Nghiên cứu thiết kế trạm mặt đất cho hệ thống thông tin vệ tinh

1: Sơ đồ khối chức năng một trạm mặt đất điển hình Dưới góc độ phân tích tín hiệu, trạm mặt đất bao gồm năm phân hệ: Phân hệ phát Phân hệ thu Phân hệ ghép kênh và giao diện Thiết bị

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN THANH TÙNG

CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

Hà Nội – Năm 2015

-

NGUYỄN THANH TÙNG

CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học PGS.TS VŨ VĂN YÊM

Hà Nội – Năm 2015

- Những nội dung trong luận văn là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Vũ Văn Yêm

- Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên tài liệu trong mục tài liệu tham khảo

- Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian lận tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Học Viên

Nguyễn Thanh Tùng

LỜI MỞ ĐẦU

Hệ thống thông tin vệ tinh mới chỉ xuất hiện trong hơn bốn thập kỷ qua nhưng đã có những bước phát triển như vũ bão cùng với cuộc cách mạng công nghệ viễn thông Lĩnh vực vệ tinh ngày nay đã trở nên quen thuộc trên phạm vị toàn thế giới cũng như có những bước tiến vững chắc tại Việt Nam Các hệ thống thông tin

vệ tinh ngày nay giúp con người cảm nhận và đánh giá được thế giới xung quanh

Trong tình hình chung của thế giới cũng như sự phát triển công nghệ vệ tinh tại Việt Nam hiện nay, việc tìm hiểu phát triển công nghệ trong thông tin vệ tinh để giảm bớt khối lượng, kích thước và tích hợp nhiều chức năng cho hệ thống vệ tinh

mà không phải thay đổi nền tảng phần cứng Sự ra đời của công nghệ Software Defined Radio (SDR), hay thiết bị vô tuyến có cấu trúc định nghĩa bằng phần mềm

đã đáp ứng được các nhu cầu đó

Vì lý dó trên cùng với sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Vũ Văn Yêm tôi

chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết kế trạm mặt đất cho hệ thống thông tin vệ tinh” trong

đó chủ yếu nghiên cứu công nghệ SDR để thiết kế trạm mặt đất cho luận văn tốt nghiệp của mình

Mục tiêu của luận văn là tìm hiểu về công nghệ SDR và áp dụng để thiết kế trạm mặt đất cho hệ thống thông tin vệ tinh Nội dung chính của luận văn gồm 3 chương:

Chương I: Tổng quan về trạm mặt đất

Chương II: Công nghệ SDR

Chương III: Trạm mặt đất sử dụng công nghệ SDR

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC BẢNG 7

CÁC TỪ VIẾT TẮT 8

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TRẠM MẶT ĐẤT 10

1.1 Kiến trúc tổng quan của trạm mặt đất 10

1.2 Phân hệ anten 11

1.2.1 Anten gương Parabol 11

1.2.2 Anten Cassegrain 12

1.2.3 Bức xạ của búp sóng chính và búp sóng phụ 13

1.2.4 Nhiệt độ tạp âm của anten 14

1.3 Phân hệ tần số vô tuyến 15

1.3.1 Phần thu 15

1.3.2 Phần phát 16

1.4 Phân hệ xử lý tín hiệu trung tần 17

1.5 Phân hệ giao diện mạng 18

1.5.1 Ghép kênh và tách kênh 19

1.5.2 Ghép kênh phân chia theo tần số và đa truy nhập FDMA 19

1.6 Phân hệ điều khiển và giám sát 20

1.7 Nhận xét chung 21

1.8 Kết luận chương I 24

CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ SDR 25

2.1 Tổng quan về SDR 25

2.2 Cấu trúc hệ thống SDR lý tưởng 26

2.3 Kiến trúc của máy thu điều khiển bằng phần mềm SDR 27

2.3.1 Kiến trúc phần cứng của một máy thu điều khiển bởi phần mềm 27

2.3.2 Kiến trúc phần mềm của một máy thu SDR 28

2.3.3 Lấy mẫu tín hiệu thông dải 29

2.4 Điều chế số 35

2.4.1 Tổng quan 35

2.4.2 Điều chế số hai trạng thái BPSK 36

2.4.3 Điều chế pha vuông góc (QPSK) 38

2.4.4 Điều chế QAM 43

2.5 Upsampling & downsampling 45

2.5.1 Giảm tốc độ lấy mẫu bởi một interger factor 46

2.5.2 Tăng tốc độ lấy mẫu bởi interger factor 49

2.6 Sự cân bằng ADC và DAC 51

2.6.1 Các bộ lọc chống sai số lấy mẫu 52

2.6.2 Hạn chế nhiễu 53

2.6.3 Lượng tử hóa và dải động 53

2.6.4 Giới hạn của công nghệ 54

2.6.5 Cân bằng ADC và DAC 55

2.7 Kết luận chương II 61

CHƯƠNG III: TRẠM MẶT ĐẤT SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ SDR 62

3.1 Cấu trúc hệ thống trạm mặt đất sử dụng công nghệ SDR 62

3.2 Cấu trúc bộ DDC và DUC 67

3.2.1 Cấu trúc bộ DDC (digital down conventer) 67

3.2.2 Cấu trúc bộ DUC (digital up converter) 77

3.3 Bộ lọc số 79

3.3.1 Phân loại bộ lọc số 79

3.3.2 Nguyên tắc thiết kế bộ lọc số 80

3.3.3 Thiết kế bộ lọc FIR bằng phương pháp cửa sổ 81

3.4 Bộ chuyển đổi tương tự số ADC 82

3.4.1 Lấy mẫu tín hiệu 83

3.4.2 Lượng tử hóa tín hiệu 83

3.4.3 Mã hóa tín hiệu và tính toán SNR cho bộ ADC 84

3.5 Ước lượng và khử jitter trong trạm mặt đất 85

3.5.1 Ước lượng jitter từ các tín hiệu âm thanh tham chiếu 85

3.5.2 Khử jitter 87

3.6 Mô phỏng vấn đề thu phát trạm mặt đất sử dụng công nghệ SDR 91

3.6.1 Sơ đồ khối hệ thống mô phỏng 91

3.6.2 Kết quả mô phỏng 92

3.7 Kết luận chương III 98

KẾT LUẬN 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

PHỤ LỤC 102

DANH MỤC HÌNH VẼ

Chương I

Hình 1 1: Sơ đồ khối chức năng một trạm mặt đất điển hình 10

Hình 1 2: Mô tả kích thước hình học của anten parabol 11

Hình 1 3: Anten Cassegrain 13

Hình 1 4: Tăng ích của anten trạm mặt đất theo khuyến nghị của ITU 14

Hình 1 5: Mô tả các tầng đầu vào máy thu 16

Hình 1 6: Mô tả sơ đồ khối chức năng phần phát 16

Hình 1 7: mô tả đường đặc tuyến bộ khuếch đại công suất ra 17

Chương II Hình 2 1: Cấu trúc của hệ thống SDR lý tưởng 26

Hình 2 2: Sơ đồ bộ điều chế I/Q 31

Hình 2 3: Tín hiệu tần số Nyquist ở F / 2 34

Hình 2 4: Không gian tín hiệu của BPSK 37

Hình 2 5: Sơ đồ khối máy phát và thu BPSK 38

Hình 2 6: Vùng quyết định đúng sai 40

Hình 2 7: Mật độ phổ công suất của tín hiệu QPSK 41

Hình 2 8: Máy phát QPSK 42

Hình 2 9: Máy thu QPSK 42

Hình 2 10: sơ đồ khối truyền QAM 44

Hình 2 11: Constellation cho khung chữ nhật 16-QAM 45

Hình 2 12: Sơ đồ khối tổng quát của quá trình downsample với factor 3 48

Hình 2 13: Phổ sau khi downsampling 49

Hình 2 14: Quá trình Upsample với L = 3 50

Hình 2 15: Phổ trước và sau khi upsampling 51

Hình 2 16: Các bộ lọc chống sai số lấy mẫu khử các thành phần sai số lấy mẫu 52

Hình 2 17: Phân tích Walden trong kỹ thuật ADC 54

Hình 2 18: Oversampling ADC làm đòn bẩy cho kỹ thuật số 55

Hình 2 19: Biến đổi Inphase và Quadrature (I&Q) giảm xung lấy mẫu 58

Chương III Hình 3 1: Cấu trúc đơn giản của thiết bị vô tuyến SDR 62

Hình 3 2: Một kiến trúc máy trạm mặt đất thu phát dùng công nghệ SDR 63

Hình 3 3: Kiến trúc hệ thống của thiết bị đầu cuối trạm mặt đất dùng công nghệ SDR 64

Hình 3 4: Cấu trúc 3 tầng của trạm mặt đất 65

Hình 3 5: Sơ đồ khối hệ thống 66

Hình 3 6: Cấu trúc chung của hệ thống DDC 68

Hình 3 7: Sơ đồ nguyên lí bộ DDC 68

Hình 3 8: Sơ đồ khối bộ DDC 69

Hình 3 9: Sơ đồ khối bộ trộn tần 69

Hình 3 10: Sơ đồ khối bộ PLL ( phase lock loop) 71

Hình 3 11: Đồ thị biểu diễn liên hệ giữa độ sai pha 2 tín hiệu đầu vào và giá trị điện áp trung bình đầu ra 73

Hình 3 12: Sơ đồ khối bộ dò sai pha 74

Hình 3 13: Tín hiệu trước và sau bộ suy giảm 76

Hình 3 14: Sơ đồ khối bộ DUC 77

Hình 3 15: Tín hiệu trước và sau nội suy trên miền thời gian 78

Hình 3 16: Tín hiệu trước và sau nội suy trên miền tần số 78

Hình 3 17: Bộ suy giảm tỉ số M/L (M>L) 79

Hình 3 18: Bộ nội suy tỉ số M/L (M>L) 79

Hình 3 19: Sơ đồ nguyên lí ước lượng và khử jitter 88

Hình 3 20: Sơ đồ khối đầy đủ hệ thống SISO 91

Hình 3 21: Tín hiệu vào ra các thành phần phía phát hệ thống SISO 93

Hình 3 22: Tín hiệu vào ra các thành phần phía thu hệ thống SISO 94

Hình 3 23: Tín hiệu điều chế BPSK thu được sau khi qua kênh truyền 95

Hình 3 24: Tín hiệu điều chế QPSK thu được sau khi qua kênh truyền 95

Hình 3 25: Tín hiệu điều chế 4 - QAM thu được sau khi qua kênh truyền 96

Hình 3 26: Đồ thị biểu diễn qua hệ BER và Eb/No của hệ thống sử dụng ước lượng kênh truyền và hệ thống sử dụng kênh đã biết 96

Hình 3 27: Đồ thị biểu diễn qua hệ BER và Eb/No của hệ thống sử dụng các phương thức điều chế khác nhau 97

Hình 3 28: Đồ thị mối quan hệ giữa BER với Eb/No hệ thống SISO 98

DANH MỤC BẢNG

Chương I

Bảng 1 1: Dung lượng và băng tần của ghép kênh tương tự trong thông tin vệ tinh 19

Bảng 1 2: Các tham số chính của trạm mặt đất trong băng tần C 22

Bảng 1 3: Các tham số chính của trạm mặt đất trong băng tần Ku 23

Bảng 1 4: Các tham số chính của trạm mặt đất trong băng tần Ka 30/20 Ghz 24

Chương II Bảng 2 1: Độ phân giải cao đòi hỏi Stop Band Attenuation cao 53

Bảng 2 2: Tốc độ lấy mẫu phụ thuộc vào ứng dụng 61

Chương III Bảng 3 1 : Ba dạng khác nhau của bộ phân tách 75

CÁC TỪ VIẾT TẮT

AWGN Additive White Gaussian Noise

BPSK Binary phase-Shift Keying

CDMA Code Division Multiple Access

DPSK Differential Phase-Shift Keying

GSM Global System for Mobile Communications

IrDA Infrared Data Association

MIPS Million Instructions Per Second

NCO Numberically Controlled Oscillator

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

SNDR Signal to Noise and Distortion Ratio

TDMA Time Division Multiple Access

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TRẠM MẶT ĐẤT

1.1 Kiến trúc tổng quan của trạm mặt đất

Cấu trúc tổng quát của một trạm mặt đất gồm năm phân hệ như hình 1.1 bao gồm:

- Phân hệ anten

- Phân hệ thu

- Phân hệ phát

- Phân hệ ghép kênh và giao diện

- Phân hệ bám vệ tình và điều khiển

Hình 1 1: Sơ đồ khối chức năng một trạm mặt đất điển hình

Dưới góc độ phân tích tín hiệu, trạm mặt đất bao gồm năm phân hệ:

Phân hệ phát

Phân hệ thu

Phân hệ ghép kênh và giao diện

Thiết bị đầu cuối người

sử dụng

Bám

Chương trình

bám

Khuếch đại công suất

Chuyển đổi tần

số lên

Điều chế

Xử lý tín hiệu phát

Hỗn hợp

Khuếch đại tạp

âm thấp

Phân chia

Chuyển đổi tần

số xuống

Giải điều chế

Xử lý tín hiệu thu

Giao diện kết nối mạng mặt đất

- Phân hệ anten

- Phân hệ tần số vô tuyến

- Phân hệ xử lý tín hiệu trung tần

- Phân hệ ghép kênh và giao diện mạng

- Phân hệ giám sát, bám và điều khiển vệ tinh

1.2.1 Anten gương Parabol

Cấu trúc của anten gương Parabol gồm hai bộ phận chủ yếu là là gương phản

xạ (chảo phản xạ hình parabol) và một phần tử tích cực gọi là bộ chiếu xạ Gương phản xạ là một thiết bị thụ động có nhiệm vụ phản xạ năng lượng sóng tập trong vào búp sóng theo hướng ngược lại

Hình 1 2: Mô tả kích thước hình học của anten parabol

Như ở hình 1.2 thì: FA + AA’ = FB + BB’ = FC + CC’ = k

k là hằng số

Hệ số tăng ích của anten parabol Gp có thể tính theo biểu thức gần đúng:

Gp = )2 (1.1) Trong đó là hiệu suất của anten

D là đường kính miệng parabol

là bước sóng công tác (m)

Thông thường hiệu suất của anten chỉ đạt khoảng 55% một số năng lượng sóng được hấp thụ từ gương và một số năng lượng bị nhiễu xạ xung quanh mép gương, thêm vào đó bộ chiếu xạ còn tạo nên một vùng tối đối diện với gương

Bộ chiếu xạ

Bộ chiếu xạ ở anten parabol còn gọi là anten sơ cấp dùng để bức xạ năng lượng sóng điện từ lên gương phản xạ Có ba dạng sơ cấp của bộ chiếu xạ đối với gương phản xạ parabol thường gặp là: chiếu xạ ở tâm, chiếu xạ dạng anten loa và chiếu xạ kiểu Cassegrain

1.2.2 Anten Cassegrain

Cấu tạo của anten Cassegrain gồm có: gương phản xạ paraboloid (gương chính), gương phản xạ hyperboloid và bộ chiếu xạ dùng anten loa nối với ống dẫn sóng cấp điện Tiêu ddiemr của gương phụ hyperbol được bố trí trùng với tiêu điểm của gương chính parabol (F1), tiêu cự của nhánh hyperbol thứ hai (nhánh ảo) nằm ở đỉnh parabol trên trục chính của gương (F2) Bộ chiếu xạ được bố trí sao cho tâm loa nằm ở giữa đỉnh parabol (F2)

- 2a là khoảng cách giữa hai gương

Hình 1 3: Anten Cassegrain

1.2.3 Bức xạ của búp sóng chính và búp sóng phụ

Thông số quan trọng nhất của một anten trạm mặt đất là đặc tính bức xạ của

búp sóng chính đặc trưng bởi độ tăng ích G, độ rộng búp sóng Ө-3dB và độ phân ly phân cực Độ tăng ích của anten có quan hệ trực tiếp với công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) và tỷ số G/T của trạm mặt đất Độ rộng của búp sóng cũng đồng thời liên quan đến hệ thống bám vệ tinh Giá trị độ cách ly phân cực xác định dung lượng của một anten trong trường hợp hệ thống sử dụng phân cực trực giao

Khuyến cáo các nhà sản xuất anten sao cho giá trị tăng ích búp sóng phụ của anten trạm mặt đất không vượt quá:

Khuyến nghị nên lên một số chi tiết trong hình 1.4

Hình 1 4: Tăng ích của anten trạm mặt đất theo khuyến nghị của ITU

1.2.4 Nhiệt độ tạp âm của anten

Tạp âm (noise) là một dạng tín hiệu không chứa nội dung thông tin được trộn lẫn vào tín hiệu hữu ích Nó làm giảm độ chính xác của việc phục hồi nội dung thông tin tại máy thu Nguồn gây ra tạp âm có thể là :

Tạp âm được phát ra từ những nguồn bức xạ tự nhiên trong vùng thu sóng của anten

Tạp âm được tạo ra bởi các thành phần điện tử trong bản thân thiết bị

Các tín hiệu từ máy phát khác mà không phải là thông tin cần truyền cũng được gọi

là tạp âm, tạp âm này gọi là nhiễu

Anten thu đặc trưng bởi tham số G/Te, G là độ tăng ích của anten, nhiệt độ tạp âm hiệu dụng Te bao gồm nhiệt độ tạp âm tương đương của anten và đường dây phi dơ cộng thêm toàn bộ nhiệt độ tạp âm của máy thu

Công suất tạp âm toàn bộ:

K = 1,38.10-23 J/K (hằng số Bolzmann);

B (Hz) là băng thông

Một hiện tượng làm tăng đáng kể nhiệt độ tạp âm của anten trong thực tế là trường hợp giao hội giữa mặt trời, vệ tinh và anten trạm mặt đất Việc tăng nhiệt độ tạp âm của anten làm giảm chất lượng thu tín hiệu của trạm mặt đất và có thể làm gián đoạn liên lạc

1.3 Phân hệ tần số vô tuyến

Phân hệ tần số vô tuyến của trạm mặt đất trong trường hợp tổng quát bao gồm hai phần: phần thu và phần phát

Phần thu bao gồm: bộ khếch đại tạp âm thấp, bộ chuyển đổi tần số xuống và thiết bị để định tuyến các sóng mang thu được đến các kênh giải điều chế tương ứng

Phần phát bao gồm: thiết bị ghép các sóng mang được phát, các bộ chuyển đổi tần số và các bộ khuếch đại công suất

1.3.1 Phần thu

Nhiệt độ tạp âm của thiết bị thu (T) :

T = (TA/LFRX) + TF(1 – 1/LFRX) + TR (1.4)

T là nhiệt độ tạp âm của hệ thống

TA là nhiệt độ tạp âm của anten

LFRX là tổn hao kết nối giữa giao diện anten và đầu vào thiết bị thu

TR là nhiệt độ tạp âm tương đương của máy thu

Sơ đồ khối chức năng của các tầng đầu vào (phần cao tần) của một máy thu trạm mặt đất:

Hình 1 5: Mô tả các tầng đầu vào máy thu

a) Chuyển đổi tần số theo khối

b) Chuyển đổi tần số theo từng sóng mang

Hình 1 6: Mô tả sơ đồ khối chức năng phần phát

Sự liên hệ giữa công suất phát Pr và công suất đầu ra PHPA của bộ khuếch đại công suất cao HPA (Hight Power Amplifier)

Pr = (PHPA)(1/LFTX)(1/LMC) (1.5) Trong đó:

LFTX là tổn hao kết nối giữa đầu ra máy phát và anten

LMC là tổn hao đa sóng mang (multi-carrier) phụ thuộc vào số sóng mang được ghép

Bộ khuếch đại công suất phát có 2 loại là bộ khuếch đại công suất phát dùng đèn điện tử và bộ khuếch đại công suất phát dùng chất bán dẫn, trong đó bộ khuếch đại công suất phát dùng đèn điện tử có 2 loại là:

- Bộ khếch đại công suất dùng đèn klystron

- Bộ khuếch đại công suất dùng đèn sóng chạy TWT

Hình 1 7: mô tả đường đặc tuyến bộ khuếch đại công suất ra

1.4 Phân hệ xử lý tín hiệu trung tần

Phân hệ xử lý tín hiệu trung tần bao gồm các thiết bị để xử lý và chuyển đổi tín hiệu băng cơ sở thành các tín hiệu sóng mang vô tuyến để khuếch đại nếu là nhiệm vụ phát và ngược lại nếu là thu thì chuyển đổi các sóng mang từ đầu ra bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) thành các tín hiệu băng cơ sở

Chức năng của xử lý tín hiệu trung tần về phía thu có thể tóm tắt là:

- Chuyển đổi tín hiệu tần số sóng mang (RF) thành tín hiệu tần số trung bình (còn gọi là trung tần IF);

- Lọc và cân bằng;

- Giải điều chế

Chức năng xử lý tín hiệu trung gian về phía phát có thể tóm tắt là:

- Điều chế tín hiệu băng cơ sở với sóng mang tần số trung gian;

- Lọc và cân bằng;

- Chuyển đổi sóng mang đã điều chế thành sóng mang cao tần

Việc sử dụng trung tần IF chung của nhiều sóng mangcao tần khác nhau cho phép sử dụng thiết bị được chuẩn hóa (theo trung tần lựa chọn) Việc lựa chọn trung tần thường dựa theo các điều kiện sau:

- Giá trị của trung tần IF phải lớn hơn độ rộng phổ chiếm dụng của sóng mang được điều chế;

- Giá trị trung tần cần đủ thấp để thuận tiện cho bộ lọc thông dải của sóng mang được điều chế

- Các thiết bị có thể sử dụng một trung tần (biến tần đơn) hoặc hai trung tần (biến tần hai lần)

Việc điều chế tín hiệu (ở phía phát) và giải điều chế (ở phía thu) được thực hiện ở khối trung tần Kỹ thuật điều chế tín hiệu, lựa chọn giải pháp điều chế nào phụ thuộc vào:

- Phương thức đa truy nhập (có thể là FDMA, TDMA, CDMA, DAMA, FAMA hoặc hỗn hợp)

- Dạng của tín hiệu băng cơ sở được điều chế với sóng mang (điều chế tương tự hoặc điều chế số);

- Kênh truyền (đơn kênh hay có ghép kênh)

1.5 Phân hệ giao diện mạng

Phân hệ giao diện mạng là giao diện giữa các tín hiệu băng cơ sở của các thiết bị của hệ thống thông tin vệ tinh với tín hiệu băng cơ sở theo khuôn dạng của

mạng mặt đất Các chức năng chủ yếu là ghép kênh (và tách kênh) đối với các kênh thoại , nén (hoặc triệt) hồi âm và một số chức năng cụ thể khác về giao diện

1.5.1 Ghép kênh và tách kênh

Đối với các kênh thoại trong mạng mặt đất PSTN, mặc dù đã có ghép kênh theo các chuẩn nhưng khi cần truyền qua kênh thông tin vệ tinh thì tại các trạm mặt đất các kênh thoại đó cần được sắp xếp lại Sự sắp xếp đó tùy thuộc vào phương thức truy nhập của trạm mặt đất đến bộ phát vệ tinh và dung lượng kênh mà trạm mặt đất được phân phối

Các kênh thoại có cùng địa chỉ đích sẽ được tập hợp vào một số nhóm để điều chế với cùng sóng mang và được xem như là một sự ghép kênh đơn sóng mang Chúng được tách kênh tại trạm mặt đất thu và kết nối với mạng mặt đất Các kênh hoặc nhóm kênh có thể được điều chế với các sóng mang khác nhau

1.5.2 Ghép kênh phân chia theo tần số và đa truy nhập FDMA

Với phương thức truyền kênh tương tự (analog), ghép kênh phân chia theo tần số thì việc sắp xếp các kênh thoại đã được ghép kênh ở mạng mặt đất theo khuyến nghị G.322 và G.432 của CCITT như sau: nhóm đầu tiên là 12 kênh thoại, mỗi kênh chiếm 4Khz và nằm trong dải tần 60-108 kHZ Năm nhóm hợp thành một siêu nhóm có băng tần 312-522 kHz Việc ghép các nhóm tùy thuộc vào dung lượng kênh cụ thể và băng tần chiếm dụng của các mức ghép kênh như mô tả ở bảng 1.1

Bảng 1 1: Dung lượng và băng tần của ghép kênh tương tự trong thông tin vệ tinh

Dung lượng hệ thống (số kênh thoại) Giới hạn băng tần chiếm dụng (khz)

1.6 Phân hệ điều khiển và giám sát

Tùy thuộc vào chức năng và nhiệm vụ mà trạm mặt đất có thể có hoặc không

có thiết bị điều khiển và giám sát Mục đích cho việc điều khiển và giám sát là:

- Cung cấp cho người điều hành các thông tin cần thiết, chất lượng dịch vụ,

vị trí chuyển mạch … và quản lý lưu lượng

- Báo động những trường hợp sai lệch về điều hành và nhận dạng các thiết bị

có sự cố

- Cho phép điều khiển các thiết bị của trạm

1.7 Nhận xét chung

Từ khi các hệ thống thông tin vệ tinh ra đời cho đến nay, các trạm mặt đất không ngừng được phát triển và cải tiến Tuy vậy về cơ bản cấu trúc chủ yếu của trạm mặt đất không thay đổi

Sự phát triển cải tiến trước hết là giảm kích thước của trạm mặt đất Những trạm mặt đất đầu tiên sử dụng anten đường kính lớn hơn 30m nhưng ngày nay đường kính anten của trạm mặt đất trong một số trường hợp có thể bé hơn 1m Sở dĩ đạt được điều đó là do sự gia tăng công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) của các vệ tinh truyền thông kết hợp với việc sử dụng các kỹ thuật truyền dẫn có hiệu năng cao Mặt khác, việc ứng dụng kỹ thuật số cũng làm gia tăng đáng

kể hiệu năng và làm giảm kích thước các thiết bị mặt đất Các công việc điều hành

và bảo dưỡng hệ thống cũng có nhiều thuận lợi hơn bởi việc thực hiện các chương trình trên máy tính Ví dụ việc chuyển đổi tần số trong các bộ tổng hợp tần số theo chương trình cho phép chọn lựa tần số mang một cách nhanh chóng, chính xác và

có thể kiểm tra bằng các số liệu hiển thị trên màn hình

Sự cải tiến nâng cao hiệu năng của trạm mặt đất cũng đồng thời dẫn đến việc khai thác tốt hơn các đặc tính cụ thể của vệ tinh, ví dụ như các dung lượng quảng bá

và khả năng nhiều người sử dụng có thể truy nhập hệ thống, nhiều dạng dịch vụ khác được mở rộng

Hiện cũng có nhiều trạm mặt đất loại nhỏ, ví dụ các trạm VSAT cùng các mạng riêng có thể trực tiếp đến người sử dụng Không những các hệ thống thông tin

vệ tinh cố địch mà các hệ thống thông tin vệ tinh di động cũng đang được phát triển nhanh chóng

Các chỉ tiêu kỹ thuật của trạm mặt đất trong các băng tần

Trước đây các hệ thống vệ tinh chủ yếu sử dụng băng tần C và Ku Ngày nay băng tần Ka đã được đẩy mạnh nghiên cứu và phát triển, do đó trong một số năm gần đây các nước trong khu vực đã triển khai hoặc có kế hoặc triển khai các vệ tinh hoạt động ở băng tần này

bá tới tận nhà (Direct-To-Home) và dịch vụ VSAT cho các mạng thông tin thương mại

Bảng 1 3: Các tham số chính của trạm mặt đất trong băng tần Ku

Băng tần Ka 30/20 GHz

Băng tần Ka được sử dụng rất hạn chế vì điều kiện truyền sóng rất khó khăn

do bị suy hao lớn vì mưa Một số nước đang nghiên cứu thực nghiệm và triển khai tích cực các ứng dụng trên băng tần này như Mỹ, Đức, Italy, Nhật bản, Hàn quốc

Đặc điểm ở băng tần này là phổ tần của băng tần này rất lớn nên có thể dễ dàng sử dụng lại băng tần nhiều lần bằng các chùm tia nhỏ Tuy nhiên EIRP của cả

vệ tinh và trạm mặt đất phải rất lớn để bù lại suy hao do mưa

Băng tần Ka cho phép sử dụng anten trạm mặt đất rất nhỏ Tuy nhiên để đảm bảo chỉ tiêu chất lượng của tuyến theo yêu cầu việc sử dụng kỹ thuật Điều khiển Công suất Phát lên (Up-link Power Control UPC) và phân tập trạm mặt đất theo địa

lý là cần thiết

Bảng 1 4: Các tham số chính của trạm mặt đất trong băng tần Ka 30/20 Ghz

Hệ số khuếch đại anten (dBi)

Phát Thu

CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ SDR 2.1 Tổng quan về SDR

SDR (Software Defined Radio): là một tập hợp các kỹ thuật phần cứng và phần mềm trong đó một vài hoặc toàn bộ các chức năng hoạt động của vô tuyến (còn được gọi là xử lý lớp vật lý) được thực hiện thông qua phần mềm hoặc phần sụn (firmware) có thể thay đổi hoạt động dựa trên các kỹ thuật xử lý lập trình được Các thiết bị này gồm có các ma trận cổng logic bán dẫn cho phép lập trình được FPGA (Field Programmable Gate Arrays), các bộ xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processor), các bộ xử lý chức năng chung GPP (General Purpose Processor),

hệ thống trên chip lập trình được SoC (System on Chip) hoặc các bộ xử lý có thể lập trình theo ứng dụng cụ thể khác

Ưu điểm của SDR:

Độ tương thích Hỗ trợ nhiều chuẩn thông qua nhiều chế độ, khả năng làm

việc trên nhiều băng tần

Độ linh hoạt Dịch chuyển hiệu quả giữa tài nguyên và kỹ thuật

Độ thích nghi Thích nghi và hỗ trợ tốt hơn về các kỹ thuật và chuẩn mới

thông qua khả năng lập trình và cấu hình lại

Độ duy trì Tăng việc sử dụng thông qua các nền tảng phần cứng

2.2 Cấu trúc hệ thống SDR lý tưởng

Cấu trúc hệ thống vô tuyến cấu hình mềm bao gồm hai phần cơ bản: phần xử

lý số của hệ thống và phần tương tự (hình 2.1) Phần tương tự thực hiện các công việc không “số” được: anten, phần mạch phối hợp anten, lọc cao tần, tiền khuếch đại, trộn, tạo dao động, phần khuếch đại công suất … Các chức năng xử lý tín hiệu, điều chế/giải điều chế tín hiệu, mã hóa … được thực hiện ở phần xử lý số bằng phần mềm lập trình trên các thiết bị phần cứng chuyên dụng Các thiết bị đó là các bộ xử

lý tín hiệu số DSP, FPGA và ASIC có thể lập trình để xử lý tín hiệu số Khi có sự phát triển của công nghệ thì ngay cả tín hiệu tương tự cao tần có thể được số hóa trực tiếp và sau đó cũng được xử lý bằng phần mềm như đối với FPGA càng tăng thêm tính linh hoạt và mềm dẻo cho cấu trúc mềm của SDR

Hình 2 1: Cấu trúc của hệ thống SDR lý tưởng

Sự phát triển của các phương pháp thiết kế lập trình phần cứng cho phép xây dựng một số ứng dụng phức tạp, tập trung và mạnh hơn Trong cấu trúc của SDR lí tưởng phần cứng gồm các bộ xử lý tín hiệu số, các bộ vi xử lý điều khiển hoạt động

chung, tài nguyên hệ thống, các bộ nhớ, bộ xử lý chuyên dụng dùng để xây dựng cấu hình cho thiết bị Phần mêm là phần ở lớp cao nhất chứa các chương trình ứng dụng cho hệ thống Khi người sử dụng gọi đến chức năng nào đó, phần mềm điều khiển đã được lập trình sẽ đưa chương trình tương ứng đó từ bộ nhớ vào tái cấu hình cho thiết bị Ngoài ra hệ thống cũng có các thành phần quan trọng khác như: các mạch giao tiếp dữ liệu vào/ra với bên ngoài, giao tiếp để quản lý, điều khiển thiết bị cho người sử dụng

2.3 Kiến trúc của máy thu điều khiển bằng phần mềm SDR

2.3.1 Kiến trúc phần cứng của một máy thu điều khiển bởi phần mềm

Về cơ bản một SDR phải gồm một phân hệ xử lý vô tuyến (cao tần – radio front end), một bộ điều chế - giải điều chế, một phân hệ xử lý mã hóa và bảo mật và một phân hệ ứng dụng Thêm vào đó, một số máy thu cũng sẽ hỗ trợ việc kết nối tới các thiết bị mạng nhằm cung cấp các dịch vụ mạng hoặc cung cấp khả năng điều khiển từ xa thông qua kết nối Ethernet

Một vài máy thu cũng cung cấp khả năng điều khiển tần số sóng từ bên ngoài, chẳng hạn như việc quản lý anten, các chuyển mạch điều khiển được, các bộ khuếch đại công suất hoặc là bộ lọc với mục đích đặc biệt Các kiến trúc phần cứng

và phần mềm nên cho phép các đặc tính ở cao tần được thêm vào để tăng độ linh hoạt của máy thu và cũng để tạo ra một kiến trúc mở nhằm thỏa mãn các yêu cầu phát sinh từ phía người dùng

Phân hệ xử lý vô tuyến bao gồm các khối chức năng: khối tương thích anten, khối khếch đại tạp âm thấp, các bộ lọc, các bộ dao động để tạo ra các sóng mang nội sinh, các bộ chuyển đổi tương tự sang số để đo và lưu trữ các giá trị tín hiệu mong muốn và loại bỏ các tín hiệu không mong muốn trong một phạm vi nào đó Kiến trúc của phân hệ xử lý vô tuyến như vậy cho phép cực đại hóa dải động của bộ chuyển đổi tương tự số để có thể giữ được các thông tin cần thiết về tín hiệu mong muốn

Phân hệ xử lý tín hiệu trung tần và băng cơ sở làm nhiệm vụ giải điều chế tín hiệu từ trung tần xuống băng cơ sở, tách thông tin mong muốn ở băng cơ sở và tính toán kết quả cần thiết đối với từng ứng dụng cụ thể Kết quả sau khi tính toán được đưa tới người dùng thông qua thiết bị ngoại vi làm nhiệm vụ giao tiếp với người dùng Toàn bộ hoạt động của phân hệ xử lý tín hiệu trung tần và băng cơ sở sẽ được quản lý bởi một vi xử lý đa năng hoặc một bộ xử lý tín hiệu số mà có tốc độ xử lý đáp ứng được yêu cầu đề đặt ra

2.3.2 Kiến trúc phần mềm của một máy thu SDR

Khi thiết kế kiến trúc phần mềm cho một máy thu SDR, chúng ta đặt ra mục tiêu là đặt các dạng sóng và các ứng dụng vào trong một nền tảng máy thu dựa trên phần mềm theo một cách được chuẩn hóa và được cộng đồng chấp nhận Các dạng sóng và các ứng dụng này được cài đặt, được sử dụng và được thay thế bởi các ứng dụng khác khi cần nhằm thỏa mãn các yêu cầu của người dùng Để tạo được các giao diện của dạng sóng và ứng dụng chuẩn , người ta cần phải tạo ra một nền tảng phần cứng mà cho phép thực thi một tập các giao diện được chuẩn hóa ở mức cao Theo cách này, các nhà sản xuất có thể phát triển các dạng sóng một cách độc lập với sự phát triển của nền tảng phần cứng hỗ trợ Tương tự như vậy, các nhà cung cấp phần cứng có thể phát triển một máy thu với các giao diện chuẩn mà có thể chạy được với một dải rộng các dạng sóng từ các thư viện đã được chuẩn hóa và được cộng đồng công nhận Với kiến trúc như vậy, phần cứng và phần mềm có thể phát triển độc lập với nhau mà vẫn đảm bảo được khả năng tương thích tốt giữa hai nền tảng này dựa trên các giao diện đã được chuẩn hóa mà được hỗ trợ bởi cả phần cứng và phần mềm

Để việc chuyển đổi giữa các dạng sóng khác nhau, các phiên bản phần mềm khác nhau trên một nền tảng phần cứng nào đó được thuận tiện thì chúng ta cũng cần phải chuẩn hóa phương thức cài đặt, phương thức cấp quyền sử dụng dạng sóng hay thu hồi khả năng sử dụng dạng sóng nào đó trên nền tảng phần cứng này Để việc triển khai máy thu điều khiển bằng phần mềm linh hoạt hơn nữa, người ta còn

đưa ra cả kiến trúc lai giữa phần cứng và phần mềm để tăng cường khả năng tương thích giữa hai nền tảng này trên cơ sở các giao diện chuẩn hóa

2.3.3 Lấy mẫu tín hiệu thông dải

Một máy thu SDR được thiết kế để có thể làm việc với nhiều ứng dụng mà vẫn đạt được chất lượng tín hiệu thu tốt đồng thời khả năng chuyển đổi giữa các ứng dụng mềm dẻo, linh hoạt Để đạt được các mục đích này, trong thiết kế của máy thu SDR người thiết kế đặt bộ chuyển đổi tương tự số trong kiến trúc front-end càng gần anten càng tốt và các mẫu dữ liệu kết quả sẽ được xử lý trong miền số có thể tái cấu hình bằng các bộ xử lý tín hiệu số (DSP) hoặc các mảng cổng logic khả trình tại chỗ (FPGA) Khi đó, bộ chuyển đổi tương tự số sẽ tiến hành lấy mẫu tín hiệu trực tiếp ở cao tần hoặc ở trung tần để có thể can thiệp các giải thuật xử lý số tín hiệu vào quá trình gia công tín hiệu càng nhiều càng tốt Trong phần này chúng

ta sẽ thảo luận về quá trình lấy mẫu tín hiệu thông dải – vấn đề cơ bản để xây dựng kiến trúc máy thu SDR Trong phần này, chúng ta nhắc lại định lý lấy mẫu mà dựa vào đó chúng ta phát triển các kỹ thuật lấy mẫu tín hiệu, giải thích khả năng khôi phục dạng tín hiệu từ các mẫu của tín hiệu thông dải và phương pháp lựa chọn tần

số lấy mẫu khi lấy mẫu tín hiệu thông dải

2.3.3.1 Định lý lấy mẫu

Ký hiệu u(t) là một dạng sóng với băng tần giới hạn có độ rộng W Hz Khi

đó u(t) ở mọi thời điểm t có thể được khôi phục từ các mẫu của nó {u(nT), n € Z} ở các bội nguyên của T = 1/2W giây với biểu diễn như sau:

u(t) =

(2.1)

2.3.3.2 Kỹ thuật lấy mẫu tín hiệu thông dải

Quá trình lấy mẫu là vấn đề rất quan trọng đối với các máy thu số hóa tín hiệu ở cao tần hoặc trung tần Việc lấy mẫu một tín hiệu tương tự ở trung tần hoặc ở cao tần dẫn đến các ảnh phổ của tín hiệu được lặp lại ở các khoảng cách bằng nhau

Sự lựa chọn tốc độ lấy mẫu của các tín hiệu như vậy phụ thuộc vào băng thông của tín hiệu và tần số trung tâm ở cao tần hoặc ở trung tần

Lấy mẫu thông dải không yêu cầu sử dụng các bộ trộn tần cầu phương tương

tự, do đó loại bỏ được phần nào khoảng dịch một chiều do sóng mang được dẫn qua các bộ trộn, các tâng khuếch đại VGA và các bộ lọc Hơn nữa, lấy mẫu thông dải cũng không yêu cầu sự bù pha và bù biên độ tín hiệu tương tự gây bởi sự mất cân bằng IQ Lấy mẫu thông dải chỉ yêu cầu bộ chuyển đổi tương tự số, cho phép sự chuyển đổi cuối cùng từ trung tần (hoặc trung tần thấp) tới băng cơ sở được thực hiện hoàn toàn trong miền số Chú ý rằng việc đưa vào một bộ chuyển đổi số sang tương tự hồi tiếp từ bộ tích lũy pha không phải tạo ra một tín hiệu tương tự từ miền

số mà nó sinh ra một dạng sóng sin dưới dạng một phần của bộ tổng hợp số trực tiếp Một bộ tổng hợp tín hiệu số trực tiếp là một cơ chế để tạo ra một sóng hình sin dạng số và truyền tín hiệu này qua một bộ DAC để được sử dụng cho việc trộn tần

Mặt khác, lấy mẫu thông dải thì nhạy cảm với sự thay đổi của tần số sóng mang, cũng như tần số lấy mẫu và jitter Trong trường hợp này, bộ chuyển tương tự

- số có xu hướng tiêu tốn công suất nhiều hơn vì lấy mẫu và giữ mẫu nhanh hơn và mạch số hóa cũng như hiệu suất của hệ thống có xu hướng giảm xuống vì sự hoạt động không hoàn hảo của mach trộn số Hơn nữa, các yêu cầu này dẫn đến việc bộ lọc thông dải ở trung tần đặt trước bộ ADC trở thành yêu cầu nghiêm ngặt và khó thực hiện hơn nhiều so với các bộ lọc thông thấp được sử dụng trong bộ đổi tần xuống cầu phương Chú ý rằng bộ lọc trung tần này cũng thực hiện chức năng như một bộ lọc chống chồng phỏ được sử dụng trong trường hợp lọc thông thấp

2.3.3.3 Biểu diễn các tín hiệu thông dải

Xét bộ điều chế được mô tả trong hình 2.2 Các tín hiệu trong nhánh đồng pha I(t) và nhánh vuông pha Q(t) nhận được từ các tín hiệu thời gian rời rạc được chuyển sang dạng tương tự bởi 2 bộ DAC Tín hiệu ở trung tần hoặc cao tần trong trường hợp của một máy phát chuyển đổi trực tiếp có thể được biểu diễn bởi:

xα(t) = I(t)cos(2 Fct) – Q(t)sin(2 Fct) (2.2) Trong đó I(t) và Q(t) là phần thực và phần ảo của tín hiệu tương tự dạng phức ở băng cơ sở Sα(t) = I(t) – jQ(t)

Tín hiệu thông dải có thể được biểu diễn thông qua tín hiệu phức băng cơ sở dưới dạng:

xα(t) = Re{Sα(t)ej2πFct} = Re{(I(t) – jQ(t))ej2πFct} (2.3) Quan hệ trong phương trình 2.2 có thể được biểu diễn dưới dạng:

2.3.3.4 Lấy mẫu các tín hiệu thông dải

Băng tần dư (tractional bandwidth) thường được định nghĩa là phần thập phân của giá trị băng thông tính từ gốc trong tọa độ tần số tới sườn thấp của dải thông Vị trí nguyên băng là một trường hợp đặc biệt mà trong đó sườn thấp và sườn cao của băng nằm tại các vị trí trên trục tần số mà có giá trị là bội của băng thông tính từ gốc, nghĩa là:

M

M

Hình 2 2: Sơ đồ bộ điều chế I/Q

Trong đó l là số nguyên dương

Giả thiết rằng tần số sóng mang (hoặc trung tần trước ADC) được chọn sao cho:

xα(nTs) = I(nTs)cos( nTs) – Q(nTs)sin( nTs) (2.6)

xα(nTs) = I(nTs)cos( (2l – 1)n) – Q(nTs)sin( (2l – 1)n) (2.7)

Chúng ta xét hai trường hợp là n chẵn và trường hợp n lẻ Với trường hợp n chẵn nghĩa là n = 2m, khi đó phương trình 2.7 trở thành:

xα(2mTs) = I(2mTs)cos((2l – 1)mπ) – Q(2mTs)sin((2l – 1)mπ)

= (-1)mI(2mTs) =(-1)n/2I(nTs) (2.8) Với n lẻ, nghĩa là n = 2m – 1, khi đó phương trình 2.7 trở thành:

xα((2m – 1)Ts) = I((2m – 1)Ts)cos( (2m – 1)Ts)

= (-1)l+m+1Q((2m – 1)Ts)

= (-1)l + (n+1)/2 +1Q(nTs) (2.9) Đặt Ts’ = 2Ts và sử dụng các quan hệ được thiết lập bởi phương trình 2.8 và 2.9 chúng ta biểu diễn tín hiệu được lấy mẫu dưới dạng khác nhứ sau:

xα(mTs’) = (-1)m

I(mTs’) với m chẵn

xα(mTs’ – Ts’/2) = (-1)l+m+1Q(mTs’ – Ts’/2) với m lẻ (2.10) Với sự lựa chọn quan hệ giữa tốc độ lấy mẫu và băng thông của tín hiệu trung tần, chúng ta chú ý rằng các mẫu có chỉ số chẵn thì liên quan đến nhánh đồng pha I(t) trong khi đó các mẫu có chỉ số lẻ liên quan đến nhánh vuông pha Q(t) Theo

đó, ở đầu ra của bộ ADC thực hiện lấy mẫu trung tần, chuyển đổi cầu phương với băng cơ sở là một lựa chọn thích hợp hơn cả Để nhận được thành phần tín hiệu số đồng pha của tín hiệu được lấy mẫu người ta nhân giá trị đầu ra của ADC với (-1)n/2

trong trường hợp n chẵn và nhân với 0 trong trường hợp n lẻ, ngược lại, để nhận được thành phần vuông pha của tín hiệu được lấy mẫu người ta nhân giá trị của ADC với (-1)l+(n+1)/2 +1 trong trường hợp n lẻ và nhân với 0 trong trường hợp n chẵn

2.3.3.5 Khôi phục tín hiệu thông dải

Theo định lý lấy mẫu, các mẫu của các thành phần đồng pha và vuông pha trong phương trình 2.10 có thể được sử dụng để khôi phục (recontrust) các tín hiệu tương tự thông thấp tương đương theo quan hệ được chỉ ra trong phương trình 2.1 như sau:

s

s s

T mT

s s

s s s

T mT

Trong đó tốc độ lấy mẫu bằng hai lần băng tần tín hiệu nghĩa là Ts = 1/2B Trong trường hợp tần số sóng mang là nguyên lần băng thông của tín hiệu chúng ta cũng có kết quả tương tự như sau:

n 2 s n+1 2

có tâm Fc (Fc = 0 trong trường hợp tín hiệu thông thấp), bản sao phổ chính xác sẽ xuất hiện ở Fc + kFs với k = 0,1,2 … Đới tương ứng với k = 0 gọi là đới Nyquist đầu tiên trong khi đó đới thứ ba và đới thứ năm tương ứng với k =1 và k = 2

Tương tự như vậy, các bản sao của ảnh phổ tín hiệu xuất hiện ở các đới Nyquist chẵn, nghĩa là phổ có tâm ở kFs – Fc với k = 1,2,3 … Đới Nyquist thứ hai tương ứng với k = 1 trong khi đó đới Nyquist thứ 4 và đới Nyquist thứ 6 tương ứng với k = 2 và k = 3

Hình 2 3: Tín hiệu tần số Nyquist ở F / 2

2.3.3.7 Lấy mẫu thông dải trong trường hợp tổng quát

Lấy mẫu thông dải có thể được sử dụng để chuyển một tín hiệu từ trung tần hoặc cao tần xuống dải tần trung tần thấp hơn Tín hiệu thông dải kết quả được lặp lại ở số nguyên lần của tần số lấy mẫu, do đó việc chọn bản sao phổ chính xác của tín hiệu thông dải ban đầu cho phép thực hiện sự đổi tần xuống Trong trường hợp

lý tưởng, một tín hiệu thông dải không có chứa các tần số dưới một tần số FL hoặc trên một tần số FU nào đó, nghĩa là băng thông tín hiệu hoặc kênh được định nghĩa bởi băng thông B = FU – FL

Gọi tần số trung tâm của tín hiệu hoặc kênh là Fc và Fc được định nghĩa bởi

Fc=Fu – B/2 = FL + B/2, khi đó, tần số lấy mẫu thông dải được chọn đối với tín hiệu trung tần có băng tần là bản sao chính xác của băng tần ở đới Nyquist đầu tiên sao cho:

C C

S

B F

2.4 Điều chế số

2.4.1 Tổng quan

Điều chế là quá trình mà trong đó có một đặc tính nào đó của sóng mang được thay đổi theo tín hiệu điều chế Nếu tín hiệu thông tin là tín hiệu liên tục thì ta

được các kiểu điều chế tương tự, nếu tín hiệu số ta có các kiểu điều chế số tương ứng Trong trường hợp điều chế M trạng thái tổng quát, bộ điều chế tạo ra một tập hợp M = 2m tùy theo tổ hợp m bit của luồng số liệu vào

Trong các hệ thống thông tin vệ tinh thì phổ biến nhất là sử dụng kỹ thuật điều chế khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying) bởi vì nó có ưu điểm là đường bao sóng là hằng số và so với kỹ thuật điều chế khóa dịch tần (Frequency Shift Keying) thì PSK có hiệu suất phổ tốt hơn (tức số bit/s được truyền trong một đơn vị

độ rộng dải tần vố tuyến) Các bộ điều chế PSK thường gặp là:

- Loại điều chế hai trạng thái (M = 2): khóa dịch pha nhị phân BPSK (Binary Phase Shift Keying) và khóa dịch pha nhị phân mã hóa vi phân DPSK

- Loại điều chế bốn trạng thái (M = 4): khóa dich pha cầu phương QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) và khóa dịch pha cầu phương mã hóa vi phân DE-QPSK

- Loại điều chế 8 trạng thái (M = 8): 8-PSK

- Loại điều chế 16 trạng thái (M = 16): 16-PSK

- Loại điều chế 32 trạng thái (M = 32): 32-PSK

2.4.2 Điều chế số hai trạng thái BPSK

Ở hệ thống BPSK tương quan, các ký hiệu 0 và 1 có tín hiệu điều chế là s1(t),

s2(t) Nếu sóng mang điều hòa có biên độ Ac do đó năng lượng của một bit là

Hình 2 4: Không gian tín hiệu của BPSK

Vây điều chế BPSK được đặc trưng bởi không gian tín hiệu một (N = 1) chiều với 2 điếm bản tin (M = 2) như ở hình 2.6

Để quyết định tín hiệu thu được là 0 hay 1 ta chia không gian tín hiệu thành 2 vùng:

- Vùng Z1: các điểm gần bản tin Eb nhất

- Vùng Z2: các điểm gần bản tin - Eb nhất

Xác suất lỗi mà khi phát ký hiệu 1 mà máy thu quyết định là 0 bằng: