Luận văn Cân bằng công suất – băng thông trong thông tin vệ tinh

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hoàng Vân CÂN BẰNG CÔNG SUẤT – BĂNG THÔNG TRONG THÔNG TIN VỆ TINH LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2010 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan bản luận văn “Cân bằng công suất băng thông trong thông tin vệ tinh” là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Bạch Gia Dương. Toàn bộ các kiến thức được trích lược từ các tài liệu được liệt kê đầy đủ và chi tiết. Cá nhân tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu có sai phạm quyền tác giả. Người làm cam đoan Hoàng Vân 3 MỤC LỤC Trang Mục lục 2 Danh mục hình vẽ, đồ thị 5 Danh mục các ký tự viết tắt 6 Mở đầu 8 Chương 1. Tổng quan về thông tin vệ tinh 1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin vệ tinh 11 1.2. Đặc điểm của thông tin vệ tinh 12 1.3 Một số vấn đề liên quan đến thông tin vệ tinh 13 1.3.1. Quỹ đạo 13 1.3.2. Tần số trong thông tin vệ tinh 15 1.3.3. Phân cực sóng 18 1.4. Hệ thống thông tin vệ tinh 19 1.5 Suy hao, tạp âm trong hệ thống thông tin vệ tinh 21 1.5.1. Các nguồn tạp âm 21 1.5.2 Các loại suy hao 22 1.6. Các phương pháp đa truy nhập trong thông tin vệ tinh 23 1.6.1. Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA 23 1.6.2. Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA 24 1.6.3. Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA 27 Chương 2. Truyền dẫn số trong thông tin vệ tinh 2.1 Ảnh hường của thiết bị trạm mặt đất đến tín hiệu số 29 2.1.1 Bộ khuếch đại công suất 30 2.1.2 Bộ khuếch đại tạp âm thấp 31 2.1.3 Bộ chuyển đổi tần số 32 2.2 Kỹ thuật điều chế và giải điều chế tín hiệu 33 2.2.1. Giới thiệu 33 2.2.2. Kỹ thuật điều chế tần số (FM) 34 2.2.3. Kỹ thuật giải điều chế sóng mang điều tần (FM) 34 2.2.4. Điều chế số 34 4 2.2.5. Kỹ thuật giải điều chế sóng mang PSK 35 2.3 Truyền dẫn tín hiệu số trên kênh thực tế 36 2.3.1 Khái niệm ISI 36 2.3.2. Các đặc tính lọc nhằm truyền dẫn không có ISI 36 2.3.3. Phân phối đặc tính lọc 42 2.3.4 Ảnh hưởng của bộ lọc cosine nâng đến băng thông tín hiệu 43 2.4. Méo tuyến tính 43 2.5 Méo phi tuyến 44 2.5.1 Các hiện tượng phi tuyến 44 2.5.2 Hài (Harmonic) 45 2.5.3. Điểm nén 1 dB 46 2.5.4 Điểm chặn bậc 3 - IP3 (Third Intercept Point) 47 2.5.5 Ảnh hưởng của IM3 đến băng thông 50 2.5.6 Một số phương pháp khắc phục méo phi tuyến 51 2.6 Mã hóa kênh 51 2.6.1 Các phương pháp điều khiển lỗi 52 2.6.2 Mã khối 53 2.6.3 Mã chập 54 2.6.4 Giải mã mã chập bằng thuật toán Viterbi 54 2.6.5 Mã Turbo 55 2.6.6 Đánh giá các loại mã 55 2.7 Tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến băng thông 56 Chương 3. Các hệ thức tuyến và cân bằng công suất – băng thông 3.1. Các mối quan hệ trong hệ thức tuyến 58 3.1.1. Đơn vị đo lường 58 3.1.2. Quan hệ sóng mang – nhiễu 60 5 3.1.3. Hệ thức tuyến 60 3.2. Hệ số tăng ích Anten (G-Gain) 61 3.3. Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) 61 3.4. Suy hao đường truyền 62 3.4.1. Suy hao trong không gian tự do 62 3.4.2. Khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh 63 3.5. Nhiệt tạp âm 63 3.6. Nhiệt tạp âm của Anten 64 3.6.1. Anten vệ tinh (tuyến lên) 64 3.6.2. Anten trạm mặt đất (tuyến xuống) 65 3.7. Nhiệt tạp âm của hệ thống 66 3.8. Hệ số phẩm chất (G/T) 67 3.9. Tỷ số sóng mang trên tạp âm (C/N) 67 3.10. Tổng tỷ số sóng mang trên tạp âm (C/TT) 68 3.11. Bộ phát đáp vệ tinh 68 3.11.1. Điểm hoạt động của bộ phát đáp 69 3.11.2. EIRP hoạt động của bộ phát đáp 69 Chương 4. Tính toán công suất tuyến 4.1 Mục đích của cân bằng công suất – băng thông 70 4.2 Tính toán thực tế 70 Chương 5. Thực nghiệm 5.1. Giới thiệu công nghệ mạch dải 78 5.2. Ma trận tán xạ 80 5.3. Thiết kế và mô phỏng bộ khuếch đại dùng JFET 80 Kết luận 90 Tài liệu tham khảo 93 6 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình vẽ Trang Hình 1.1: Truyền dẫn bằng vệ tinh 12 Hình 1.2: Các dạng quỹ đạo của vệ tinh 14 Hình 1.3: Quỹ đạo vệ tinh 15 Hình 1.4: Cửa sổ tần số 18 Hình 1.5: Các thành phần của một hệ thống vệ tinh thông tin 19 Hình 1.6: Các bộ phận của trạm mặt đất 20 Hình 1.7: Đa truy nhập theo tần số: FDMA 23 Hình 1.8: Hoạt động của mạng theo nguyên lý TDMA 24 Hình 1.9: Cấu trúc khung TDMA theo tiêu chuẩn INTELSAT 25 Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát của hệ thống truyền dẫn 29 Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống thông tin vệ tinh 30 Hình 2.3: Đặc tính không tuyến tính của bộ khuếch đại công suất 31 Hình 2.4: Nguyên lý bộ trộn 32 Hình 2.5: Bộ chuyển đổi đơn tần số lên 33 Hình 2.6: Nguyên lý của một bộ điều chế số 35 Hình 2.7: Mô hình hệ thống băng gốc với các tín hiệu xung PAM 36 Hình 2.8: Hình thành bộ lọc cosine nâng 38 Hình 2.9: Đáp ứng xung của bộ lọc cosine nâng 39 Hình 2.10: Đáp ứng xung của bộ lọc cosine nâng với 1 số giá trị của  40 Hình 2.11: Điểm nén 1dB 46 Hình 2.12: Gây méo tín hiệu bởi IM3 48 Hình 2.13: Xác định IP3 bằng đồ thị 48 Hình 2.14: Mối liên hệ giữa IP3 và IM3 50 Hình 2.15: Tổng quan các phương pháp điều khiển lỗi 52 Hình 2.16: Sơ đồ khối của mã Turbo 55 Hình 4.1: Sơ đồ tính toán đường truyền cho kênh thông tin 77 Hình 5.1. Các loại vi mạch dải 79 Hình 5.2: Sơ đồ nguyên lý 81 Hình 5.3: Cấu trúc nhánh 1 82 Hình 5.4: Kết quả mô phỏng tham số S11 83 Hình 5.5: Kết quả mô phỏng tham số S21 84 Hình 5.6: Kết quả mô phỏng tham số S22 85 Hình 5.7: Kết quả mô phỏng hệ số sóng đứng tương ứng S11 85 Hình 5.8: Kết quả mô phỏng hệ số sóng đứng tương ứng S22 86 Hình 5.9: Cấu trúc nhánh 2 86 Hình 5.10. Bộ khuếch đại cao tần dùng JFET 87 Hình 5.11: Đo đạc các tham số bằng máy phân tích mạng 88 Hình 5.12: Kết quả đo đạc tham số S11 88 Hình 5.13: Kết quả đo đạc tham số S21 89 7 DANH MỤC CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT Ký tự viết tắt Cụm từ Tiếng Anh Diễn giải ARQ Automatic Repeat reQuest Yêu cầu lặp tự động ATDE Adaptive Time Domain Equalizer Bộ cân bằng thích nghi AWGN Additive white Gaussian noise Nhiễu Gauss trắng BB Basic Band Băng tần cơ sở BER Bit error ratio Tỉ số lỗi bít BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế dịch mức pha nhị phân C/N Carrier/Noise Tỉ số sóng mang/tạp âm CCIR International Radio Consultative Committee Uỷ ban tư vấn quốc tế CDMA Code division multiple access Đa truy nhập theo mã D/C Down Converter Bộ đổi tần xuống DEM Demodulation Bộ giải điều chế DE-PSK Different Encode PSK Giải điều chế dịch mức pha DE-QPSK Different Encode QPSK Giải điều chế cầu phương DTH Direct to Home Truyền hình trực tiếp đến hộ gia đình EIRP Equivalent Isotropic Radiated Power CS bức xạ đẳng hướng tương đương FDMA Frequency Division Multiple access Đa truy nhập theo tần số FECC Forward Error Correction Coding Mã hóa sửa lỗi không phản hồi FET Field-effect transistor Transistor hiệu ứng trường HF High Frequency Cao tần HPA High Power Amplifier Khuếch đại công suất cao IBO Input Back Off Độ lùi đầu vào IBPD In-Band power difference Độ lệch băng thực tế so với hoàn hảo IM Intermodulation Biến điệu 8 IP3 Third Intercept Point Điểm chặn bậc 3 ISI InterSymbol Interference Xuyên nhiễu giữa các dấu ITU International Telecommunication Union Hiệp hội viễn thông quốc tế JFET Junction Field-effect transistor Transistor trường điều khiển bằng tiếp xúc N-P KPA Klystron Amplifier Bộ khuếch đại CS Klystron LNA Low noise Amplifier Khuếch đại tạp âm thấp MOD Modulation Bộ điều chế OBO Output Back Off Độ lùi đầu ra OFDM Orthogonal frequency- division multiplexing Điều chế đa sóng mang trực giao PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế xung biên PCB Printed circuit board Công nghệ chế tạo bảng mạch in PCM Pulse Code Modulation Điều chế xung mã PSK Phase Shift Keying Điều chế dịch mức pha QAM Quadrature amplitude modulation Điều chế cầu phương QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha trực giao QSA Quasi-static Approximation Xấp xỉ tĩnh lượng tử S/N Signal/Noise Tỉ số tín hiệu/tạp âm SDMA Space division Multiple access Đa truy nhập theo không gian SHF Super high Frequency Siêu tần số SSPA Solid State Power Amplifier Bộ khuếch đại CS dùng bán dẫn TDM Time division multiplexing Ghép kênh theo thời gian TDMA Time division multiple access Đa truy nhập theo thời gian TWTA Travelling Wave Tube Amplifier Bộ khuếch đại công suất ống sóng chạy U/C Up Converter Bộ đổi tần lên VHF Very high Frequency Siêu cao tần XPD X-polarization diversity Phân cực chéo 9 MỞ ĐẦU Ngày nay, thông tin vệ tinh đã trở thành một dịch vụ phổ thông trên toàn thế giới với các vệ tinh đĩa tĩnh của nhiều hệ thống, đặc biệt là 2 hệ thống Intelsat và Intersputnyk đã cung cấp hàng triệu kênh thoại, truyền hình, số liệu…kết nối hàng trăm quốc gia khác nhau. Ngoài ra các vệ tinh khu vực như: Eusat, Asiasat, Palapa… cung cấp các dịch vụ thoại cố định, phát thanh truyền hình, truyền số liệu, đảm bảo thông tin dẫn đường cho hàng không, cứu hộ hàng hải, thăm dò tài nguyên, đào tạo từ xa… đã đưa thông tin vệ tinh trở thành loại hình có thể cung cấp đa dạng nhiều loại dịch vụ nhất hiện nay. Năm 2008, vệ tinh đầu tiên của Việt Nam – Vinasat đã được đưa vào hoạt động, phục vụ mục đích thiết lập đường truyền dẫn quốc tế và xây dựng các mạng VSAT nội hạt. Trong bài toán xây dựng một hệ thống thông tin vệ tinh, khách hàng cần thuê đường truyền thường dựa trên cơ sở nhu cầu về dung lượng thực tế (Bps) với các điều kiện về chất lượng dịch vụ, còn các nhà cung cấp đường truyền vệ tinh sẽ quy về băng thông (Hz) và công suất tương ứng. Họ sẽ phải tính toán để đảm bảo tỷ lệ băng thông cho thuê trên mỗi transponder cân bằng với công suất bỏ ra tương ứng. Do phải trả tiền cho nhà cung cấp đường truyền về băng thông nên khách hàng sẽ có xu hướng sử dụng các thiết bị nâng cao khả năng tối ưu băng thông để tiết kiệm chi phí. Điều này sẽ đẩy các nhà cung cấp đường truyền vào bài toán cân bằng công suất để đạt được hiệu quả khai thác vệ tinh tốt nhất. Thực tế với sự phát triển công nghệ ngày nay thì các thiết bị trạm mặt đất được đổi mới và phát triển liên tục, còn vệ tinh phải chấp nhận “nằm im” trong suốt thời gian sống của nó trên không gian (15 năm). Vì vậy, cán cân công suất – băng thông đang ngày càng nghiêng về sự tiêu tốn của công suất, băng thông ngày càng tối ưu. Đối với các vệ tinh thế hệ cũ, vấn đề đảm bảo công suất là rất khó khăn và tốn kém. Nhà cung cấp đường truyền thường xuyên phải đối mặt với việc giới hạn công suất, đặc biệt cho các vùng có suy hao lớn do mưa và các suy hao bức xạ khác. Vì vậy, bài toán cân bằng công suất – băng thông là hết sức thiết thực đối với cả nhà cung cấp đường truyền và khách hàng. Các vệ tinh thế hệ mới - do công nghệ chế tạo ngày càng phát triển – đã có thể giảm khối lượng các bộ khuếch đại và điều khiển công suất đủ lớn theo yêu cầu, sẵn sàng phục vụ ở các miền tần số cao như dải tần Ka. Tuy nhiên, số lượng vệ 10 tinh ngày càng gia tăng, mật độ vệ tinh trên quỹ đạo ngày càng dày đặc nên để tránh can nhiễu giữa các hệ thống, ITU cũng ra các quy định về giới hạn công suất phát cho mỗi transponder. Chính vì vậy, việc tăng công suất phát vẫn là vấn đề cần hết sức cân nhắc và bài toán cân bằng công suất – băng thông vẫn rất có ý nghĩa về thực tế, kinh tế. Vì vậy, mục đích của luận văn này là phân tích các yếu tố tác động đến tín hiệu, một số biện pháp để khắc phục, nâng cao chất lượng và những ảnh hưởng của các biện pháp đó đến băng thông. Đồng thời cũng phân tích quá trình tính toán quỹ công suất để đạt được trạng thái cân bằng với băng thông chiếm dụng trên transponder. Trong luận văn cũng đưa ra ví dụ tính toán tuyến để chỉ ra việc cân băng này và nghiên cứu thực nghiệm thiết kế một bộ khuếch đại băng tần C tại tần số 5.5Ghz sử dụng công nghệ mạch dải siêu cao tần. Luận văn gồm 5 chương: Chương 1. Tổng quan về thông tin vệ tinh: Trình bày các đặc điểm, cấu trúc của hệ thống thông tin vệ tinh. Các vấn đề về tần số, quỹ đạo, phân cực, suy hao, nhiễu. Chương 1 cũng phân tích sơ lược về vấn đề đa truy nhập trong thông tin vệ tinh. Chương 2. Truyền dẫn số trong thông tin vệ tinh: Phân tích sự ảnh hưởng của các thiết bị trong hệ thống trạm mặt đất đến tín hiệu số. Các yếu tố gây méo trong truyền dẫn vô tuyến: méo tuyến tính và méo phi tuyến tương ứng các yếu tố ảnh hưởng đến băng thông: bộ lọc cosine nâng để chống ISI, bộ lọc mask để chống IM3. Chương 2 cũng trình bày một số loại mã hóa sử dụng trong thông tin vệ tinh và tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến băng thông tín hiệu. Chương 3. Các hệ thức tuyến và cân bằng công suất – băng thông: Trình bày các công thức tính toán tham số cho một tuyến thông tin vệ tinh. Chương 4. Tính toán công suất tuyến: Tính toán thiết lập đường truyền từ một trạm mặt đất Hà nội đến trạm đầu cuối Hồ chí Minh qua vệ tinh Vinasat. Chương 5: Thực nghiệm: Trên cơ sở nghiên cứu băng tần C, thiết kế thử nghiệm một bộ khuếch đại siêu cao tần sử dụng JFET có ý nghĩa quan trọng trong việc làm chủ kênh truyền với công suất phát cho trước. Vấn đề cân bằng công suất-băng thông không phải là vấn đề mới trong kỹ thuật. Tuy nhiên, trong thương mại, các khách hàng nhiều khi không đánh giá đúng tầm quan trọng của nó để có thể lựa chọn cấu hình phù hợp với yêu cầu của mình. Có thể vì mục tiêu lợi nhuận bằng cách tối giản chi phí thuê băng thông sẽ 11 dẫn đến suy giảm chất lượng nếu nhà cung cấp đường truyền vệ tinh không thể đáp ứng về công suất. Các tài liệu hiện nay cũng không phân tích sâu và có hệ thống về vấn đề này. Vì vậy, luận văn trình bày không tránh khỏi thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô và các bạn. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp và PGS.TS Bạch Gia Dương đã giành nhiều thời gian giúp đỡ, tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài này. 12 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH - Tháng 10 - 1957: Liên Xô phóng thành công vệ tinh nhân tạo đầu tiên Sputnik-1vào quỹ đạo quanh trái đất. . - Năm 1958: Bản tin chúc mừng giáng sinh của tổng thống Mỹ Eisenhower lần đầu tiên được phát quảng bá qua vệ tinh có tên là Score (Signal Communication by Orbitdio Equipment) - Năm 1960 - 1962: Một loạt các Vệ tinh như: ECHO, CURIER, TELSTAR, RELAY đã được phóng lên quỹ đạo có độ cao thấp (1000-8000 km). Lúc đầu, vệ tinh đưa vào sử dụng thuộc loại vệ tinh di chuyển so với mặt đất. Vệ tinh này có nhược điểm cơ bản là thời gian phủ sóng cho một trạm mặt đất ngắn, nó chỉ có thể thu, phát thông tin tối đa trong 4 giờ/ ngày và không liên tục. Để khắc phục nhược điểm này, người ta đưa vào sử dụng quỹ đạo địa tĩnh ở độ cao 36.000 km, cho phép vệ tinh duy trì vị trí cố định so với trái đất để thu tín hiệu một cách liên tục. - Năm 1963: Vệ tinh địa tĩnh đầu tiên Syncom bay ở độ cao 36.000 km đã truyền hình thế vận hội Olympic Tokyo từ Nhật sang Mỹ. - Năm 1964: Tổ chức quốc tế về thông tin vệ tinh ra đời, ban đầu có 19 thành viên có tên là Intelsat. Đến năm 1994, số nước thành viên của Intelsat lên đến 133 nước , trong đó có Việt Nam. - Năm 1971: thành lập tổ chức thông tin vệ tinh quốc tế mang tên INTERSPUTNIK tại Liên Xô. Đến năm 1991 đã có trên 40 quốc gia tham gia. - Năm 1979, thành lập tổ chức thông tin hàng hải quốc tê qua vệ tinh INMARSAT có trụ sở lại Anh, chuyên cung cấp dịch vụ thông tin vệ tinh thương mại hàng hải. Ngày nay, các công ty vệ tinh đã và đang phát triển rất mạnh như Intelsat, Inmarsat, Panamsat, Asiasat, Eurostar, Loral Skynet,… 13 1.2. ĐẶC ĐIỂM CỦA THÔNG TIN VỆ TINH Thông tin liên lạc nhờ chuyển tiếp qua vệ tinh, môi trường truyền sóng là không gian nó có các đặc điểm chính như:  Vùng phủ sóng lớn: Một vệ tinh có thể phủ sóng được một vùng rộng lớn, có nhiều phương thức phủ sóng có thể được sử dụng phù hợp với từng loại hình dịch vụ. Nếu sử dụng vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh có bán kính cách trái đất trung bình khoảng 36.000Km thì một vệ tinh có thể nhìn thấy 1/3 trái đất, như vậy chỉ với 3 vệ tinh có thể phủ sóng toàn cầu trừ vùng cực.  Dung lượng vệ tinh lớn: Với băng tần công tác rộng, nhờ áp dụng các kỹ thuật sử dụng lại băng tần nên hệ thống thông tin vệ tinh cho phép đạt tới dung lượng lớn trong một thời gian ngắn. Hình 1.1: Truyền dẫn bằng vệ tinh (a): Điểm – điểm, (b): Đa điểm  Độ tin cậy thông tin cao: Tuyến thông tin vệ tinh chỉ có 3 trạm trong đó vệ tinh chỉ đóng vai trò trạm lặp còn 2 trạm đầu cuối trên mặt đất do đó xác suất hư hỏng trên tuyến là rất thấp, độ tin cậy trung bình đạt 99,9% thời gian thông tin trong một năm, ngày nay người ta nâng cao chất lượng để đạt 99,99%.  Chất lượng thông tin cao: Đường thông tin có chất lượng cao do các ảnh hưởng nhiễu của khí quyển và Fading là không đáng kể. Tỷ lệ lỗi bit có thể đạt 10-9.  Tính linh hoạt của hệ thống thông tin vệ tinh cao: Hệ thống thông tin được thiết lập nhanh chóng trong điều kiện các trạm mặt đất ở rất xa nhau về mặt địa lý, dung lượng của nó có thể thay đổi rất linh hoạt tuỳ theo nhu cầu sử dụng. 14  Các loại hình dịch vụ mà hệ thống Thông tin vệ tinh có thể phục vụ là rất đa dạng như: - Dịch vụ thoại, truyền số liệu, Fax, telex... - Dịch vụ phát thanh, truyền hình quảng bá. - Dịch vụ thông tin di động qua vệ tinh. - Dịch vụ DAMA, VSAT, cứu hộ, định vị... 1.3 MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN THÔNG TIN VỆ TINH 1.3.1. Quỹ đạo Các quy luật cơ bản sau đây chi phối qũy đạo bay của Vệ Tinh xung quanh quả đất: 1. Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton: Lực hấp dẫn và lực ly tâm của một vật thể cân bằng nhau thì vật thể đó sẽ chuyển động tròn xung quanh quả đất với vận tốc không đổi . 2. Định luật thứ nhất của Kepler: Vệ tinh chuyển động vòng quanh quả đất theo một quỹ đạo hình Elip (hoặc quỹ đạo tròn khi bán trục lớn bằng bán trục bé) với tâm của quả đất trùng với một trong hai tiêu điểm của hình Elip đó. 3. Định luật thứ hai của Kepler: Một vật chuyển động theo quỹ đạo Elip có vận tốc giảm khi bán kính quỹ đạo tăng lên và có vận tốc tăng lên khi bán kính quỹ đạo giảm. Một vật chuyển động theo quỹ đạo tròn sẽ có vận tốc không thay đổi trong toàn quỹ đạo. 4. Định luật thứ 3 của Kepler: Bình phương chu kỳ quỹ đạo thì tỷ lệ với lập phương của bán kính quỹ đạo. Quỹ đạo vệ tinh là dạng đường mà Vệ Tinh chuyển động xung quanh quả đất. Có hai dạng Quỹ đạo là quỹ đạo Elip và quỹ đạo tròn. - Quỹ đạo Elip chỉ có dạng quỹ đạo Elip cao (HEO), độ nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo so với mặt phẳng xích đạo là 650, cận điểm là 1000 km và viễn điểm là 39.400km, chu kỳ quỹ đạo là 11 giờ 58 phút. - Dạng quỹ đạo tròn có thể có ba loại: Quỹ đạo thấp (LEO), quỹ đạo trung bình (MEO), Quỹ đạo cao (HEO) hay quỹ đạo đồng bộ khi vệ tinh bay ở độ cao 35.786 km, lúc đó chu kỳ bay của vệ tinh bằng chu kỳ tự quay của quả đất bằng 23 giờ 56 phút 04 giây. Trong quỹ đạo tròn lại có thể chia ra: 15 + Quỹ đạo cực tròn : Mặt phẳng quỹ đạo vuông góc với mặt phẳng xích đạo, nghĩa là mỗi vòng bay của Vệ Tinh sẽ đi qua hai cực quả đất. + Quỹ đạo tròn nghiêng : Khi mặt phẳng quỹ đạo nghiêng một góc nào đó so với mặt phẳng xích đạo. + Quỹ đạo xích đạo tròn : Khi mặt phẳng quỹ đạo trùng với mặt phẳng xích đạo . Trong quỹ đạo xích đạo tròn nếu chiều bay vệ tinh cùng chiều với chiều quay quả đất và có chu kỳ bằng chu kỳ quay của quả đất gọi là quỹ đạo địa tĩnh ( GEO). Hình 1.2: Các dạng quỹ đạo của vệ tinh. Đây là dạng quỹ đạo mà vệ tinh có tốc độ bay gần bằng tốc độ thiên văn của quả đất và được đặt ở độ cao xấp xỉ 36.000Km. ở độ cao này các lực tương tác lên vệ tinh bù trừ cho nhau nên vệ tinh được coi là đứng yên so với trái đất khi quan sát từ một vị trí cố định trên mặt đất. Dạng này rất thích hợp cho các vệ tinh thông tin. Nó có các đặc điểm sau: - Tốc độ bay trung bình của vệ tinh: 23 giờ, 56 phút, 04,09054 giây. - Độ cao của vệ tinh 35.786,04Km được tính từ vệ tinh đến điểm chiếu thẳng dưới vệ tinh trên xích đạo. - Bán kính của quỹ đạo vệ tinh: 42.164,20Km là khoảng cách từ tâm của quỹ đạo vệ tinh đến chu vi của nó. - Chiều quay vệ tinh cùng chiều quay theo trục Bắc-Nam của quả đất. - Tốc độ vệ tinh trên quỹ đạo : 3, 074662Km/giây - Độ dài của cung 1o: 735,904Km là chiều dài của cung tròn trên quỹ đạo vệ tinh khi có góc ở tâm là 1o. Quỹ đạo elip nghiêng Quỹ đạo cực tròn Quỹ đạo xích đạo tròn 16 - Thời gian trễ của đường truyền sóng hơn 270ms, là thời gian trung bình để truyền sóng vô tuyến từ một trạm mặt đất qua vệ tinh địa tĩnh đến trạm mặt đất khác. Từ một vị trí trong không gian vệ tinh địa tĩnh có thể phủ sóng được khoảng 42% bề mặt quả đất. Vì vậy chỉ cần có 3 vệ tinh đặt ở 3 vị trí cách đều nhau là có thể phủ sóng toàn bộ bề mặt quả đất. Hình 1.3: Quỹ đạo địa tĩnh Mặt phẳng của quỹ đạo trùng mặt phẳng xích đạo, cho nên tên của vệ tinh địa tĩnh nói chung thường lấy tên của kinh độ trực tiếp ở dưới vị trí điạ tĩnh của vệ tinh. Khoảng cách các vệ tinh thường là 3o đối với các vệ tinh thông tin quốc tế và thường là 1o đối với các vệ tinh thông tin nội địa. 1.3.2. Tần số trong thông tin vệ tinh a. Môi trường truyền sóng Trong thông tin vệ tinh môi trường để truyền lan năng lượng điện từ là vùng khí quyển bao quanh trái đất và vùng không gian tự do. Vùng khí quyển bao quanh trái đất là một hỗn hợp các chất khí, bụi và hơi nước. Nó phụ thuộc vào các điều kiện khí tượng, thời tiết và cường độ bức xạ mặt trời ảnh hưởng đến chất lượng và độ tin cậy khi truyền lan sóng điện từ trong khí quyển khi các yếu tố này thay đổi. Vùng khí quyển có thể chia thành 3 tầng: +Tầng điện ly. +Tầng bình lưu. +Tầng đối lưu. - Tầng đối lưu rải từ mặt đất đến độ cao khoảng 10Km. - Tầng bình lưu có độ cao từ giới hạn trên của tầng đối lưu đến khoảng 35Km. - Tầng điện ly là tầng trên cùng có giới hạn đến 400Km. Tầng này có mật độ khí quyển loãng dần, nhưng bức xạ mặt trời lại mạnh dần khi độ cao tăng. Do đó S1 S2 S3 Trái đất 17 mật độ điện tử và ion sẽ đạt giá trị cực đại ở độ cao trung bình, tại đó mật độ khí quyển đủ lớn và cường độ bức xạ đủ mạnh. Ban ngày tầng điện ly chia thành 3 lớp tính từ dưới lên được đặt tên là lớp D, E và F, trong đó lớp F lại được chia thành lớp F1 (lớp dưới) và F2 (lớp trên): Sự phân chia này chỉ mang tính chất tương đối vì nó luôn được thay đổi tuỳ theo vị trí của mặt trời. Vào lúc giữa trưa bức xạ chiếu thẳng vào tầng điện ly, kết quả là ion hóa cực đại. Vào ban đêm bức xạ và ion hoá cực tiểu bởi vì các lớp điện tử tái hợp lại với các ion dương, do đó các lớp D, E biến mất, lớp F1 và F2 kết hợp lại thành lớp F. Ngoài ra, chu kỳ hoạt động của mặt trời, bão mặt trời, sao băng, bức xạ vũ trụ và mùa trong năm cũng ảnh hưởng đến tầng điện ly. b. Băng tần thông tin vệ tinh Khi chọn băng tần cho thông tin vệ tinh người ta thường phải cân nhắc các yếu tố: can nhiễu, băng tần, các tham số đường truyền và công nghệ thiết bị sử dụng trong hệ thống... Các tần số lý tưởng đối với thông tin vệ tinh nằm trong cửa sổ tần số. Tuy nhiên băng tần sử dụng yêu cầu rất rộng không thể chứa đủ trong khoảng tần số của cửa sổ tần số. Do đó phải sử dụng các băng tần mới nhưng phải thăm dò cẩn thận. Chính vì vậy, hiện nay thông tin vệ tinh sử dụng các băng tần sau: Tên băng tần Tần số (GHz) Bước sóng (cm) Băng L+ UHF 0,390 - 1,661 76,9 – 18 Băng S 1,662 - 3,399 18 - 8,82 Băng C 3,4 - 7,075 8,82 - 4,14 Băng X 7,025 - 8,425 4,14 - 3,56 Băng Ku 10,9 - 18,1 2,75 - 1,66 Băng Ka 17,7 - 36 1,95 - 0,833 Trong đó các băng tần C, Ku và Ka đang được sử dụng rộng rãi. - Băng C: Nằm trong cửa sổ tần số ít suy hao do mưa, được sử dụng chung cho hệ thống Intelsat và các hệ thống khác như hệ thống vệ tinh khu vực và nhiều hệ thống vệ tinh nội địa. - Băng Ku : Băng này được sử dụng rộng rãi sau băng C cho viễn thông công cộng. Nó được dùng nhiều cho thông tin nội địa và thông tin giữa các công ty do tần số cao nên cho phép sử dụng được những anten loại nhỏ và sử dụng cho truyền hình trực tiếp đến hộ gia đình (DTH – Direct to home) 18 - Băng Ka: Được sử dụng cho thông tin thương mại, đa dịch vụ. Tuy nhiên nó sẽ bị suy hao lớn do mưa nên thiết bị có giá thành cao để khắc phục suy hao. Hiện nay các vệ tinh thông tin đang được sử dụng có băng thông 500MHz, nó được chia ra các băng nhỏ hơn như 36 hoặc 72 MHz, tương ứng băng thông của một bộ phát đáp (Transponder). Tuy có độ rộng 500MHz nhng nó rất hạn chế việc tăng dung lượng, vì vậy việc tăng độ rộng băng là cần thiết. Các kỹ thuật sử dụng lại băng tần cho phép nâng giá trị hiệu dụng của nó lên 2590MHz bằng một phương pháp sau: - Tái sử dụng tần số bằng cách phân biệt các chùm tia phát xạ từ anten. Các băng tần giống nhau được phát đi bằng các anten trên vệ tinh dùng các bộ phát đáp khác nhau có chùm tia thu và chùm tia phát không trùng nhau. - Tái sử dụng tần số bằng cách chọn phân cực: Các băng tần giống nhau được phát xạ do các anten thông qua các bộ phận phát đáp khác nhau sử dụng phân cực trực giao của các sóng điện từ. - Sử dụng các phương pháp đa truy nhập theo thời gian (TDMA) và đa truy nhập theo mã (CDMA). Việc phân định tần số được thực hiện theo điều lệ vô tuyến ở mỗi khu vực của ITU. Gồm 3 khu vực: - Khu vực 1: châu Âu, châu Phi, Liên xô cũ và các nước Đông Âu. - Khu vực 2: Các nước Bắc và Nam Mỹ - Khu vực 3: châu Á và châu Đại dương Sự phản xạ và truyền lan sóng điện từ trên mặt đất và khi qua tầng điện ly của các băng tần khác nhau - Các tần số thấp bị hấp thụ hoàn toàn. - Các tần số HF, VHF bị hấp thụ một phần và bị bẻ cong quỹ đạo nên không đến được vệ tinh. - Chỉ có tần số siêu cao SHF đến được vệ tinh, thực tế là ít bị ảnh hưởng của tầng điện ly. 19 Hình 1.4: Cửa sổ tần số Sóng ngắn (HF) bị hấp thụ năng lượng rất mạnh khi đi qua tầng điện ly, còn với sóng có tần số siêu cao thì bị suy hao mạnh khi truyền qua lớp khí quyển, qua mây mù và đặc biệt suy hao rất mạnh khi truyền qua vùng mưa. Trong thông tin vệ tinh dải tần từ 1 GHz đến 10 GHz có suy hao tương đối thấp và là giải tần tốt nhất cho thông tin vệ tinh, đã được CCIR khuyến nghị sử dụng cho thông tin vệ tinh. Dải tần này được gọi là cửa sổ tần số vô tuyến. Sóng điện từ trong dải 1 - 10GHz truyền trong vũ trụ được coi như truyền trong không gian tự do, do đó nó cho phép lập các đường truyền thông tin ổn định với chất lượng cao. 1.3.3. Phân cực sóng Một trong các phương pháp sử dụng có hiệu quả băng tần và bộ phát đáp của vệ tinh là phương pháp phân cực sóng. Phân cực sóng là hướng dao động điện trường của sóng vô tuyến điện khi đi qua môi trường truyền sóng theo một hướng nhất định. Có hai phân cực là phân cực tuyến tính và phân cực tròn. a) Phân cực tuyến tính: Có 2 loại là phân cực thẳng đứng và phân cực nằm ngang.  Phân cực thẳng đứng có thể được tạo ra bằng cách dẫn các tín hiệu từ một ống dẫn sóng hình chữ nhật đến một anten loa. Nhờ đó sóng được bức xạ theo kiểu phân cực thẳng đứng song song với cạnh đứng của anten loa. Để thu được sóng này anten thu cần phải bố trí giống tư thế của anten phía phát. Khi hai anten đặt vuông góc thì không thể thu được ngay cả khi sóng đi vào ống dẫn sóng, do đó cần phải điều chỉnh hướng của ống dẫn sóng anten thu sao cho song song với mặt phẳng phân cực của sóng đến.  Phân cực nằm ngang: cũng được tạo ra tương tự như phân cực thẳng đứng nhưng hướng sóng dịch đi một góc 90o. Cửa sổ vô tuyến H ấp thụ dB Tần số (GHz) Hấp thụ do tầng điện ly 0,5 1 5 10 50 1000 100 10 20 b) Phân cực tròn: Phân cực tròn là phân cực mà sóng trong khi truyền lan vừa tịnh tiến vừa quay tròn. Trường điện từ vừa di chuyển vừa quay, được xác định bởi trung tâm quay. Có thể tạo ra phân cực tròn bằng cách kết hợp 2 loại phân cực thẳng đứng và phân cực nằm ngang (hai phân cực vuông góc với nhau). Sóng phân cực tròn là phân cực phải hay trái phụ thuộc vào sự khác pha giữa các sóng phân cực thẳng là sớm pha hay muộn pha. Phân cực có thể quay theo chiều kim đồng hồ với tần số bằng tần số của sóng mang. - Phân cực quay theo chiều kim đồng hồ: APOL là phân cực ở đó đường lên có phân cực tròn phía tay trái (LHCP) và đường xuống có phân cực tròn phía tay phải (RHCP). - Phân cực quay theo chiều ngược kim đồng hồ: BPOL là phân cực ở đó đường lên có phân cực tròn phía tay phải (RHCP) và đường xuống có phân cực tròn phía tay trái (LHCP). 1.4. HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH Hệ thống thông tin vệ tinh được hình thành từ hai phần chính đó là phần không gian và phần mặt đất. Trạm điều khiển(TT & C) Phần không gian Tx Rx Đường lên Đường xuống Phần mặt đất Hình 1.5 Các thành phần của một hệ thống vệ tinh thông tin 21  Phần không gian: gồm có vệ tinh, các thiết bị thông tin trên vệ tinh, các thiết bị điều khiển và đo từ xa, các thiết bị cung cấp nguồn lấy từ năng lượng mặt trời. Trong hệ thống thông tin vệ tinh thì vệ tinh thông tin đóng vai trò là một trạm lặp tín hiệu của tuyến thông tin siêu cao tần.  Phần 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, máy thu tạp âm thấp và cac bộ điều chế, giải điều chế, các bộ đổi tần tuyến lên và tuyến xuống, bộ khuếch đại công suất cao (HPA) Đường liên lạc hệ thống thông tin vệ tinh được mô tả theo hình sau: Hình 1.6: Các bộ phận của trạm mặt đất BB: Băng tần cơ sở LNA: Bộ khuyếch đại tạp âm thấp MOD : Bộ điều chế D/C: Bộ đổi tần xuống U/C: Bộ đổi tần lên DEM: Bộ giải điều chế HPA: Bộ khuyếch đại Hoạt động của hệ thống thông tin vệ tinh như hình trên được mô tả như sau: - Tại đầu phát băng tần cơ sở (BB) như: Tín hiệu thoại, video, telex, facsimile... được điều chế lên thành tần số trung tâm tần IF sau đó được đổi lên cao tần RF nhờ bộ đổi tần tuyến lên U/C. Tín hiệu được khuyếch đại lên mức công suất cao nhờ bộ HPA và qua anten phát lên vệ tinh. - Tại đầu anten thu của vệ tinh, tín hiệu thu được qua bộ khuyếch đại, qua đổi tần từ tần số tuyến lên thành tần số của tuyến xuống, khuyếch đại công suất rồi phát xuống mặt đất nhờ anten phát. - Anten thu trạm mặt đất thu tín hiệu từ vệ tinh về, tín hiệu qua bộ khuyếch đại tạp âm thấp LNA, tần số siêu cao được biến đổi thành trung tần IF nhờ bộ D/C, sau đó qua bộ giải điều chế DEM để phục hồi lại băng tần cơ bản như ở trạm mặt đất phát. 22 - Đường hướng từ trạm mặt đất phát đến vệ tinh được gọi là đường lên (uplink) và đường hướng từ vệ tinh đến trạm mặt đất thu gọi là đường xuống (dowlink). Trong một băng tần, tần số của tuyến lên: fu bao giờ cũng lớn hơn tần số của tuyến xuống: fd để phân biệt tần số lên và tần số xuống tại các bộ phận đáp trên vệ tinh. Ví dụ: Hầu hết các tần số trong khoảng 6 GHz (băng C) và 14 GHz (băng Ku) được dùng cho tuyến lên và các tần số trong khoảng 4 GHz (băng C) và 11GHz (băng Ku) được dùng cho tuyến xuống. 1.5 SUY HAO, TẠP ÂM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH Tạp âm là những tín hiệu không mong muốn sinh ra khi luồng tín hiệu truyền qua môi trường truyền dẫn hay thiết bị, do đó làm giảm chất lượng tín hịêu thu, như: Làm giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) hoặc giảm tỷ số sóng mang trên tạp âm (C/N) hoặc làm tăng tỷ số lỗi bit (BER). Trên thực tế đối với các hệ thống thông tin khác thì tạp âm thường rất nhỏ so với tín hiệu có ích, nhưng trong thông tin vệ tinh thì tín hịêu thu được rất nhỏ sau khi phải truyền qua một khoảng cách truyền dẫn quá lớn ( 40.000km), trong khi đó tổng các nguồn gây ra tạp âm lại lớn, do đó C/N rất nhỏ. Vì vậy nghiên cứu tạp âm là cần thiết để khắc phục tạp âm. 1.5.1. Các nguồn tạp âm a) Tạp âm vũ trụ: Tạp âm vũ trụ hình thành do nhiễu bức xạ siêu cao tần từ các dải ngân hà, nhiễu do mặt trời hoạt động mạnh, phát xạ của mặt trăng ... tác động mạnh ở dải tần dưới 1 GHz. b) Tạp âm khí quyển: Khí quyển (oxy, nitơ, hơi nước, sương mù ...) hấp thụ năng lượng của sóng điện từ có bước sóng xấp xỉ bằng tần số dao động của các phần tử khí nói trên khi tràn qua nó, làm cho sóng điện từ suy yếu đi, tạp âm sinh ra từ đó. Trong điều kiện trời trong, nhiệt độ tạp âm tương đương là một hàm phụ thuộc vào góc ngẩng trong dải tần từ 400 MHz đến 40 GHz. c) Tạp âm do mưa: Sóng điện từ ở băng tần 1 GHz - 10 GHz chẳng những bị suy hao khi truyền qua mưa mà còn phải cộng thêm tạp âm do mưa gây nên. Đó là các bức xạ siêu cao của mưa, nhiệt độ nước mưa gây tạp âm nhiệt. Vì vậy cần phải tính năng lượng dự trữ. Khi đường truyền sóng xuất hiện mưa, sóng vô tuyến không những bị hấp thụ bởi các hạt mưa mà còn bị phân tán đi các hướng khác nhau. Như vậy sóng vô tuyến khi truyền qua vùng mưa bị suy hao đáng kể. Tín hiệu bị suy hao nhiều hay ít phụ thuộc vào tuyến truyền đi qua mưa dài hay ngắn, chiều cao của vùng mưa, tốc độ mưa, hình dạng hạt mưa... 23 Ngoài việc làm suy giảm tín hiệu, mưa còn làm tăng nhiệt độ tạp âm của hệ thống máy thu trạm mặt đất do hạt mưa cũng là phần tử bức xạ nhiệt. Điều đó làm giảm hệ số phẩm chất của trạm mặt đất. Việc đánh giá lượng tăng nhiệt độ tạp âm máy thu do mưa thường được đo thực tế. d) Tạp âm trái đất: Mặt đất có tác dụng phản xạ sóng điện từ đối với các búp sóng phụ của anten trạm mặt đất. Các búp sóng phụ này gây ra tạp âm ảnh hưởng trực tiếp từ mặt đất và tạp âm khí quyển phản xạ từ mặt đất. Nhiệt độ tạp âm do ảnh hưởng của trái đất khoảng từ 30K - 250K. e) Tạp âm giao thoa: Tạp âm giao thoa sinh ra do sự giao thoa sóng điện từ của trạm mặt đất thông tin vệ tinh với các trạm Viba trên mặt đất. Để đảm bảo thông tin cho các hệ thống này, CCIR qui định công suất giao thoa trung bình phải nhỏ hơn 1000pw trong một giờ bất kỳ. f) Tạp âm mặt trời: Được sinh ra khi mặt trời hoạt động mạnh theo các chu kỳ khác nhau và ảnh hưởng ở các mức độ khác nhau. Nếu trạm mặt đất nào ở vị trí nhìn thẳng mặt trời thì có thể mất liên lạc hoàn toàn vì bức xạ mặt trời quá lớn. 1.5.2 Các loại suy hao: a) Suy hao đường truyền: - Suy hao trong không gian tự do: là suy hao khi sóng điện từ truyền lan qua đường truyền sóng. Suy hao này phụ thuộc vào khoảng cách truyền sóng, tần số tín hiệu. - Suy hao do hấp thụ của môi trường truyền sóng. b) Suy hao feeder: Suy hao do tín hiệu truyền dẫn qua feeder nối giữa máy phát (hoặc máy thu) với anten và suy hao tại các điểm đấu nối. Suy hao này thường được cho trước bởi nhà sản xuất. c) Suy hao do lệch hướng: Suy hao do anten thu và anten phát lệch hướng nhau, tức là búp sóng chính của anten thu không hướng đúng chùm tia phát xạ từ búp sóng chính của anten phát. d) Suy hao lệch phân cực: Suy hao sinh ra do anten thu không hướng đúng hướng phát của sóng mang phân cực của phía phát hay do sóng mang phân cực bị xoay mặt phẳng phân cực do các tác động trên đường truyền sóng như: Phading, Faraday. 24 1.6. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY NHẬP TRONG THÔNG TIN VỆ TINH Đa truy nhập là một phương pháp để nhiều trạm mặt đất sử dụng chung cho bộ phát đáp. Thông tin chuyển tải giữa nhiều trạm mặt đất (tức là thiết lập nhiều tuyến liên lạc trạm - trạm) đồng thời được thực hiện trên cùng một kênh vệ tinh. Một cách tổng quát đa truy nhập trong thông tin vệ tinh được phân loại như sau: - Đa truy nhập chia theo tần số: FDMA - Đa truy nhập chia theo thời gian: TDMA - Đa truy nhập chia theo mã: CDMA - Đa truy nhập chia theo không gian: SDMA - Đa truy nhập ngẫu nhiên: Giao thức bất đồng bộ ALOHA, Giao thức theo yêu cầu DAMA, Giao thức dự trữ. 1.6.1. Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA FDMA là phương pháp trong đó băng thông bộ phát đáp sẽ được chia thành các băng tần con và mỗi băng tần con được ấn định cho một sóng mang. Với kiểu truy nhập này, các trạm mặt đất truy nhập bộ phát đáp một cách liên tục tại những sóng mang khác nhau. Để hạn chế nhiễu kênh lân cận giữa các sóng mang, cần phải có băng tần bảo vệ (Guard band) thích hợp giữa các sóng mang lân cận. Vệ tinh sau đó sẽ phát toàn bộ sóng mang thu được này trên đường xuống. Để máy thu của trạm mặt đất có thể thu được các sóng mang mong muốn, tại mỗi máy thu cần phải có các bộ lọc thông dải (Bandpass Filter) được hiệu chỉnh tại các băng tần con tương ứng. Hình 1.7: Đa truy nhập theo tần số: FDMA Nếu băng tần bảo vệ giữa các sóng mang lân cận lớn thì nhiễu kênh lân cận sẽ giảm và các bộ lọc thông dải tại máy thu trạm mặt đất không đòi hỏi hệ số phẩm chất cao nhưng ngược lại tài nguyên vệ tinh không được sử dụng hiệu qủa do số lượng trạm mặt đất được phép truy nhập bộ phát đáp ít đi. Nhiễu xuyên điều chế 25 đóng một vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ cũng như công suất vệ tinh. Do các bộ khuyếch đại công suất cao trên vệ tinh là các thiết bị phi tuyến, khi hoạt động ở chế độ đa sóng mang luôn yêu cầu có độ lùi đầu vào (input Backoff) và do vậy giảm công suất đầu ra của vệ tinh. Ưu điểm của FDMA là cấu hình các trạm mặt đất đơn giản, dễ khai thác. Tuy nhiên FDMA cũng có một số nhược điểm sau: -Không có tính linh hoạt trong trường hợp cấu hình lại hệ thống khi có các thay đổi về lưu lượng truyền dẫn. -Sử dụng băng thông và công suất bộ phát đáp không hiệu quả trong trường hợp số trạm truy nhập tăng. -Cần thiết phải điều chỉnh công suất của các trạm mặt đất trong mạng nhằm tránh hiện tượng chèn lấn sóng mang trong bộ phát đáp. 1.6.2. Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA TDMA là một phương thức truy nhập của thông tin vệ tinh nó hoàn toàn thích hợp cho các viễn thông số ở dạng gói, hệ thống thông tin quang, truyền hình số và các hoạt động của mạng máy tính dùng chung một cơ sở dữ liệu. Phương pháp truy nhập TDMA dựa trên việc phân chia thời gian sử dụng bộ phát đáp thành các khe thời gian, giữa các khe thời gian có các khoảng bảo vệ. Điều này hoàn toàn tương tự như trong FDMA chia toàn bộ băng tần ra thành các băng tần con mà giữa chúng có những khoảng dãn băng. Mật độ phổ công suất Tần số F Trạm phát Trạm thu Cùng tần số TB TF Hình 1.8. Hoạt động của mạng theo nguyên lý TDMA 26 Với công nghệ TDMA, tất cả các trạm mặt đất trong hệ thống đều sử dụng chung một tần số. Tuy nhiên tại một thời điểm xác định chỉ một trạm trong số các trạm của hệ thống được phép phát lưu lượng của nó lên vệ tinh và chiếm toàn bộ băng thông của bộ phát đáp đó. Lưu lượng truyền dẫn trong khoảng thời gian cho phép (Tburst) gọi là cụm tín hiệu (Burst). Tập hợp các Bust của các trạm mặt đất phát đi trong một chu kỳ tạo thành khung (Frame) có thời gian là TF. Để các Burst không chồng lấn nhau tại máy thu vệ tinh, cần thiết phải có khoảng thời gian bảo vệ (Guard time) giữa các Burst kế tiếp và đồng thời việc đồng bộ giữa các trạm mặt đất trong mạng là tối cần thiết. Kỹ thuật TDMA do vậy liên quan đến qúa trình tạo Burst, thu Burst và đồng bộ phát của các trạm mặt đất trong mạng. Hình 1.9. Cấu trúc khung TDMA theo chuẩn INTERSAT a) Qúa trình tạo Burst: Lưu lượng của trạm mặt đất tới các trạm mặt đất khác trong mạng trước hết được ghép kênh phân thời gian (TDM-Time Division Multiplex) để tạo luồng bit nhị phân liên tục với tốc độ RB và được lưu trữ vào bộ nhớ đệm để chờ tới thời điểm phát đi burst tín hiệu của mình. Cấu trúc chung của một burst tín hiệu bao gồm hai phần: Phần mào đầu (Overhead) và phần mang lưu lượng thông tin. Tại thời điểm được phép phát, trạm mặt đất phát Burst trong khoảng thời gian Tburst. Phần mào đầu bao gồm tất cả các thông tin cần thiết phục vụ cho mục đích tái tạo dữ liệu tại đầu thu và sự hoạt động của hệ RB1 TBa RB2 TBb Khung TDMA 2ms 120832 ký tự 64 ký tự CRC UW TTY SC VOW VOW CDC 176 24 8 8 32 32 8 Burst chuẩn CRC UW TTY SC VOW VOW Traffic 176 24 8 8 32 32 nx64 Burst lưu lượng Overhead RBi: Burst chuẩn của trạm chuẩn i TBx: Burst lưu lượng của trạm x UW: Từ mã riêng SC: Kênh dịch vụ mang thông tin quản lý mạng Điều chế QPSK 1 ký tự=2 bit, tốc độ bit=120Mbps CDC: Kênh trễ và điều khiển mang thông tin trễ để đồng bộ burst phát. TTY, WOW: Kênh telephone và telegraph nội bộ của các trạm 27 thống TDMA. Đối với các hệ thống TDMA khác nhau, các phần mào đầu có các trường con khác nhau nhưng chúng đều thực hiện các chức năng cơ bản sau: -Tái tạo xung định thời và bit sóng mang: Cho phép máy thu trạm mặt đất nhanh chóng tái tạo được sóng mang từ tín hiệu thu và tái tạo lại xung đồng hồ định thời thu nhằm đảm bảo tách sóng giữ pha một cách chính xác. -Từ mã đồng nhất: bao gồm một dãy bit đặc biệt cho phép các trạm thu và phát được đồng bộ một cách chính xác. -Kênh báo hiệu: các thông tin liên quan đến báo hiệu trong mạng và quản lý -Kênh nghiệp vụ: Phục vụ cho việc liên lạc giữa các trạm mặt đất với nhau. b) Quá trình thu Burst: Các trạm mặt đất trong mạng sẽ thu toàn bộ các Burst được phát từ vệ tinh. Đối với mỗi một Burst, máy thu trạm mặt đất sẽ xác định thông tin cần thu trong trường lưu lượng thông qua trường thông tin mào đầu và lưu các thông tin liên quan này bộ đệm với tốc độ của đường xuống. Dữ liệu sau đó được đọc ra với tốc độ Rburst. c) Đồng bộ: Đồng bộ trong mạng TDMA là một đòi hỏi nghiêm ngặt nhằm định vị đúng các burst tín hiệu TDMA ở phía phát cũng như tránh việc thu nhầm burst không liên quan ở phía thu. Để phục vụ cho mục đích đồng bộ và xác định thời điểm bắt đầu và kết thúc khung bằng cách sử dụng các Burst chuẩn (Reference Burst) được phát đi từ các trạm chuẩn (Reference Station). Burst chuẩn chỉ đơn thuần chứa trường thông tin mào đầu. Có hai phương pháp đồng bộ được sử dụng trong mạng TDMA là đồng bộ vòng kín (Closed-Loop Synchronization) và đồng bộ vòng mở (Open-Loop Synchronization). *Các đặc điểm của TDMA: Tại mỗi thời điểm, kênh vệ tinh chỉ khuếch đại một sóng mang và nó chiếm toàn bộ độ rộng băng của kênh do vậy không xuất hiện các thành phần điều chế tương hỗ và sóng mang được khuếch đại ở mức cao nhất (bão hòa) của kênh vệ tinh. TDMA cho phép sử dụng dung lượng kênh vệ tinh hiệu qủa hơn FDMA do khả năng thông của mạng vẫn đảm bảo khi số lượng trạm trong mạng tăng lên. Mạng TDMA không yêu cầu điều khiển công suất phát của các trạm trong mạng. Các trạm thu và phát trên cùng một tần số không cần quan tâm đó là burst tín hiệu gửi đi hay thu về trạm, do vậy việc điều chỉnh tần số rất đơn giản. Khi tăng số trạm hoặc tăng dung lượng của mạng, có thể dùng phần mềm điều khiển mà không cần phải thay đổi phần cứng. 28 Tuy nhiên TDMA có yêu cầu nghiêm ngặt về đồng bộ để đảm bảo sự hoạt động của toàn mạng. Và do độ thông dải của TDMA là lớn nên các trạm trong mạng thường có kích thước lớn, công suất phát của trạm mặt đất cao hơn so với hệ thống FDMA. Do vậy, giá thành thiết bị trạm của mạng TDMA cao hơn so với trường hợp mạng FDMA. 1.6.3. Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Trong phương thức đa truy nhập theo mã (CDMA) các trạm mặt đất sẽ truy nhập bộ phát đáp vệ tinh cùng một lúc và cùng một tần số. Để có thể phân biệt được các sóng mang với nhau, tại phía phát, mỗi bộ sóng mang sẽ được nhân với một mã nhận dạng đặc biệt. Mã nhận dạng này cho phép máy thu có thể tái tạo được sóng mang yêu cầu bằng cách nhân sóng mang thu được với chính mã nhận dạng của sóng mang đó. Để thỏa mãn yêu cầu trên, mã nhận dạng là một mã giả ngẫu nhiên có các tính chất sau: - Mã giả ngẫu nhiên là một bộ mã tuần hoàn với chu kỳ bằng 2r-1Tchip (trong đó r là số bit của thanh ghi dùng để tạo mã, Tchip là khoảng thời gian của một chip). - Số lượng chip “0” và chip “1” chênh nhau 1 đơn vị trong từ mã. -Hàm tạo mã phải có tính chất tự tương quan. Tín hiệu sau khi nhân với mã nhận dạng sẽ được trải rộng ra về mặt phổ tần chính vì thế mã nhận dạng được gọi là mã trải phổ và kỹ thuật CDMA dựa trên nguyên lý trải phổ tín hiệu (Spread Spectrum). Có 2 loại trải phổ được sử dụng trong CDMA là trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-Direct Sequence) và trải phổ nhảy tần (FH-Frequency Hopping). Nguyên lý đa truy nhập đạt được như sau: Tại phía phát các sóng mang sẽ được nhân với các mã trải phổ và đều được phát lên vệ tinh. Tại phía thu, các trạm mặt đất sẽ nhân các sóng mang thu được với bản sao mã trải phổ nên chỉ có sóng mang mong muốn được nén phổ lại, còn các sóng mang khác sẽ bị trải phổ một lần nữa và do vậy mật độ phổ công suất rất nhỏ. Để hệ thống CDMA hoạt động tốt yêu cầu phải có sự đồng bộ mã trải phổ tốt giữa máy phát và máy thu. *Ưu nhược điểm của CDMA đối với thông tin vệ tinh: CDMA có ưu điểm là tránh được nhiễu và méo, bảo mật tiếng nói cao và ít chịu ảnh hưởng của các thông số và đường truyền. Hoạt động của CDMA là đơn giản vì không cần tới sự đồng bộ trong việc truyền dẫn giữa các trạm. Điều này làm cho CDMA rất phù hợp với những mạng sử dụng các trạm mặt đất nhỏ với độ rộng búp anten lớn và đặc biệt là cho dịch vụ di động qua vệ tinh. 29 Tuy nhiên, khi khai thác CDMA trong môi trường thông tin vệ tinh thì khả năng thông của CDMA là thấp. Với một độ rộng băng lớn của phần không gian chỉ dùng được với hiệu suất thấp khiến cho tổng dung lượng mạng (của phần mặt đất) là thấp so với trường hợp dung lượng một sóng mang không trải phổ. Nói chung hiệu suất sử dụng độ rộng băng vệ tinh của CDMA là thấp so với các phương pháp đa truy nhập FDMA và TDMA. 30 CHƯƠNG 2 TRUYỀN DẪN SỐ TRONG THÔNG TIN VỆ TINH Thông tin vệ tinh là một trường hợp của truyền dẫn vô tuyến, nó cũng mang đầy đủ các tính chất và nguyên lý của một hệ thống truyền dẫn số. Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát của hệ thống truyến dẫn Một sơ đồ hệ thống truyền dẫn cơ bản như hình vẽ trên, nó bao gồm các thành phần: máy phát, máy thu, môi trường truyền. Nguồn tin mk ban đầu sau một loạt quá trình xử lí để đến nơi nhận. Tín hiệu nhận được là m’k. Như vậy, khi truyền trên kênh thực tế, dưới tác động của các loại nhiễu và méo, tín hiệu nhận được không hoàn toàn giống như tín hiệu phát đi. Các thành phần gây ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu bao gồm 2 yếu tố chính: - Suy hao đường truyền: tín hiệu bị tác động bởi các yếu tố tự nhiên - Suy hao từ chính các thiết bị: do chế tạo các bộ lọc chưa hoàn hảo, do nhiễu nhiệt Trong hệ thống thông tin vệ tinh, các thiết bị của trạm mặt đất cũng gây ra suy hao. Nguyên nhân của các suy hao đó chính là méo tín hiệu: méo tuyến tính và méo phi tuyến. Chúng ta sẽ phân tích một số yếu tố tác động đến chất lượng tín hiệu và một số phương pháp khắc phục. Các phương pháp này sẽ làm giảm được suy hao nhưng cũng sẽ gây ra các tác động đến công suất và băng thông tín hiệu. 2.1 ẢNH HƯỞNG CỦA THIẾT BỊ TRẠM MẶT ĐẤT ĐẾN TÍN HIỆU SỐ Từ sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin số, ta sẽ xem xét sơ đồ cụ thể của hệ thống thông tin vệ tinh như sau: Nguồn số Máy phát Kênh truyền Máy thu Nhận tin mk S(t) n(t) R(t) m’k 31 Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống thông tin vệ tinh Trong sơ đồ trên, các thành phần coding/de-coding, Mod/demod nằm trong thiết bị modem, U/C và D/C là thiết bị chuyển đổi tần số lên/xuống, HPA là bộ khuếch đại công suất cao, LNA là bộ khuếch đại tạp âm thấp. 2.1.1 Bộ khuếch đại công suất Để bù vào tổn hao truyền sóng lớn trong thông tin vệ tinh, đầu ra máy phát cần phải có công suất càng lớn càng tốt. Do vậy, trong hệ thống trạm mặt đất cần có bộ khuếch đại công suất cao (HPA – High Power Amplifier). So với các hệ thống vô tuyến trên mặt đất với khoảng cách giữa các trạm chỉ khoảng vài chục km nên công suất máy phát chỉ khoảng 1W, khoảng cách đó trong thông tin vệ tinh là trên 36,000km và băng tần khá lớn nên công suất có thể đến vài trăm hay vài nghìn W (cho trạm Hub có dung lượng lớn). Trong một số trường hợp, các bộ SSPA (Solid State Power Amplifier) với mức công suất khoảng 1-10W có thể được dùng cho trạm có dung lượng thấp (Ví dụ như VSAT). Có ba loại bộ khuếch đại công suất chính là bộ khuếch đại công suất Klystron - KPA (Klystron Amplifier), bộ khuếch đại công suất ống sóng chạy - TWTA (Travelling Wave Tube Amplifier) và bộ khuếch đại công suất transistor – SSPA (Solid State Power Amplifier). Bộ khuếch đại KPA có công suất ra từ vài trăm W đến vài KW (khoảng 5 KW), băng thông 60 – 80 MHz ở băng tần C và 80-100 MHz ở băng tần Ku. Bộ khuếch đại đèn sóng chạy TWTA có công suất ra từ vài trăm đến vài chục KW (3KW), băng thông 600 MHz ở băng tần C và 3 GHz ở băng tần Ka (tại tần số 30 GHz). Ưu điểm của bộ khuếch đại này là có thể tạo ra công suất rất lớn ở tần số rất cao (băng Ka) nhưng nhược điểm lớn nhất của nó là kích thước Nguồn số Coding Mod U/C HPA Đường truyền LNA D/C Demod De- coding Nhận tin Nhiễu 32 trọng lượng lớn, nguồn nuôi có điện áp rất cao (cỡ 10 KV) nên chỉ được dùng ở các trạm có dung lượng lớn (Ví dụ các trạm có tiêu chuẩn A của Intelsat) Bộ khuếch đại SSPA sử dụng transistor hiệu ứng trường. Giá trị công suất và tần số làm việc luôn tăng lên do sự phát triển của công nghệ. Để có mức công suất yêu cầu, các transistor được đấu song song với nhau ở các tầng đầu ra. Bộ khuếch đại Transistor đã được sử dụng làm việc ở băng C từ đầu những năm 1980 với công suất đạt được khoảng 10W để phụ trợ cho bộ khuếch đại ống. Kỹ thuật ngày nay đưa công suất đầu ra SSPA đạt được khoảng vài trăm W. Hình 2.3: Đặc tính không tuyến tính của bộ khuếch đại công suất Đặc thù của thông tin vệ tinh là suy hao đường truyền rất lớn do cự li truyền dẫn quá xa. Để chống lại việc suy giảm tín hiệu do suy hao, công suất máy phát cần phải lớn. Tuy nhiên, khi máy khuếch đại công suất cao sẽ gây ra méo phi tuyến. Để khắc phục điều này, ta có thể sử dụng bộ méo trước hoặc dùng độ lùi. Méo phi tuyến sẽ được phân tích chi tiết ở phần sau. 2.1.2 Bộ khuếch đại tạp âm thấp Sóng bức xạ từ vệ tinh bị hấp thụ rất lớn cho tới khi chúng tới mặt đất. Ví dụ, các sóng băng Ku bị yếu đi khoảng 1/1021 so với tín hiệu ban đầu, nếu thu bằng một anten đường kính 3.3m thì băng Ku mức thu được tăng lên khoảng 10 triệu lần. Tuy nhiên điều đó chưa đủ lớn. Do đó cần phải khuếch đại chúng lên một mức có thể giải điều chế được. Kỹ thuật bộ khuếch đại tạp âm thấp với “nhiệt tạp âm” thấp đóng vai trò rất quan trọng trong việc bảo đảm chất lượng tín hiệu. Theo định lý Nyquist, bình phương của điện áp xuất hiện trong các thiết bị có tính trở kháng theo công thức: Vn2 = 4KTRB Với K là hằng số Boltzmann = 1.374810-23W/oK/Hz T là nhiệt độ của thiết bị, tính theo đơn vị Kelvin R là điện trở, tính bằng Ohm Pout Pin 33 B là băng thông, đơn vị Hz Nếu coi N là công suất nhiễu, ta có : N = KTB (Watts). Công suất nhiễu này có thể xuất hiện tại đầu vào của mọi thiết bị có tính trở kháng. Cho trước băng thông, nếu nhiệt độ tương dương của các phần tử được biết thì công suất nhiễu phát ra cũng sẽ xác định được. Trong mọi bộ khuếch đại, tín hiệu tương ứng ở đầu vào sẽ phát ra nhiễu bằng KTB Watts (Ni), công suất nhiễu đầu ra (No) sẽ tăng lên nhiều lần do độ lợi bộ khuếch đại, cộng với nhiễu của chính bên trong hệ thống. Quan hệ No/Ni cho mỗi thiết bị được gọi là hệ số nhiễu (F). F = 1+Te/To và Te = (F-1)To Trong đó: Te là nhiệt độ tương đương, tạo ra nhiễu ở đầu vào To là nhiệt độ xung quanh (290oK) Bộ LNA có thể gây ra méo phi tuyến tại các phần tử khuếch đại, đồng thời các mạch lọc cũng sẽ gây ra méo phi tuyến. 2.1.3 Bộ chuyển đổi tần số Hình 2.4: Nguyên lí bộ trộn Yếu tố quan trọng nhất của chuyển đổi tần số là bộ trộn (mixer). Nó tạo ra các tần số bằng tổng và hiệu của hai tần số đầu vào (Hình 2.4). Trong bộ trộn, hai tín hiệu được trộn tồn tại đồng thời trong các thiết bị phi tuyến (các diode). Tính chất phi tuyến sẽ tạo ra các tín hiệu với tần số mong muốn bằng tổng hoặc hiệu của hai tín hiệu ban đầu, tuy nhiên nó cũng tạo ra nhiều tín hiệu khác. Vì vậy, ở đầu ra của bộ chuyển đổi tần số cần sử dụng bộ lọc để loại bỏ các hài không cần thiết. Bộ U/C chuyển tín hiệu IF (tần số trung gian) thành tín hiệu RF (ví dụ thành 6GHz hay 14GHz). Ngược lại, bộ D/C chuyển tín hiệu RF (ví dụ 4GHz hoặc 11-12GHz) thành tín hiệu RF. [( +), (+)] [( -), ( - )] (, ) (, ) Frequency Phase Mixer 34 Hình 2.5: Bộ chuyển đổi đơn tần số lên Trong khối chuyển đổi tần số, bộ trộn có thể gây ra méo phi tuyến, tuy nhiên do công nghệ chế tạo ngày càng hoàn hảo nên có thể bỏ qua. Các bộ lọc sử dụng trong khối này lại tạo ra ISI gây méo tuyến tính. 2.2 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU 2.2.1. Giới thiệu Điều chế tín hiệu là biến đổi tin tức cần truyền sang một dạng năng lượng mới có quy luật biến đổi theo tin tức và thích hợp với môi trường truyền dẫn. Quá trình điều chế là quá trình dùng tín hiệu tin tức để thay đổi một hay nhiều thông số của phương tiện mang tin. Phương tiện mang tin trong thông tin vệ tinh thường là sóng điện từ cao tần (RF). Việc điều chế phải đảm bảo sao cho tín hiệu ít bị can nhiễu nhất khi sóng mang đi qua môi trường trung gian. Người ta phân biệt hai loại điều chế đó là điều chế tương tự cho các tín hiệu tương tự và điều chế số cho các tín hiệu số. Đối với tín hiệu tương tự thì kiểu điều chế thường dùng trong thông tin vệ tinh là điều tần FM (dùng cho thoại, số liệu và truyền hình). Các phương pháp điều biên AM và điều biên pha QAM (điều chế cầu phương) rất ít dùng bởi khoảng cách truyền dẫn rất lớn của tuyến vệ tinh cùng với các tạp âm đường truyền sẽ làm cho biên độ sóng mang bị thay đổi rất mạnh gây nhiều khó khăn cho quá trình giải điều chế. Còn các kỹ thuật điều chế số dựa trên cơ sở dùng các biện pháp tải các dòng bít tin tức lên sóng mang. Tín hiệu ở băng gốc bao giờ cũng là tín hiệu tương tự nên chúng phải được chuyển thành tín hiệu số nhờ phương thức PCM (Pulse Code Modulation) trước khi đem điều chế. Kỹ thuật điều chế số được sử dụng trong thông tin vệ tinh thường là điều chế dịch mức pha PSK (Phase Shift Keying) và điều chế dịch mức pha vi sai DE-PSK (Different Encode PSK). Ưu điểm của kỹ thuật điều chế số là nó khai thác được các mặt mạnh của tín hiệu số so với tín hiệu 35 tương tự, ít bị can nhiễu của môi trường và dễ kết hợp với các quá trình xử lý như: mã hoá, bảo mật, chống lỗi, sửa lỗi… Nói chung, nguyên tắc của việc điều chế tín hiệu số và tín hiệu tương tự là giống nhau. 2.2.2. Kỹ thuật điều chế tần số (FM) Nguyên lý của kỹ thuật điều chế tần số (FM): giả sử v(t) là điện áp đại diện cho tín hiệu điều chế và f c là tần số sóng mang thông thường. Điều chế tần số (điều tần) kết hợp sự lệch tần số (di tần) của sóng mang ΔF(t) = f(t) – f c (độ lệch này tỷ lệ thuận với v(t)), với điện áp v(t) ta có: ΔF(t) = f(t) – f c =k FM .v(t) (Hz) Trong đó: - k FM (Hz/V) đặc trưng cho bộ điều chế. - f(t) (Hz) là tần số tín hiệu cần điều chế. Như vậy, sự biến đổi biên độ của điện thế v(t) đặc trưng cho tin tức cần truyền đi đã được tải lên sóng mang theo hàm ΔF(t). Khi truyền sóng sang trạm thu, bộ giải điều chế sẽ căn cứ vào đại lượng ΔF(t) để khôi phục tin tức ban đầu. 2.2.3. Kỹ thuật giải điều chế sóng mang điều tần (FM) Nguyên lý của kỹ thuật giải điều chế sóng mang (FM): sóng mang tại đầu vào bộ giải điều chế có một tỷ số tín hiệu trên tạp âm (C/N 0 ) T . Bộ giải điều chế nhận biết độ di tần tức thời ΔF(t) của sóng mang và khôi phục một điện áp u(t) sao cho: u(t) = σ FM .ΔF(t) (V) trong đó σ FM (V/Hz) đặc trưng cho bộ giải điều chế. 2.2.4. Điều chế số Hình 2.6. trình bày nguyên lý của một bộ điều chế. Nó bao gồm: - Một bộ tao ký tự. - Một bộ mã hoá. - Một bộ tạo tín hiệu (sóng mang) tần số vô tuyến. 36 Hình 2.6. Nguyên lý của một bộ điều chế số Bộ tạo ký tự tạo ra các ký tự với M trạng thái, trong đó M=2 m , từ m bit liên tiếp của dòng nhị phân đầu vào. Bộ mã hoá thiết lập một sự tương ứng giữa M trạng thái của các ký hiệu này và M trạng thái có thể có của sóng mang phát. Có hai loại mã hoá thông dụng: - Mã hoá trực tiếp - một trạng thái của ký tự xác định một trạng thái của sóng mang. - Mã hoá chuyển tiếp (mã hoá vi sai) - một trạng thái của ký tự xác định một chuyển tiếp giữa hai trạng thái kế tiếp nhau của sóng mang. Điều chế pha (khóa dịch pha PSK – Phase Shift Keying) đặc biệt thích hợp đối với các tuyến vệ tinh. Trong thực tế nó sử dụng lợi thế của một đường bao không đổi nên nó cung cấp hiệu quả phổ tốt hơn. 2.2.5. Kỹ thuật giải điều chế sóng mang PSK Vai trò của bộ giải điều chế là nhận biết pha (hoặc sự dịch pha) của sóng mang nhận được và từ đó suy ra giá trị các bit của dòng nhị phân được phát đi. Giải điều chế có thể là: - Nhất quán (coherent): bộ giải điều chế sử dụng tín hiệu chuẩn hình sin tại chỗ có cùng tần số và pha như sóng mang được điều chế tại máy phát. Bộ giải điều chế thông dịch pha của sóng mang thu được bằng việc đối chiếu nó với pha của tín hiệu chuẩn. Giải điều chế nhất quán cho phép dòng nhị phân được tái cấu trúc cho cả hai trường hợp mã hoá truyền dẫn - trực tiếp (BPSK và QPSK) và vi sai (DE-PSK và DE-QPSK). - Vi sai: bộ giải điều chế đối chiếu pha của sóng mang thu được trong thời gian truyền dẫn một ký tự và pha của nó trong thời gian của ký tự trước đó. Do vậy, bộ giải điều chế phát hiện được những biến đổi pha. Thông tin phía phát chỉ có thể được khôi phục nếu nó được chứa trong các biến đổi pha, điều chế vi sai luôn luôn kết hợp với mã hoá vi sai khi truyền dẫn. Bộ giải điều chế Bộ tạo ký tự kênh thứ m Bộ mã hóa Bộ tạo tín hiệu kênh M M=2m tín hiệu kênh Số liệu vào 37 2.3 TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU SỐ TRÊN KÊNH THỰC TẾ 2.3.1 Khái niệm ISI Băng tần vô tuyến, nhất là trong thông tin vệ tinh, là một tài nguyên quý và hiếm nên cần phải chia sẻ cho nhiều đối tượng cùng sử dụng. Để hạn chế phổ tần nhằm tăng số hệ thống có thể cùng công tác trên một băng sóng cho trước, người ta sử dụng các mạch lọc. Do vậy, hàm truyền tổng cộng của một hệ thống truyền dẫn số sẽ có đặc tính như một mạch lọc. Ở đầu ra, phổ tín hiệu thu được bị hạn chế bởi đặc tính lọc của hệ thống nên tín hiệu thu được của một symbol (chưa kể đến tạp âm) sẽ trải ra vô hạn về thời gian. Điều đó dẫn đến việc tại đầu thu của các symbol được truyền kế tiếp nhau sẽ chồng lấn lên nhau về thời gian va gây nhiễu lẫn cho nhau, hiện tượng này trong truyền dẫn tín hiệu số được gọi là xuyên nhiễu giữa các dấu (ISI: InterSymbol Interference). Sự tồn tại của các ISI có thể dẫn đến tín hiệu thu được bị méo rất lớn và tin tức có thể sẽ bị nhận sai tại thời điểm lấy mẫu t=kTs giá trị của tín hiệu thu được ở lối mạch ra lấy mẫu của máy thu theo sơ đồ máy thu lọc phối hợp chẳng hạn có thể vượt ngưỡng quyết định và tín hiệu sẽ bị quyết định nhầm. Vì vậy, các nghiên cứu để tránh suy giảm tín hiệu được tập trung nhiều vào cách khắc phục ISI. 2.3.2. Các đặc tính lọc nhằm truyền dẫn không có ISI [1] Ta sẽ xem xét tín hiệu băng gốc truyền qua hệ thống tương đương thông thấp qua mô hình cho trên hình vẽ 2.7. Tín hiệu từ nguồn gồm có M phần tử song chúng ta hạn chế chỉ khảo sát trường hợp khi các phần tử Si(t) của tập tín hiệu chỉ khác nhau về biên độ, tức là sẽ hạn chế chỉ xét hệ thống điều chế biên xung PAM (Pulse Amplitude Modulation). Thực tế hệ thống này có thể xem như gán cho mỗi một tin mk một hằng số ak mà biên độ của xung đầu ra của bộ tạo xung sẽ được nhân với nó. s(t) s’(t) ak Nguồn số Tạo xung Lọc phát Lọc thu Qu. định Nhận tin mk δ(t-KT) T(ω) n(t) R(ω) m’k Hình 2.7. Mô hình hệ thống băng gốc với các tín hiệu xung PAM 38 Giả sử bộ tạo xung cho các xung Dirac tại các thời điểm t=kTs. Các xung dạng Dirac này, có biên độ thay đổi tuỳ theo sự thay đổi của các giá trị mk qua bộ lọc T (ω) sẽ tới kênh truyền. Phần máy thu trên hình 2.7 là máy thu tối ưu thu lọc phối hợp, mạch quyết định thực hiện lấy mẫu và so ngưỡng. Hàm truyền tổng cộng của hệ thống (đặc tính tổng cộng của hệ thống) là tích của hai đặc tính của hai bộ lọc phát và thu C (ω) = T (ω).R (ω). Bây giờ chúng ta sẽ tìm kiếm lớp đặc tính lọc C(ω) sao cho việc truyền chuỗi tín hiệu qua hệ thống sẽ không có ISI. Việc truyền được coi là không có ISI nếu vào thời điểm quyết định tín hiệu (lấy mẫu) thứ k, chỉ có đáp ứng xung của tín hiệu thứ k là khác không còn đáp ứng của các tín hiệu khác (các tín hiệu trước và sau tín hiệu thứ k) đều bằng không. Theo định lý Nyquist, độ rộng băng truyền dẫn nhỏ nhất để có thể truyền được không méo tín hiệu băng gốc là B=1/2T. Độ rộng băng ở đây có nghĩa là giải tần ngoài nó giá trị hàm truyền đồng nhất bằng không. Tần số 1/2T được gọi là tần số Nyquist. Do vậy, chúng ta sẽ xét các đặc tính lọc có độ lọc thông tần tối thiểu là 1/2T (hay π/T tính theo tần số góc). Xét trường hợp C(ω) là đặc tính của bộ lọc thông thấp lý tưởng, tức là đáp tuyến pha của bộ lọc thì tuyến tính còn đáp tuyến biên độ |C (ω)| có dạng: Bộ lọc này có đáp ứng xung là: ot ottc  sin)(  Có giá trị cực đại bằng 1 tại t=0 và có giá trị bằng không tại t= kπ/ω0 Giả sử đầu vào bộ lọc lý tưởng này có tín hiệu được tạo bởi bộ tạo xung như trên hình 2.7 tức là có tín hiệu lối vào bộ lọc T (ω) được cho bởi     k kTtakts )()('  Trong trường hợp này, đáp ứng xung đầu ra sẽ không gây nên ISI nếu tần số cắt của bộ lọc là f0 = ω0/2π = 1/2T. Tuy vậy, không thể chế tạo bộ lọc lý tưởng trong thực tế, do đó cần tìm một lớp các bộ lọc có độ rộng băng thông lớn hơn 1/2T với đặc tuyến thoải ở hai biên (nhằm dễ chế tạo hơn) song cũng có các đáp ứng xung bằng không tại các thời điểm t=kT. Theo lý thuyết lấy mẫu, các bộ lọc có đặc tính C (ω) thoả mãn quan hệ: 1 ; 0 ≤|ω|≤ω0 0 ; |ω|>ω0 |C(ω)| = 39 Trong đó Ceq là đặc tính tương đương của bộ lọc, sẽ có các đáp ứng xung cắt các điểm không tại thời điểm t=nT, với n≠0. Đặc tính tương đương như trên được tạo ra bằng chia trục ω thành các đoạn có độ dài 2π/T và dịch các đoạn này có của hàm C (ω) đi từng đoạn ±π/T rồi lấy tổng trên tất cả các đoạn này. Tất cả các bộ lọc thoả mãn quan hệ trên đều được gọi là thoả mãn tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất và đều có đáp ứng xung có các giá trị bằng không tại các thời điểm t=nT (n≠0), do đó đều cho phép truyền chuỗi tín hiệu số PAM qua mà không có ISI. Trong đó các bộ lọc thoả mãn tiêu chuẩn Nyquist, các bộ lọc có độ rộng giải lớn hơn tần số Nyquist song nhỏ hơn 2 lần tần số Nyquist là đáng quan tâm hơn cả vì cho sử dụng phổ khá tốt. Để thoả mãn điều kiện trên các bộ lọc này cần phải có hàm truyền là tổng của hàm truyền bộ lọc lý tưởng với một hàm “làm cong” (roll-off) xác định trong khoảng (0,1/T), đối xứng tâm qua tần số1/2T. Kết quả là hàm truyền tổng cộng sẽ có dạng như trên hình 2.8c. Hình 2.8 Hình thành bộ lọc cosine nâng const T kCCeq k  )2(  |ω| ≤ π/T (a) Hàm truyền Nyquist lý tưởng (b) Hàm uốn Roll-off (c) Hàm truyền bộ lọc cosine nâng 40 Do đơn giản trong tính toán, hàm số làm cong dạng như cosine thường được sử dụng để phân tích các bộ lọc này. Hàm truyền tổng cộng khi đó có dạng: Và đáp ứng xung có dạng 222 /41 /cos./sin)( Tt Tt t Tttc       Trong đó α là hàm uốn (roll-off factor) và có giá trị trong giải [0,1]. Bộ lọc có đặc tính như trên được coi là bộ lọc cosine nâng (raised cosine filter) do phần biên của đặc tính tần số có dạng hàm cosine được nâng lên. α càng lớn thì phổ tần chiếm của tín hiệu càng lớn. Ta thấy, ngoài các điểm có giá trị bằng 0 như của bộ lọc Nyquist lý tưởng, đáp ứng xung của bộ lọc cosine nâng còn chứa cả 1 ; 0 ≤|ω|≤π(1-α)/T 0 ; |ω|>π(1+α)/T |C(ω)| = ½ {1- sin [T(ω-π/T)/2α]} ; π(1-α)/T≤ |ω|≤ π(1+α)/T Hình 2.9 Đáp ứng xung của bộ lọc cosine nâng 41 các điểm không khác. Khi α =0, bộ lọc cosine nâng trở thành bộ lọc Nyquist lý tưởng. Ta thấy rằng các bộ lọc lý tưởng hay các bộ lọc cosine nâng không thể thực hiện được trong thực tế vì đáp xung của chúng khác không cả với các giá trị t<0, điều này không thể có trong thực tế vì như thế có nghĩa là ngay cả khi chưa có tín hiệu đầu vào, đầu ra của bộ lọc đã có đáp ứng xung, tức là không thoả mãn quan hệ nhân-quả. Hình 2.10. Đáp ứng xung của bộ lọc cosine nâng với 1 số giá trị của α Tiếp theo, ta hãy chú ý rằng đáp ứng xung của bộ lọc Nyquist lý tưởng có biên độ (ở đây biên độ được hiểu là các giá trị cực đại của đường gợn sóng đáp ứng xung) chỉ giảm tuyến tính với sự gia tăng của t. Giả sử đầu vào của bộ lọc có chuỗi tín hiệu thì đáp ứng đầu ra sẽ nhận các giá trị bằng ak tại các thời điểm lấy mẫu/quyết định t=kT như mong muốn, tuy vậy tại các thời điểm khác thì tổng các giá trị mẫu của đáp ứng xung không bị ngăn chặn. Do vậy khi đồng bộ không tuyệt đối chính xác, tức là khi thời điểm quyết định (lấy mẫu) khác kT, tín hiệu lối ra của bộ lọc sẽ có thể có những giá trị rất lớn, tức là ISI rất lớn. Điều này có thể chứng minh được như sau. Tai thời điểm quyết định và lấy mẫu t0, nếu có sai lệch đồng bộ (t0≠kT) thì biên độ tín hiệu lối ra của bộ lọc sẽ là tổng của các giá trị c(t0-kT) với k chạy từ -∞ tới +∞ và có dạng Giá trị mẫu lối ra =      k kTtoo kTtoo )( )(sin   ~   k k 1 42 Chuỗi   k k 1 là chuỗi không hội tụ, tức là mẫu lối ra có thể có những giá trị cực lớn trong khi giá trị mong muốn lấy mẫu phải là ak (hữu hạn). Do đó, ta có thể kết luận được bộ lọc lý tưởng giá có thể chế tạo được cũng không thể ứng dụng trong thực tế nếu không bảo đảm được đồng bộ tuyệt đối. Đáp ứng xung của các bộ lọc cosine nâng và mọi bộ lọc làm cong có hàm truyền và đạo hàm hàm truyền liên tục thì có biên độ gợn sóng suy giảm theo luỹ thừa 3 của biến t. Do vậy, ngay cả khi đồng bộ không lý tưởng thì giá trị của đáp ứng xung đầu ra của các bộ lọc này, tương đương với chuỗi hội tụ   k k 32 11  , sẽ bị chặn. Do đó ISI sẽ nhỏ ngay cả khi đồng bộ không lý tưởng. Trong thực tế, các tín hiệu đầu vào modem không phải là các xung PAM mà là các tín hiệu có dạng sóng b(t) nào đó. Hàm dạng sóng b(t) có thể xem là đáp ứng xung của một mạch lọc với hàm truyền B(ω)=F{b(t)}, với F{.} là biến đổi Fourier. Khi đó bộ điều chế có thể xem như một bộ tạo xung Dirac (PAM) mắc nối tiếp với bộ lọc nói trên. Ta có thể thấy ngay điều kiện để truyền không có ISI là kênh phải có hàm truyền dạng C’(ω) = C(ω). 1/B(ω) Trong đó C(ω) là hàm truyền của bộ lọc cho phép truyền xung Dirac không có ISI. Giả sử bộ điều chế cho ra tín hiệu dạng sóng b(t) là các xung dạng NRZ có độ dài T, thì do phổ B(ω) của chúng có dạng sinx/x nên 1/B(ω) sẽ có dạng x/sinx. Nghĩa là để truyền không có ISI trong trường hợp này giữa bộ điều chế và bộ lọc phát phải mắc thêm một bộ lọc có hàm truyền dạng x/sinx. Các kết quả trên đây đối với việc truyền tín hiệu băng gốc có thể dễ dàng mở rộng cho các tín hiệu dải thông của trường hợp tín hiệu điều chế biên độ với tần số sóng mang ωc : đặc tính bộ lọc thông thấp thoả mãn tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất được dịch truc một cách đơn giản từ ω =0 lên ω =ωc do phép biến đổi trộn tần của hệ thống là biến đổi tuyến tính. Loại bộ lọc dải thông này, tương tự với bộ lọc thông thấp tương đương, sẽ không gây nên ISI vì phổ của tín hiệu điều chế biên độ thuần túy là phổ của tín hiệu băng gốc được dịch trục một cách tương ứng. Hơn thế nữa, bộ lọc dải thông này hiển nhiên có hàm truyền đối xứng qua ωc. Hệ quả là nó không tạo nên các thành phần vuông pha với tín hiệu đầu vào. Do vậy nếu tín hiệu đầu vào gồm các thành phần tín hiệu vuông pha, như tín hiệu QAM chẳng hạn, thì bộ lọc nói trên sẽ không gây ra xuyên nhiễu chéo (crosstalk) giữa các thành phần tín hiệu đó ở đầu ra. Như vậy, các bộ lọc 43 kiểu này sẽ cho phép truyền một cách lý tưởng đối với các tín hiệu QAM cũng như PSK, do tín hiệu PSK có thể xem như trường hợp riêng của tín hiệu QAM. 2.3.3. Phân phối đặc tính lọc Tiếp theo, ta sẽ nghiên cứu là cần phải phân phối đặc tính lọc tổng cộng của kênh truyền cho các bộ lọc phát và thu như thế nào. Đề đơn giản, ta chỉ xét cho trường hợp truyền tín hiệu PAM rồi mở rộng kết quả cho QAM một cách trực tiếp Để đạt được xác suất lỗi nhỏ nhất trong trường hợp có tạp âm AWGN, bộ lọc thu phải là bộ lọc phối hợp có đáp ứng xung r(t)=s(T-t) và hàm truyền: R(ω) = ejωT S*(ω) Trong đó S(ω) chính là phổ của tín hiệu đầu vào bộ lọc thu và là phổ của tín hiệu lối ra mạch lọc phát: S(ω)=T(ω) Và S*(ω) là liên hợp chính thức của S(ω) Hàm truyền tổng cộng của hệ thống tính từ đầu ra của bộ tạo xung: C(ω)=T(ω)R(ω) Từ đó ta có: C(ω) = |S|2 ejωT Từ biểu thức này ta thấy đáp ứng pha-tần của C(ω) phải tuyến tính và vừa để thu lọc phối hợp vừa không gây ra ISI ta phải có: |)(||)(|  CS  Trong đó như đã nêu ở trên, C(ω) là một hàm truyền thoả mãn tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất. Mở rộng đối với hệ thống M-QAM ta sẽ được kết quả như sau. Bộ điều chế QAM sẽ cho ra các tín hiệu dạng NRZ với biên độ thay đổi, do vậy để có được tín hiệu dạng xung Dirac ở lối vào của bộ lọc phát cần phải thêm vào giữa bộ điều chế và bộ lọc phát một mạch sửa dạng xung có đặc tính x/sinx. Phần kênh còn lại gồm bộ lọc phát T(ω) và bộ lọc thu R(ω), mà hàm truyền tổng cộng của chúng là T(ω)R(ω) phải thoả mãn tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất để truyền không có ISI, chẳng hạn thường là hàm truyền của bộ lọc cosine nâng. Vì |)(||)(||)(|  CRS  ,Ta thấy rằng phân bổ tối ưu đặc tính lọc sẽ là: |)(||)(||)(|  CTR  Tức là cả bộ lọc phát và bộ lọc thu đều có mô-đun hàm truyền như nhau, gọi là mô-đun hàm truyền của bộ lọc căn bậc hai cosine nâng (square-root raised cosine filter). [1] 44 2.3.4 Ảnh hưởng của bộ lọc cosine nâng đến băng thông tín hiệu Bộ lọc cosine ra đời kèm theo hệ số α – hệ số uốn lọc hay hệ số dạng phổ (roll- off factor) làm tăng băng thông thực tế W = W0 (1+α). Ta có thể thấy, nếu α càng lớn thì băng thông mở rộng càng nhiều. Ngược lại, nếu α nhỏ thì sẽ tiết kiệm được băng thông. Tuy nhiên, theo phân tích ở trên, đáp ứng xung đầu ra của bộ lọc cosine nâng tương đương với   k k 32 11  có chứa thành phần 2 1  nên khi α càng nhỏ thì   k k 32 11  càng lớn và đồng bộ đồng hồ đòi hỏi càng ngặt nghèo. α càng nhỏ thì bộ lọc càng tiến đến bộ lọc lý tưởng và điều này không dễ thực hiện trong thực tế sản xuất thiết bị. Theo lý thuyết: 0<α< 1, nhưng trong thực tế chế tạo, giá trị α sẽ nằm trong dải [0.2; 0.75]. Phổ biến hiện nay là 0.35 – 0.4. 2.4. MÉO TUYẾN TÍNH Méo tuyến tính là nguyên nhân chính gây ra ISI. Méo tuyến tính xuất hiện trong hệ thống vô tuyến số chủ yếu là do hai nguyên nhân chính. Thứ nhất, do các mạch lọc thu, phát của hệ thống chế tạo không lý tưởng. Như đã phân tích trong phần 2.1, trong hệ thống trạm mặt đất, các thiết bị modem, LNA, bộ đổi tần, bộ HPA đều tồn tại các mạch lọc và đều có thể gây ra méo tuyến tính. Thứ hai, và do đặc tính tần số của môi trường không bằng phẳng trên suốt độ rộng băng tín hiệu. Đó là các hiện tượng Pha-ding đa đường chọn lọc và do tiêu hao phụ thuộc tần số của khí quyển do sự hấp thụ của không khí và hơi nước. Méo tuyến tính có đặc tính không phụ thuộc vào biên độ tín hiệu được truyền và được đánh giá thông qua sai lệch giữa đặc tính biên độ/ tần số hay đặc tính pha-tần của hàm truyền tổng cộng của hệ thống so với đặc tính thiết kế nhằm triệt tiêu ISI trong quá trình truyền dẫn tín hiệu số. [1] Để khắc phục và hạn chế méo tuyến tính, các phương pháp sau đây đã được đề xuất và sử dụng: 1. Sử dụng các bộ cân bằng thích nghi ATDE (Adaptive Time Domain Equalizer) - Mạch san bằng thích nghi trên miền thời gian. Hệ thống được gắn thêm một bộ thích nghi với hàm truyền E(f). E(f) được thiết kế sao cho T(f). R(f). Hc(f). E(f) = HRC(f) để đạt được dạng cosine nâng. Giả sử T(f) và R(f) là các hàm căn cos  T(f).R(f) = HRC(f)  E(f) = 1/ Hc(f). Do đó, bản chất ATDE là một mạch lọc nghịch đảo với hàm truyền kênh vô tuyến. Thực tế E(f,t) = 1/Hc(f,t) là hàm thích nghi với hàm truyền môi trường theo thời gian. 45 2. Phân tập: truyền thông tin trên hai hay nhiều kênh truyền khác nhau, độc lập về fading. Ở đầu thu chọn ra tín hiệu tốt nhất, hoặc tổ hợp các tín hiệu trên các kênh để được tín hiệu rất tốt đem xử lí. Có các loại phân tập: không gian, thời gian, tần số, góc. 3. Mã hoá chống nhiễu trước khi truyền đi, mã hoá tín hiệu, FEC, làm BER giảm  giảm ISI  giảm méo tuyến tính. Chúng ta sẽ nghiên cứu chi tiết hơn trong phần tiếp theo. 4. Truyền dẫn đa sóng mang: bản chất: IBPD càng lớn (độ lệch băng thực tế so với hoàn hảo) thì càng gây ISI. Giải pháp: chia thành N luồng con để giảm IBPD, mỗi luồng con thực hiện điều chế 1 sóng mang. Đặc điểm: tốn tiền, mỗi kênh nhỏ cần 1 bộ thu phát. Tốn băng thông vì phải thêm băng thông bảo vệ. 5. Trải phổ: Tín hiệu được trải rộng nên chống được fading đa đường chọn lọc. 6. OFDM: Bản chất: chia thành N luồng con trực giao với nhau trên miền tần số. Không cần guard band nên không tốn phổ. Thực tế trong thông tin vệ tinh, kỹ thuật mã hóa được nghiên cứu nhiều hơn cả và chúng ta sẽ phân tích trong phần 2.5 2.5 MÉO PHI TUYẾN 2.5.1 Các hiện tượng phi tuyến Méo phi tuyến là loại suy giảm tín hiệu do các phần tử phi tuyến gây ra. Nguồn gây méo phi tuyến chủ yếu trong các hệ thống vô tuyến bao gồm các mạch khuếch đại, mạch trộn tần và các mạch hạn biên. Trong thực tế, bộ khuếch đại công suất nhỏ không gây ra méo phi tuyến, do đặc tuyến của bộ khuếch đại công suất nhỏ vẫn nằm ở đoạn tuyến tính. Như đã phân tích trong phần 2.1, các bộ HPA, bộ trộn tần, bộ LNA đều gây ra méo phi tuyến. Trong phần này, chúng ta sẽ nghiên cứu bản chất của méo phi tuyến. Một hệ thống là tuyến tính nếu đầu ra của nó có thể được biểu diễn là một sự kết hợp tuyến tính của các đáp ứng xung của các đầu vào. Ví dụ: 21 , inin VV là 2 đầu vào 21 , outout VV là 2 đầu ra tương ứng. Khi đó, nếu đầu vào là: )()( 21 tbVtaV inin  thì đầu ra tương ứng sẽ là )()( 21 tbVtaV outout  . Trong đó a, b là các hằng số. Bất kỳ hệ thống nào không thỏa mãn điều kiện này là hệ thống phi tuyến. Như đã trình bày ở trên, máy phát và máy thu vô tuyến có chứa các phần tử tuyến tính và phi tuyến. Các phần tử phi tuyến sẽ gây ra các hiện tượng làm suy 46 giảm các tính năng của hệ thống hoặc sẽ thay đổi các tham số nào đó của hệ thống (độ khuyếch đại của máy thu) hoặc tạo ra các thành phần tín hiệu kí sinh như các hài. Hiện tượng này xảy ra trong các phần tử tích cực như transistor, diode; trong các thiết bị tích cực như bộ chuyển mạch, bộ trộn tần, bộ khuyếch đại…; hoặc trong các vật liệu từ ferrit… Ngoài ra, hiện tượng phi tuyến cũng có thể gặp phải trong các thiết bị tuyến tính do việc giới hạn băng tần làm cho các tín hiệu bị méo. Ở đây ta chỉ đề cập đến một số thông số chính và các phép tính thực hiện áp dụng cho máy phát, máy thu và trong bât kỳ hệ thống phi tuyến nào. Người ta thường sử dụng hàm truyền đạt bằng điện áp của các hệ thống phi tuyến bậc 3 và bỏ qua các bậc cao hơn để cho việc tính toán được đơn giản: Trong đó: Vout(t) là điện áp đầu ra của hệ thống phi tuyến. Vin(t) là điện áp đầu vào. 1 là đại diện cho bộ khuyếch đại tuyến tính điện áp của hệ thống. 2.5.2 Hài (Harmonic) Nếu một tín hiệu hình sin đưa vào một phần tử hoặc một hệ thống phi tuyến, ở đầu ra của hệ thống thường xuất hiện các thành phần tần số là số nguyên lần của tần số đầu vào. Giả sử tín hiệu đầu vào : Khi đó tín hiệu đầu ra: Trong biểu thức trên, thành phần tAA  cos 4 3 33 1        có cùng tần số với tín hiệu vào được gọi là thành phần cơ bản (fundamental) và các thành phần bậc cao hơn gọi là các hài (harmonics). Cũng từ biểu thức trên ta thấy biên độ của hài bậc n tỉ lệ với An và các đại lượng khác tỉ lệ với Am (m > n). Với giá trị A nhỏ, ta có thể coi hài bậc n tỉ lệ với An. )()()()( 33 2 21 tVtVtVtV inininout   tAtV in cos)(  tAtAtAVout  33 3 22 21 coscoscos.     ttAtAtA  3coscos3 4 2cos1 2 cos 3 3 2 2 1  tAtAtAAAVout         3cos 4 2cos 2 cos 42 3 3 2 2 3 3 1 2 2        47 2.5.3. Điểm nén 1 dB Một trong những thông số đặc trưng cần thiết trong một mạch hay trong một hệ thống phi tuyến, đó là méo biên độ gây ra bởi đặc tính truyền đạt không tuyến tính. Trong hầu hết các mạch hoặc các hệ thống, tín hiều đầu ra có thể bị bão hòa tùy theo mức biên độ tín hiều đầu vào. Từ biểu thức trên ta thấy rằng thành phần chính của tín hiệu đầu ra có biên độ        2 1 3 1 4 31 AA    . Và ta thấy: Thường 03  và có độ khuyếch đại giảm khi công suất đầu vào tăng. Người ta gọi hiện tượng này là nén độ khuyếch đại (gain compression) hoặc sự bão hòa của công suất đầu ra, do đó người ta định nghĩa công suất nén 1 dB đầu ra. Độ khuyếch đại tín hiệu ở tần số cơ bản được tính bởi: Độ khuyếch đại tuyến tính (đơn vị dB) được định nghĩa bởi: Độ khuyếch đại nén 1 dB được xác định bởi: Vậy điểm nén 1 dB được xác định là mức tín hiệu ở đầu vào gây ra độ khuyếch đại truyến tính hay khuyếch đại tín hiệu nhỏ giảm 1 dB (Hình 2.11).                      AAA AAA 1 2 1 3 1 1 2 1 3 1 4 31 4 31         nếu nếu 03  03                       231 3 31 4 3log204 3 log20 A A AA G fond   1 1 0 log20log20    A AG dBGG dBcomp 101.  Pout 1dBm Pin dBcompP 1. Hình 2.11: Điểm nén 1 dB 48 2.5.4 Điểm chặn bậc 3 - IP3 (Third Intercept Point) Bây giờ cũng với phần tử hoặc hệ thống phi tuyến trên, nhưng tín hiệu đầu vào là tổ hợp của hai sóng mang hình sin: Khi đó ở đầu ra của hệ thống, ta có Bằng cách sắp xếp lại, ta thấy biên độ của tín hiệu với tần số 2 ở đầu ra là: Trong trường hợp này ta có thể xem như một tín hiệu nhiễu ở tần số 2 biên độ A2 lớn có thể làm suy giảm tín hiệu hữu ích bằng việc làm giảm độ khuyếch đại. Cũng từ biểu thức trên, ta còn thấy sự xuất hiện các thành phần không phải là các hài (harmonics). Giả sử ta không đề cập đến các thành phần một chiều và các hài, chỉ quan tâm đến thành phần cơ bản (hay thành phần chính) và các thành phần còn lại (các thành phần này gọi là thành phần “biến điệu” (intermodulation), hay viết tắt là IM). Ta có: Các thành phần cơ bản ở tần số 1 và 2 : Các thành phần IM: Ở tần số: 21   : Ở tần số: 212   : Ở tần số: 122   : )()()( 21 tVtVtV ininin  tAtVin 11 cos)(1  tAtVin 222 cos)(       322113 2 2211222111 coscoscoscoscoscos)( tAtAtAtAtAtAtVout               2 2cos1 2 2cos1 coscos)( 222 12 1222111 t A t AtAtAtVout                 4 3cos 4 cos3 2 )cos()cos(2 11313212121 ttAttAA                tttAA tt A )2cos( 4 3)2cos( 4 3cos 2 3 4 3cos 4 cos3 212122 2 1 223 2               tttAA 121211 2 2 2cos4 32cos 4 3cos 2 3  ) 2 3 4 3(. 221 3 1311, 2 AAAAAtotal   2 2 123 3 23 211 2 213 3 13 11 cos2 3 4 3cos 2 3 4 3                   AAAAtAAAA    tAAtAA 2121221212 cos.cos.      tAAtAA 212 2 13 21 2 2 13 2cos. 4 32cos. 4 3         tAAtAA 211 2 23 21 1 2 23 2cos. 4 32cos. 4 3      49 Ta thấy các thành phần ở tần số 212   và 122   có thể gần bằng hoặc trùng với thành phần tần số cơ bản và gây méo tín hiệu khi sự khác nhau về tần số giữa 1 và 2 nhỏ. Minh họa như trong hình vẽ 2.12. Từ hình vẽ ta quan sát thấy rằng, với hai nhiễu ở tần số 1 và 2 cách tần số của tín hiệu thu .sig lần lượt là f và f2 , sau khi qua phần tử hoặc hệ thống phi tuyến xuất hiện thành phần ở tần số 122   (IM3) trong băng tần của tín hiệu thu. Hiện tượng biến điệu IM là một trong những nguyên nhân chính làm hạn chế các tính năng của một máy thu vô tuyến. Để định hướng nó, người ta định nghĩa một đại lượng gọi là điểm chặn phi tuyến bậc 3 (IP3). Khi đầu vào phần tử phi tuyến là hai nhiễu có cùng biên độ (A1= A2=A). Ta nhận thấy rằng, khi biên độ A của tín hiệu vào tăng, biên độ của tín hiệu ở tần số cơ bản ở đầu ra cũng tăng theo tỉ lệ thuận với A, trong khi biên độ của các IM tăng tỉ lệ với A3. Hình 2.12: Gây méo tín hiệu bởi IM3 Phần tử hay hệ thống phi tuyến Tín hiệu hữu ích f f 1 2 .sig  212   1 2  Tí n hiệu hữu ích 122   Pout (dB) Pin(dB) Thành phần cơ bản Thành phần bậc 3 IM3 1 3 1 1 OIP3 Hình 2.13: Xác định IP3 bằng đồ thị IIP3 50 Điểm IP3 ở đầu vào hệ thống IPP3(IIP3: Input IP3) được xác định là mức tín hiệu ở đầu vào tạo ra ở đầu ra hệ thống các mức tín hiệu tương đương đối với thành phần tần số cơ bản và thành phần bậc 3. Bây giờ ta tìm mối liên hệ giữa IP3 và các hệ số i trong hàm tuyền đạt của phần tử hay hệ thống phi tuyến. Với giả thiết A1= A2=A, viết lại biểu thức trên ta được: Giả thiết rằng: Khi đó biên độ tín hiệu vào để đầu ra các thành phần tín hiệu ở tần số 21, và ở tần số 212   , 122   có cùng biên độ là: ở đây, 3IIP A là IP3 ở đầu vào. Do đó: Điểm IP3 là điểm “tưởng tượng” vì hiện tượng nén hoặc bão hòa luôn tự xảy ra trước khi người ta có thể đạt tới. Điều này không cho phép thỏa mãn giả thiết. Phương pháp đo hữu hiệu nhất là đo các đặc tính của hình trên với tín hiệu có biên độ nhỏ sau đó thực hiện việc nội suy tuyến tính. Nếu như ta biết IP3 ở đầu vào hoặc đầu ra (sự khác nhau chính là độ khuyếch đại), ta có thể tính được biên độ của các thành phần IM3. Gọi inA12 là biên độ của hai tín hiệu đầu vào outA12 là biên độ của các thành phần tần số cơ bản ở đầu ra. outIMA 3 là biên độ các thành phần IM3 ở đầu ra. Khi đó: Từ đó ta có: Vì vậy: Nếu biểu diễn theo công suất, ta có:              tAAtAAtVout 2 2 311 2 31 cos4 9cos 4 9)(      ...2cos 4 32cos 4 3 12 3 321 3 3   AA 4/9 231 A  3 31 33 . 4 3. IIPIIP AA   3 1 4 3 3   IIPA 3 123 1 3 1231 12112 1. 3 4 4 3 3 inin in IM out AA A A A out      2 12 2 12 3 3 in IIP IM out A A A A out  2 12 2 12 log20log20log20log20 33 inIIPoutIM AAAA out  33 22 1212 IIPinoutIM PPPP out  51 Hoặc: Với outIMout PPdBP 312)(  . Tóm lại, mối liên quan giữa IP3 và biên độ các thành phần IM3 như sau: Mối liên hệ này có thể được biểu diễn theo hình sau: Thông thường, IP3 được xác định ở đầu vào của máy thu để cho việc so sánh với biên độ của tín hiệu thu được dễ dàng, trong khi đối với máy phát IP3 được xác định ở đầu ra để đảm bảo việc so sánh giữa thành phần méo và biên độ tín hiệu phát. IP3 là một thông số kỹ thuật không thể thiếu trong bộ đổi tần. 2.5.5 Ảnh hưởng của IM3 đến băng thông Xét biểu thức quan hệ qua phần tử phi tuyến theo phần 2.5.2, đầu ra của bộ HPA ngoài thành phần có tần số cùng với tần số tín hiệu vào, các thành phần còn lại được gọi là các hài. Đối với các hài bậc chẵn thì nhiễu xuyên điều chế (Intermodulation) không rơi vào băng tín hiệu nên ta có thể bỏ qua. Tuy nhiên, các hài bậc lẻ sẽ gây ảnh hưởng lớn đến tín hiệu (IM3). Ảnh hưởng lớn nhất của các hài bậc 3 đối với băng thông là nó sẽ gây mở rộng phổ tín hiệu. Chẳng hạn, bộ HPA loại TWTA khi hoạt động tại mức thấp hơn mức công suất bão hòa khoảng 6-7 dB thì phát sinh các hài phi tuyến bậc 3 là chủ yếu. Phổ xuyên điều chế giữa các thành phần tần số của tín hiệu khi đi qua một bộ khuếch đại với méo phi tuyến bậc 3 như thế thì sẽ rộng gần gấp 3 lần phổ của tín hiệu ban đầu. Sự trải rộng phổ như vậy đồng thời cũng sẽ gây can nhiễu đến các kênh lân cận (ACI). Để loại bỏ can nhiễu này, ở đầu ra của HPA thường có một mạch lọc phụ có nhiệm vụ giữ cho phổ tín hiệu lối ra máy phát nằm dưới một mặt nạ   ininIMoutIIP PPPPPP out 121212 2 1 2 1 33   212   122   1 2 P Hình 2.14: Mối liên hệ giữa IP3 và IM3 )( 2 )()( 123 dBmP dBPdBmP inIM out    52 xác định (được quy định bởi FCC – Mỹ hoặc CEPT – châu Âu). Bộ lọc phụ này phải không được gây méo thành phần bậc tín hiệu hữu ích. Chính bộ lọc này cũng sẽ gây ra mở rộng băng thông ở cả hai bên với một hệ số β tùy theo quy định. Lúc này, băng thông tín hiệu sẽ bị thêm một lượng (1+β). Thông thường, giá trị này được quy định khoảng β=0.2 2.5.6 Một số phương pháp khắc phục méo phi tuyến Giải pháp đầu tiên thường được dùng trong tính toán thiết kế cũng như trong các hệ thống thực tế là chọn điểm làm việc của HPA trong đoạn tuyến tính của đặc tuyến, hay còn gọi là sử dụng độ lùi công suất. Về lý thuyết, nguyên tắc là có thể làm cho HPA trở nên tuyến tính bằng cách chọn OBO hoặc IBO thật lớn. Tuy nhiên, khi tăng BO sẽ làm giảm công suất đầu ra Pout, điều này lại dẫn đến C/N ở đầu thu giảm và BER lại tăng. Thêm vào đó, BO càng lớn thì hiệu suất HPA càng nhỏ. Do vậy, mỗi bộ HPA sẽ có một điểm BO tối ưu. Phương pháp thứ hai được sử dụng là kỹ thuật méo trước. Nguyên tắc của phương pháp này là trước khi đưa tín hiệu vào HPA thì cho qua một mạch làm méo trước tín hiệu ngược với méo gây bởi bộ HPA. Mục đích của bộ méo trước này (PD- Predistortion) là khử thành phần IM3. Với công nghệ ngày nay kết hợp cả BO và PD thì bộ HPA đã tương đối tuyến tính, đặc biệt là bộ khuếch đại bán dẫn SSPA. 2.6 MÃ HÓA KÊNH Như đã phân tích trong phần 2.4, một trong những phương pháp thường được sử dung trong thông tin vệ tinh để giảm méo tuyến tính là mã hóa. Trong phần này, ta chỉ đánh giá một số loại mã hóa được dùng trong hệ thống truyền dẫn vệ tinh. Mã hóa điều khiển lỗi, còn được gọi là mã hóa kênh (channel encoding) được sử dụng để phát hiện và sửa các ký tự hay các bit thu bị lỗi. Mã hóa phát hiện lỗi (error detection coding) được sử dụng như là bước đầu tiên của quá trình sửa lỗi bằng cách kích cho đầu cuối thu phát ra tín hiệu yêu cầu lặp lại tự động ARQ (Automatic Repeat reQuest), truyền theo hướng ngược lại về cho đầu cuối phát. Nếu quá trình truyền lại thành công thì coi như là đã sửa được lỗi. Nếu kỹ thuật ARQ không thích hợp, chẳng hạn như khi trễ truyền dẫn quá lớn thì sẽ sử dụng kỹ thuật mã hóa sửa lỗi không phản hồi FECC (Forward Error Correction Coding). Cả mã phát hiện lỗi và mã sửa lỗi đều đưa thêm độ dư vào dữ liệu phát, trong đó độ dư thêm vào trong mã sửa lỗi nhiều hơn trong mã phát hiện lỗi. Lý 53 do là đối với mã sửa lỗi, độ dư thêm vào phải đủ cho bên thu không chỉ phát hiện được lỗi mà còn sửa được lỗi, không cần phải truyền lại. 2.6.1 Các phương pháp điều khiển lỗi Điều khiển lỗi nhằm mục đích là làm giảm tỷ lệ lỗi trong một hệ thống khi tỷ lệ này lớn quá mức cho phép. Nhìn chung có năm phương pháp điều khiển lỗi. Giải pháp đầu tiên và dễ thấy nhất là tăng công suất phát, nhưng không phải lúc nào cũng có thể thực hiện được. Qua phân tích ở phần trên, nếu bộ khuếch đại càng tăng công suất thì sẽ càng có nguy cơ bị méo phi tuyến, dẫn đến tín hiệu suy giảm càng trầm trọng. Giải pháp thứ hai, rất hiệu quả trong việc chống lại lỗi chùm gây bởi fading, là sử dụng phân tập (diversity). Có ba kiểu phân tập chính là phân tập không gian, phân tập tần số và phân tập thời gian. Giải pháp này sử dụng trong hệ thống viba số. Giải pháp thứ ba là truyền song công, hay còn gọi là kiểm tra echo (echo checking). Khi bộ phát phát tin đến bộ thu, tin được phát ngược về bộ phát trên một kênh hồi tiếp riêng. Nếu tin phát ngược về khác với tin phát đi thì biết là có lỗi. Phương pháp này có khuyết điểm là yêu cầu băng thông gấp đôi so với truyền trên một hướng nên không chấp nhận khi cần tận dụng phổ. Phương pháp thứ tư để đối phó với BER cao là yêu cầu lặp lại tự động ARQ (Automatic Repeat reQuest). Trong hệ thống ARQ, mã phát hiện lỗi (error detecting code) được sử dụng đề bên thu kiểm tra lỗi trong khối số liệu thu và trả lời cho bên phát trên một kênh hồi tiếp. ARQ phù hợp với các hệ thống thông tin máy tính, vì ở đó có sẵn kênh song công để bên thu có thể phát lại cho bên phát bản tin ACK/NAK. Tuy nhiên, trong các đường truyền dài với tốc độ cao, điển hình như thông tin vệ tinh thì rất khó thực hiện ARQ. Hình 2.15: Tổng quan các phương pháp điều khiển lỗi 54 Phương pháp thứ năm để giảm BER là thực hiện mã hóa sửa lỗi không phản hồi FECC (Forward Error Correction Coding). Trong lịch sử, việc chấp nhận sử dụng rộng rãi FECC có chậm hơn so với các phương pháp khác, bởi vì độ phức tạp và giá cả của nó cao hơn. Ngày nay, độ phức tạp đã giảm xuống nhờ vào sự gia tăng các chip mã hóa/giải mã VLSI. FECC lợi dụng sự khác nhau giữa tốc độ truyền dẫn và thông lượng kênh để giảm xác suất lỗi Pb. Việc giảm xác suất lỗi bị trả giá bằng việc tăng thời gian trễ truyền dẫn, do tăng độ dư cho đủ để mã có thể phát hiện và sửa được lỗi và do mất thời gian kiểm tra khối số liệu thu để sửa lỗi. Tuy nhiên, lợi ích của FECC có được thường nhiều hơn khuyết điểm về độ trễ lớn. 2.6.2 Mã khối Trong mã khối, dữ liệu thông tin, thường là các bit tin được phân đoạn vào trong các khối k bit thông tin, k là độ dài khối. Mỗi khối thông tin biểu diễn một trong M= 2k tin khác nhau. Bộ mã hoá biến đổi mối khối thông tin vào khối có n bit (n>k) bằng cách này thêm n-k bit dư theo một quy luật xác định. Khối n bit ra khỏi bộ mã hoá tạo thành một từ mã trong tập M=2k từ mã. Các từ mã được đưa vào bộ điều chế tạo ra tập hữu hạn các dạng sóng để phát triển kênh. Mã hóa khối là loại mã không nhớ (memoryless), mỗi từ mã n bit chỉ phụ thuộc vào khối k bit thông tin đi vào bộ mã hoá. Tỷ số của bit thông tin trên toàn bộ bit trong từ mã là tốc độ mã (code rate R): R = k/n Nếu Rb là tốc độ bit thông tin đầu vào bộ mã hoá, tóc độ bit mã hoá sẽ là: k nRb R RbRc  Mã hóa sửa lỗi được thực hiện bằng mã hoá khối (n,k). Số từ mã có thể được phát đi là M=2k nhỏ hơn nhiều so với 2n tổ hợp có thể trên đầu ra của kênh. Tính duy nhất của n-k bit dư cộng vào khối k bit thông tin cho phép bộ giải mã nhận dạng k bit tin tức tương ứng. Mã BCH nhị phân (binary BCH code) là một loại mã vòng được Hocquenghem tìm ra năm 1959, sau đó được Bose và Chaudhuri tìm ra một cách độc lập vào năm 1960. Mã BCH có thể sửa được t lỗi trong từ mã dài n bit, với n = 2m – 1, n- k ≤mt; dmin ≥ 2t+1 . Ví dụ mã BCH (15, 7) có thể sửa sai tối đa 2 lỗi. Mã RS được Reed và Solomon giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1960. Theo lý thuyết mã, có thể xem mã RS là mã BCH không nhị phân. Mã RS được tổ chức theo ký tự. Mã RS tạo thành n ký tự, mỗi ký tự dài m bit, m tùy thuộc vào ứng 55 dụng cụ thể, ví dụ m = 8 thì mỗi ký tự chính là một byte. Mã RS hoạt động trên ký tự nhiều bit chứ không phải trên từng bit như các mã vòng khác. Một đặc điểm quan trọng của mã RS là khả năng sửa lỗi chùm. Mã RS có thể sửa sai t lỗi, với t = (n-k)/2. Ở đây n và k là số ký tự mã hóa và số ký tự mang tin chứ không phải số bit. Ví dụ mã RS (31, 15) có 15 ký tự vào, mỗi ký tự 5 bit, tức là 75 bit tin và 31 ký tự mã hóa, mỗi ký tự 5 bit. Mã này có thể sửa được 8 lỗi bit độc lập hoặc 4 lỗi chùm dài không quá 5 bit. 2.6.3 Mã chập Trong mã chập, dữ liệu thông tin được cho qua bộ ghi dịch M bậc và có thể dịch k bit mỗi lần. Với mỗi M bit thông tin được lưu trong bộ ghi dịch, có n mạch logic làm việc trên bộ ghi dịch để sinh ra n bit mã hoá ở đầu ra bộ mã hoá. Do đó tốc độ mã R=k/n. Vì bit thông tin được giữ trong bộ ghi dịch cho M/k lần dịch, nó sẽ ảnh hưởng giá trị của nM/k bit mã hoá. Do đó, bộ mã chập là thiết bị có nhớ (memory) Mã chập thuộc dạng mã sửa lỗi hướng truyền (FEC), được sử dụng trong cả hai hệ thống vệ tinh thương mại và quân sự vì dễ dàng áp dụng thuật toán giải mã quyết định mềm và có khả năng cung cấp tăng ích mã hoá cao. Mã chập có ba tham số đặc trưng: độ dài từ mã n, số bit dữ liệu k, và độ dài ràng buộc K. 2.6.4 Giải mã mã chập bằng thuật toán Viterbi Khác với mã khối có độ dài từ mã cố định, mã chập không có kích thước đặc thù. Tuy vậy, mã chập cũng bị ép vào một cấu trúc khối bằng cách gắn thêm một số bit 0 vào cuối một dãy tin để đảm bảo đuôi dãy tin được dịch hết qua thanh ghi dịch. Các bit 0 này không mang tin nên tỷ lệ mã sẽ nhỏ hơn k/n. Để giữ cho tỷ lệ mã xấp xỉ với k/n, chu kỳ gắn thêm bit 0 thường rất dài. Chẳng hạn trong ví dụ trên đây, sau 300 bit tin mới gắn thêm 2 bit 0. Vậy tỷ lệ mã là 300/604 xấp xỉ 1/2. Có ba kiểu giải mã chập chính là kiểu tuần tự, ngưỡng và Viterbi, trong đó Viterbi là phổ biến nhất. Thuật toán Viterbi dựa trên cơ sở giải mã lân cận gần nhất (nearest neighbour). Thuật toán tính khoảng cách Hamming (gọi là metric) giữa tín hiệu thu vào thời điểm ti và tất cả các đường trong lưới dẫn đến mỗi trạng thái ở cùng thời điểm ti. Khi hai đường cùng dẫn đến một trạng thái, chọn ra đường có khoảng cách Hamming ngắn hơn, gọi là đường sống (surviving path). Việc chọn đường sống được thực hiện cho tất cả các trạng thái vào tất cả các thời điểm. 56 2.6.5 Mã Turbo Mã Turbo được giới thiệu năm 1993 gồm hai mã xoắn đệ qui hệ thống RSC kết nối song song, phân biệt nhờ một bộ xáo trộn (interleaver) giả ngẫu nhiên và thuật toán giải mã lặp với chất lượng tiến tới cận Shannon khoảng vài phần mười dB. Hiện nay, mã Turbo đã được khuyến nghị sử dụng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ 3, 4, thông tin vệ tinh, thông tin vũ trụ .... Chất lượng của một cặp Mã hoá- Giải mã Turbo thường được đánh giá thông qua tỷ lệ xác suất lỗi bit (BER) hoặc tỷ lệ xác suất lỗi khung (FER). Hình 2.16: Sơ đồ khối của mã Turbo Mô hình cho thấy bộ mã hoá Turbo là sự kết nối song song của hai mã RSC (Recursive Systematic Convolutional) thông qua một bộ xáo trộn (Interleaver). Bộ mã hoá RSC1 nhận dữ liệu một cách trực tiếp, trong khi bộ mã hoá RSC2 nhận dữ liệu sau khi dữ liệu đã được xáo trộn. Bộ xáo trộn Π có thể là kiểu giả ngẫu nhiên hay khối,vv… và nó thực hiện việc xáo trộn theo từng khối M bit. Vì cả hai bộ mã hoá đều nhận cùng một tập dữ liệu, chỉ có một đầu ra systematic được phát đi cùng với hai đầu ra parity từ hai bộ mã. Khi hai bộ mã hoá RSC1 và RSC2 đều có tốc độ là ½ thì tốc độ của bộ mã hoá Turbo là 1/3. Tuy nhiên, tốc độ của mã Turbo có thể đạt được cao hơn bằng cách lập quy luật phát bit parity (puncture). Chẳng hạn, khi chỉ phát các bit parity chẵn từ RSC1 và bit parity lẻ từ RSC2 cùng với các bit systematic thì tốc độ mã Turbo là r =1/2. 2.6.6 Đánh giá các loại mã Ta có thể tổng hợp các loại mã như sau: - Mã FEC dùng thích hợp cho kênh có độ trễ như kênh vệ tinh. Dùng mã hóa sửa lỗi tăng cường tính kháng nhiễu cho hệ thống do khả năng sửa lỗi. Dùng mã sửa lỗi để đạt tăng ích mã hóa, giữ nguyên tốc độ truyền dữ liệu, giảm được công suất phát, là biện pháp kinh tế và kỹ thuật. - Khoảng cách Hamming được dùng trong mã khối - Mã RS có khả năng sửa lỗi cụm, lỗi ngẫu nhiên, tăng ích mã hóa cao 57 - Mã chập dùng thích hợp cho môi trường thông tin vệ tinh do giải mã Viterbi dễ ứng dụng, mã chập thường dùng cho hệ thống có BER trong vùng 10-3 đến 10-7. Mã RS và mã chập liên kết dùng thích hợp cho hệ thống thông tin vệ tinh với BER rất tốt (10-10) Các sơ đồ điều chế có đường bao không đổi như BPSK, QPSK và OQPSK thường được dùng trong thông tin vệ tinh, nhất là QPSK - Mã Turbo đã nâng cao chất lượng tín hiệu đáng kể và hiện đang được đưa vào ứng dụng trong công nghệ chế tạo modem vệ tinh. Các loại mã sửa lỗi truyền thống dùng trong thông tin vệ tinh như đã xét ở trên đạt được tăng ích mã hóa nhưng tất cả phải trả giá bằng băng thông. Xu hướng mới trong thiết kế modem vệ tinh là kết hợp điều chế với mã hóa kênh để đạt hiệu quả công suất mà không phải trả giá về băng thông. 2.7 TỔNG HỢP CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN BĂNG THÔNG Qua phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống truyền dẫn số, ta nhận thấy các yếu tố ảnh hưởng đến băng thông của hệ thống như sau: 1. Nguyên lý hoạt động modem: Điều chế - Ghép k bit thành 1 symbol: M = 2k symbol có thể có  W0-0 =1/Ts = 1/kTb Như vậy: - Đối với QPSK, băng thông tín hiệu sẽ giảm 2 lần. - Đối với 8PSK, băng thông tín hiệu giảm 3 lần - Đối với 16 QAM, băng thông tín hiệu giảm 4 lần 2. Định lý Nyquist “Băng thông tối thiểu cần thiết W để truyền không méo một tín hiệu có tốc độ symbol là Rs (symbol/s) là W = Rs [Hz]” 3. Bộ lọc cosine nâng “Một bộ lọc H(f) có module hàm truyền là tổng của module hàm truyền bộ lọc lý tưởng và 1 mạch uốn Ro(f) (Roll-off) đối xứng tâm tại +/- fNyquist thì sẽ có đáp ứng xung thoả mãn điều kiện triệt ISI” Khi đó băng thông sẽ là: W = W0 (1+α) với α = Δf/fN là phần phổ mở rộng khi chế tạo bộ lọc cosine nâng khử ISI. αЄ[0, 1] nhưng thực tế 0.2 ≤ α ≤ 0.75. Với công nghệ ngày nay, α thông thường khoảng 0.35 – 0.4 4. Chống tác động của tạp âm phi tuyến Theo phân tích trong phần méo phi tuyến, thành phần hài bậc lẻ đối với các tín hiệu điều biên m-QAM sẽ bị mở rộng phổ tín hiệu và gây tạp âm phi tuyến cao. 58 Vì vậy, băng thông của nó cần có thêm bộ mask để chống lại mở rộng quá nhiều. Tham số β này thông thường được thiết kế = 0.2 5. Các kỹ thuật mã hóa chống nhiễu Kỹ thuật mã hóa chống nhiễu là thêm số bit để sửa lỗi. Vì vậy, nó cũng làm tăng băng thông đáng kể. Các kỹ thuật này được đánh giá thông qua hệ số sửa lỗi trước FEC. Các modem ngày nay có thể chế tạo một số giá trị của FEC như : ½, 2/3, 7/8. Như vậy, tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến băng thông, ta có công thức sau: W = W0 (1+α) (1+β) = FEC x RS x m )1)(1( R  Trong đó: R là tốc độ bit m là hệ số của phương thức điều chế. RS: Nếu hệ thống sử dụng mã Reed Solomon FEC: Hệ số sửa lỗi trước Trong một hệ thống thông tin vệ tinh, hiệu suất sử dụng băng thông được đánh giá theo tỷ số băng thông chiếm dụng trên tổng băng thông có thể cung cấp của một bộ phát đáp. Vì vậy, công thức trên sử dụng để xác định băng thông chiếm dụng của một tuyến. Băng thông của một bộ phát đáp băng C là 36 MHz. Trong chương tiếp theo, ta sẽ sử dụng công thức này để tính tỷ lệ băng thông trong ví dụ cụ thể để so sánh, đánh giá với tỷ lệ công suất tương ứng của vệ tinh. 59 CHƯƠNG 3 CÁC HỆ THỨC TUYẾN VÀ CÂN BẰNG CÔNG SUẤT – BĂNG THÔNG Một tuyến vệ tinh được định nghĩa là một kết nối: Trạm mặt đất- Vệ tinh – Trạm mặt đất. Trong đó tuyến trạm mặt đất – vệ tinh được gọi là tuyến lên (uplink) và tuyến vệ tinh – mặt đất gọi là tuyến xuống (downlink). Thiết kế trạm mặt đất gồm có thiết kế tuyến truyền dẫn (hay link budget) và thiết kế hệ thống truyền dẫn. Link Budget dùng để xác lập các tài nguyên cần thiết nhằm đạt được mục tiêu hiệu năng. Thiết kết hệ thống truyền dẫn nhằm xác định các thiết bị cần thiết để đáp ứng mục tiêu hiệu năng cho dịch vụ được cấp, như công suất của HPA và nhiễu nhiệt LNA. Trong quá trình phân tích, cần tính toán hợp lí để đạt được cân bằng giữa giá cả và hiệu năng. Mục tiêu cần đạt được cho các tuyến số gồm có: - BER cho các điều kiện hoạt động thông thường - Độ khả dụng của tuyến, hay phần trăm thời gian mà tuyến có BER tốt hơn một ngưỡng đã chỉ ra. Tuyến vệ tinh bao gồm các phần chính: - Trạm phát mặt đất và các phương tiện cho tuyến lên - Vệ tinh - Trạm thu mặt đất và các phương tiện cho tuyến xuống Mục đích của chương này là phân tích quá trình tính toán thiết kế tuyến với các mục tiêu hiệu năng để thấy được mối quan hệ của khách hàng - trạm mặt đất và nhà cung cấp đường truyền – vệ tinh. Các khái niệm suy hao, nhiễu đã được trình bày trong chương 1, ở đây ta chỉ công thức hóa các khái niệm đó. 3.1 CÁC MỐ