Kỹ thuật thông tin vệ tinh và thiết kế trạm mặt đất

Kỹ thuật thông tin vệ tinh và thiết kế trạm mặt đất Kỹ thuật thông tin vệ tinh và thiết kế trạm mặt đất Kỹ thuật thông tin vệ tinh và thiết kế trạm mặt đất luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

-

LÊ ANH TUẤN

KỸ THUẬT THÔNG TIN VỆ TINH VÀ THIẾT KẾ TRẠM MẶT ĐẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2004

-

LÊ ANH TUẤN

KỸ THUẬT THÔNG TIN VỆ TINH VÀ THIẾT KẾ TRẠM MẶT ĐẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS ĐỖ HOÀNG TIẾN

Hà Nội - 2004

Lời nói đầu

Công nghệ thông tin vệ tinh đóng một vai trò rất quan trọng trong thông tin liên lạc Thông tin vệ tinh đảm bảo các kết nối giữa các lục địa, các quốc gia trong khu vực các vùng trong một quốc gia Thông tin vệ tinh rất đa dạng

về loại hình dịch vụ cung cấp (thoại, dữ liệu, hình ảnh, phát thanh- truyền hình, thông tin di động, định vị dẫn đ-ờng, khí t-ợng ) Một tuyến liên lạc vệ tinh có thể cung cấp dung l-ợng lớn có thể thay đổi theo nhu cầu với độ tin cậy cao, việc thiết lập tuyến cũng nhanh chóng

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin quang thì thông tin quang và thông tin vệ tinh trở thành hai ph-ơng thức chính đảm bảo các kết nối khu vực và quốc tế Hai ph-ơng thức này song song tồn tại và bổ trợ cho nhau Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi điện tử số, giá thành các thiết bị đầu cuối thông tin giảm trong khi các tính năng thì ngày càng đ-ợc bổ xung và hoàn thiện Các nhà sản xuất trên thế giới đang nỗ lực sản xuất các thiết bị thu phát tín hiệu vệ tinh cho gia đình có giá thành d-ới 300USD phục vụ cho các dịch vụ DTH (Direct to Home) t-ơng tác hai chiều

Đây sẽ là một trong những h-ớng phát triển chính của dịch vụ thông tin vệ tinh trong thế kỷ 21 này bên cạnh các dịch vụ truyền thống

Với sự h-ớng dẫn của TS Đỗ Hoàng Tiến tôi đã thực hiện luận văn với

đề tài “Kỹ thuật thông tin vệ tinh và thiết kế trạm mặt đất” Bản luận văn này

đề cập các kiến thức cơ bản của thông tin vệ tinh và thiết kế một trạm vệ tinh mặt đất cho Công ty Viễn thông Quân đội (Viettelsat-1) Nội dung của luận văn gồm:

Ch-ơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh

Ch-ơng 2: Một số ph-ơng pháp điều chế số dùng trong thông tin vệ tinh Ch-ơng 3: Mã Turbo

Ch-ơng 4: Tính toán đ-ờng truyền

Ch-ơng 5: Thiết kế trạm vệ tinh mặt đất Viettelsat-1

Tôi xin chân thành cảm ơn sự h-ớng dẫn tận tình của TS Đỗ Hoàng Tiến, ThS D-ơng Thanh Ph-ơng, các thầy cô giáo trong Trung tâm đào tạo và bồi d-ỡng sau đại học, Khoa Điện tử Viễn thông Tr-ờng Đại học Bách khoa Hà nội Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ, góp ý quý báu của các đồng nghiệp, bạn bè

để bản luận văn này đ-ợc hoàn thành Vì thời gian có hạn nên bản luận văn chắc chắn còn rất nhiều thiếu sót Tôi rất mong nhận đ-ợc sự chỉ bảo của các Thầy, Cô, đồng nghiệp, bạn bè để hoàn thiện các vấn đề đã nêu trong bản luận văn này

Hà nội, ngày tháng năm 2004

Ng-ời viết

Lê Anh Tuấn

Ch-ơng 1 Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh

1.1 Tại sao lại sử dụng thông tin vệ tinh:

Thông tin là một nhu cầu cơ bản của một xã hội phát triển Có nhiều ph-ơng thức truyền thông tin : hữu tuyến ( cáp đồng trục, cáp quang ), vô tuyến ( vi ba, vệ tinh ), Việc chọn ph-ơng thức truyền thông tin phụ thuộc vào loại dịch vụ, giá thành, độ tin cậy yêu cầu Cùng với sự phát triển của công nghệ chế tạo, phóng vệ tinh, các thiết bị viễn thông phạm vi sử dụng vệ tinh ngày càng mở rộng sang nhiều lĩnh vực: truyền số liệu, truyền hình, thông tin di động, định vị dẫn đ-ờng

Thông tin vệ tinh có những đặc điểm sau:

 Vùng phủ sóng lớn: với 3 vệ tinh địa tĩnh có thể phủ sóng toàn cầu

 Dung l-ợng thông tin lớn: do có băng tần công tác rộng và áp dụng

kỹ thuật sử dụng lại băng tần

 Độ tin cậy thông tin cao: tuyến thông tin chỉ có 3 trạm hai trạm đầu cuối mặt đất, vệ tinh đóng vai trò nh- trạm lặp xác suất lỗi do khí quyển và

do fading là không đáng kể Tỉ lệ lỗi bit có thể đạt 9

10

 Tính linh hoạt cao: hệ thông thông tin đ-ợc thiết lập nhanh chóng trong điều kiện các trạm ở mặt đất ở rất xa nhau, dung l-ợng thông tin có thể thay đổi theo yêu cầu

 Đa dạng về loại dịch vụ : có rất nhiều loại dịch vụ nh-:

+ Dịch vụ thoại, fax, telex cố định

+ Dịch vụ phát thanh truyền hình quảng bá

+ Dịch vụ định vị dẫn đ-ờng, cứu hộ

+ Dịch vụ thông tin di động

+ Dịch vụ khôi phục cáp

1.2 Quỹ đạo vệ tinh

Có ba loại quỹ đạo sau:

 Quỹ đạo địa tĩnh ( Geostationary orbit ):

Đây là quỹ đạo mà vệ tinh nằm tại một điểm t-ơng đối so với mặt đất

Vệ tinh có chu kỳ quay của trái đất Vệ tinh địa tĩnh có độ cao khoảng 36.000km trên đ-ờng xích đạo H-ớng quay của vệ tinh trùng với h-ớng quay của quả đất Vị trí cố định của vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh đ-ợc gọi là vị trí quỹ đạo Vị trí này đ-ợc xác định bằng kinh tuyến chứa vệ tinh Các vệ tinh của một quốc gia phải đ-ợc xác lập trên một cung quỹ đạo theo sự phân chia của chuẩn quốc tế Vị trí quỹ đạo của từng vệ tinh đ-ợc xác lập theo quy định của quốc gia

 Quỹ đạo nghiêng elíp (Elliptically incline orbit)

Đây là quỹ đạo đ-ợc sử dụng thành công bởi hệ thông Intersputnik cho

hệ thông viễn thông của Liên Xô cũ Chu kỳ quay của vệ tinh là 12h, trong đó 8h vệ tinh chuyển động chậm, trong thời gian này vệ tinh sẽ phủ sóng cho miền cực của trái đất Đặc điểm của quỹ đạo này là do chuyển động t-ơng đối của vệ tinh ở xa là rất nhỏ nên có thể thu đ-ợc tín hiệu liên tục với anten thu

cố định, trong khi đó anten trên vệ tinh phải đ-ợc điều chỉnh theo sự chuyển

động của vệ tinh

 Quỹ đạo cực tròn ( Circular polar orbit ):

Đây là quỹ đạo chỉ tồn tại trên lý thuyết, thực tế trong viễn thông không

sử dụng quỹ đạo này do khó khăn về mặt kỹ thuật, kinh tế

Quỹ đạo nghiêng elip

Quỹ đạo cực tròn

Quỹ đạo địa tĩnh

Satellite Satellite

Sự phân chia phủ sóng vùng dựa trên cơ sở ngôn ngữ hay địa lý (đất n-ớc) Vùng phủ sóng này đ-ợc tạo ra bởi một chùm sóng anten đơn hoặc nhiều chùm sóng nhỏ bao phủ vùng đ-ợc yêu cầu Phủ sóng vùng tạo ra để phát xạ năng l-ợng cho khách hàng nhằm đáp ứng các nhu cầu về ngôn ngữ và các vấn đề về chính trị ( sự đồng sắp xếp tần số, sự giới hạn nội dung) chùm sóng vùng cung cấp khả năng định h-ớng cao có thể đ-ợc sử dụng để tăng hiệu suất năng l-ợng của vệ tinh hay giảm chi phí của hệ thống trên mặt đất

Phủ sóng toàn cầu :

Vệ tinh phủ sóng toàn cầu cung cấp khả năng truyền dẫn trong vùng

đ-ợc tạo nên bởi nhiều miền (ngôn ngữ, chính trị) hay nhiều đất n-ớc ví dụ: vùng bao phủ của Pan European cung cấp cùng 1 nội dung dịch vụ cho tất cả các khách hàng ở nhiều đất n-ớc khác nhau trong Châu âu Chùm phủ sóng rộng bao phủ các n-ớc Châu âu cung cấp vùng phủ sóng cho Pan European Việc sử dụng nhiều chùm sóng bao phủ cũng có thể làm cho hiệu quả của hệ thống tăng lên Một ví dụ cho các chùm của vệ tinh Pan European đ-ợc chỉ ra trong hình 1.2:

Hình 1.2: Vùng phủ sóng của vệ tinh Pan European

1.3.2 Tăng c-ờng dung l-ợng của vệ tinh:

Khả năng của hệ thống vệ tinh đ-ợc tăng c-ờng bằng cách sử dụng băng thông khả dụng cao hơn tại các băng tần cao hơn (Ka, V) và thực hiện sử dụng lại tần số bao gồm tối -u hoá, đa dạng hoá các kế hoạch kênh truyền dẫn Số l-ợng và sự phức tạp của việc thực hiện các bộ phát đáp trên vệ tinh giới hạn sự tăng c-ờng dung l-ợng kênh truyền hệ thống Số l-ợng lớn nhất của các bộ phát đáp bị giới hạn bởi các khả năng(khối l-ợng, công suất, cỡ của vệ tinh) của loại tàu vũ trụ sử dụng để phóng vệ tinh

Sử dụng lại tần số:

Dung l-ợng của hệ thống sẽ tăng lên bằng cách sử dụng lại phổ tần cho phép nhờ tối -u hoá việc phân định tần số và việc phân cực trên tuyến liên lạc Nhiều b-ớc sóng bao phủ và đa dạng hoá kế hoạch tần số sẽ tăng c-ờng hơn nữa dung l-ợng hệ thống Các tần số đ-ợc sử dụng lại trong hệ thống cho vùng Châu á Thái Bình D-ơng đ-ợc minh hoạ trong hình 1.3

Hình 1.3a: Một chùm phủ sóng đơn Hình 1.3b: Nhiều chùm sóng

Có hai cách phủ sóng : Dùng 1 chùm sóng đơn rộng và 1 tập hợp các chùm sóng điểm Ví dụ 1 hệ thống sử dụng phân cực đôi và gồm 50 chùm

điểm lúc đó băng thông hiệu dụng thực chất đ-ợc tăng lên Sử dụng lại tần số

Số l-ợng bộ phát đáp t-ơng đ-ơng 36M là:

ENT = 12,5GHz/40MHz=310(bộ)

ESB:Effective System Bandwith

ENT:Equivalent Number Transponder

Kế hoạch phát đa tần số:

Kế hoạch phát đa tần số dùng cùng tần số cho nhiều phần khác nhau của vùng phủ sóng với các vị trí khác nhau Sự thực hiện những kĩ thuật này tăng c-ờng thêm dung l-ợng của hệ thống

Ví dụ :Bằng cách kết hợp ph-ơng pháp trên cho 1 vệ tinh( Sử dụng lại

và đa dạng hoá tần số ), dung l-ợng của hệ thống có thể tăng trên 58% 96%) sử dụng cùng 1 khe tần số chỉ định mà không cần thay đổi bất kì thiết bị mặt đất nào Hệ thống cung cấp dung l-ợng cao hơn trong 6 vùng với 6 thứ tiếng khác nhau Sự tăng dung l-ợng thực sự của hệ thống phụ thuộc vào khả năng của phần tải trọng không gian vệ tinh để cài đặt các phần cứng và cung cấp công suất hoạt động

(56-1.4 Băng tần của vệ tinh:

Để thực hiện đ-ợc liên lạc giữa mặt đất và vệ tinh thì 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 tần số nhỏ hơn 1GHz bị tiêu hao lớn do tầng điện ly, còn các sóng cao hơn 10GHz thì bị khí quyển, mây, m-a hấp thụ, chỉ có giới hạn từ 1 đến 10GHz là bị tiêu hao nhỏ nhất và được gọi là “cửa sổ vô tuyến” truyền các tín hiệu sóng vô tuyến trong dải này đ-ợc xem là truyền

sóng trong không gian tự do Thông tin vệ tinh cũng là một dạng truyền sóng trong không gian tự do Ng-ời ta chọn các dải tần trong khoảng 1 đến 30GHz

để đảm bảo thông tin vệ tinh

Để phân bổ tần số ng-ời ta chia thế giới ra 3 khu vực sau:

- Khu vực 1: bao gồm Châu Âu, Châu Phi, Trung Đông và Nga

- Khu vực 2: bao gồm các n-ớc Châu Mỹ

- Khu vực 3: bao gồm Châu á (trừ Trung Đông, Nga) và Châu Đại D-ơng

Tần số phân phối cho một loại dịch vụ nào đó có thể phụ thuộc vào khu vực Trong một khu vực một dịch vụ có thể đ-ợc dùng toàn bộ băng tần của khu vực này hoặc phải chia sẻ với các dịch vụ khác Các dịch vụ cố định sử dụng các băng tần sau:

- Tuyến lên: 5,725 đến 6,275GHz; tuyến xuống: 3,4 đến 3,9GHz Dùng trong hệ thống Intersputnik (Nga)

- Tuyến lên: 5,850 đến 7,075GHz; tuyến xuống: 3,4 đến 4,2 GHz hoặc 4,5 đến 4,8GHz Dùng cho các băng tần mở rộng do WARC phân định

- Băng X:

- Tuyến lên: 7,925 đến 8,425GHz; tuyến xuống: 7,25 đến 7,75GHz Dùng cho các vệ tinh thông tin của quân đội và chính phủ

- Băng Ka:

-Tuyến lên 27,5 đến 31GHz tuyến xuống 17,7 đến 21,2GHz Dùng cho các đề án nghiên cứu nh-ng chắc chắn sẽ đ-ợc dùng phổ biến trong t-ơng lai

Mỗi trạm vệ tinh đ-ợc phân phối cho một băng tần nhất định Trong thông tin vệ tin ng-ời ta th-ờng phân biệt các khái niệm băng tần nh- sau: Băng tần chiếm dụng(Occupied Bandwidth) BOCC, Băng tần danh định (Allocated Bandwidth) BALL, Băng tần tạp âm (Noise Bandwidth) BN, Băng tần phân tích (Resolution Bandwidth) BRES và băng tần công suất t-ơng

đ-ơng (Equivalent Power Bandwidth) BEqP

Băng tần danh định BALL là băng tần thực sự mà vệ tinh cung cấp cho trạm mặt đất Để đánh giá chất l-ợng sóng mang trong BALL ng-ời ta phải

đo công suất (dB) của nó tại một vị trí nào đó xác định bởi BRES Nếu lý t-ởng thì BRES=1Hz nh-ng trên thực tế BRES bằng khoảng 1% BALL

B OCC

B EqP

Hình 1.4 Các định nghĩa băng tần Các dải BALL của các trạm mặt đất đ-ợc đặt sát cạnh nhau cho nên giữa chúng phải có một khoảng bảo vệ nào đó nhằm tránh xuyên nhiễu Vì vậy thực sự các sóng mang chỉ làm việc với dải tần chiếm dụng BOCC nhỏ hơn

và nằm trong BALL BOCC đ-ợc xác định bằng khoảng băng tần giữa hai BRES sao cho giá trị công suất đỉnh lớn hơn công suất mỗi BRES tối thiểu 40dB Thông th-ờng thì BOCC có giá trị trong khoảng 1/1.1 đến 1/1.2 BALL

Với mỗi một giá trị BOCC nào đó các trạm mặt đất còn phải chịu sự qui định về mức công suất phát không đ-ợc lớn hơn một giá trị cực đại nhất định Bởi vì nếu một trạm phát công suất lớn quá thì các hài do nó sinh ra sẽ ảnh h-ởng nghiêm trọng đến các kênh lân cận có công suất nhỏ hơn Do vậy một trạm nếu muốn phát công suất lớn thì t-ơng đ-ơng với việc dải tần chiếm dụng của nó sẽ mở rộng ra Giá trị của BEqP đặc tr-ng cho sự t-ơng đ-ơng đó Theo hình vẽ ta thấy BEqP có mức công suất đỉnh thấp nh-ng độ rộng của nó tăng lên do vậy công suất cả dải của nó vẫn bằng công suất BOCC Ta thấy tuy chỉ phát công suất trong BOCC nh-ng trạm vẫn phải thuê cả dải BEqP vì vậy phần mở rộng của nó không thể cho các trạm khác trong mạng thuê đ-ợc nữa Do vậy các kỹ thuật truyền dẫn hiện nay đang cố gắng để làm cho BEqP bằng với BOCC dựa trên việc giảm mức công suất phát cần thiết của các trạm mặt đất Một trong những kỹ thuật

đ-ợc áp dụng để giảm công suất phát mà vẫn đảm bảo tỷ lệ BER là mã sửa lỗi tr-ớc FEC

Độ rộng dải tần BALL đ-ợc vệ tinh cung cấp cho các trạm mặt đất theo yêu cầu của từng trạm nh-ng bao giờ cũng phải bằng số lẻ lần của b-ớc 22,5KHz Qui định này nhằm làm cho quá trình phân bổ tần số đơn giản và thuận tiện nhất Nh-ng hiện nay với sự tiến bộ của kỹ thuật tốc độ các luồng ngày càng nhỏ hơn, chiếm dụng ít băng tần hơn cho phép linh hoạt hơn trong việc chia các b-ớc khác nhau cho BALL

1.5 Các ph-ơng pháp truy nhập vào vệ tinh:

1.5.1 Ph-ơng pháp truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)

Trong ph-ơng pháp này độ rộng băng tần ( th-ờng là 500MHz) đ-ợc chia nhỏ thành các phần gọi là các bộ phát đáp (Transponder) th-ờng là 36 hoặc 72 MHz Trạm mặt đất sẽ điều chỉnh tần số thu và phát sao cho bằng với tần số thu và phát của Transponder Các tín hiệu sẽ đ-ợc phát đi đồng thời nh-ng tại các tần số khác nhau, mỗi sóng mang sẽ chiếm một dải tần định tr-ớc t-ơng ứng với các Transponder

Có hai kiểu FDMA đ-ợc dùng là MCPC ( Multi Channel Per Carrier) và SCPC ( Single Channel Per Carrier )

1.5.2 Ph-ơng pháp truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)

Trong ph-ơng pháp này mỗi trạm mặt đất sẽ sử dụng vệ tinh trong một khoảng thời gian định tr-ớc gọi là khe thời gian (Time slot) có độ dài cố định Cần để ra khoảng thời gian trống ( thời gian bảo vệ) giữa các khe thời gian cạnh nhau sao cho các sóng mang phát từ nhiều trạm không lấn nhau trong bộ phát đáp Dựa trên cơ sở phân chia theo thời gian mỗi một trạm thu chỉ lấy ra những sóng mang của chính nó

Trong ph-ơng thức TDMA, mỗi một trạm mặt đất đ-ợc thiết kế sử dụng một khe thời gian riêng biệt ( dành riêng cho nó ) để phát l-u l-ợng

thông tin của mình d-ới dạng chuỗi bít số nằm trong một luồng bít số gọi là burst tín hiệu

1.5.3 Ph-ơng pháp truy nhập phân chia theo mã (CDMA)

Trong kỹ thuật CDMA mỗi trạm mặt đất sẽ phát cùng một lúc và cùng tại một tần số Để phân biệt, mỗi một trạm mặt đất có một mã riêng, mã này

đ-ợc sử dụng để mã hóa tín hiệu của chúng Các trạm mặt đất sẽ chuyển tín hiệu đến một trung tâm Trung tâm này có một số bộ thu mà chúng chỉ có thể khôi phục lại thông tin sử dụng mã thích hợp Tín hiệu sau khi đ-ợc khôi phục

sẽ đ-ợc chuyển đến đích đã định Hệ thống này đòi hỏi một số l-ợng lớn các

bộ thu trong bộ trung tâm Tuy nhiên trạm mặt đất có thể nhỏ và công suất thấp do đó giá thành có thể giảm

1.5.4 Ph-ơng pháp truy nhập phân chia theo yêu cầu (DAMA)

Hệ thống sử dụng ph-ơng thức này có độ linh hoạt cao, sử dụng Transponder trên vệ tinh có hiệu quả, đặc biệt với những vùng có dung l-ợng thấp Hệ thống truyền dung l-ợng thoại bằng việc phân định kênh cho mỗi cuộc gọi khi có nhu cầu tức là kênh thông tin chỉ đ-ợc thiết lập giữa hai trạm mặt đất trong thời gian thông tin với nhau Hệ thống có khả năng kết nối nội

bộ với cấu hình dạng hoàn toàn l-ới, một số thuê bao trong một vùng dịch vụ của một trạm mặt đất nào đó qua các kênh vệ tinh để thiết lập đ-ờng thông với các vùng dịch vụ của các trạm mặt đất khác.DAMA có nhiều ứng dụng trong mạng viễn thông và ngày nay càng đ-ợc sử dụng rộng rãi

Khi bắt đầu mỗi cuộc gọi thì trạm trung tâm chọn kênh vệ tinh và phân

định các bộ MODEM ở cả hai trung tâm đ-ờng trục có thuê bao gọi đi và thuê bao gọi đến để thực hiện thiết lập cuộc gọi tại các vị trí xa mỗi đ-ờng trục

đ-ợc nối với các bộ MODEM hoạt động theo ph-ơng thức SCPC và các bộ MODEM đ-ợc điều khiển tới các tần số sóng mang đ-ợc phân định bằng các lệnh từ bộ điều khiển phân định theo nhu cầu từ xa

Trung tâm điều khiển mạng DAMA đ-ợc xem nh- quan trọng nhất, nó

có máy điều khiển chủ MCC nối với MODEM kênh số liệu để liên lạc với các

bộ điều khiển phân định từ xa và MCC cũng đ-ợc nối với các MODEM thu phát thoại để thu tín hiệu báo hiệu Trung tâm điều khiển DAMA có chức năng chính là phân định các kênh vệ tinh cho các cuộc gọi mới Nó có thể thay đổi cấu hình hệ thống, giám sát chất l-ợng Khai thác tổng thể hệ thống thông qua ng-ời khai thác

Tuy vậy thời gian trễ truyền dẫn không d-ới 810ms vì vậy không kinh

tế khi dùng DAMA cho dịch vụ truyền số liệu Ví dụ truyền bản tin 8Kb trên thiết bị đầu cuối 2,048 Mbps chỉ hết 3,91 ms mà hệ thống phải tốn không d-ới

810 ms để thiết lập cuộc nối Nên sử dụng DAMA cho liên lạc điện thoại

1.6 Các dịch vụ cung cấp bởi thông tin vệ tinh:

Phạm vi phục vụ của thông tin vệ tinh rất rộng, nó có thể đảm bảo hầu hết các dịch vụ của thông tin viễn thông nh- cố định và di động Các loại dịch

vụ có thể đ-ợc vệ tinh cung cấp là:

- Điện thoại

- Điện báo

- Truyền số liệu và các dịch vụ kinh doanh mới

- Phát thanh truyền hình

- Các loại dịch vụ kết hợp (ISDN, Multimedia, Video conference)

- Các dịch vụ cứu hộ, cứu nạn, khẩn cấp, định vị dẫn đ-ờng

- Dịch vụ dự phòng, hỗ trợ cho các tuyến cáp backbone

- Các mục đích quân sự, viễn thám, khí t-ợng,

1.6.1 Dịch vụ thoại:

Đây là loại dịch vụ cơ bản nhất của mọi hệ thống thông tin nói chung và

vệ tinh nói riêng Tất cả các hệ thống vệ tinh quốc tế cũng nh- khu vực và nội hạt đều cung cấp dịch vụ thoại Các hệ thống thông tin vệ tinh quốc tế có chức năng đảm bảo các sóng mang thông tin công cộng giữa các châu lục và

các quốc gia Các sóng mang này sẽ đảm bảo liên kết thông tin giữa các mạng mặt đất nội hạt khác nhau cho phép kết nối các kênh thoại giữa các quốc gia

Do l-u l-ợng thông tin quốc tế là rất lớn nên nhìn chung các kênh thoại quốc

tế th-ờng đ-ợc ghép kênh vào các sóng mang (theo tần số FDM, theo thời gian TDM) Mỗi sóng mang có thể ghép đ-ợc 12 đến 972 kênh thoại t-ơng

tự có phổ tần 4KHz khi sử dụng chế độ FDM-FM Khi sử dụng các sóng mang số ghép kênh theo thời gian đặc biệt dùng kết hợp với thiết bị tích hợp kênh số thì số l-ợng kênh thoại đ-ợc ghép kênh trên mỗi sóng mang còn lớn hơn nhiều

1.6.2 Các dịch vụ điện báo:

Các kênh điện báo, truyền chữ tốc độ thấp (50 hoặc 75 baud) th-ờng

đ-ợc ghép vào một kênh thoại nhờ kỹ thuật ghép kênh theo tần số hoặc thời gian Tuỳ thuộc vào kỹ thuật ghép kênh mà một kênh thoại có thể ghép đ-ợc

46 kênh báo theo thời gian hoặc 24 kênh báo theo tần số (tốc độ 50 baud)

1.6.3 Dịch vụ phát thanh, truyền hình:

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của truyền hình số, các dịch vụ DTH (Direct to home) qua vệ tinh tận dụng đ-ợc những -u điểm vốn có của thông tin vệ tinh là vùng phủ sóng rộng, thiết bị đầu cuối rẻ và nhỏ gọn dễ triển khai, lắp đặt khi sử dụng băng tần Ku DTH là một trong những h-ớng phát triển dịch vụ truyền hình trả tiền bên cạnh các ch-ơng trình quảng bá của Đài Truyền hình Việt nam Thông tin vệ tinh cũng cung cấp các dịch vụ phát quảng bá cho phát thanh thông qua hệ thống VSAT, nơi mà phạm vi đảm bảo của hệ thống phát thanh mặt đất không đáp ứng đ-ợc có thể dùng các trạm remote VSAT thu và phát lại các ch-ơng trình của đài trung -ơng Mô hình này đang đ-ợc Đài Tiếng nói Việt nam áp dụng cho các đài phát địa ph-ơng ở các vùng xa, hải đảo

Dịch vụ vệ tinh cũng đáp ứng rất tốt cho các dịch vụ phát thanh truyền hình l-u động với các thiết bị nhỏ gọn có thể mang xách tay đ-ợc và triển khai rất nhanh

1.6.4 Dịch vụ truyền số liệu và các dịch vụ nghiệp vụ kinh doanh mới:

Do nhu cầu ngày càng cao của nền kinh tế hội nhập toàn cầu hoá nên

đòi hỏi phát triển nhiều loại dịch vụ thông tin nghiệp vụ phục vụ kinh doanh mới ứng dụng truyền dẫn số Các ứng dụng này dựa trên các thành tựu tiên tiến của công nghệ viễn thông và tin học, xử lý số tín hiệu Các thành tựu này th-ờng đ-ợc ứng dụng cho các dịch vụ kiểu Telematic, bao gồm:

- Phân chia dung l-ợng tính toán giữa các ph-ơng tiện (ví dụ giữa các máy tính tập trung hay phân tán)

- Thiết lập các đ-ờng thông tin tốc độ cao để đảm bảo sự trao đổi và chuyển mạch thông tin nhanh chóng giữa các chế độ chủ yếu của mạng xử lý

số liệu

- Cập nhật tức thời số liệu của một trung tâm xử lý phân tán

- Trao đổi giữa các ngân hàng dữ liệu

- Phát quảng bá tin tức và phân phối số liệu

- Mở rộng truyền dẫn Fax từ tốc độ thấp đến tốc độ cao dùng cho các ứng dụng nh- th- tín điện tử, in ấn từ xa

- Mở rộng các tiện nghi hội nghị từ xa, từ các hội nghị trợ giúp hình

ảnh đơn giản (64Kbps) tới các hình ảnh phức tạp (2Mbps) và hình ảnh đầy

đủ (34Mbps)

Có rất nhiều hệ thống cung cấp dịch vụ nghiệp vụ kinh doanh qua vệ tinh ra đời để đáp ứng cho những nhu cầu ngày càng cao trong lĩnh vực này, nh-: hệ thống IBS và Intelnet của Intelsat, hệ thống SMS của Eutelsat và các

hệ thống VSAT

và trong IBS, với tỷ lệ lỗi bit BER < 10-7

1.6.6 Các dịch vụ liên lạc, cứu trợ khẩn cấp, định vị dẫn đ-ờng:

Trong các thời gian có thiên tai, động đất chiến tranh, các ph-ơng tiện liên lạc trên mặt đất có thể bị phá huỷ hay quá tải thì thông tin vệ tinh có thể

đ-ợc triển khai một cách nhanh chóng, hiệu quả bằng các thiết bị có thể mang vác bằng tay, đáp ứng kịp thời các nhu cầu liên lạc khẩn cấp

Ngày nay hệ thống GPS rất phát triển có thể cung cấp thông tin chính xác, nhanh chóng về vị trí của các đối t-ợng cần xác định Hệ thống này đóng vai trò rất quan trọng trong các lĩnh vực an ninh quốc phòng và dân sự

1.6.7 Các dịch vụ hỗ trợ, dự phòng cho các tuyến cáp backbone:

Thông tin vệ tinh có thể đáp ứng đ-ợc nhu cầu về dung l-ợng lớn của các tuyến cáp backbone khi bị sự cố hoặc trong thời gian bảo hành sửa chữa

1.7 Cấu hình một hệ thống thông tin vệ tinh:

Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm hai phân hệ chính đó là: phân

hệ không gian và phân hệ mặt đất

1.7.1 Phân hệ không gian:

Phân hệ không gian bao gồm vệ tinh và tất cả các thiết bị phụ trợ cho hoạt động của vệ tinh nh- các trạm điều khiển và giám sát vệ tinh Các trung tâm này có nhiệm vụ bám sát, đo l-ờng từ xa và điều khiển (TT&C- Tracking Telemetry and Command) để giữ cho quỹ đạo vệ tinh luôn ổn định,

điều khiển phạm vi, h-ớng các chùm sóng của anten và kiểm tra giám sát các thông số hoạt động của vệ tinh nh-: nguồn điện, tình trạng nhiên liệu, nhiệt

n

F LO

Hình 1.5 : Phân hệ thông tin (payload) của vệ tinh

Anten: do đặc thù của vệ tinh nên các anten này phải có khối l-ợng

nhỏ, kích th-ớc khi phóng gọn nhẹ Có hai loại anten trên vệ tinh đó là anten dùng để đo xa, điều khiển (th-ờng dùng băng tần VHF) và anten thông tin dùng để nhận/ phát sóng vô tuyến từ/ về trạm mặt đất

Trong các thiết kế gần đây nhất cho vệ tinh băng rộng thế hệ mới, các nhà sản suất đã phát triển các loại anten trọng l-ợng nhỏ, kích th-ớc phản xạ khi triển khai lớn để cung cấp tính định h-ớng cao và có thể cung cấp nhiều chùm sóng bao phủ Tập đoàn TRW Astro Aerospace đã phát triển loại anten mặt phản xạ dạng l-ới, có đ-ờng kính khi triển khai từ 6 đến 30m với trọng

l-ợng khá nhỏ với mặt phản xạ có thể đ-ợc cấu trúc một cách đặc biệt cùng với ma trận feedhorn để đáp ứng các kiểu mẫu phủ sóng một cách linh hoạt và

độ định h-ớng cao, với nhiều chùm sóng

Hình 1.6 : Anten mặt phản xạ dạng l-ới

Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA-low noise amplifier): Đặt ngay sau

anten thu nhằm giảm sự suy hao của tín hiệu và tránh tạp âm gây ra bởi ống dẫn sóng Nhiệm vụ của bộ LNA là khuếch đại tín hiệu từ nền nhiễu lên đủ lớn mà không làm ảnh h-ởng chất l-ợng tín hiệu Bộ LNA đ-ợc làm lạnh bằng Nitrogen lỏng hoặc hiệu ứng nhiệt điện Peltier Hệ số phẩm chất G/T của

hệ thống phụ thuộc chủ yếu vào phẩm chất của anten và LNA

Bộ đổi tần (FC-frequency converter): Dùng biến đổi tần số thu đ-ợc

xuống tần số thấp hơn và phát xuống, đồng thời khuếch đại tín hiệu để bù suy hao của chính nó Có thể có 2 kiểu đổi tần là đổi một lần và đổi hai lần tuỳ thuộc vào số bộ dao động nội (LO) trên vệ tinh Đổi tần một lần có -u điểm là

đơn giản vì chỉ cần một bộ LO, nh-ng nh-ợc điểm của nó là dễ bị nhiễu lọt thẳng và phổ tần sau khi biến đổi bị đảo ng-ợc Đổi tần hai lần tuy có phức tạp hơn vì phải dùng tới hai bộ LO nh-ng lại khắc phục đ-ợc những nh-ợc điểm của ph-ơng pháp trên

Bộ khuếch đại tiền công suất PPA và bộ phân chia HYBRID: Bộ

PPA(Prior Power Amplifier) làm nhiệm vụ khuếch đại sơ bộ công suất tín hiệu đi ra từ bộ đổi tần để cung cấp cho các bộ phát đáp (transponder) Việc phân chia này do bộ HYBRID thực hiện, bộ HYBRID có n đầu ra t-ơng ứng với số transponder trên vệ tinh

Bộ MUX: Tr-ớc khi ra anten phát tín hiệu của các transponder ở các

băng tần con khác nhau phải đ-ợc ghép lại với nhau Yêu cầu ghép phải đảm bảo cho sự can nhiễu giữa các kênh vệ tinh là thấp nhất và mức công suất của chúng đồng đều nhau trong tín hiệu tổng hợp Có nhiều kỹ thuật đ-ợc áp dụng cho bộ MUX nh-ng thông dụng nhất vẫn là bộ CIRCULATOR

Các bộ phát đáp (Transponder): Một transponder gồm một loạt các

khối đ-ợc kết nối với nhau tạo ra một kênh thông tin giữa anten thu và anten phát Để xem xét một cách chi tiết cấu tạo của một transponder ta lấy ví dụ với băng tần C Băng thông của băng tần C là 500MHz đ-ợc chia ra làm nhiều băng con, mỗi băng cho một transponder Băng thông chuẩn cho một transponder là 36MHz và 4MHz cho khoảng bảo vệ tổng cộng là 40MHz vậy toàn bộ 500MHz đ-ợc chia làm 12 băng con Bằng cách sử dụng phân cực con

số này có thể tăng gấp đôi Ngoài ra với anten đa chùm có thể sử dụng lại tần

số, vì vậy băng tần thực 500MHz có thể đ-ợc sử dụng lại với băng tần hiệu dụng là 2000MHz

Wideband receiver

3,7-4,2GHz

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

3,720 3,760 3,800 3,840 3,880 3,920 3,960 4,000 4,040 4,080 4,120 4,160

Input demultiplexer

Output multiplexer Power

Gain Block

Centre Frequency GHz

Hình 1.7 : Các kênh cho transponder vệ tinh băng C

3dB coupler

0dB

Wideband receiver

Wideband receiver

De Multi plexer

Multi plexer

Attenuator Amplifier

Hình 1.8 : Cấu tạo một transponder trên vệ tinh và các mức năng l-ợng Mỗi một bộ khuyếch đại riêng rẽ cung cấp nguồn ra cho một kênh phát

đáp Nh- chỉ ra trên hình 1.8, mỗi một bộ khuyếch đại nguồn đ-ợc đặt tr-ớc

bởi một bộ suy giảm đầu vào Điều này cần thiết cho phép mỗi bộ khuyếch đại công suất có thể điều chỉnh mức công suất mong muốn Bộ suy giảm gồm có

bộ phận cố định và điều chỉnh đ-ợc Bộ phận cố định cần thiết cho việc cân bằng sự biến đổi đầu ra của bộ suy giảm vì vậy mỗi một kênh phát đáp có cùng một bộ suy giảm danh định (là giá trị của phần suy hao cố định) Sự điều chỉnh rất cần thiết trong suốt quá trình lắp ráp Bộ phận suy hao có thể biến

đổi cần cho việc thiết lập các mức khác nhau cho các loại dịch vụ khác nhau (một ví dụ cho lùi công suất sẽ đ-ợc thảo luận ở phần sau) Bởi vì sự điều chỉnh suy hao này là yêu cầu vận hành nên nó sẽ theo sự điều chỉnh của trạm

TT & C Đèn khuyếch đại sóng chạy (TWTA) đ-ợc sử dụng rộng rãi trong bộ phát đáp với cấu hình dự phòng 1:5 để cung cấp cho đầu ra yêu cầu truyền tới anten Hiện nay ng-ời ta dùng HPA bán dẫn SSPA

1.7.2 Phân hệ mặt đất:

Khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh khoảng 36000 Km xa hơn 700 lần so với các trạm chuyển tiếp trong hệ thống Viba mặt đất Do vậy, chúng ta phải có công nghệ thu tín hiệu rất nhỏ từ vệ tinh và phát công suất đủ lớn,

đồng thời phải đối phó với thời gian trễ Phân hệ mặt đất hay còn gọi là các trạm thu phát mặt đất bao gồm:

+ Anten thu phát và các thiết bị điều khiển, bám vệ tinh

+ ống dẫn sóng, các bộ chia cao tần và ghép công suất

+ Bộ thu tạp âm thấp, các bộ điều chế và giải điều chế

+ Các bộ đổi tần tuyến lên và tuyến xuống

+ Các bộ ghép kênh và giải ghép kênh

+ Bộ khuyếch đại công suất cao

LNA C

O M B I N E R

Satellite dish Satellite dish

Hình 1.9: Sơ đồ một tuyến liên lạc vệ tinh

* Khối MOD (Modulation): có nhiệm điều chế tín hiệu BB (Base band)

lên thành tín hiệu trung tần IF đồng thời nó có nhiệm vụ mã hoá kênh truyền

để chống lỗi

* Khối U/C (Up Converter): có nhiệm vụ đổi tín hiệu trung tần IF thành

tần số cao tần RF, nó biến đổi tín hiệu trung tần lên tần số các băng C, Ku tuỳ theo yêu cầu

* Khối Combiner: các tín hiệu đầu ra của các bộ biến đổi nâng tần đ-ợc

đ-a tới bộ Combiner ở đây chúng đ-ợc hợp lại thành một tín hiệu chung để

đ-a đến bộ khuyếch đại công suất cao (HPA) xuyên suốt hệ thống và đặc biệt tại điểm đó các trễ nhóm và các vấn đề tuyến tính có thể đ-ợc bù lại bằng cách sử dụng các mạch đặc biệt nh- bộ cân bằng

* Khối HPA (High Power Amplifier): có nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu

sóng mang cao tần RF có biên độ nhỏ đ-ợc cung cấp bởi thiết bị phát mặt đất thành tín hiệu hữu ích có công suất lớn Sau khi ra khỏi HPA tín hiệu sóng mang cao tần đ-ợc bức xạ bởi anten có hệ số tăng ích thích hợp để đảm bảo

công suất bức xạ của tín hiệu tới đ-ợc vệ tinh Các trạm mặt đất th-ờng dùng

bộ HPA có công suất ra từ vài chục W đến vài KW tuỳ theo dung l-ợng của trạm thông tin mặt đất Để khuyếch đại công suất ng-ời ta th-ờng dùng các thiết bị khuyếch đại chân không nh- đèn sóng chạy TWT (Travelling Wave Tube), đèn Klystron hay các thiết bị bán dẫn Đèn TWT có băng tần rộng hơn 500MHz nh-ng cấu tạo phức tạp, công suất tiêu thụ lớn Đèn Klystron có cấu tạo đơn giản, tiêu thụ nguồn ít nh-ng băng thông chỉ đạt 80MHz Hiện nay, trong các trạm mặt đất th-ờng dùng loại HPA SSPA vì nó có những -u điểm nổi bật so với TWTA và Klystron là hiệu suất cao, dịch pha nhỏ, đặc tuyến khuếch đại và pha tuyến tính hơn, trọng l-ợng nhỏ hơn, độ tin cậy cao và tuổi thọ lớn hơn

* Khối LNA (Low Noise Amplifier): có nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu

thu đ-ợc từ vệ tinh lên đủ lớn do tín hiệu thu đ-ợc th-ờng rất yếu (th-ờng khoảng –150dBw) trên nền tạp âm lớn Vì vậy khi khuyếch đại sẽ khuyếch

đại luôn cả tạp âm cho nên bộ LNA có một vai trò đặc biệt quan trọng trong trạm vệ tinh mặt đất vừa đảm bảo khuyếch đại tín hiệu lên mức đủ lớn vừa không làm giảm chất l-ợng tín hiệu LNA thông dụng th-ờng là các bộ khuyếch đại tham số và transistor tr-ờng

* Khối Divider : Mục đích của bộ Divider là để phân chia đầu ra từ

LNA đến các bộ biến đổi hạ tần

* Khối D/C (Down Converter): có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu cao tần

RF thu đ-ợc thành tín hiệu trung tần IF

* Khối DEM (Demodulation): có nhiệm vụ giải điều chế, giải mã hoá

kênh truyền thành tín hiệu BB (Base band)

* Anten: có nhiệm vụ bức xạ (thu) tín hiệu RF lên (từ) vệ tinh Đ-ờng

kính anten thu, phát của trạm mặt đất thông th-ờng có đ-ờng kính từ 0,6m

đến 30m tuỳ theo tiêu chuẩn từng loại trạm Hệ số khuyếch đại anten quy về

đầu vào máy thu kể cả suy hao do fiđơ đ-ợc tính theo công thức sau đây:

• D: đ-ờng kính anten tính theo mét

• : hiệu suất anten với giá trị từ 50% đến 70%

• : b-ớc sóng tín hiệu mà anten thu (phát)

• L fido: suy hao ống dẫn sóng

Intelsat đã phân loại các trạm vệ tinh mặt đất , đầu tiên dựa vào các đặc tính hoạt động của chúng Đặc tính hoạt động của chúng liên quan đến kích th-ớc của anten và tần số công tác băng C hoặc Ku Intelsat phân loại trạm từ

A đến Z cùng với các phân loại F1, F2 nh- bảng sau:

Tiêu chuẩn trạm mặt đất Kích th-ớc anten (m) Băng tần (GHz)

Ch-ơng 2

một số ph-ơng pháp Điều chế số dùng

trong thông tin vệ tinh

2.1 Giới thiệu

Tín hiệu truyền qua vệ tinh bị giới hạn bởi băng thông đồng thời phải

đảm bảo đ-ợc tỷ lệ lỗi cho phép Vì vậy để sử dụng một cách hiệu quả băng thông cần phải điều chế và mã hoá tín hiệu tr-ớc khi truyền Trong phần này

sẽ đi vào xem xét một số kiểu điều chế số th-ờng dùng trong thông tin vệ tinh: nh- BPSK, QPSK, 8PSK, 16 QAM đồng thời cũng xem xét ảnh h-ởng của các

bộ lọc đ-ợc sử dụng trong khi điều chế đến hiệu suất băng thông của một tín hiệu số

2.2 ảnh h-ởng của các bộ lọc:

Việc sử dụng các bộ lọc thông thấp hay thông dải trong các quá điều chế hay đổi tần là không thể tránh khỏi Một vài thành phần tần số của xung khi đi qua bộ lọc sẽ bị loại bỏ, kết quả là xung sẽ có các góc “tròn” thay vì là xung vuông Theo Nyquist thì nếu các xung đ-ợc truyền với tốc độ fS (b/s) chúng sẽ đạt giá trị biên độ đầy đủ nếu qua một bộ lọc thông thấp có băng thông fS/2(Hz) Đây là yêu cầu tối thiểu về bộ lọc để truyền xung mà không suy giảm chất l-ợng Băng thông truyền dẫn cần thiết phụ thuộc vào ph-ơng thức điều chế và tốc độ truyền theo công thức sau:

) ( 2

) 1 (

Hz

fm

B  

(2.1) Với fm =1/T là tốc độ truyền dẫn (baud); là độ dốc của đặc tuyến truyền dẫn

Đối với đ-ờng truyền vô tuyến ta có:

) ( 2 log

) 1 ( ) 1 (

M

fs fm

điều chế dữ liệu hữu hiệu nhất cho các ứng dụng truyền tin bằng vô tuyến, vì nó đảm bảo xác suất lỗi thấp nhất với một tín hiệu thu đã định khi đo trên một chu kỳ tín hiệu

Các tín hiệu để truyền tải thông tin đ-ợc chọn từ các pha khác nhau của một sóng mang Nếu để truyền từng bit một cần chọn ra hai trạng thái pha khác nhau, do tính đối xứng có thể thấy rằng nếu chọn ra hai trạng thái pha ng-ợc nhau là hợp lý nhất, khi đó ta có tín hiệu điều chế số 2PSK hay BPSK (Binary Phase Shift Keying) Nếu muốn truyền tổ hợp hai bit một cần có 4 trạng thái pha khác nhau, các trạng thái pha khác nhau của sóng mang sẽ đ-ợc chọn cách nhau 90 0 khi đó ta có điều chế số 4PSK hay QPSK (Quanternary Phase Shift Keying) T-ơng tự nếu cần truyền mỗi lần tổ hợp n bit nhị phân thì

cần có M trạng thái pha khác nhau với M = n

2 Các trạng thái pha của sóng

360 /M hay 2 /M, tín hiệu điều chế số

nh- vậy đ-ợc gọi là M-Ary-PSK (điều chế dịch pha M trạng thái hay điều chế dịch pha bậc M)

Ph-ơng trình tổng quát của tín hiệu điều chế PSK nh- sau:

S M PSK C 

(2.4)

Trong đó:

A:

C w

:

M:

+ Bit “0” tương ứng với pha sóng mang là 00

+ Bit “1” tương ứng với pha sóng mang là 1800

Biểu thức toán học của sóng mang: SBPSK(t)=A.d(t).cos(ct+)

Trong đó

d(t) là luồng bit nhị phân cần truyền, đ-ợc chuyển sang dạng NRZ với quy -ớc:

+d(t)=+1 nếu bit nhị phân có giá trị logic là “1”

+d(t)=-1 nếu bit nhị phân có giá trị logic là “0”

Để thuận tiện cho tính toán tín hiệu BPSK th-ờng đ-ợc xét bởi

Với Ps là công suất sóng mang Ta có: SBPSK(t)= 2 Psd(t).cos(ct)

Do vậy ta có sóng mang mã hóa bít “1” là: S1(t)= 2 Pscos(ct)

Sóng mang mã hoá bit “0” là: S0(t)= - 2 Pscos(ct) =

S1(t)= 2 Pscos(ct+) Nếu luồng d(t) có tốc độ bit là fb, chu kỳ của mỗi bit t-ơng ứng sẽ là:

Tb=1/fb, do vậy sóng mang sẽ dùng một năng l-ợng là Eb=PS.Tb để truyền tải mỗi bit

2.3.1.2 Sơ đồ khối bộ điều chế và dạng sóng tín hiệu BPSK

Bộ so sánh cơ 2

Hình 2.1: Sơ đồ khối và dạng sóng tín hiệu BPSK

2.3.1.3.Nguyên lý hoạt động:

Tín hiệu vào ở dạng NRZ đơn cực, tr-ớc khi đ-a tới đầu vào bộ trộn

đ-ợc đ-a qua bộ chuyển đổi sang mã NRZ l-ỡng cực ( mức -1 ứng với bit “0”, +1 ứng với bit “1”) Tín hiệu được đưa vào bộ trộn có dao động sóng mang

đ-ợc cung cấp bởi bộ dao động nội (LO) Mã l-ỡng cực sẽ tạo ra 2 trạng thái pha cho dao động sóng mang là 00 và 1800 Đầu ra của bộ trộn là sóng mang

đã đ-ợc điều chế BPSK

Nhìn vào dạng sóng BPSK ta thấy:

+ Điều chế BPSK có góc lệch pha giữa hai bit là 1800

+ ứng với mỗi thời điểm chuyển đổi pha luôn kèm theo chuyển đổi biên

độ trong một thời gian ngắn hay điều biên sinh ra khi thực hiện điều chế pha,

đây gọi là điều biên ký sinh Vì vấn đề này mà yêu cầu các thiết bị số phải

đ-ợc thiết kế sao cho truyền dẫn đ-ợc tín hiệu điều chế pha mà vẫn đảm bảo không gây ra méo pha

S M PSK C 

(2.5) Với điều chế QPSK ta truyền đi từng từ gồm n=2 bit do đó số trạng thái

S QPSK S C 

(2.6) Giá trị của i t-ơng ứng với pha của sóng mang là tổ hợp 2bit đ-ợc truyền cho bởi bảng sau ( với b e (t) và b o (t) là bit lẻ và bit chẵn trong symbol hay từ điều chế tách ra từ luồng sơ cấp d(t)) Giá trị của b e (t) và

).

( cos

).

( )

(t  P b t w t P b t w t 

Vector sóng mang đ-ợc phân tích thành hai thành phần một trên trục I

và một trên trục Q, b e (t) và b o (t) có dạng NRZ với mức xung ±1, trục I là trục trùng pha với sóng mang chuẩn cosw C t trục Q sẽ trùng pha với sin(w C t) Nếu tốc độ bit của luồng số d(t) là f b, hay thời gian của mỗi bit là T b, thời gian tồn tại của các bit lẻ và chẵn trong các luồng b e (t) và b o (t) sẽ là 2 T b, hay nói cách khác thời gian tồn tại của mỗi symbol là T S  2 T b Vậy sóng mang sẽ dùng một năng l-ợng; E S P S.T S P S 2 T b để truyền một truyền ký hiệu, còn năng l-ợng để truyền mỗi bit là: E b P S.T b E S/ 2

2.3.2.2.Sơ đồ khối và dạng sóng tín hiệu QPSK

QPSK

S P C

LO

90 °

BPS K

BPS K

d(t)

1 1 0 0

I

Q

Sơ đồ khối điều chế QPSK

1 1 -1 -1

Coswc.t

Sinwc.t

1 -1 -1 1

1 0 0 1 be(t)

2.3.2.3.Nguyên lý hoạt động

Đầu vào bộ biến đổi nối tiếp song song (SPC) là luồng số d(t) ở dạng mã NRZ đơn cực, đầu ra ta đ-ợc hai luồng số b e (t) và b o (t) có tốc độ bit giảm

đi 2 lần Mỗi luồng số đó nhận các bit xen kẽ ở luồng cơ sở d(t)

Hai luồng mới này đ-ợc đ-a vào bộ biến đổi mã NRZ đơn cực thành mã NRZ l-ỡng cực, rồi đ-a tới hai bộ trộn Mixer 1 và Mixer 2 đây cũng giống nh- 2 bộ điều chế BPSK Tại hai bộ trộn có các dao động sóng mang từ khối dao động nội (LO- Local Oscilator) đ-a tới, 2 sóng mang dẫn tới hai bộ trộn

90 là cosw C t và sinw C t Đầu ra bộ trộn ta đ-ợc tín hiệu 2PSK Cộng hai tín hiệu này ở bộ tổng, ta có sóng mang có góc pha là: /4, 3/4, 5/4, 7/4, đó chính là sóng mang đ-ợc điều chế QPSK (4PSK) Tín hiệu QPSK có độ dịch pha giữa hai trạng thái pha là 90 0, chính vì vậy kiểu điều chế này còn đ-ợc gọi là: Điều chế pha vuông góc QPSK

Điều chế QPSK cho ta tín hiệu giống 4QAM, chỉ khác là các chòm sao của QPSK có biên độ không đổi và di chuyển theo vòng tròn đơn vị còn các chòm sao của 4QAM không di chuyển theo vòng tròn đơn vị QPSK có hiệu suất băng thông gấp hai lần so với BPSK, nh-ng tần số truyền symbol lại bằng 1/2 của BPSK

2.3.3 Điều chế 8PSK

2.3.3.1.Biểu thức của 8PSK

Dựa vào công thức tổng quát của điều chế PSK, t-ơng tự nh- điều chế QPSK đã trình bày ở trên, với 8PSK ta có n = 3bit/symbol là số bit trên một symbol hay từ điều chế, do đó phải sử dụng bộ chia 3 đ-ờng song song (bộ chia modul 3) và số trạng thái pha của tín hiệu điều chế 8PSK ở đầu ra là M =

2 ) (

S PSK S C 

(2.8) Với i = 0, 1, 2, 3, 7;

Bảng các giá trị của i t-ơng ứng với tổ hợp 3 bit và pha của sóng mang:

LO

90 °

Đổi mức 2/4

Đổi mức 2/4

Đảo

DSB-SC MOD

DSB-SC MOD

t Sinw c

Chuỗi số liệu 2 mức d(t)

I

Q

Hình 2.3: Sơ đồ khối điều chế 8PSK Các mức tiếp theo của PSK từ 16PSK không đ-ợc dùng nhiều, thông dụng hơn là điều chế pha và biên độ kết hợp 16 QAM Bởi vì từ 16 trạng thái trở nên thì ph-ơng thức điều chế QAM cho khoảng cách giữa các symbol điều chế lớn hơn PSK cùng mức, do vậy tỷ số BER sẽ tốt hơn với cùng một công suất phát

2.3.3.3.Nguyên lý hoạt động

Chuỗi tín hiệu số nối tiếp d(t) đ-ợc biến đổi thành 3 luồng bit song song nhờ bộ đếm nhị phân chia modul 3, với tốc độ giảm đi 3 lần f b/ 3, sau đó đ-ợc chuyển thành tín hiệu số 4 mức nhờ bộ đổi mức, đầu ra bộ đổi mức là 1 trong

4 mức đ-a vào các bộ điều chế biên độ DSB-SC (2 biên nén sóng mang), các mức này tại đây đ-ợc nhân với dao động nội LO rồi cộng lại để tạo ra tín hiệu

điều chế 8PSK ở đây, có thể thấy 8PSK = QPSK + QPSK

Nh- vậy, mỗi trạng thái là một chòm sao gồm tổ hợp 3 bit, khoảng cách giữa các trạng thái pha là 0

45

2.3.4 Điều chế cầu ph-ơng 16QAM

Đây là ph-ơng thức điều chế kết hợp giữa điều chế biên độ ASK và điều chế pha PSK Trong ph-ơng thức điều chế này ng-ời ta thực hiện điều chế

90

(vuông pha trên 2 trục I, Q; một sóng mang sinw c t một sóng mang la cosw c t)

Số trạng thái pha trong điều chế này là M = L2 (L là số mức biên độ của mỗi sóng mang vuông góc) Tín hiệu điều chế QAM là tổng của hai sóng điều biên vuông góc này:

Vậy hai thông số biên độ và pha của sóng mang bị thay đổi đồng thời, tạo ra tín hiệu QAM

2.3.4.1.Điều chế nhiều mức (bộ chuyển mức biên độ)

Để đáp ứng yêu cầu thông tin số tốc độ cao, ng-ời ta phải tăng số trạng thái pha của dao động sóng mang Muốn có đ-ợc số trạng thái pha nhiều mà khoảng cách giữa các trạng thái pha lớn, ng-ời ta tăng số mức biên độ của số liệu tr-ớc khi đ-a vào bộ điều chế Để thấy rõ vấn đề này chúng ta xem xét mô hình chung bộ điều chế QAM đa mức (nhiều trạng thái hay M-Ary- QAM) nh- hình vẽ d-ới đây, với điều chế 4 mức nếu là 16QAM, 8 mức nếu là

điều chế 64QAM,

Bộ biến đổi nối tiếp song song

Điều chế PAM (bộ biến đổi mức)

Điều chế I/Q

+2 +1

-1 -2 0

Tín hiệu số Xung NRZ

M-QAM

16QAM

Hình 2.4: Sơ đồ tóm tắt bộ điều chế QAM đa mức

Với các bộ điều chế QAM nhiều trạng thái , thì tín hiệu số vào th-ờng

là xung NRZ có hai mức -1 và +1 logic phải đ-ợc đ-a qua bộ biến đổi nối tiếp thành song song dể tạo ra số luồng bit cần thiết tuỳ theo loại điều chế Sau đó tại hai nhánh I và Q thì tín hiệu 2 mức cần phải đ-ợc chuyển lên thành 4 hoặc

8 mức biên độ tuỳ theo kiểu điều chế Bộ biến đổi mức này chính là bộ điều chế biên độ xung PAM Công thức chuyển mức tổng quát:

*n bit vào bằng 2n mức ra

*Với 2 bit logic vào có 22 = 4 mức đầu ra

*Với 3 bit logic vào có 23 = 8 mức đầu ra

Ví dụ sơ đồ bộ chuyển mức từ 2 lên 4:

1 0 1 10

+100mV

0 -100mV

Hình 2.5: Bộ biến đổi mức2-4 Với số trạng thái cao QAM có công thức: L2 = M-QAM: số trạng thái pha sóng mang đã đ-ợc sau điều chế Trong đó: L là số mức biên độ của sóng mang trên mỗi trục I và Q

2.3.4.2.Bộ điều chế 16 QAM

*Sơ đồ khối và biểu đồ chòm sao:

S P C

LO

90 ° ASK

ASK d(t)

PAM 2/4

) (

S QAM

t Cosw c

Tổ hợp 4Bit

Biểu đồ chòm sao 16QAM

Hình 2.6: Sơ đồ khối và biểu đồ chòm sao 16QAM

2.3.4.3.Nguyên lý hoạt động:

Chuỗi số liệu nối tiếp đ-a qua bộ biến đổi nối tiếp thành song song, là một bộ đếm chia modul 4 tạo thành 4 luồng dữ liệu song song đ-a tới các bộ chuyển đổi mức từ 2 lên 4 mức biên độ, đ-a vào các bộ điều chế ASK tại mỗi nhánh I, Q, tại đây mỗi một mức lại đ-ợc nhân với sóng mang từ LO tới tạo ra sóng mang đã đ-ợc điều chế ASK bởi tín hiệu 4 mức biên độ Các tín hiệu sau

điều chế ASK đ-ợc cộng lại để tạo ra tín hiệu điều chế 16QAM theo công thức L2 =42=16 trạng thái biên độ và pha nh- trong biểu đồ không gian ở trên, với tổ hợp 4bit một tín hiệu

Mỗi chòm sao hay mỗi tín hiệu t-ơng ứng với một vector sóng mang có biên độ và pha riêng gồm tổ hợp 4bit Khoảng cách giữa các chòm sao (tổ hợp bit) xác định và tỷ lệ nghịch với tỷ số BER Với QAM khoảng cách này là :

là giống nhau (Ví dụ 16 PSK và 16 QAM) Đặc tính lỗi của bất kỳ hệ thống

điều chế số nào cũng quan hệ với khoảng cách giữa các điểm trong đồ thị chùm sao của tín hiệu Khi các trạng thái trở nên gần nhau, do có nhiễu tạp nên làm cho chúng định vị xung quanh điểm lý thuyết thay vì vị trí chính xác của các điểm này Do vậy khi số mức điều chế tăng lên ta đ-ợc lợi là hiệu suất

sử dụng băng thông tăng lên (theo công thức:

) ( 2 log

) 1 ( ) 1 (

M

fs fm

B    

) nh-ng phải trả giá là tỷ lệ thu lỗi tăng lên do định vị nhầm Nh- vậy để đảm bảo tỷ số lỗi nhất định mà muốn tăng số mức điều chế để tiết kiệm băng thông thì phải

t¨ng c«ng suÊt ph¸t (C/N) (xem h×nh 2.7) Lùa chän c¸c ph-¬ng ¸n ®iÒu chÕ ph¶i c©n nh¾c gi÷a hiÖu suÊt b¨ng th«ng vµ hiÖu suÊt n¨ng l-îng sao cho hiÖu qu¶ vµ hîp lý nhÊt

0 5

10 15 20 25 30 35

BPSK 4PSK

H×nh 2.7: HiÖu suÊt b¨ng th«ng lý thuyÕt so víi C/N víi c¸c kiÓu ®iÒu chÕ

kh¸c nhau (BER=10-6, WT=1,33)