 0 vào dữ liệu trước khi truyền và sẽ được cài lại tại phía thu Như vậy sẽ giảm được số bit phải truyền

mà vẫn đảm bảo được các tính chất sửa lỗi của mã

1.2.5 Điều chế số

1.2.5.1 Tổng quan

Điều chế số là quá trình biến đổi một sóng mang tương tự theo một chuổi bit

có chiều dài cố định hoặc thay đổi Tín hiệu bị điều chế là tín hiệu số còn tín hiệu sóng mang vẫn là tín hiệu tương tự Nguyên lý chung về điều chế số trong các kênh truyền tin thông tin vệ tinh cũng hoàn toàn giống như lý thuyết về radio số

Sơ đồ khối nguyên lý một bộ điều chế số M mức, gồm các khối:

- Bộ tạo tín hiệu (symbol)

- Bộ mã hóa

- Bộ tạo tín hiệu sóng mang tần số vô tuyến

kiểm tra

n byte

k byte

Hình 1-20: Sơ đồ khối nguyên lý bộ điều chế số

Trong sơ đồ trên, bộ tạo ra các ký hiệu với M trạng thái, trong đó M = 2 n, từ

m bit liên tiếp nhau (được nhóm lại thành một nhóm) đưa vào đầu vào Bộ mã hóa

thiết lập một sự tương đồng giữa M trạng thái của các ký hiệu đó với M trạng thái

của sóng mang được truyền Trong thực tế thường gặp hai dạng mã hóa sau:

- Mã hóa trực tiếp, tức là một trạng thái của ký hiệu xác định một trạng thái của sóng mang

- Mã hóa chuyển tiếp, tức là một trạng thái của ký hiệu xác định một sự chuyển tiếp giữa hai trạng thái liên tiếp nhau của sóng mang

Trong hệ thống thông tin vệ tinh, kỹ thuật điều chế khóa dịch pha PSK được

sử dụng phổ biến nhất bởi vì nó có ưu điểm là đường bao sóng mang là hằng số và

so với kỹ thuật điều chế khóa dịch tần thì PSK có hiệu suất phổ tốt hơn (tức tính số bit/s được truyền qua một đơn vị độ rộng dải tần vô tuyến)

Ta có sơ đồ điều chế PSK như sau:

Hình 1-21: Sơ đồ khối bộ điều chế PSK Nguyên lý: Tín hiệu số PSK làm thay đổi góc pha ban đầu của sóng mang

Các bộ điều chế PSK thường gặp là:

 Loại điều chế 2 mức (M = 2): BPSK

 Loại điều chế 4 mức (M = 4): QPSK

 Loại điều chế 8 mức (M = 8): 8-PSK

 Loại điều chế biên độ cầu phương, QAM

1.2.5.2 Điều chế pha hai mức (BPSK)

Trong BPSK, ứng với tín hiệu vào là các điện thế biểu diễn các logic 1, 0 ta

có tín hiệu ra là các sóng mang hình sin có pha lệch nhau 180° Giả sử logic 1 được đặc trưng bởi điện thế +Vdc và logic 0 bởi -Vdc bộ phận chính của mạch điều chế

gồm một mạch nhân và một mạch dao động tạo sóng mang cosωct Tín hiệu logic, sóng mang được đưa vào mạch nhân và ta được tín hiệu +cosωct hoặc -cosωct ở ngã ra của mạch này Hình 1-22.b,c là sơ đồ khối mạch điều chế và giải điều chế BPSK

Hình 1-22.a: Đồ thị chòm

sao biểu diễn tín hiệu

BPSK

(b) Điều chế BPSK (Hình 1-22) (c) Giải điều chế BPSK

Hình 1-23: Điều chế, giải điều chế

BPSK với tín hiệu thực

1.2.5.3 Điều chế pha bốn mức (QPSK)

QPSK là một dạng điều chế góc, số và có biên độ không đổi QPSK là một

kỹ thuật mã hóa có mức M = 4 Ở QPSK thì sóng mang đơn ở đầu ra có bốn khả

năng về góc pha Do đó nó cần bốn trạng thái khác nhau ở đầu vào

Để có bốn trạng thái: 00, 01, 10 và 11thì cần 2 bit Như vậy, dữ liệu nhị phân đầu vào là các nhóm hai bit được hỗn hợp (gọi là bit kép) Mỗi một bit kép sẽ tương ứng với một trong bốn khả năng pha ở đầu ra Vì thế mà tốc độ chuyển đổi ở đầu ra (tốc độ baud) sẽ bằng một nữa tốc độ bit ở đầu vào

Bộ phát QPSK

Cứ hai bit một (một bit kép) được nhập và đưa vào bộ chia bit, hai bit đưa vào nối tiếp đã được đưa ra song song đồng thời, một bit đưa vào kênh I còn bit kia đưa vào kênh Q Bit kênh I điều chế với sóng mang và đồng pha với sóng mang của

bộ tạo sóng Bit kênh Q điều chế với sóng mang có lệnh pha 900

Nhận thấy rằng, mỗi một khi có một bit kép được tách ra và đưa vào kênh I và kênh Q, thì bài toán

xử lý sẽ giống như ở bộ điều chế BPSK

Với logic 1= +1V và với logic 0 = -1V thì hai pha đầu ra của bộ điều chế cân bằng I sẽ là: ( và ) và hai pha đầu ra của bộ điều chế cân bằng Q

sẽ là: ( và ) Hỗn hợp của hai tín hiệu cầu phương lệnh pha nhau

900 đó sẽ có bốn khả năng của pha là: , ,

là các bit dữ liệu Các bit dữ liệu I, Q đó được đưa qua mạch I/Q để chuyển đổi song song thành dãy dữ liệu nối tiếp ở đầu ra đúng như dãy dữ liệu ở phía phát

Hình 1-24.b: Sơ đồ khối chức năng bộ thu QPSK

Hình 1-25: Điều chế, giải điều chế

QPSK với tín hiệu thực

1.2.5.4 Điều chế pha 8 mức (8-PSK)

8-PSK là một dạng điều chế có mức M = 8 nên có 8 khả năng pha ở đầu ra

Do đó, 1 trong 8 pha tùy thuộc trạng thái của tổ hợp 3 bit đầu vào (tribits)

Bộ phát 8-PSK

Hình 1-26.a: Sơ đồ khối của mạch điều chế 8-PSK

Mạch chia bit chia tổ hợp 3 bit theo 3 kênh khác nhau Các bit a và b theo kênh I và Q xác định cực tính của tín hiệu ra ở mạch biến đổi từ 2 ra 4 mức, trong khi bit c xác định biên độ của điện thế dc Có 2 biên độ được dùng là 0,34V và 0,821V Khi a và b là bit 1 ngã ra mạch biến đổi có trị dương, ngược lại khi a và b

là bit 0 Biên độ của tín hiệu ra từ mạch biến đổi luôn luôn khác nhau, bất cứ khi nào một mạch nhận tín hiệu c để cho ra tín hiệu có biên độ là 0,821 (0,34) thì mạch kia nhận tín hiệu đảo lại và cho ra tín hiệu có biên độ là 0,34 (0,821) Vì 3 bit abc độc lập với nhau nên ± 0,821 và ± 0,344 luôn luôn là 4 giá trị có thể có ở ngã ra các mạch biến đổi

Ở kênh I mạch điều chế trên sóng mang ban đầu (không làm lệch pha) nên

4 giá trị ngã ra là ± 0,821cosωct và ± 0,34 cosωct trong khi ở ngã ra Q đó là các giá trị ± 0,821sinωct và ± 0,34sinωct Mạch tổng sẽ tổng hợp tín hiệu ra của 2 kênh

để cho ra một tín hiệu duy nhất Tùy theo các tín hiệu vào các tín hiệu ra sẽ có các

pha khác nhau (Hình 1-26.b) Trong hình này góc A xác định bởi:

Như vậy các tín hiệu điều chế của các tribit có pha khác nhau từng 45°, 3 bit ứng với một pha của tín hiệu ra nên vận tốc baud bằng 1/3 vận tốc bit Sơ đồ phân

bố tín hiệu của dạng điều chế 8-PSK, M = 8 như sau:

Tín hiệu vào 8-PSK qua bộ lọc dải thông, đến bộ chia công suất theo kênh I

và Q, sau đó đến bộ tách sóng tích trên kênh I, kênh Q và mạch hồi phục sóng mang Nhiệm vụ của mạch hồi phục sóng mang là tái tạo lại sóng mang như ở phía phát Tín hiệu 8-PSK được trộn với sóng mang hồi phục trong bộ tách sóng tích kênh I với sóng mang cầu phương (lệch 900) trong bộ tách sóng tích kênh Q Đầu ra của các bộ tách sóng tích là tín hiệu PAM bốn mức Bộ chuyển đổi A/D chuyển đổi

4 mức tương tự thành 2 mức số Đầu ra của bộ chuyển đổi A/D của kênh I là các bit

I và C Đầu ra của bộ chuyển đổi A/D của kênh Q là các bit Q và C Mạch logic Q/I/C chuyển đổi các cặp I/C và Q/C thành các bit nối tiếp I, Q và C ở đầu ra của dãy dữ liệu thu

Hình 1-26.c: Bộ thu tín hiệu 8-PSK

Hình 1-27: Điều chế, giải điều chế

8-PSK với tín hiệu thực

1.2.5.5 Điều chế biên độ cầu phương, QAM 16

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

2Bảng sau là trạng thái các tín hiệu băng gốc và tín hiệu tổng E(t) của chúng:

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

ASK

900

~ ASK

(Xicos t + Xqsin t) cos t = Xi 1 t Xq t Xi

2

1

1 2

(Xicos t + Xqsin t) cos t = Xq t Xi t X

q

1 2

1

1 2

Các thành phần bậc cao đã bị loại bỏ bởi bộ lọc

Hình 1-29: Giản đồ pha, điều chế (giải điều chế) QAM16 với tín hiệu thực

Chương 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

bộ, thiết bị sử dụng khả đơn giản Hình 2-1: Đa truy nhập FDMA

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