Bài giảng Điện tử thông tin Chương 7

Hình 7.3: Hệ thống điện thoại có các đầu cuối từ xa Đối với các cuộc gọi đường dài, CO cục bộ chuyển mạch cuộc gọi tới các đường trung kế nối CO cục bộ với các CO ở xa.. Các tổng đài chu

CHƯƠNG 7: CÁC HỆ THỐNG VIỄN THÔNG

(5 tiết)

PHẦN 1: LÝ THUYẾT (4 tiết)

7.1 Hệ thống điện thoại công cộng (PSTN)

7.1.1 Nguyên lý hoạt động

Một sơ đồ khối đơn giản hóa của một hệ thống vòng cục bộ (còn được gọi là mạng dịch vụ điện thoại cổ điển đơn giản) được mô tả như sau

Hình 7.1: Hệ thống điện thoại cục bộ đã đơn giản hóa

Trạm chuyển mạch cục bo (CO) nối hai bên hội thoại bằng cách tạo một kết nối cứng giữa hao vòng cục bộ thích hợp Về cơ bản đây là một kết nối nối tiếp ống nghe và ống nói than của mỗi máy điện thoại với một acquy đặt tại trạm

Chuỗi sự kiện xảy ra khi thiết lập một cuộc gọi cục bộ như sau:

Bên gọi nhấc máy điện thoại lên, hành động này đóng tiếp điểm chuyển mạch để cho dòng điện DC chạy qua đường dây điện thoại của người gọi Bên gọi có thể quay số bằng cách quay số xung hoặc ấn nút Nếu quay số xung, dòng điện đường dây DC bị ngắt một số lần bằng số được quay (với tốc độ 10 xung/s) Khi nhận được dãy số hoàn chỉnh của bên gọi, CO đặt bộ tạo chuông (90V, 20Hz, bật 2s, tắt 4s) vào đường dây tương ứng với số được quay Kết quả làm rung chuông máy điện thoại được gọi Khi bên được gọi trả lời, dòng điện DC chạy vào đường dây báo hiệu cho CO biết để ngắt

bộ tạo chuông và nối với nhau qua chuyển mạch CO Dòng điện DC bây giờ chạy qua các đường dây của cả hai bên gọi và được gọi, như vậy có một kết nối giữa hai bên Khi một người nói, các dao động âm làm cho điện trở của phần microphone than thay đổi đồng bộ với các dao động để cho dòng điện DC được điều chế Biến đổi này tạo ra tín hiệu âm thanh AC và được nối với ống nghe của bên kia Đây là hoạt động toàn song công, cả hai bên có thế nói và nghe đồng thời

Việc cung cấp cho mỗi thuê bao một đôi dây riêng trên tất cả các đường tới CO là rất tốn kém Trong các ứng dụng mà ở đó một số lượng lớn thuê bao tập trung cách CO một khoảng cách nào đó thì giá thành của hệ thống có thể giảm đi đáng kể bằng cách

sử dụng các thiết bị đầu cuối từ xa (RT – Remote Terminal) Các RT cho phép đặt các máy điện thoại các CO một khoảng cách bất kì

Hình 7.2: Sơ đồ khối hệ thống điện thoại có các đầu cuối từ xa

Thiết bị đẩu cuối từ xa RT cung cấp điện áp acquy và dòng điện rung chuông cho máy điện thoại của thuê bao Đường hai dây mang các tín hiệu VF song công đến và đi khỏi thuê bao được chuyển sang một đường bốn dây mang hai đường đơn (đơn công) phát

và thu các tín hiệu bằng một mạch lai (hybrid) Mạch lai là một biến áp cân bằng (hay

một mạch điện tử tương đương) để tạo nên sự cách ly giữa tín hiệu phát và thu Do đó hiện tượng tự dao động sẽ không xảy ra khi tín hiệu phát được khuếch đại hồi tiếp qua đường dây thu Tín hiệu thoại VF phát được chuyển sang một tín hiệu PCM DS-0 và

nó được ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) với các tín hiệu PCM đến từ các thuê bao khác nối vào RT Tín hiệu TDM được gửi đi trên một đường trung kế DS-1 tới CO Tương tự, tín hiệu DS-1 thu được từ CO được phân kênh và giải mã để có âm thanh VF cho thuê bao

Hình 7.3: Hệ thống điện thoại có các đầu cuối từ xa

Đối với các cuộc gọi đường dài, CO cục bộ chuyển mạch cuộc gọi tới các đường trung

kế nối CO cục bộ với các CO ở xa Các đường trung kế này thường mang tín hiệu TDM hoặc FDM, nhưng TDM thường được sử dụng hơn Các bộ lặp một chiều được

sử dụng trên các đường trung kế đường dài Trong các hệ thống điện thoại hiện nay, người ta thay thế các chuyển mạch tương tự tại các CO bằng các chuyển mạch số

7.1.2 Mạng PSTN hiện tại ở Việt Nam

a Tổng quan về cấu trúc phân cấp mạng lưới viễn thông theo ITU

Độ phức tạp của một mạng viễn thông phụ thuộc vào lưu lượng thông tin cần chuyển tải, số lượng các node chuyển mạch và số lượng các liên kết truyền dẫn Do đó quy mô của một mạng có thể từ rất đơn giản đến cực kỳ phức tạp Theo ITU (International Telecommunication Union) mạng viễn thông cơ bản có thể được phân tích thành mạng nội hạt và mạng đường trục

Hình 7.4: Cấu trúc phân cấp theo ITU

Mạng đường trục

Mạng đường trục gồm các tuyến truyền dẫn đường trục và các tổng đài chuyển tiếp Các tổng đài chuyển tiếp đóng vai trò như một cổng vào ra để các tổng đài nội hạt qua

nó tham gia vào mạng truyền dẫn đường trục Tổng đài chuyển tiếp thực hiện đo các cuộc gọi đường dài và quản lý cước đường dài đối với các tổng đài nội hạt trực thuộc

Để thực hiện tính cước người ta chia đất nước theo các vùng hành chính, cước phí tiêu chuẩn được đặt theo khoảng cách giữa các vùng cước

Mạng đường trục được phân cấp theo từ 2 đến 4 tầng chuyển mạch tuỳ theo độ

lớn của vùng và lượng tải Mỗi tầng trung tâm chuyển mạch được đặt tại 1 vùng

quản trị của nó

Các tổng đài ở cấp đường trục được nối với nhau theo hình lưới để đảm bảo an

toàn khi xảy ra sự cố

Mạng nội hạt

Mạng nội hạt bao gồm các tổng đài nội hạt, các bộ tập trung lưu lượng, và các đường dây thuê bao, tuyến truyền dẫn trung kế kết nối các tổng đài nội hạt Phần kết nối từ đường dây thuê bao đến tổng đài nội hạt được gọi là mạng truy nhập

Các cuộc gọi nội hạt sẽ được kết nối qua một hay nhiều tổng đài nội hạt, các cuộc gọi đường dài được kết nối thông qua tổng đài nội hạt lên các tổng đài chuyển tiếp (transit) của mạng đường dài

b Cấu trúc mạng viễn thông hiện tại của Việt Nam (VNPT)

Cấu trúc mạng lưới viễn thông PSTN hiện tại của Việt Nam được chia làm 3 cấp:

- Cấp quốc tế bao gồm các trạm vệ tinh mặt đất và tổng đài chuyển mạch đi quốc tế

- Cấp quốc gia (liên tỉnh) bao gồm các tuyến truyền dẫn đường trục, các tổng đài chuyển tiếp (transit) quốc gia

- Cấp nội tỉnh bao gồm các tuyến truyền dẫn nội tỉnh, các tổng đài Host, các tổng đài

vệ tinh và tổng đài transit nội tỉnh (tandem)

Cấp quốc tế

Bao gồm 8 trạm mặt đất thông tin vệ tinh của hệ thống Intelsat, Intersputnik và

3 tổng đài Gateway AXE-105 chuyển mạch đi quốc tế tại Hà Nội, Đà Nẵng, TP.Hồ Chí Minh

Mạng chuyển mạch cấp quốc tế gồm 3 trung tâm chuyển mạch tương ứng cho

3 vùng lưu lượng miền Bắc, miền Nam, miền Trung Các nút chuyển mạch quốc tế được nối với nhau theo hình lưới để đảm bao tính an toàn khi xảy ra sự cố

Mạng truyền dẫn cấp quốc tế gồm có: tuyến cáp quang biển TVH (Thái Lan -Việt Nam - Hồng Kông), đường cáp quang nối 6 nước khu vực Đông Nam Á: Trung Quốc - Việt Nam - Lào - Thái lan - Malaysia - Singapore và tuyến cáp quang biển SE-ME-WE3 nối từ châu Âu sang châu Á

Cấp quốc gia (liên tỉnh)

Mạng truyền dẫn liên tỉnh gồm tuyến truyền dẫn đường trục Bắc Nam sử dụng mạng Ring cáp quang tốc độ 20Gbps và viba số 140Mbps, 622 Mbps, mạng truyền dẫn cáp quang liên tỉnh phía Đông Bắc, Tây Bắc, Tây Nam, Đông Nam Mạng chuyển mạch liên tỉnh được tổ chức gồm 3 trung tâm chuyển mạch: vùng mạng miền Bắc, vùng mạng miền Nam, vùng mạng miền Trung Ba trung tâm này được nối với nhau và nối với các nút chuyển mạch quốc tế theo hình lưới

Trung tâm chuyển mạch liên tỉnh phía Bắc tại Hà Nội gồm tổng đài chuyển mạch TDM, AXE-10 thực hiện nhiệm vụ xử lý các cuộc gọi liên tỉnh từ các tổng đài Host của các tỉnh và thành phố sau đây: Hà Nội, Hải Phòng, Quảng Ninh, Hải Dương, Hưng Yên, Thái Bình, Hà Tây, Hoà Bình, Sơn La, Lai Châu, Hà Giang, Tuyên Quang, Thái Nguyên, Bắc Cạn, Lào Cai, Yên Bái, Vĩnh Phúc, Phú Thọ, Bắc Ninh, Bắc Giang, Lạng Sơn, Cao Bằng, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Thanh Hoá, Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị, Huế Trung tâm chuyển mạch liên tỉnh phía Nam tại TP.Hồ Chí Minh gồm các tổng đài TDX-10, và AXE- 10 xử lý các cuộc gọi liên tỉnh từ các tổng đài Host của các tỉnh/thành phố sau đây: TP Hồ Chí Minh, Đồng Nai, Sóc Trăng, Trà Vinh, Bạc Liêu, Cà Mau, Bến Tre, Tiền Giang, Bình Dương, An Giang, Cần Thơ, Kiên Giang,, Bình Phước, Đồng Tháp, Long An, Vĩnh Long, Tây Ninh, Vũng Tàu, Lâm Đồng, Khánh Hoà, Bình Thuận, Ninh Thuận, Gia Lai, Kom Tum, Đắc Lắc Trung tâm chuyển mạch liên tỉnh miền Trung tại Đà Nẵng là tổng đài chuyển mạch AXE-10 xử lý các cuộc gọi liên tỉnh từ các tổng đài Host của các tỉnh/thành phố sau đây: Đà Nẵng, Quảng Nam, Ninh Thuận, Bình Thuận, Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế, Quảng Ngãi, Bình Định, Phú Yên, Khánh Hoà, Kom Tum, Gia Lai Đắc Lắc

Cấp nội tỉnh

Từ trung tâm tỉnh đến trung tâm huyện của các tỉnh, thành phố đã được số hoá hoàn toàn cả về truyền dẫn lẫn chuyển mạch

Các tổng đài chuyển mạch nội tỉnh (Host) gồm rất nhiều chủng loại khác nhau do nhiều hãng viễn thông cung cấp như Alcatel, NEC, Siemens, Kerea, Bosch,…

Các tổng đài nội tỉnh được nối với nhau bằng các mạch vòng quang và được

kết nối trực tiếp với tổng đài transit quốc gia

Ở các tỉnh, đặc biệt vùng miền núi, các tổng đài cấp huyện thường là các tổng đài độc lập, các tổng đài cấp huyện không được nối trực tiếp với tổng đài chuyển tiếp (transit) quốc gia, mà nó nối tới các tổng đài chuyển mạch nội tỉnh, các tổng đài nội tỉnh này mới được kết nối lên tổng đài chuyển tiếp (transit) quốc gia

Mạng truyền dẫn nội tỉnh được truyền dẫn bằng cáp quang và viba có dung lượng từ 2Mbps đến 34Mbps, thực hiện kế hoạch cáp quang hoá thông tin nội hạt tại nhiều tỉnh

và thành phố trong cả nước

Hình 7.5: Cấu trúc mạng PSTN của Việt Nam

7.2 Hệ thống thông tin vệ tinh

7.2.1 Tổng quan

Thông tin vệ tinh : là truyền tín hiệu từ nơi này đến nơi khác thông qua một trạm trung gian gọi là vệ tinh

Thông tin vệ tinh được ứng dụng rộng rãi : thông thoại, truyền số liệu, truyền hình, thông tin di động…

Đặc điểm của Thông tin vệ tinh :

+ Có khả năng đa truy nhập

+ Vùng phủ sóng rộng

+ Ổn định cao, có khả năng cao về thông tin băng rộng

+ Có thể ứng dụng trong thông tin di động

+ Hiệu quả kinh tế cao trong thông tin cự ly lớn , xuyên lục địa

+ Tuy nhiên , thời gian trễ lớn gây cảm giác chậm pha , tiếng dội

Tần số làm việc của vệ tinh được chọn sao cho các suy hao phải đạt cực tiểu (vùng

“cửa sổ tần số” nằm trong khoảng 1 đến 10 GHz ) :

+ Suy hao không gian tự do

+ Hấp thụ của không khí

+ Suy hao qua tầng điện ly

+ Suy hao do mưa

 Do đó hiện nay, tại Việt Nam và các nước đang phát triển , người ta chủ yếu sử dụng băng C vùng tần số 6 GHz và 4 GHz cho phát và thu Với các tần số phát và thu sau đây:

- Đường lên (phát mặt đất – vệ tinh ) : ft = 5.925 đến 6.425 GHz

- Đường xuống ( vệ tinh – mặt đất ) : fR = 3.70 đến 4.20 GHz

- Băng thông cho mỗi chiều là : B = 500 MHz

 Do tần số thu phát cách nhau nên cho phép tách sóng thu và phát có mức công suất hoàn toàn khác nhau trên một anten

Ngoài ra người ta còn sử dụng các băng khác với các cặp tần số sau :

- Băng Ku : 14 GHz / 11GHz , băng thông 500MHz

- Băng Ka : 30 GHz / 20 GHz , băng thông 3500 MHz

Tuy nhiên suy hao sóng rất lớn trong dải này

7.2.2 Các dạng quỹ đạo của vệ tinh và các yếu tố đặc trưng của chúng

Hình 7.6

Hệ thống vệ tinh gồm hai loại :

+ Vệ tinh quỹ đạo thấp : chuyển động khác chu kỳ quay của trái đất

+ Vệ tinh địa tĩnh:

1>Vệ tinh địa tĩnh bao gồm một hệ thống nhiều vệ tinh ( tối thiểu là 3 vệ tinh ở một quỹ đạo nhất định ) làm nhiệm vụ truyền thông tin trên toàn trái đất Mỗi vệ tinh được

"treo " ở một độ cao nhất định đối với trái đất, để lực ly tâm bằng lực hướng tâm và



bay theo quỹ đạo của mình cùng với vận tốc góc với trái đất quay xung quanh trục của nó.Vì nó được “treo” cố định nên các antenna từ trái đất không phải điều chỉnh hướng theo nó khi trái đất xoay xung quanh trục của nó

2> Quỹ đạo vệ tinh phải thỏa các điều kiện của định luật Kepler :

+Quỹ đạo vệ tinh phải nằm ở mức xích đạo để vệ tinh không di chuyển lệch hướng + Quỹ đạo vệ tinh phải tròn để tốc độ vệ tinh không thay đổi

+Bán kính quỹ đạo vệ tinh phải đạt 42000 km (tính từ tâm trái đất)

Vậy chu kỳ quay của vệ tinh có thời gian bằng với trái đất tức là 23 giờ 56 phút Đặt

vệ tinh quay cùng một kinh tuyến với nơi mà nó phủ sóng thì khoảng cách thu là ngắn nhất nên tiêu hao qua không gian tự do của sóng điện từ thấp nhất

Vì vậy nếu ở bắc bán cầu thì antenna thu hướng về phía nam,ở nam bán cầu thì hướng ngược lại ,còn ở xích đạo thì hướng thẳng đứng

3> Một vệ tinh có antenna phát tia sóng rộng có thể phủ 1/3 trát đất nhưng thực tế nó

có tia phủ sóng hẹp để tăng mức tín hiệu

4> Đối với Việt Nam thì anten thu phải hơi hướng về phía nam và xác định đúng điểm

có tín hiệu trên trục nam -bắc ,sau đó quay theo hướng đông tây để thu một vệ tinh cụ thể

Có rất nhiều vệ tinh trên quỹ đạo, anten chỉ thu được một số vệ tinh nào đó lọt vào trong "khoảng thấy" của nó

7.2.3 Cấu trúc một hệ thống thông tinh vệ tinh

Vệ tinh gồm có các phần sau : anten, các bộ repeater, điều khiển và đo lường từ xa, nguồn cho vệ tinh

a) Repeater :

Một vệ tinh gồm nhiều bộ repeater giống nhau được phân bố trên dải băng thông 500MHz Mỗi repeater khuếch đại mức tín hiệu khoảng 100 dB và chuyển từ tần số sóng mang chiều lên sang tần số sóng mang chiều xuống

Hình 7.7

b) Điều khiển và đo từ xa :

+ Điều khiển độ lợi repeater

+ Chỉnh hướng tính anten, quỹ đạo vệ tinh

Trạm mặt đất

1 Chọn vị trí trạm mặt đất :

a Tầm nhìn vệ tinh rõ cả hai chân trời

b Tránh nhiễu loại sóng vi ba mặt đất

c Tránh vùng có cuờng độ dòng điện lớn…

2 Cấu hình cơ bản của trạm mặt đất :

anten

Khuếch đại LNA

Dao động nội

Khuếch đại công suất cao

anten

SSB

Gồm các phần sau: phần thông tin, phần nghiệp vụ, phần nguồn, phần nhà trạm Phần thông tin gồm:

a Anten

b Khuếch đại nhiễu thấp LNA

c Khuếch đại công suất cao

d Các bộ biến đổi tần số phát thu

e Bộ điều chế và giải điều chế

f Thiết bị sóng mang đầu cuối

g Thiết bị điều khiển giám sát

Hình 7.8

Máy phát công suất cao: Do cực ly lớn nên máy phát có công suất càng cao càng tốt

khoảng vài trăm W đến vài chục KW

Linh kiện sử dụng :

+ Đèn sóng chạy TWT

+ Klystron

+ FET

Hai dạng cấu hình của máy phát công cao:

+ Khuếch đại đồng thời nhiều sóng mang (băng rộng)

+ Khuếch đại nhiều sóng mang

Khuếch đại nhiễu thấp

Do tín hiệu thu được từ vệ tinh rất nhỏ nên cần khuếch đại lên mức đủ lớn để giải khuếch đại, đảm bảo chất lượng tín hiệu

Tạp âm sinh ra trong máy thu thường biểu thị :

F = (S/N đầu vào bộ khuếch đại) / (S/N đầu ra bộ khuếch đại)

Trong thông tin vệ tinh người ta sử dụng nhiệt tạp âm thay cho hệ số tạp âm F Công suất tạp âm của một điện trở là:

Pn = kTB với k = 1,38 10 –23 J/0K ; T = 273 + 0C ; B = băng thông

LNA Bộ đổi tần

xuống

Bộ khuếch đại IF

Bộ gải điều chế

Thiết bị đa truy nhập

HPA Bộ đổi tần

lên

Bộ khuếch đại IF

Bộ điều chế

Dao động nội

Dao động nội

Hệ thống feeder anten

7.2.4 Truyền dẫn tín hiệu truyền hình qua vệ tinh

Các tín hiệu TV chất lượng quảng bá được chuyển tiếp qua vệ tinh nhờ các bộ phát đáp đơn (dải thông 36MHz), mỗi bộ phát đáp sử dụng cho một tín hiệu TV Quá trình được thực hiện bằng cách điều chế tín hiệu hỗn hợp dải thông 4.5MHz, 5.5MHz, 6.5MHz vào một sóng mang FM – 6GHz Tín hiệu hình hỗn hợp gồm có tín hiệu video

đen trắng, các tín hiệu sóng mang phụ về màu và tín hiệu đồng bộ Tín hiệu âm thanh cũng được chuyển tiếp qua cùng bộ phát đáp bằng cách điều tần nó vào một sóng mang phụ 6.8GHz được ghép kênh phân chia theo tần số với tín hiệu video tổng tợp Tín hiệu băng rộng thu được sẽ điều chế tần số máy phát

Hình 7.9

Độ lệch đỉnh của tín hiệu video hỗn hợp là 10.5MHz còn độ lệch đỉnh của sóng mang phụ là 2MHz, độ lệch đỉnh toàn bộ là f = 12.5MHz Dải thông băng cơ sở xấp xỉ B = 6.8MHz Dải thông truyền dẫn là:

BT = 2(f+B) = 38.6MHz

Dải thông này được bộ phát đáp 36MHz chấp nhận

7.2.5 Đa truy nhập tín hiệu dữ liệu và điện thoại qua vệ tinh

Mỗi bộ repeater với dải thông 36 MHz , có thể thông tin một chiều giữa trạm này và trạm khác., nhưng do số trạm mặt đất rất nhiều hơn số repeater trên vệ tinh nên để sử dụng hiệu quả một repeater người ta lập quá trình đa truy xuất

Có ba phương thức đa truy nhập :

a Đa truy nhập phân chia tần số (FDMA)

b Đa truy nhập phân chia thời gian (TDMA)

c Đa truy nhập trải phổ (CDMA)

Phân loại theo phân phối kênh :

+ Phân phối trước

+ Phân phối theo nhu cầu

1 Đa truy nhập phân chia tần số (FDMA):

a Dùng n sóng mang tải tin trong dải băng của repeater

+

Bộ tạo sóng mang phụ FM

f sc = 6.8MHz

f = 75kHz

Máy phát FM

f c = 6GHz (f) video = 10.5MHz (f) sc = 2MHz

Tín hiệu audio vào

(dải thông 15kHz)

Tín hiệu video hỗn hợp vào

(dải thông 15kHz)

Tới vệ tinh