Tổng quan kĩ thuật thông tin vệ tinh

Chương 1 TỔNG QUAN KĨ THUẬT THÔNG TIN VỆ TINH 1.Giới thiệu chung Thông tin vô tuyến (radio communication) bằng vệ tinh ra đời nhằm mục đích cải thiện các nhược điểm của mạng vô tuyến mặt đất, nó có dung lượng cao hơn, băng tần rộng hơn, đem lại cho khách hàng nhiều dịch vụ mới và thuận tiện với chi phí thấp hơn. Trong chiến tranh thế giới thứ 2 để tạo ra các loại vũ khí, khí tải ngày càng hiện đại, các nước tham chiến buộc phải thúc đẩy việc nghiên cứu hai kĩ thuật mới là tên lửa và truyền dẫn viba. Hai kĩ thuật này lúc này chỉ là những kĩ thuật riêng rẽ. Về sau người ta mới tìm cách kết hợp hai kĩ thuật này lại với nhau và đã đạt được nhiều thành công đáng kể, từ đó tạo điều kiện cho thông tin vệ tinh ra đời của thông tin vệ tinh. Hiện nay những dịch vụ mà hệ thống thông tin vệ tinh đem lại đã trở nên rất đa dạng và các ưu điểm của nó so với các mạng vô tuyến mặt đất hai các mạng cáp là không thể phủ nhận. Năm 1957, nước Nga phóng thành công vệ tinh nhân tạo đầu tiên của loài người vào quỹ đạo (vệ tinh SPUTNIK). Các năm sau đó là những cuộc thử nghiệm đã diễn ra liên tục như quảng bá lời chúc giáng sinh của tổng thống Eissenhower qua vệ tinh SCORE năm 1985, phóng thành công vệ tinh ECHO năm 1960, truyền tin qua vệ tinh COURIER năm 1960, các vệ tinh dải rộng THELSTAR và RELAY năm 1962 và vệ tinh đĩa tĩnh đầu tiên SYNCOM năm 1963. Đến năm 1965 vệ tinh đĩa tĩnh thương mại đầu tiên (INTELSAT 1) hay còn gọi là Early Bird được đưa lên quỹ đạo, đánh dấu thời điểm chính thức thông tin vệ tinh có thể phục vụ người dùng. Cùng năm đó vệ tinh viễn thông đầu tiên của nước Nga nằm trong hệ MOLNYA cũng đã được phóng. Những hệ thống vệ tinh đầu tiên chỉ có khả năng cung cấp một dung lượng thấp với giá thuê bao tương đối cao, ví dụ vệ tinh INTELSAT 1 chỉ có 480 kênh thoại với giá thuê bao 32500 $ mét kênh một năm. Giá thành quá cao này là do thời điểm bấy giê khả năng tên lửa đẩy còn thấp nên người ta không thể đưa được một vệ tinh quá nặng có dung lượng lớn lên quỹ đạo. Dần dần với sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật, các tên lửa đẩy lên rất mạnh. Thêm nữa, người ta cũng đạt được những tiến bộ trong việc chế tạo các anten đa búp sóng (Multi beam) phù hợp với hình dáng của vùng phục vụ cùng với các kĩ thuật sử dụng lại tần số và công nghệ bán dẫn đã cho phép các vệ tinh có mức phát tín hiệu mạnh hơn và tiết kiệm dải tần hơn. Sự phát triển này làm cho chóng ta có thể phóng được những vệ tinh nặng với dung lượng lớn và giá thuê bao giảm (ví dụ vệ tinh ITELSAT 6) mang 80.000 kênh thoại với giá thuê bao chỉ có 380 $ mét kênh một năm. Hiện nay người ta đã khai thác đến các thế hệ vệ tinh ITELSAT 7 và 8. *Đặc điểm của thông tin vệ tinh Nói tới một hệ thống thông tin vệ tinh chóng ta phải kể đến ba ưu điểm nổi bật của nó mà các mạng mặt đất không có hoặc không hiệu quả bằng nó: Khả năng quảng bá rộng lớn. Có giải thông rộng. Nhanh chóng và dễ dàng đặt lại cấu hình khi cần thiết (ví dụ khi bổ sung trạm mới hoặc thay đổi thông số trạm cũ…) Ta đã biết đối với mạng thông tin vô tuyến mặt đất hai trạm muốn thông tin cho nhau thì các anten phải nhìn thấy nhau. Đó gọi là thông tin vô tuyến có tầm nhìn thẳng (Line Of Sight – LOS). Tuy nhiên do trái đất có hình dạng cầu cho nên khoảng cách giữa hai trạm sẽ bị hạn chế để đảm bảo cho các anten trông thấy nhau. Đối với khả năng quảng bá còng nh­ vậy, các khu vực trên mặt đất không còn nhìn thấy anten của đài phát sẽ không thể thu được tín hiệu. Trong trường hợp bắt buộc phải truyền tin đi xa người ta, có thể dùng phương pháp nâng cao cột anten, truyền sóng phản xạ tầng điện ly hoặc xây dựng các trạm chuyển tiếp. Trên thực tế người ta thấy rằng cả ba phương pháp đều có nhiều nhược điểm. Việc nâng độ cao của cột anten gặp rất nhiều khó khăn về kinh phí và kĩ thuật mà hiệu quả không được là bao nhiêu (ví dụ nếu cột anten cao1km thì cũng không thể quảng bá quá 200km trên mặt đất). Nếu truyền sóng phản xạ tầng điện ly thì cần có công suất phát rất lớn và bị ảnh hưởng rất mạnh của môi trường truyền dẫn nên chất lượng tuyến không cao. Còn các trạm chuyển tiếp giữa hai trạm đầu cuối sẽ được cải thiện được chất lượng tuyến, nâng cao độ tin cậy, nhưng chi phí lắp đặt các trạm trung chuyển và rất không thích hợp khi có nhu cầu mở thêm tuyến mới. Tóm lại, để có thể truyền tin đi xa người ta mong muốn xây dựng được các trạm anten rất cao nhưng lại phải phát ổn định và vững chắc, sự ra đời của vệ tinh chính là để thoả mãn nhu cầu đó. Với vệ tinh người ta người ta có thể truyền sóng đi rất xa và dễ dàng thông tin trên toàn cầu hơn bất cứ một hệ thống mạng nào khác. Thông qua vệ tinh INTEL SAT, lần đầu tiên trên hai trạm đối diện trên hai bờ đại dương đã thông tin được cho nhau. Do có khả năng rộng lớn cho nên vệ tinh rất phù hợp cho các phương thức truyền tin đa điểm đến đa điểm (cho dịch vụ quảng bá) hay đa điểm đến một điểm HUB (cho dịch vụ thu thập số liệu). Bên cạnh khả năng phủ sóng lớn, băng tần rộng của các hệ thống vệ tinh rất thích hợp với các dịch vụ quảng bá như truyền hình số có độ phân dải cao (High Difinition TV), phát thanh sè hay các dịch vụ ISDN thông qua mạng mặt đất, hoặc trực tiếp đến thuê bao (Direct to Home – DTH) thông qua mạng VSAT. Cuối cùng do sử dụng phương tiện truyền dẫn qua giao diện vô tuyến cho nên các hệ thống thông tin vệ tinh là rất lý tưởng cho khả năng cấu hình lại nếu cần. Các công việc triển khai trạm mới, loại bỏ trạm cũ hay thay đổi tuyến đều có thể thực hiện dễ dàng, nhanh chóng với chi phí thực hiện tối thiểu. Tuy nhiên hệ thống thông tin vệ tinh cũng có nhược điểm đó là: Không cố định . Khoảng cách truyền dẫn xa nên xuy hao lớn, ảnh hưởng của tạp âm lớn . Giá thành lắp đặt hệ thống rất cao, chi phí cho trạm mặt đất cũng tương đối tốn kém Tuổi thọ thấp hơn các hệ thống mặt đất, khó bảo dưỡng, sửa chữa và nâng cấp. Người ta muốn vệ tinh có vai trò nh­ mét cột anten cố định nhưng trong thực tế vệ tinh luôn chuyển động tương đối với mặt đất, dù là vệ tinh địa tinh đi nữa thì vẫn có một sự dao động nhỏ. Điều này bắt buộc trong hệ thống phải có các trạm điều khiển nằm giữ vệ tinh ở một vị trí tối ưu cho thông tin. Tuy nhiên kể cả khi có các trạm điều khiển thì vệ tinh vẫn không hoàn toàn cố định nên các trạm mặt đất nói chung cần các hệ thống bám phức tạp và điều này làm giá thành của trạm tăng vọt. Thêm nữa, do các vệ tinh bay trên các quỹ đạo cách rất xa mặt đất cho nên việc truyền sóng giữa các trạm gặp phải suy hao rất lớn, bị ảnh hưởng của thời tiết, đi qua nhiều dạng môi trường khác nhau. Để vẫn đảm bảo được chất lượng của tuyến người ta phải sử dụng nhiều kĩ thuật bù và chống lỗi phức tạp. Nh­ ta đã nói ở trước, chi phí để phóng vệ tinh là rất cao nên nói chung các vệ tinh chỉ có khả năng hạn chế. Bù lại các trạm mặt đất phải có khả năng làm việc tương đối mạnh nên các thiết bị phần lớn là đắt tiền, nhất là chi phí cho mét anten lớn (ví dụ một trạm mặt đất trang bị anten khoảng 30m giá thành khoảng 10 triệu $). Các vệ tinh bay trong không gian cách xa mặt đất, năng lượng chủ yếu dùng cho các động cơ phản lực điều khiển là các loại nhiên liệu lỏng hoặc rắn được vệ tinh mạng theo trong boong. Lương nhiên liệu dự trữ này không thể quá lớn vì khả năng của các tên lửa đẩy có giới hạn, đồng thời nó sẽ làm cho kích thước vệ tinh tăng lên đáng kể do phải tăng thể tích của thùng chứa. Nếu như vệ tinh dùng hết loại nhiên liệu này thì chúng ta không điều khiển vệ tinh được nữa tức là không còn duy trì được sự ổn định của tuyến, khi đó coi như vệ tinh đã hỉng và như thế nói chung tuổi thọ của vệ tinh thường thấp hơn các thiết bị thông tin mặt đất khác. Để làm cho vệ tinh hoạt động trở lại người ta cần thu hồi vệ tinh để sửa chữa tiếp thêm nhiên liệu, sau đó lại phóng lên quỹ đạo. Việc khôi phục các vệ tinh đã hết tuổi thọ này hết sức tốn kém và phức tạp nên trong thực tế người ta thường dùng phương pháp thay thế bằng một vệ tinh hoàn toàn mới và vứt bỏ vệ tinh cũ đi. Một hệ thốnh vệ tinh có thể cung cấp rất nhiều loại hình dịch vụ khác nhau và ngày càng được phát triển đa dạng hơn. Tuy nhiên nhìn chung thông tin vệ tinh đem lại ba líp dịch vụ như sau: Trung chuyển các kênh thoại và các chương trình truyền hình. Đây là sự đáp ứng cho các dịch vụ cơ bản nhất đối với người sử dụng. Nó thu thập các luồng số liệu và phân phối đến các mạng mặt đất với một tỉ lệ hợp lí. Ví dụ cho líp dịch vụ này là các hệ thống INTELAT và EUTELSAT. Các trạm mặt đất của chúng thường được trang bị anten đường kính từ 15-30m. b. Cung cấp khả năng đa dịch vụ, thoại, số liệu cho những nhóm người sử dụng phân tách nhau về mặt địa lí. Các nhóm sẽ chia sẻ một trạm mặt đất và truy nhập đến nó thông qua mạng. Ví dụ cho líp dịch vụ này là các hệ thống vệ tinh TELECM 1, SBS, EUTELSAT 1, TELE – X, và INTELSAT (cho mạng IBS). Các trạm mặt đất ở đây được trạng bị anten đường kính từ 3 – 10m. Kết nối các thiết bị đầu cuối có góc mở rất nhỏ (VSAT) nhằm để truyền dẫn các luồng số liệu dung lượng thấp và quảng bá các chương trình truyền hình, truyền thanh số. Thông thường người ta dùng sẽ kết nối trực tiếp với trạm mặt đất có trang bị anten đường kính từ 0,6 – 1,2m. Các thuê bao di động cũng nằm trong líp dịch vụ này. Tiêu biểu cho các dịch vụ này là các hệ thống EQUATORIAN, ITELNET hoặc INTELSAT… Các dịc vụ của VSAT hiện đã rất phong phú mà ta có thể kể đến nh­ cấp và tự động quản lí thẻ tín dụng, thu thập và phân tích số liệu, cung cấp dịc vụ thoại, mật độ thưa, truyền hình hội nghị… *Sự phát triển của kĩ thuật thông tin vệ tinh Thế hệ vệ tinh thương mại đầu tiên là INTELSAT 1 ra đời vào năm 1965, đến đầu những năm 70 các hệ thống vệ tinh đã có thể cung cấp các dịch vụ thoại và truyền hình giữa hai lục địa. Mới đầu vệ tinh chỉ đáp ứng được cho các tuyến có dung lượng thấp sau đó nhu cầu gia tăng tốc độ cũng như số lượng thông tin qua vệ tinh đã thúc đẩy nhanh chóng việc hình thành các hệ thống vệ tinh đa búp sóng và kĩ thuật dùng lại tần số cho sóng mang. Kĩ thuật đầu tiên được ưa dùng cho hệ thống thông tin vệ tinh là analog sử dụng công nghệ FDM/FM/FDMA. Sau đó để đáp ứng được nhu cầu gia tăng thông tin, người ta đã tiến đến các phương thức truyền dẫn tiên tiến hơn là PSK/TDMA và PSK/CDMA. Các phương thức về sau dùa trên việc truyền dẫn số qua vệ tinh để khai thác triệt để mọi ưu điẻm do kĩ thuật số đem lại. Trong tương lai khi dung lượng của tuyến vệ tinh còng nh­ sè lượng vệ tinh trên toàn cầu tăng lên cực lớn thì việc sử dụng quá nhiều sóng mang sẽ làm cho mức can nhiễu giữa các hệ thống thô tin với nhau vượt quá mức cho phép. Để giải quyết vấn đề này, những nhà chế tạo bắt buộc phải nghĩ đến việc áp dụng các công nghệ sau. Xử lý tại chỗ (onboard processing): Giải điều chế tín hiệu ngay trên vệ tinh để xử lý, sau đó điều chế lại rồi truyền các tín hiệu đã xử lí này xuống các trạm mặt đất thu. Đây là trường hợp của các vệ tinh tái sinh (regenerative satellite).Chuyển mạch trên vệ tinh hay còn gọi là đa truy nhập phân chia theo thời gian bằng chuyển mạch vệ tinh . - Sử dụng các tuyến thông tin toàn cầu (intersatellate Network). - Sử dụng các bước sóng qoét hoặc nhẩy bước (Scanning á hopping beam)cho các Sö dông c¸c b­íc sãng qoÐt hoÆc nhÈy b­íc (Scanning á hopping beam)cho c¸c cell trên mặt đất . - Sử dụng băng tần cao hơn (30/20Ghz và 50/40Ghz ) mặc dù các dải tần này không nằm trong dải sóng radio (300MHZ đến 10GHZ) nên sóng mang phải chịu tác động lớn của môi trường truyền sóng và mưa - Quảng bá trực tiếp từ vệ tinh tới người sử dụng (direct to home).Khi đó thiết bị đầu cuối của người sử dụng sẽ được kết nối thẳng trạm mặt đất mà không phải thông qua mạng . Hiện nay ở các nước châu Âu,Mỹ và Nhật đang có nhiều chương trình phát triển thông tin vệ tinh nhằm tăng cường khả năng của vệ tinh như dung lượng, công suất ,tuổi thọ và phương thức truyền dẫn. Điều này cho phép kích cỡ và giá thành của trạm mặt đất ngày càng giảm đi và trở nên gần gũi hơn với người sử dụng. Trong một số trường hợp chúng chỉ đơn giản là các trạm nhận mà đơn giản nhất là trạm thu truyền hình trực tiếp từ vệ tinh (TVRO).Đây là một sự tiến bộ rất có ý nghĩa cho cơ hội phát triển của vệ tinh trong tương lai. Hình 1 thể cấu trúc tổng quát của một hệ thống thông tin vệ tinh trong thực tế. Nó có thể chia thành hai phần chính là phần không gian (space segment) và phần mặt đất(Ground segment) TuyÕn lªn ThiÕt bÞ thu ThiÕt bÞ ph¸t PhÇn kh«ng gian TuyÕn xuèng Tr¹m ®iÒu khiÓn PhÇn mÆt ®Êt H×nh 1: CÊu tróc hÖ thèng th«ng tin vÖ tinh 2.phần không gian 2.1 Cấu trúc Phần không gian là khái niệm để chỉ một phần cửa hệ thống bao gồm vệ tinh và tất cả các thiết bị trợ giúp cho hoạt động của nó như các trạm điều khiển và trung tâm giám sát vệ tinh .Taị các trung tâm này các hoạt động như bám sát,đo lường từ xa và điều khiển (Tracking telemetry and command- TT& C) sẽ được thực hiện nhằm mục đích giữ cho vệ tinh cố định ,đồng thời kiểm tra được các thông số hoạt động của vệ tinh như nhiệt độ anten nguồn điện acquy, nhiên liệu… Tuyến mà sóng radio được phát từ các trạm mặt đất đến anten thu của vệ tinh được gọi là tuyến lên (uplink). Ngược lại tuyến mà vệ tinh phát cho các trạm mặt đất sẽ được gọi là tuyến xuống (downling ). Để đánh giá chất lượng của tuyến người ta hay dùng đại lượng C/N là tỷ số giữa công suất sóng mang và công suất tạp âm ảnh hưởng đến sóng mang. Tỷ số này được quyết định trên toàn tuyến bởi chất lượng của cả tuyến lên và tuyến xuống , tương ứng với điều kiện truyền dẫn riêng ở mỗi tuyến (như môi trường trung gian, kiểu điều chế , kiểu mã hoá tính chất của thiết bị thu …) . Vệ tinh bao gồm một phần tải trọng (payload)và một phần nền (platform).Phần tải trọng gồm anten và các thiết bị điện tử phục vụ cho truyền dẫn . Phần nền bao gồm các thiết bị bảo đảm cho hoạt động của phần tải trọng như giá đỡ, cung cấp nguồn điện, điều khiển nhiệt độ, điều khiển hướng và quỹ đạo, các thiết bị đẩy phản lực, thùng chứa nhiên liệu và các thiết bị TT& C. Trong quá trình hoạt động vệ tinh sẽ nhẹ dần do phải tiêu tốn nhiên liệu cho việc điều khiển . Để cho vệ tinh không bị mất trọng tâm thì quá trình giảm trọng lượng phải luôn phân bố đều trên toàn bộ thể tích của nó. Do đó bao giê cũng thiết kế sao cho các thùng chứa nhiên liệu đối sứng với nhau qua trọng tâm của vệ tinh. Thực tế những thùng chứa nhiên liệu nằm trong phần nền(platform) chiếm phần lớn khối lượng và thể tích của vệ tinh. Trong các hệ thống hiện nay , các vệ tinh chỉ giữ vai trò như một nót trung chuyển (repeater) hoặc một nót tiếp xúc (relay) .Vì vậy vệ tinh phải có chức năng khuyếch đại sóng mang từ tuyến lên sau đó truyền lại ở tuyến xuống. Thông thường đối với vệ tinh công xuất tại đầu vào máy thu nằm trong khoảng từ 10pw đến 1nw, tương ứng với công xuất sóng mang tại đầu racủa bộ khuyếch đại phát nằm trong khoảng 10 đến 100W. Do đó hệ số khuyếch đại công xuất của vệ tinh sẽ vào khoảng 100 đến 130dB. Ngoài ra vệ tinh còn có chức năng điều chỉnh tần số sóng mang ở tuyến lên cao hơn tuyến xuống thông qua các bộ đổi tần. Trên vệ tinh, yêu cầu ngăn cách tín hiệu ở đầu ra máy phát và đầu vào máy thu phải đạt được150dB. Hiện nay và trong tương lai gần các vệ sinh ví dụ như hệ thống ATC và ITALSAT sẽ có các chức năng như giải điều chế, xử lý tín hiệu băng gốc và tái điều chế. Như vậy ta thấy rằng việc biến đổi tần số của tuyến xuống so với tuyến lên vẫn được các vệ tinh thế hệ cũ thực hiện bằng các bộ đổi tần (frequency concerter ) có thể được thay bằng cách điều chế một sóng mang mới ở tuyến xuống đối với hệ thống vệ tinh tái sinh. Độ tin cậy của phần không gian là một yếu tố quan trọng để đánh giá khả năng hoạt động của cả hệ thống. Độ tin cậy của vệ tinh phụ thuộc vào tất cả các thiết bị của nó. Khi một vệ tinh bị háng thì không chỉ có nghĩa là các thiết bị của nó bị háng mà có thể là do vệ tinh đã hết tuổi thọ. Một hệ thống có độ tin cậy cao khi nó có các hệ thống dự phòng tốt. Trong các hệ thống cao cấp, cứ một vệ tinh hoạt động thì có một vệ tinh dự phòng sẵn xàng trên quỹ đạo và một vệ tinh dự phòng ở dưới mặt đất (trong kho ). 2.2, Các dạng quỹ đạo của vệ tinh. Quỹ đạo là đường bay của vệ tinh khi nó ở trạng thái cân bằng giữa hai lực trục đối. Đó là lực hấp dẫncủa trái đất đối với vệ tinh có hướng thẳng tới tâm của trái đất và lực ly tâm trục đối với lực hấp dẫn được hình thành do độ cong của hành trình vệ tinh. Hai lực này có cùng một giá trị tại vệ tinh chúng kết hợp với nhau để giữ cho vệ tinh bay trong một mặt phẳng theo một dạng đường cong nào đó có thể là đường tròn hoặc elip. Có 3 dạng quỹ đạo thường gặp đó là quỹ đạo elip, quỹ đạo tròn nghiêng và quỹ đạo tròn ngang ( quỹ đạo xích đạo ). Tr¸i §Êt Kho¶ng c¸ch r K l­îng M VÖ tinh khèi l­îng m V Lùc hót §é lín = GMm/e2 Lùc li t©m §é lín = mv2/r H×nh 2: C¸c ngo¹i lùc t¸c ®éng lªn vÖ tinh a, Quỹ đạo elip: Quỹ đạo elip nghiêng một góc 640 so với mặt phẳng xích đạo của trái đất. Loại quỹ đạo này có độ ổn định cao, đường bay của vệ tinh nằm trong một mặt phẳng có dạng hình elip với bán trục lớn bằng khoảng cách từ trái đất đến vệ tinh khi nó ở điểm cực viễn ( apogee ) và bán trục nhỏ khi nó ở điểm cực cận ( periee ). Vận tốc của vệ tinh sẽ giảm đi khi khoảng cách giữa nó và trái đất tăng lên và ngược lại. Quỹ đạo này là trường hợp cân bằng đặc biệt của vệ tinh do lực hót không đều của trái đất. Nhờ quỹ đạo nghiêng của mình mà vệ tinh có thể phủ sóng được các vùng vĩ đạo cao của trái đất khi nó đến gần điểm cực viễn. Dạng quỹ đạo này được dùng cho một số hệ thống vệ tinh như MOLNYA chu kỳ 12h ( khoảng cách tới viễn điểm 39957 Km và cận điểm là 548 Km ) và một số vệ tinh có chu kỳ 24h. Dạng quỹ đạo này đặc biệt thích hợp cho các hệ thống Mobile dùng thông tin vệ tinh ở các nơi mà hiệu ứng che lấp do chướng ngại vật và fading chở nên đáng kể khi góc ngẩng của anten nhỏ hơn 300 . Các quỹ đạo elip nghiêng cho phép tạo ra những tuyến vệ tinh ở vĩ độ trung bình và vĩ độ cao với góc ngẩng anten của trạm mặt đất gần bằng 900 nên suy hao môi trường đối với tuyến này rất thấp. Đây là ưu điểm nổi bật mà kiểu quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh không có ( hệ thống ELLIPSAT bao gồm 24 vệ tinh trên hai mặt phẳng quỹ đạo khác nhau cùng nghiêng 640 dùng phủ sóng liên tục toàn nước Mỹ cũng thuộc kiểu quỹ đạo này ). b, Quỹ đạo tròn nghiêng: Trong trường hợp này vệ tinh có quỹ đạo tròn và có độ cao không đổi so với mực nước biển. Với kiểu quỹ đạo này vệ tinh bay trong một mặt phẳng có góc nghiêng gần 900 theo một đường tròn quanh trái đất. Độ cao khoảng vài trăm Km tức là có chu kỳ khoảng 1 giê rưỡi. Các vệ tinh có thể bay qua mọi vùng của trái đất nên kiểu quỹ đạo này thường được sử dụng cho các vệ tinh do thám và quan sát ( Observation satellite ) ví dụ vệ tinh SPOT có độ cao 830 Km quỹ đạo nghiêng là 98,70 chu kỳ 101 phót. Hiện nay có rất nhiều hệ thống vệ tinh toàn cầu sử dụng những chùm vệ tinh bay theo kiểu quỹ đạo này ở độ cao thấp khoảng 1000 Km IRIDIUM, GLOBAL STAR, ODYSSEY, ARIES, LEOSAT… c,Quỹ đạo tròn ngang ( quỹ đạo xích đạo ): Đây là kiểu quỹ đạo phổ biến cho các vệ tinh địa tĩnh. Trong trường hợp này vệ tinh bay trên mặt phẳng xích đạo có độ nghiêng bằng 00 theo một đường tròn vĩ độ 0 xung quanh trái đất, tốc độ của vệ tinh đúng bằng chu kỳ của trái đất quay quanh trục của nó. Do đó trong trường hợp này vệ tinh xuất hiện như một điểm cố định trên bầu trời khi quan sát từ một điểm trên mặt đất. Các vệ tinh địa tĩnh luôn đảm bảo được sự chuyển tiếp thông tin liien tục trong thời gian thực giữa trạm mặt đất nằm trong vùng phủ sóng của nó. Như vậy trong trường hợp này chỉ cần 3 vệ tinh có kinh độ khác nhau 1200 là ta có thể thiết lập được một hệ thống thông tin toàn cầu. Nhược điểm của dạng quỹ đạo này là các vệ tinh không thể phủ sóng được các khu vực có vĩ độ cao là ở hai vùng cực của trái đất. *Vệ tinh ở mục a, b còn có tên gọi chung là vệ tinh không địa tĩnh, việc lùa chọn quỹ đạo này còn phụ thuộc vào các ứng dụng cụ thể, độ can nhiễu mà hệ thống có thể chấp nhận được và khả năng tầm phóng xa của vệ tinh. *Để vệ tinh có thể giữ nguyên vị trí của mình trên quỹ đạo, người ta thường dùng một trong hai kỹ thuật ổn định là ổn định quay hoặc ổn định 3 trục. Đối với ổn định quay thì mặt trụ ngoài của vệ tinh được quay để tạo ra tác động con quay hồi chuyển ổn định vệ tinh, còn đối với ổn định 3 trục người ta xử dụng các con quay hồi chuyển bên trong và một số động cơ phản lực hỗ trợ thích hợp. 2.3, Vai trò của trạm điều khiển Trên lý thuyết, các vệ tinh chuyển động với các quỹ đạo có hình dạng là đường tròn hoặc đường elip, nhưng trong thực tế quỹ đạo này không được hoà toàn như lý thuyết do vệ tinh còn phải chịu tác động của rất nhiều yếu tố khách quan như sự thay đổi ngẫu nhiên lực hót của trái đất, lực hấp dẫn của các hành tinh lân cận… Vì vậy ngay đối với vệ tinh địa tĩnh thì vẫn luôn có sự giao động xung quanh vị trí cân bằng của nó. Thêm nữa quỹ đạo của chúng còn bị nghiêng. Điều này dẫn đến trong hệ thống phải có các trạm điều khiển và trong các trạm mặt đất phải có các hệ thống bám. §é tr­ît vÖ tinh: B¾c-Nam (N-S) §«ng-T©y (E-S) ±0,05o §é lÖch t©m: 0,001 0,1 75 Km Tr¸i §Êt 75 Km 85 Km §­êng xÝch ®¹o Quü ®¹o danh ®Þnh cña vÖ tinh ®Þa tÜnh H×nh 3. Cöa sæ gi÷ tr¹m ®èi víi vÖ tinh ®Þa tÜnh Người ta đưa ra khái niệm cửa sổ giữ trạm (Station Keeping WWindow) để nói nên khả năng trạm điều khiển chỉ có thể giữ vệ tinh địa tĩnh cố định trong một phạm vi nhất định (trong phạm vi cửa sổ ). Kích thước của cửa sổ thông thường là 0,10 theo kinh tuyến và 0,10 theo vĩ tuyến tức là trạm điều khiển có khả năng giữ vệ tinh giao động trong phạm vi ± 0,050 theo phương Bắc-Nam và Đông-Tây. Sự giao động theo kinh độ và vĩ độ của các vệ tinh tương ứng với một dung sai vị trí là ± 37,5 Km. Đồng thời độ cao của vệ tinh so với trái đất cũng luôn bị thay đổi theo thời gian với độ lệch tâm cực đại là 0,001. Do đó khoảng độ caothay đổi của vệ tinh trong mét chu kỳ 24h sẽ là 2 x 0,001 x (35786 + 6378 ) = 85 Km. Trong đó giá trị 6378 là bán kính của trái đất tính ra Km, như vậy vệ tinh địa tĩnh sẽ giao động trong một thể tích có kích thước 75 x 75 x 85. Sù giao động của vệ tinh địa tĩnh quanh vị trí tương đối rõ ràng sẽ là cho thời gian truyền dẫn giữa trạm và vệ tinh luôn bị thay đổi. Đồng thời nó còn gây ra hiệu ứng Doppler đối với sóng mang. Tất cả những ảnh hưởng này đều gây ra những khó khăn cho quá trình truyền dẫn và đồng bộ của hệ thống, nhất là trong các hệ thống truyền dẫn số, ngoài ra trạm điều khiển còn có chức năng giữ anten thu phát của vệ tinh luôn hướng về vùng phủ sóng trên mặt đất. Hoạt động của trạm điều khiển dùa trên cơ sở các thông tin đo đạc nhận từ rất nhiều bộ cảm biến (sensor) đặt trên vệ tinh. 2.4, Phân hệ thông tin của vệ tinh Trên vệ tinh thường có hai phân hệ, đó là phân hệ thônh tin bao gồm tất cả các thiết bị phục vụ cho việc truyền dẫn tin tức và phân hệ điều khiển có nhiệm vụ đo lường các thông số làm việc và điều chỉnh lại các thông số này khi có lệnh từ mặt đất cấu trúc của phân hệ thông tin có thể được biểu diễn tổng quan bằng sơ đồ khối sau: ARX ATX Transponder OSC OSC Transponder VÖ tinh FC MUX FD HYPRID PPA MIX LNA H×nh 4: Ph©n hÖ th«ng tin vÖ tinh *Bộ khuyếch đại tạp âm thấp Trong sơ đồ trên LNA là bộ khuyếch đại tạp âm thấp được đặt ngay sau anten thu ARX có nhiệm vụ khuyếch đại biên độ điện áp tín hiệu thu với mức tạp âm ký sinh rất nhỏ (sẽ trình bày ở chương 4 ). Bé LNA của vẹ tinh thường là kiểu có làm lạnh bằng Nitrogen lỏng hoặc hiệu ứng nhiệt điện. Bộ LNA của vệ tinh cũng giống như bộ LNA của trạm mặt đất cho nên chúng sẽ được thảo luận ở phần thiết bị của trạm mặt đất ở chương 3. *Bộ đổi tần FC (Frequency converter): Sau khi đã được khuyếch đại về biên độ tín hiệu thu ở tuyến leensex được trộn với một tần số chuẩn FL0 được tạo ra bởi một bộ giao động OSC- Ocsillator đặt ngay trên vệ tinh. Tần số sinh ra ở đằng sau bộ trộn MIX là tổ hợp giữa tần số tín hiệu ở tuyến lên và tần số ngoại sai FL0. Do tần số sóng mang của tuyến lên bao giê cũng cao hơn tần số ở tuyến xuống cho nên bộ đổi tần của vệ tinh thường là bộ đổi tần xuống (Down Converter). Nguyên tắc của việc trộn tần là dùa vào đặc tính truyền đạt không tuyến tính của các thiết bị bán dẫn. Ví dụ như một diode , để sinh ra các tổ hợp tần số mới từ hai tần số ở đầu vào, nguyên tắc này có thể giải thích đơn giản như sau: Giả sử đầu vào có dạng: I(t) = Acos[(2Fut)+fu] Và tín hiệu ngoại sai có dạng: LO(t) = B cos [(2pFL0t) +fL0] Sau khi qua bộ trộn tín hiệu đầu ra sẽ là: O(t) = I(t) LO(t). Do đó O(t) = AB cos O(t) = (AB/2) Như vậy tại bộ ra của bộ trộn có tín hiệu O(t) với biên độ AB/2 bao gồm hai thành phần tần số là FU + FLO và bằng các bộ lọc ở đầu ra của bộ đổi tần ta có thể chọn lấy một thành phần tần số mà ta mong muốn. Trong thông tin vệ tinh thường người ta chọn thành phần tần số FLO lớn hơn FU . Do đó ta có FD=FLO-FU. Ví dụ đối với băng tần C thì FU=6Ghz nên FLO phải bằng 10 Ghz để FD= FL0 - FU * Bộ khuyếch đại tiền công suất PPAvà chia HIBRID: Bé khuyếch đại tiền công suất PPA (Prior Bower Amplifier) có chức năng khuyếch đại sơ bộ công suất tín hiệu đi ra từ bộ đổi tần tới mức đủ lớn để có thể phân chia cho các Transponder. Việc phân chia được thực hiện nhờ bộ HIBRID gồm có n đầu ra tương ứng với số Transpoder của vệ tinh. Công suất tại mỗi đầu ra của nó phải nhỏ hơn n lần so với công suất ở đầu vào. *Các bộ phát đáp Transponder: Băng tần rộng của tín hiệu vệ tinh được chia làm các băng nhỏ hơn ( ví dụ rộng khoảng 40MHz ). Mỗi băng này được phân phối cho một bộ phát đáp của nó còn gọi là kênh vệ tinh. Mỗi kênh vệ tinh lại có thể mang rất nhiều kênh số liệu và kênh thoại từ người sử dụng. Trên thực tế do phải có khoảng bảo vệ giữa các bộ phát đáp cho nên dải tần thực tế mà các bộ phát đáp sử dụng thường nhỏ hơn 36MHz. Các bộ phát đáp có vai trò như là các kênh chuyển tiếp thông tin. Chúng làm việc trong các dải tần riêng nhờ các bộ lọc thông dải BPF đặt tại đầu vào. Sau khi sử lí bù như bù trễ, bù tần số …Tín hiệu trong mỗi Transponder sẽ được đưa qua bộ khuyếch đại công suất cao HPA ở đầu ra khuyếch đại đủ lớn trước khi phát lại ở hướng xuống. Bộ HPA của mỗi kênh vệ tinh thường là loại đèn sóng chạy TWTAvới độ dự phòng 5:1 và hiện nay đã bắt đầu sử dụng loại HPAbán dẫn SSPA. Với các phương pháp đa truy nhập mà ta sẽ thảo luận ở các mục sau. Mét Transponder có thể cùng một lúc phục vụ nhiều tuyến khác nhau. Dễ nhận thấy rằng trong từng trường hợp hệ thống dùng kỹ thuật sử dụng lại tần số (Reuse) thì sơ đồ hình 4 mới chỉ là một nửa phân hệ thông tin của vệ tinh dành cho một phân cực nửa còn lại của phân cực kia có sơ đồ tương tự. *Bộ ghép công suất (MUX): Trước khi anten phát ATX tín hiệu của các Transponder ở các băng tần con khác nhau phải được ghép lại với nhau. Yêu cầu ghép phải đảm bảo sao cho sù can nhiễu giữa các kênh vệ tinh là thấp và mức công suất của chúng đồng đều nhau trong tín hiệu tổng hợp. Có nhiều kĩ thuật được ứng dụng cho bé MUX mà trong đó có thể kể đến một thiết bị thông dụng là bộ CIRRCULATOR. 3. Phần mặt đất (ground segment) Phần mặt đất bao gồm tất cả các trạm mặt đất của hệ thống. Thông thường chúng được nối với thiết bị đầu cuối của người sử dụng thông qua một mạng mặt đất có dây hoặc không dây. Trong một số trường hợp chúng kết nối trực tiếp với người sử dụng qua mạng VSAT . Các trạm mặt đất đối với người sử dụng qua mạng thường là các trạm lớn có dung lượng cao phục vụ nhiều khách hàng một lúc. Ngược lại các trạm VSAT là các trạm nhỏ có dụng lượng thấp và chỉ phục vụ một số lượng hạn chế người sử dụng. Hiện nay, các dịch vụ VSAT đạng rất phổ biến nên các trạm mặt đất VSAt được quan tâm nghiên cứu rất nhiều. Các trạm mặt đất có thể phân biệt theo kích cỡ của chún. Kích cỡ này phụ thuộc vào dung lượng truyền tải và kiểu tin tức của mỗi trạm (thoại, truyền hình hay số liệu). Các trạm lớn nhất được trang bị anten có đường kính 30m như các trạm mặt đất tiêu chuẩn A của hệ thống INTELLSAT thế hệ cũ. Các trạm nhỏ nhất anten chỉ có 0,6 m ví dụ như các trạm truyền hình trực tiếp từ vệ tinh. Nhìn chung do kĩ thuật ngày càng phát triển nên kích cỡ của các trạm mặt đất ngày càng nhỏ lại. Ví dụ hiện nay trạm mặt đất tiêu chuẩn A của INTELLSAT chỉ cần có anten đường kính từ 15 – 18m . Các trạm mặt đất thường có cả máy phát và máy thu để trao đổi tin tức với vệ tinh. Một số trạm khác chỉ có máy thu như trong trường hợp trạm khai thác các dịch vụ quảng bá từ vệ tinh hoặc là trạm phân phối các dịch vuh truyền hinh và số liệu tới khách hàng. Hinh 5 cho ta thấy cấu trúc tổng quan của một trạm mặt đất thông dụng. DIPLEXER TÝn hiÖu b¨ng gèc Khèi ®iÒu chÕ Trung tÇn HPA Tõ ng­êi dïng Khèi gi¶i ®iÒu ChÕ trung tÇn Tíi ng­êi dïng LNA B¸m S¸t CÊp nguån ®o l­êng vµ ®iÒu khiÓn Hinh 5: Cấu trúc cơ bản của trạm mặt đất Kĩ thuật về trạm mặt đất đặc biệt quan trọng cho những người khai thác hệ thống thông tin vệ tinh bởi vì nó gắn liền với họ. Các thông số của trạm mặt đất, các tính chất tín hiệu và quá trình xử lý tín hiệu tại trạm như ghép kênh, gây méo trước, giải méo trước… sẽ được nói tới ở phần sau. 4. Phân cực sóng mang trên thông tin vệ tinh. Sóng điện từ bao giê cũng có một thành phần điện trường và một thành phần từ trường có hướng vuông góc nhau và vuông góc với phương truyền sóng. Theo quy ước, phân cực của sóng được định nghĩa bởi hướng của vector cường độ điện trường. Nói chung hướng của điện trường không cố định và biên độ của nó cũng không phải là hằng số. Khi truyền sóng điện từ đầu mót của vector cường độ điện trường thường vạch ra một đường elip do đó gọi là phân cực elip. Phân cực của sóng điện từ có ba thông số cơ bản sau: Hướng quay vector cường độ điện trường: Theo tay phải hoặc theo tay trái tức là thuận hay ngược chiều kim đồng hồ. Tỷ số trục AR (Axial Ratio): AR = EMAX/EMIN là tỷ số giữa trục lớn và trục nhỏ của hình elip phân cực. Khi AR=1 hay 0 dB thì hình elip trở thành đường tròn và phân cực được gọi là phân cực tròn. Khi AR= ¥ thì hình elip trở thành một đường thẳng và phân cực được gọi là phân cực thẳng. Độ nghiêng của Elip phân cực: Khi công nghệ truyền dẫn sử dụng lại tần số thì người ta phải dùng đến 2 sóng mạng có phân cực vuông góc nhau hay độ nghiêng của hai elip lệch nhau 900. Nhiều khi ở những tuyến gây xuyên cực lớn người ta phải sử dụng thêm sự phân biệt về chiều quay của vector cường độ điện trường. Một sóng mang quay theo tay phải còn sóng mang vuông góc với nó quay theo tay trai. Đặc biệt khi dùng phân cực tròn thì chỉ có thể phân biệt về chiều quay của vector phân cực. Khi đó sóng mang có vector E quay theo tay phải gọi là RHCP (Right Hand Circular Polarisation) và sóng mang có vector E quay theo tay trái gọi là LHCP (Left Hand Circular Polarisation). Các phân cực tròn hiện đang được dùng rất phổ biến trong thông tin vệ tinh, đặc biệt trong các hệ thống dùng loại tần số. Hai phân cực thẳng gọi là vuông góc nhau khi có phân cực hướng theo chiều thẳng đứng, phân cực kia hướng theo chiều nằm ngang trong một hệ qui chiếu nào đó. 5. Các dải tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh. Để phân phối tần số người ta chia thế giới ra làm ba khu vực: Khu vực 1: Bao gồm Châu Âu, Châu Phi, vùng Trung Đông và Nga. Khu vực 2: Bao gồm các nước Châu Mỹ. Khu vực 3: Bao gồm các nước Châu Á trừ vùng Trung Đông, Nga và Châu Đại Dương. Tần số phân phối cho một dịch vụ nào đó có thể phụ thuộc vào khu vực. Trong mét khu vực. Một dịch vụ có thể được dùng toàn bộ băng tần của khu vực này hoặc phải chia sẻ với các dịch vụ khác. Các dịch vụ cố định sử dụng các băng tần sau: Khoảng 6 GHz cho tuyến lên và 4 GHz cho tuyến xuống được gọi là băng C (hay băng 6/4 GHz), băng tần này được các hệ thống cũ sử dụng ví dụ hệ thống INTELLSAT, các hệ thống nội địa của Mỹ… và hiện nay đã có xu hướng bão hoà. Khoảng 8 GHz cho tuyến lên và 7 GHz chon tuyến xuống được gọi là băng X (hay băng 8/7 GHz). Băng tần này được giành riêng cho chính phủ sử dụng. Khoảng 14 GHz cho tuyến lên và 11 hoặc12 GHz cho tuyên xuống được gọi là băng tần Ku (hay băng 14/12 – 14/11). Băng tần này được các hệ thống mới hiện nay sử dụng ví dụ như hệ thống EUTELSAT, TELECOM I và II… Khoảng 30 GHz cho tuyến lên và 20 GHz cho tuyến xuống còn được gọi là băng Ka (hay băng 30/20). Băng tần này hiện mới sử dụng cho các hệ thống cao cấp, các cuộc thử nghiệm và giành cho tương lai. Các băng tần cao hơn 30GHz hiện đang được nghiên cứu và chắc chắn sẽ được dùng rất phổ biến trong tương lai. Các dịch vụ di động dùng vệ tinh sử dụng băng tần khoảng 1,6GHz cho tuyên lên và 1,5 GHz cho tuyens xuống, băng tần này được gọi là băng L. Các dịc vụ quảng bá vệ tinh chỉ có tuyến xuống và sử dụng băng tần vào khoảng 12GHz. Mỗi trạm mặt đất được vệ tinh phân phối cho một băng tần nhất định. Trong thông tin vệ tinh người ta thường phân biệt các khái niệm băng tần như sau: Băng tần chiếm dụng (Occupied bandwidth) BOCC. Băng tần doanh định (Allocated Bandwidth) BALL. Băng tần tạp âm (Noise Bandwidth) BN. Băng tần phân tích ( Resolution Bandwidth) BRES. Và băng tần công suất tương (Epuibalent Power Bandwidth) BEqp. Băng tần doanh đinh BALL là băng tần thực sự mà vệ tinh cung cấp cho trạm mặt đất. Để đánh giá sóng mang trong BALL người ta phải đo công suất (dB) của nó tại một vị trí nào đó được xác định bởi BRES. Nếu lí tưởng thì BRES = 1Hz nhưng trên thực tế độ rộng của BRES bằng khoảng 1% BALL. dB Các giải BALL của trạm mặt đất được đặt sát cạnh nhau cho nên giữa chúng phải có khoảng bảo vệ nào đó để tránh sự xuyên nhiễu. Vì vậy thực sự các sóng mạng chỉ làm việc với giải tần chiếm dụng BOCC nhá hơn và nằm trong BALL, BOCC được xác định băng tần giữa hai BRES sao cho giá trị công suất đỉnh lớn hơn công suất mỗi BRES tối thiệu 40dB thông thường thì có giá trị trpng khoảng 1/1,1 – 1/1,2 BALL. dB S1 = S2 S1 B R E S b) S2 a) ³ 40 dB F B O C C F B O C C B A L L B A L L Hình 6: Định nghĩa các băng tần . Với một giá trị BOCC nào đó các trạm mặt đất còn phải chịu sự qui định về mức công suất phát không được lớn hơn một giá trị cực đại nhất định. Bởi vì một trạm phát một công suất qua lớn thì các hài do nã sinh ra sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến các kênh lân cận có mức công suất nhỏ hơn. Do đó một trạm muốn phát công suất lớn thì tương đương với một giải tần chiếm dụng của nó sẽ mở rộng ra. Giá trị của BEqp đặc trưng cho sự tương đương đó. Chingh vì thế mà các kĩ thuật truyền dẫn hiện nay đang cố gắng làm cho BEqp =BOCC dùa trên việc giảm mức công suất phát là tăng cường hiệu quả của các kĩ thuật sửa lỗi trước (FEC). Khi đó dù công suất phát có nhỏ (khả năng lỗi) nhưng do đã mã hoá chống lỗi cho nên ta vẫn có thể đảm bảo được chất lương thông tin truyền dẫn đạt yêu cầu như khi phát với công suất lớn. Độ rộng dải tần BALL được vệ tinh cung cấp cho các trạm mặt đất theo yêu cầu của riêng mỗi trạm nhưng theo qui đinh bao giê nó cũng phải bằng một số lẻ lần bước 22,5 KHz tức là BALL=n. 22,5KHz (với n lẻ). Quy định này nhằm làm cho quá trình phân bổ tần số trong hệ thống được thuận lợi và hiệu quả nhất. Trên thực tế tại thời điểm hiện nay, quy định này trở nên cũ vì sự tiến bộ của kỹ thuật, tốc độ luồng số liệu ngày càng nhỏ hơn, chiếm băng tần hẹp hơn, cho phép ta sử dụng nhiều liểu bước chia cho BALL. 6. Các kỹ thuật điều chế và giải điều chế tín hiệu 6.1 Khái niệm 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 trìng 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 Ýt bị can nhiễu nhất là khi sóng mang đi qua môi trường trung gian. Người ta phân biệt hai loại điều chế đó là điều chế tương tự cho tín hiệu analog và điều chế số cho 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, truyền hình). Các phương pháp điều biên AM và điều biên pha QAM (điều chế cầu phương) rất Ýt 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 thay đổi rất mạnh gây nhiễu khó khăn cho quá trình giải điều chê. Các kĩ thuật điều chế số dùa trên cơ sở dùng các biện pháp tải các giòng bit lên sóng mang. Tín hiệu ở băng gốc bao giê cũng là tín hiệu analog nên chúng phải được chuyển thành tín hiệu số nhờ phương thức PCM (Pulse Coder Modullation) trước khi được điều chế. Kĩ thuật điều chế số áp dụng trong thông tin vệ tinh thường là điều chế dịch mức pha PSK (Phasing Shift Keying) và điều chế mức dịch pha vi sai DE – PSK (Diffferental – PSK). Ưu điểm của kĩ thuật điều chế số là nó khai thác được các mặt mạnh của tín hiệu số so với tín hiệu tương tự, Ýt bị can nhiễu của môi trường và dễ kết hợp với các quá trình sử lý như mã hoá, bảo mật, chống lỗi và sửa lỗi…Nói chung nguyên tắc của việc điều chế số và tín hiệu tương tự là tương đối giống nhau. 6.2. Kĩ thuật điều chế tân sô (FM) A,Nguyên lý: Điều chế tần số là dùng tín hiệu cần truyền để biến điệu tần số của sóng mang. Gọi v(t) là điện thế biểu diễn tín hiệu dùng để điều chế và FC là tần số của sóng mang. Khi dùng v(t) điều chế sóng mang, tần số của sóng mang sẽ biến đổi theo v(t) và sinh ra một độ lệch F được cho bởi công thức: DF(t) = F(t) – F(c) = kFM v(t) (Hz) Trong đó KFM (Hz/V) là hệ số của bộ điều chế và F(t) là tần số sóng mang bị biến điệu theo thời gian sau khi 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 F(t). Khi truyền sóng sang trạm thu bộ giải điều chế sẽ căn cứ vào đại lượng đó để khôi phục lại tin tức ban đầu. B, Chỉ số điều tần: Nếu tín hiệu điều chế có dạng hinh sin với tần số FM và biên độ A thì nó sẽ gây ra độ lệch tần số cực đại của sóng mang là DFMAX = kFM A khi đó chỉ số điều tần được định nghĩa: mFM= DFMAX / FM. Chỉ số điều chế hiển thị ch mức độ điều chế của tín hiệu đối với sóng mang. Giá trị mFM lớn khi biên độ của tín hiệu lớn làm tần số sóng mang thay đổi nhiều và sẽ nhỏ khi A nhỏ kéo theo DFMAX còng nhá. C, Độ rộng phổ của sóng mang điều tần: Phổ của sóng mang bị điều chế bởi một tín hiệu chuaant hình sin có tần số FM chiếm một độ rông được tính bằng công thức carson B = 2(mFM + 1) FM . Nếu tín hiệu dùng để điều chế không có dạng sin mà chiếm một giải tần từ 0 đến FMAX thì ta phải thay đổi giá trị FM bằng FMAX . Với tỷ số điều tần mFM = DFMAX / FMAX 6.3. Kĩ thuật giải điều chế sóng mang FM a.Nguyên lý: Ngyên lý của việc giải điều chế sóng mang FM ngược lại với quá trình điều chế tức là độ giải điều chế sẽ xác định độ lệch tần số tức thời của sóng mang và từ đó khôi phục điên thế tin tức u(t) theo phương thức sau: U(t)= sFM DF(t) Trong đó sFM là hệ số của bộ giải điều chế tính ra (V/ Hz) b. Tỷ số tín hiệu trên tạp âm tại đầu ra ucar bộ giải điều chế Đê đánh giá mức độ tạp âm người ta thường sử dụng khái niệm mật độ phổ công suất tạp âm N0 được suy tư công thức N = N0 B0. Trong đó N là công suất tạp âm tổng cộng trên toàn giải BN. Đối với phương thức giải điều tần N0 sẽ phụ thuộc vào tần số và được tính bằng : N0 (F) = N0 (sFM/ A)2 (2pF)2 [w/Hz] Ở đây A là biên độ của sóng mang thu được và N0 là mật độ phổ công suất tạp âm tại đầu vào của bộ giải điều chế. Dễ thấy rằng mật độ phổ tạp âm tại đầu ra của bộ giải điều chế N0(F) có dạng Parabol. Nếu tín hiệu tin tức có độ rộng phổ trong khoẳng (0 đến FMAX) thì tỷ số S/N tại đầu ra của bộ giải điều chế sẽ được tính bằng công thức: S/ N = [3/ (2 FMAX)] (DFMAX/ FMAX)2 (C/ N0)T. Trong đó (C/ N0)T là tỷ số giữa công suất sóng magn và mật độ phổ công suất tạp âm trên toàn tuyến được đo tại đầu vào của bộ giải điều chế. N0 được đánh giá trong giải BN = B = 2(mFM + 1) FMAX. Tăng Ých giải điều tần: Vì N = N0 BN cho nên ta có C/ N = (C/ N0)T BN. Do vật mà công thức C/ N ở trên có thể viết thành: S/ N = (3/2) (BN/ FMAX ) (DFMAX / FMAX)2 (C/ N) = 3(1+mFM)mFM2 C/ N. Khi mFM đủ lớn thì ta dễ thấy S/ N tăng rất mạnh theo mFM hay theo FMAX của sóng mang cho nên đối với những tuyến chỉ có thể đáp ứng được một giá trị C/ N nhỏ, người ta vẫn có thể đạy được một tỷ số C/ N lớn tại máy thu nếu mở rộng băng tần của sóng mang hay tăng độ sâu điều chế. Đây chính là nguyên lí hoán đổi băng tần – C/ N (cũng còn gọi là nguyên lí hoán đổi băng tần công suất: Bandwidth Power Exchange) của phương pháp điều chế tần sè 6.4. Điều chế số a, Nguyên lý Hình 7 cho ta thấy nguyên lý cơ bản của một bộ điều chế số: Một bộ tạo mức (Symbol Generater). Một bộ mã hoá (Ecodinh ) Một bộ tạo tín hiệu sóng mang ( Channel Signal Generater ). M=2m M· ho¸ Bé ®iÒu chÕ Bé t¹o tÝn hiÖu sãng mang (m møc) Bé t¹o møc (m Møc) Dßng sè ®i vµo H×nh 7 : Nguyªn lý cña bé ®iÒu chÕ sè Bộ tạo mức sẽ chuyển chuỗi nhị phân ở đầu ra M mức nhất định. Cứ một nhóm m bit cạnh nhau ở đầu vào sẽ được thể hiện bởi mét mức đặc trưng riêng cho cấu trúc logic của nhóm. Như vậy giữa M và m có quan hệ M = 2m. Bé mã hoá sẽ tạo ra một sự tương quan giữa M mức này với M trạng thái có thể của sóng mang. Trên thực tế trong bộ điều chế số có hai kiểu mã hoá sau: Mã hoá trực tiếp ( Direct Encodinh ): Mét mức sẽ tương ứng với một trạng thái nhất định của sóng mang Mã hoá vi sai ( Differental Encodinh ): Mét mức sẽ tương ứng với một sự thay đổi nhất định giữa hai trạng thái liền nhau của sóng mang Nếu tốc độ luồng số tại đầu vào của bộ điều chế là RC (bit/s) thì tốc độ điều chế là RS tại đầu ra hay sè thay đổi trạng thái của sóng mang trong mỗi giây là: RS = RC/m = RC / log2 M (baud) Điều chế mức dịch pha (PSK) đặc biệt thích hợp cho việc truyền dẫn số bởi nó Ýt bị nhiễu làm ảnh hưởng và khi so sánh với điều chế dịch mức tần số (FSK) thì nó sử dụng phổ hiệu quả hơn hay có số lượng bit/s trên mỗi giải tần đơn vị lớn hơn. Hai kiểu PSK phổ biến nhất trong thông tin vệ tinh là điều chế dịch pha hai mức (BPSK) và điều chế dịch pha bốn mức (QPSK). Trong mỗi kiểu lại có hai kiểu con tuỳ theo cách mã hoá là pha trực tiếp hay vi sai pha b. Điều chế pha hai trạng thái BPSK và DE- BPSK Hình 8 cho thấy cấu trúc cơ, bản của một bộ điều chế pha 2 trạng thái. Ở đây ta không cần bộ tạo mức vì trong trường hợp này một mức tương ứng với một bit chóng ta ký hiệu là bK là giá trị logic của bit tại đầu vào bộ điều chế tồn tại trong khoảng thời gian [ kTC (k+1) TC ]. Bé mã hoá sẽ chuyển giá trị bit bK thành giá trị bit mK của chuỗi điện thế v(t), thường là NRZ, để điều chế lên sóng mang . 1800 00 Bé t¹o tÝn hiÖu Sãng mang Sè liÖu dïng ®Ó ®iÒu chÕ mK Chuçi bit ®Çu vµo bK (0) (1) M· ho¸ v(t) (NRZ) u(t) (NRZ) Sãng mang ®· ®iÒu chÕ C(t) cos t Sãng mang chuÈn 1 Time 0 Hình 8: Bộ điều chế pha hai trạng thái Nếu mã hoá trực tiếp (BPSK) thì mK = bK còn nếu mã hoá vi sai (DE-BPSK) thì mK=bK +mK-1. Bé tạo sóng mang được điều khiển bởi bit mK tồn tại trong khoảng thời gian [kTC. (KHz+1)TC thông qua điện thế v(kTC) = ±V. Sóng mang được điều chế có tần số FC= wC /2p có 2 dạng như sau: C(t) = Acos (wCt + qK) = v(kTC )Acos (wCt) Trong công thức trên qK = mK p tức là qK = 0 nếu mK = 1 và qK = p. Nếu mK = 0. Cả hai kiểu điều chế BPSK và DE – BPSK ddeeuc ã dạng phương trình sóng mang điều chế C(t) như trên nhưng vì mK được xác định khác nhau nên giá trị qK của mỗi kiểu đối với cùng một bit bK có thể khác nhau (xem bảng 1.1). Điều chế PSK dùa trên nguyên lý dùng các mức mK để điều pha của sóng mang bằng cách nhân nó với một sóng mang chuẩn như đã vẽ trên hình 1.8 nhưng pha của nó luôn giữ nguyên trạng thái trong thời gian tồn tại của mỗi baud. BPSK DE – BPSK bK Pha mk-1 Pha cò mK Pha mới 0 1 p 0 0 1 0 1 p 0 p 0 0 1 1 0 p 0 0 p Điều chế pha bốn trạng thái OPSKvà DE – OPSK Hình 9 cho ta hình ảnh cấu trúc của một bộ điều chế pha bốn trạng thái. Bộ tạo mức có vai trò như một bộ biến đổi nối tiếp – song song để tạo ra hai chuỗi nhị phân AK và BK từ chuỗi bK nhá ban đầu. Nếu bK có tốc độ RC thì AK và BK có tốc độ RC/ 2. Trong bộ điều chế QPSK thì một mức đặc trưng cho một cặp bit (dibit) lấy từ hai luồng AK và BK, tồn tại trong khoảng thời gian [ k.TS, (k+1)TS ] bằng thời gian hai bit của chuỗi gốc bK tức là TS = 2 TC. Bé mã hoá chuyển cặp bit AK, BK thành cặp bit IK QK theo mét qui luật nhất định để rồi sau đó sẽ dùng một trạng thái pha nào đó của sóng mang đại diện cho cặp bit IK QK này. Chuçi bit ®Çu vµo bK uK M· ho¸ Møc 1800 0 VI(t) IK cos Ct AK (0) (1) Bé t¹o Møc C(t) 900 (1) + 900 QK BK (0) - 900 VK(t) 0 1 1 0 0 Time Hình 9: Bộ điều chế pha bốn trạng thái (QPSK) Giá trị điện thế của IK và QK đem điều chế tương ứng là VI(t) và VQ(t). Nếu mã hoá trực tiếp thì ta có kiểu điều chế trực tiếp (QPSK) và IK.QK được xác định từ công thức IK = AK ; QK = BK nếu mã hoá vi sai thì ta có kiểu điều chế vi sai (DE – QPSK – Differental QPSK) và ngoài AK BK, giá trị IK QK còn được xác định nhờ vào trạng thái của chúng trước đó (IK-1 QK-1) theo các phương trình sau IK = IK-1 AK BK + IK-1AKBK + QK-1 AK BK + QK-1 AK BK. QK = IK-1 AK BK + IK-1AKBK + QK-1 AK BK + QK-1 AK BK. Bộ tạo sóng mang sẽ sinh ra hai sóng mang có pha vuông góc nhau thông qua một bộ quay pha 900. Sau đó thành phần sóng mang cosin sẽ được điều chế biên độ bởi bít IK trong khoảng thời gian [ k TS, (k+1) TS ] và thành phần sóng mang sin sẽ được điều chế biên độ bởi bít QK còng trong khoảng thời gian này. Điện thế của bit điều chế IK là : VI(kTS) = ± V và của bit QK là VQ (kTS)=±V chính là các giá trị của IK và QK được xác định bằng công thức trên tại thời điểm kTS . Cuối cùng hai thành phần điều biên này được cộng với nhau đệ tạo ra sóng mang tổng hợp C(t): C(t) = VI(kTS)Acos(wCt) + VQ(kTS)AsinwCt) Trong công thức trên ta thấy hai sóng mang thành phần có biên độ thay đổi hoặc là + V hoặc – V nhưng sóng mang tổng hợp lại có biên độ không đổi trong khi giá trị pha f của nó lại có thể lấy 1 trong 4 trạng thái 450, 1350, 2150 và 3150. Mỗi trạng thái pha cách nhau 900 này sẽ đại diện cho một mức IKQK nào đó tuỳ thuộc vào kiểu điều chế là QPSK hay DE-QPSK và được thống kê trong bảng 1.2. QPSK DE-QPSK AKBK Pha Góc đổi pha 00 01 10 11 5p/4 3p/4 7p/4 p/4 0 p/2 p 3p/2 6.5 Kỹ thuật điều chế sóng mang PSK a, Nguyên lý Nhiệm vụ của bộ giải điều chế là xác định giá trị pha hoặc độ di pha của sóng mang thu được để từ đó suy ra chuỗi nhị phân giống với bên phát. Trong thônh tin vệ tinh, có hai biện pháp giải điều chêsoos thông dụng. Đó là: - Kiểu Coherent: Bé giải điều chế sẽ xử dụng một tín hiệu hình sin tham chiếu được chính nó sinh ra, có tần số và pha giống hệt như của tín hiệu sóng mang chưa điều chế ở máy phát. Bộ giải điều chế sẽ xác định pha của sóng mang thu bằng cách so sánh nó với tín hiệu tham chiếu. Kiểu Coherent có thể khôi phục được chính xác chuỗi nhị phân trong cả hai trường hợp kiểu điều chế PSK và DE-PSK. Kiểu vi sai: Bé điều chế tiến hành so sánh pha của sóng mang thu trong khoảng thời gian thu tồn tại baud hiện thời với pha của nó trong thời gian tồn tại baud trước đó. Do vậy, bộ điều chế sẽ xác định được mức độ thay đổi pha giữa các baud và khôi phục được tin tức ban đầu. Vì chỉ đánh giá được sự thay đổi pha giữa các mước mà không biết được pha chính xác của chúng nên kiểu giải điều chế này chỉ có thể làm việc dd][cjv[is sóng mang DE-BPSK và DE-QPSK. b, Cấu trúc của bộ giải điều chế Hình 10 cho ta thấy cấu trúc của bộ giải điều chế Coherent và bộ giải điều cheesvi sai đối với sóng mang điều pha hai trạng thái BPSK và DE-BPSK: mK cos fK A cos (Ct + fK) Bé so s¸nh ng­ìng vµ A/d Läc th«ng thÊp 1 or 0 ra cos Ct T¹o thêi gian bit Kh«i phôc sãng mang (a) mK cos (fK - fK – 1 ) A cos (Ct + fK) Bé so s¸nh ng­ìng vµ A/d Läc th«ng thÊp 1 or 0 ra cos (Ct + fK – 1 ) T¹o thêi gian bit Bé trÔ t (b) H×nh 10:Bé gi¶i ®iÒu chÕ 2 møc coherent (a) vµ 2 møc vi sai (b) Nguyên tắc hoạt động của bộ giải điều chế coherent (hình 10) có thể tóm tắt như sau: sóng mang thu được dùng để điều khiển bộ khôi phục sóng mang chuẩn tạo ra tín hiệu tham chiếu có tần số và pha giống với sóng mang ở máy phát. Tín hiệu tham chiếu có dạng cos wCt lại được thích hợp với chính sóng mang thu thông qua bộ nhân. Kết quả tại đầu ra bộ nhân ta có. V(t) = C(t) cos wCt + fK)cos wCt V(t) = [A cos(fK) + A cos (2wCt + fK)] / 2 Bộ lọc thông thấp tại đầu ra bộ nhân cho phép ta loại bỏ được thành phần tần số 2FC . Sau khi ra khỏi bộ lọc điện thế có dạng tinV cosfK ± V do fK chỉ lấy 2 giá trị hoặc 0 hoặc p. Điện thế này sẽ được so sánh với ngưỡng 0 của bộ xác định ngưỡng (Threshold Detector) vào điểm giữa khoảng thời gian tồn taijcuar mỗi bit nhờ bộ đồng bộ bit được điều khiển bởi V(t). Bộ xác định ngưỡng này sẽ cho ra giá trị bit 1 nếu thấy V(t) > 0 (Khi fK = 0 hay V(t) = + V) và sẽ cho ra giá trị bit 0 nếu V(t) < 0 (khi fK = p hay V(t) = - V). Bộ giải điều chế sẽ gây lỗi bit khi tạp âm làm đổi dấu giá trị V(t) so với ngưỡng 0 của bộ nhận dạng. Đối với bộ giải điều chế vi sai, nguyên lý hoạt động cũng tương tự với bộ giải điều chế Coherent chỉ khác là bộ vi sai thì không có bộ tạo sóng mang chuẩn mà thay thế vào đó là bộ làm chậm sóng có thời gian trễ bằng thời gian tồn tại của một baud. Sau khi làm chậm một baud, sóng mang thu sẽ được nhân với tín hiệu không bị làm trễ. Tại đầu ra của bộ nhân tín hiệu tổng hợp có dạng V2cos(wCt + fK) cos (wCt + fK – 1). Bé lọc sẽ loại bỏ thành phần pha fK +fK – 1 có tần số góc 2wC và bộ xác định ngưỡng sẽ suy ra mK ban đầu tuỳ vàu dấu của thành phần V2 / 2 [cos (fK -fK – 1) ] co với ngưỡng 0 của nó. Nguyên lý hoạt động của bộ giải điều chế 4 trạng thái Coherent và vi sai là sự phát triển của bộ giải điều chế 2 mức thành hai kênh riêng biệt hoạt động song song với hai sóng mang vuông pha nhau. Mỗi kênh là một bộ giải điều chế hai mức coherent hoặc hai mức vi sai và trong hai kênh có bộ quay pha 900 đặt ở đầu ra bộ tạo sóng mang chuẩn hoặc đầu vào bộ trễ. Tại đầu ra bộ giải điều chế, hai kênh này được ghép qua bộ biến đổi song song-nối tiếp để khôi phục lại chuỗi bit ban đầu. 6.6 Các thông số của phương thức điều chế PSK a, Hiệu suất phổ Trong thực tế, người khai thác tuyến sẽ phải trả tiền cho toàn bộ dải phổ chiếm dụng trên vệ tinh và thu lại lợi nhuận từ những người sử dụng. Lợi Ých của người khai thác tuyến sẽ tăng lên khi độ chiếm phổ giảm đi và lượng khách hàng tăng lên. Tức là phải phân phối cho mỗi khách hàng một dải phổ ngày càng hẹp nhưng tốc độ số liệu vẫn không thay đổi để đảm bảo chất lượng dịch vụ. Khái niệm hiệu suất phổ é được định nghĩa là tỷ số giữa tốc độ của số liệu RC(bit/s) và dải tần chiếm dụng của sóng mang B(Hz). Do đó: é = RC / B [bit/sHz] Với điều chế BPSK, trên lý thuyết có hiệu suất phổ là 1 bit/sHz còn đối với điều chế QPSK hiệu suất phổ là 2bit/sHz. Trên thực tế do có sự không hoàn hảo của các thiết bị cho nên hiệu suất phổ của BPSK chỉ từ 0,7- 0,8 bit/sHz và vào khoảng 1,4 – 1,6 bit/sHz đối với QPSK. b, Khả năng lỗi: Tác động của tạp âm là nguyên nhân chính gây nên lỗi trong quá trình giải điều chế. Mức độ lỗi được đánh giá bởi tỷ số lỗi bit BER và có thể dự đoán bằng khả năng lỗi lý thuyết EP (Error Probability). Thường trên thực tế BER cao hơn EP nhưng việc đưa ra EP cho ta các phương hướng để đánh giá tuyến. Khi điều chế PSK, người ta đưa ra hai khái niệm là khả năng lỗi mức SEP (Symbol EP) và khả năng lỗi bit BEP (Bit EP). Đối với BPSK vì một mức là một bit cho nên BEP = SEP; đối với QPSK, một mức bằng hai bit cho nên BEP = SEP/2. Một cách tổng quan thifBEP và SEP quan hệ với nhau theo công thức: BEP = SEP /log2 M Trong đó M ³ 2 là số trạng thái của phương pháp điều chế. Các giá trị của BEP phụ thuộc vào tỷ số giữa công suất mỗi bit và mật độ phổ công suất tạp âm EC / N0 theo các công thức phức tạp đã được đưa ra trong các bảng Report của CCIR. Vì EC = C/RC co nên ta có thể viết: EC/N0 = (C/RC)/N0 = (C/RC)/RC [dB] Như vậy EC/N0 được xác định thông qua giá trị (C/N0). Nếu tuyến vệ tinh là kiểu chuyển tiếp (Relay) thì (C/N0) được đánh giá riêng trên hai tuyến (C/N0)U và (C/N0)D. Để thuận tiện hơn CCIR cũng đưa ra các bảng đối chiếu giá trị giữa BEP và EC/N0 tuỳ theo kiểu điều chế để người ta thiết kế tuyến rễ dàng quyết định các thông số cần thiết nhưng trên thực aês người ta thấy rằng cần phải thêm vào giá trị EC/N0 suy ra từ các bảng này 1,5dB nữa để bù cho sự không lý tưởng của các thiết bị. Ví dụ để có BEP =10-6 thì EC/N0 cần thiết của BPSK là 10,5dB của QPSK là 10,8dB. Khi dùng nó trên tuyến thực thì các giá trị EC/N0 cần thiết tương ứng sẽ là 12 và 12,3dB. Ngoài ra do sù thay đổi pha đột ngột nhất là thay đổi 1800 của sóng mang QPSK làm cho bộ lọc ở bộ giải điều chế có thể gây ra lỗi. Vì vậy hiện nay người ta đang nghiên cứu các phương pháp điều chế QPSK lệch (Offset QPSK) và MSK còn gọi là điều chế dịch tần nhanh (FFSK) để có bước thay đổi pha nhỏ hơn. 7.các kỹ thuật đa truy nhập 7.1. Khái niệm Ta đã biết rằng vệ tinh thường có nhiều Transponder hoạt động song song để phục vụ cho nhiều tuyến khác nhau. Tuy nhiên khi nhu cầu thông tin ngày càng tăng lên thì người ta phải nghĩ đến việc chia sẻ khả năng hoạt động của mỗi bộ Transponder cho nhiều trạm mặt đất trong mạng. Khi đó ta có thể thiết lập nhiều tuyến nối trạm với trạm đồng thời trên một kênh vệ tinh. Để thực hiện được điều này người ta phải sử dụng đến các kỹ thuật đa truy nhập. Các kỹ thuật đa truy nhập là các quá trình sử lý trong thời gian thực và khả năng truy nhập của một hệ thống tuỳ thuộc vào số trạm mặt đất có trong hệ thống đó .Đối với mét vệ tinh đơn búp sóng , có 3 kỹ thuật đa truy nhập cơ bản sau: Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Mỗi phương pháp trên có những đặc điểm riêng và độ phức tạp khác nhau. Trong trường hợp vệ tinh là loại đa búp sóng (Multi Beam) thì ta có thêm phương pháp đa truy nhập phân chia theo búp sóng thông qua chuyển mạch vệ tinh là một kỹ thuật mới và hết sức phức tạp mà ở đây chưa thể xem xét tới được . Người ta có thể phối hợp ba kỹ thuật đa truy nhập cơ bản trên trong một hệ thống tuy theo điều kiện cụ thể để tạo ra các kỹ thuật đa truy nhập tổng hợp rất hiệu quả. Có thể kể đến một số kiểu thông dụng như là FD/CDMA, FD/TD/CDMA, FD/TDMA, và TD/CDMA. 7.2 Các vấn đề về lưu lượng Cường độ lưu lượng A của một tuyến được định nghĩa là : A = RCALLTCALL Trong đó: RCALL là số cuộc gọi trung bình trên mỗi đơn vị thời gian TCALL là thời gian tồn tại trung bình mỗi cuộc gọi . Thông thường số cuộc gọi thực tế lớn hơn số kênh thông tin C mà hệ thống có thể đáp ứng được nên gây ra tình trạng ùn tắc. Với một giá trị A nào đó và giả sử các cuộc gọi bị ùn tắc không được lưu trữ trong bộ nhớ thì công thức Erlang thể hiện khả năng phục vụ hệ thống cho n kênh (n £ C) là : Dung lượng toàn phần giữa mỗi cặp trạm của mạng là hàm của yêu cầu với khả năng ùn tắc từ 0.5ữ1%. Dung lượng trên tuyến từ X tới Y được ký hiệu là CXY tính ra số kênh hoặc số bít/s. Trong thông tin vệ tinh có 2 phương thức truyền dẫn cơ bản: Thiết lập một sóng mang trên mỗi tuyến. Như vậy cứ mét tuyến (hoặc đi hoặc về) giữa hai trạm bất kỳ trong mạng ta có một sóng mang riêng. Nếu số mạng trong trạm là N thì số sóng mang phải có là N(N –1). Dung lượng của mỗi sóng mang chỉ bằng dung lượng tuyến sử dụng sóng mang đó(CXY). Thiết lập một sóng mang cho mối trạm phát. như vậy cứ một trạm trong mạng chỉ có một sóng mang duy nhất dù cho nó đồng thời phát tin tới nhiều trạm trong mạng. Trong trường hợp này dễ thấy số sóng mang băng số trạm (N) . Dung lượng của mỗi sóng mang bằng tổng dung lượng tất cả các tuyến từ trạm phát đến các trạm còn lại trong mạng hay Trong phương án thiết lập một sóng mang cho mỗi tuyến ta thấy CXY << Cå .Điều này tuy làm cho công suất sóng nhỏ hơn và không cần có quá trình xử lý tách lưu lượng ở trạm thu nhưng phương thức lại sử dụng quá nhiều sóng mang gây nên sự lãng phí giải phổ còng như khó khăn cho việc quản lý tuyến của vệ tinh . Hơn nữa khi sử dông quá nhiều sóng mang thì mức độ can nhiễu giữa chúng tăng lên lam cho các tuyến gây nên nhiều lỗi hơn. Trên thực tế việc lùa chọn một trong hai phương pháp phụ thuộc vào các điều kiện cụ thể như số lượng kênh, độ rộng băng tần, phương pháp truy nhập, tính kinh tế…nhưng nhìn chung phương thức một sóng mang cho một trạm phát vẫn sử dụng rộng rãi hơn. 7.3, Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA a, Nguyên lý FDMA: Trong các hệ thống chuyển tiếp, vệ tinh chỉ có vai trò như những bộ lặp của các hệ thống mặt đất. Với phương thức FDMA (Frequency Division Multyple Access ) băng tần của mỗi kênh vệ tinh (Transponder ) được chia thành các dải con. Mỗi dải con được chỉ định cho sóng mang được phát bởi một trạm mặt đất. Các trạm mặt đất trong mạng như vậy đều có một dải tần hoạt động riêng và làm việc liên tục trong suốt quá trình truyền tin. Do các trạm làm việc đồng thời và các thiết bị không lý tưởng cho nên người ta phải để những khoảng bảo vệ giữa những dải tần con này. Máy thu ở tuyến xuống sẽ dùng các bộ lọc thông dải (BPF ) để lùa chọn sóng mang gửi cho nó nằm trong một dải tần đã được quy định cụ thể. Kết hợp với các kỹ thuật điều chế và các kỹ thuật ghép kênh ta có các mô hình truyền dẫn thông dụng nhất cho FDMA như dưới hình 11. a) User F1 FM MOD FDM MULTIPLEX TX User User F2 Tõ c¸c tr¹m kh¸c b) User User User A/D F3 PSK MOD (Data) A/D FDM MULTIPLEX TX VÖ tinh Tõ c¸c tr¹m kh¸c c) User FM MOD TX User A/D PSK MOD TX User PSK MOD TX F Hình 11:Các mô hình truyền dẫn FDM / FM / FDM A - b) TDM / PSK / FDM A - c) SCPC / FDMA Mô hình FDM / FM / FDMA sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số FDM đối với các tín hiệu băng gốc analogue, rồi điều tần (FM) tín hiệu ghép này, sau đó truy nhập tới vệ tinh bằng một tần số riêng cùng lúc với các trạm khác trong mạng. Mô hình này sử dụng phương thức một sóng mang cho một trạm phát. Sóng mang sẽ đồng thời mang tin của các User tới tất cả các trạm khác ở trong mạng. Mô hình TDM / PSK / FDMA được áp dụng cho tín hiệu số. Vì vậy các tín hiệu băng gốc muốn sử dụng mô hình này phải chuyển sang tín hiệu số nhờ các bộ biến đổi A/D. Mô hình này sử dụng ghép kênh phân chia theo thời gian TDM và điều chế PSK. Nó cũng ứng dụng phương pháp truyền dẫn một sóng mang cho một trạm mặt đất. Mô hình TDM/PSK/FDMA được áp dụng cho tín hiệu số. Vì vậy các tín hiệu tương tự băng gốc muốn sử dụng băng tần này phải chuyển sang tín hiệu số nhờ các bộ biến đổi A? . Mô hình này sử dụng ghép kênh phân chia theo thời gian TDM và điều chế PSK. Nó cũng ứng dụng phương pháp truyền dẫn một sóng mang cho một trạm mặt đất. Mô hình SCPC/FDMA có thể dùng cho cả tín hiệu tương tự và tín hiệu số. Trong mô hình này, mỗi sóng mang chỉ mang một kênh thông tin của một người sử dụng nhất định (SCPC – Single Channel Per Carrier ) nên ta thấy rằng mô hình này phải dùng phương thức một sóng mang cho mỗi tuyến. Một sóng mang ở đây chỉ phục vụ cho mét User nên nó thích hợp với các dịch vụ đòi hỏi băng rộng, nhất là dịch vụ truyền hình và truyền thanh quảng bá qua vệ tinh. b, Ưu nhược điểm của phương thức FDMA Trong phương pháp FDMA trên một Transponder của vệ tinh nhiều sóng mang với tần số khác nhau. Khi nhiều tần số cùng đi qua bộ khuyếch đại công suất của mỗi Transponder thì đặc tính truyền đạt phi tuyến của nó sẽ sinh ra nhiều thành phần xuyên điều chế (Intermodulation ) có tần số không mong muốn F1M: F1M = m1 F1+ m2F2 + ……+ mNFN Trong đó Fi ( i = 1,N) là các tần số sóng mang ở đầu vào bộ khuyếch đại công suất của vệ tinh, mi ( i = 1,N) là các số nguyên âm hoặc nguyên dương. Các thành phần xuyên điều chế là thành phần không mong muốn nên nó được gọi là tạp âm xuyên điều chế. Chúng có thể ảnh hưởng đến Transponder của mình hoặc các Transponder khác tuỳ theo giá trị F1M và công suất của nó. Rõ ràng là mức độ ảnh hưởng khi N tăng lên tức là số sóng mang truy nhập trên một kênh vệ tinh tăng lên. Giữa các sóng mang cạnh nhau trên một Transponder luôn phải có các khoảng bảo vệ ( Guard Band ) để tránh can nhiễu lẫn nhau. Tuy nhiên vì tính kinh tế, các giải bảo vệ này không thể quá rộng và vì vậy ta phải chấp nhận một sự can nhiễu hay xuyên âm ở một mức độ nào đó. Sự xuyên âm ( Cross Talk ) còng sẽ lớn khi N tăng lên tức là khoảng bảo vệ hẹp lại. Lợi Ých của người khai thác tuyến phụ thuộc vào số khách hàng sử dụng tuyến của mình nhưng đối với FDMA, anh ta không thể tăng số kênh lên quá nhiều vì khi đó chất lượng phục vụ sẽ giảm đi rất nhanh. Trên những tuyến bắt buộc có số sóng mang truy nhập lớn thì người ta phải giảm dung lượng hay dải tần của mỗi sóng mang. Ngoài ra người ta còn phải điều khiển công suất phát của các sóng mang xấp xỉ bằng nhau để không sinh ra một thành phần xuyên điều chế vượt trội ở một vị trí nào đó gây ra một sự can nhiễu nghiêm trọng đến sóng mang mà nó đè vào. Quá trình điều khiển này phải thực hiện trong thời gian thực và phù hợp với môi trường truyền dẫn của từng tuyến. Cuối cùng phương pháp FDMA còn thiếu tính linh hoạt khi phải cấu hình lại ví dụ như khi thay đổi tần số của một sóng mang hoặc dung lượng của nó, người ta phải thiết lập lại một sự phân bổ tần số mới cho tất cả các trạm khác trong mạng. Tuy có những nhược điểm trên nhưng các hệ thống FDMA hiện nay vẫn đang sử dụng rộng rãi nhất vì tính đơn giản, thiết bị rẻ, không cần có sự đồng bộ như ở TDMA hay CDMA. FDMA là phương pháp truy nhập ra đời sớm nhất và đã được phát triển trong một thời gian dài. Vì vậy để chuyển từ FDMA sang các phương thức truy nhập khác, hệ thống đòi hỏi phải có sự thay thế hàng loạt rất tốn kém. 7.4. Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA a, Nguyên lý: Phương pháp TDMA (Time Division Multiple Access ) chỉ có thể áp dụng cho các sóng mang số. Các trạm mặt không phát liên tục mà chỉ phát trong thời gian TB. Lượng truyền dẫn trong TB được gọi là một Burst(cụm). Mỗi Burst được chèn vào một vị trí cố định trong mét khung thời gian ( Frame) có chu kỳ TB. Mỗi sóng mang đem một Burst sẽ chiếm toàn bộ dải thông của Transponder trong thời gian TB hay có thể nói kênh vệ tinh chỉ tải một sóng mang ở một thời điểm. Trong trường hợp dùng phương thức một sóng mang cho mỗi tuyến ta có N(N –1) sóng mang lên số Burst trong mét khung cũng phải là N(N –1). Trong trường hợp một sóng mang cho mỗi trạm phát ta có số sóng mang là N lên số lượng Burst trong khung cũng là N(N là số trạm ES của hệ thống ). Khi sè Burst trong khung tăng lên thì hiệu suất của kênh vệ tinh giảm xuống và quá trình đồng bộ cũng phức tạp hơn. Vì vậy phương thức một sóng mang cho mỗi trạm phát hay được dùng cho TDMA. b, Sự tạo Burst. Time Tíi A Tíi B Tíi C Tíi bé ®æi tÇn lªn Bé T¹O MµO §ÇU User (tèc ®é bit R1 tíi A Bé nhí ®Öm ®iÒu chÕ PSK User (R2tíi B) User (R3tíi C) Bé ®Þnh Thêi tdma PhÇn mµo ®Çu Burst (tèc ®é bit R) Hình 12 : Quá trình tạo Burst ở trạm mặt đất. ES thu nhận tin tức dưới dạng một dòng số từ mạng hoặc từ người sử dụng rồi đưa vào bộ nhớ đệm để chờ đến thời gian truyền Burst của mình trong khung. Khi bộ định thời TDMA cho biết khoảng thời gian này đến nội dung của bộ nhớ đệm sẽ được thêm một phần mào đầu (Preamble) rồi được điều chế QPSK lên sóng mangvà đổi tần, sau đó ghép vào trong mét khe thời gian của khung. Phần mào đầu giúp cho các trạm thu tách được các dòng số liệu của nhiều người sử dụng cùng ghép trong một bộ Burst. Do dòng số liệu từ người sử dụng đưa đến ES là liên tục trong khi ES đưa lên vệ tinh rời rạc theo chu kỳ khung nên để đảm bảo số liệu không bị ùn tắc trong Buffer thì ta phải có: RTB = RBTF Þ R = RB(TF /TB ) [bits/s] Trong đó R là tốc độ của kênh cũng là tốc độ điều chế của EST và RB là tốc độ của luồng số liệu đầu vào. Vì TF > TB cho nên L >RB tức là đối với TDMA các trạm mặt đất phải có động tác nâng cao tốc độ của dòng số liệu ban đầu lên. Cấu trúc của một trạm Burst gồm một phần mào đầu (Header hoặc Preambe) và một tường tin (Traffic Field) đi sau. Trường tin bao gồm Burst con (Sub – Burst) chứa tin của từng User mà vị trí xác định của chúng được lưu trong phần mào đầu của Burst. Phần mào đầu của Burst có rất nhiều chức năng mà ta sẽ nói tới ở phần cấu trúc khung. c, Cấu trúc khung TDMA: 2ms (120832 møc) Dưới đây ta có minh hoạ về một khung 2ms TDMA chuẩn INTELSAT. RB1 TBb RB2 TBa RB1 Kho¶ng b¶o vÖ 64 Møc Unique Word Carrier and bit Timing recovery Burst Tham chiÕu RB1,RB2 VOW W SC VOW CDC TTY Møc 8 32 32 8 8 24 176 Tr­êng tin VOW W SC VOW TTY Unique Word 32 32 8 8 24 176 Carrier and bit Timing recovery Burst ChuyÓn tin TBX NX64 PhÇn mµo ®Çu Hình 13: Cấu trúc khung TDMA(chuẩn INTELSAT/ EUTELSAT ) Khung được hình thành trên vệ tinh bao gồm tất cả các Burst của các trạm mặt đất được đặt cạnh nhau. Giữa chúng có một khoảng thời gian bảo vệ (Guard Time – GT) để phòng chống sự can nhiễu có thể có. Chiều dài của khung là 2 ms. GT chiếm 64 mức sóng mang hay 128 bit tương ứng với 1ns. Trong mét khung tồn tại hai loại Burst. Burst của các trạm chuyển tin (Traffic Station) có phần mào đầu gồm 280 mức sóng mang hoặc 560bit và một trường tin dài n x 64 mức (n nguyên dương). Burstcủa các trạm tham chiếu (Referenee Station) gồm 288 mức hay 576bit và không có trường tin. Trạm tham chiếu không có nhiệm vụ truyền tin mà chỉ giữ vai trò tạo đồng bộ cho hệ thống bằng việc chuyển vào khung Burst tham chiếu của nó. Tất cả các trạm chuyển tin phải đồng bộ hoạt động của mình đối với trạm tham chiếu bằng cách đặt Burst của chúng sau một thời gian trễ (Delay) nhất định đối với Burst tham chiếu. Do đó vai trò rất quan trọng của Burst tham chiếu đối với sự hoạt động chính xác của toàn hệ thống TDMA cho nên trong mét khung người ta thường đặt hai Burst tham chiếu lấy từ hai trạm tham chiếu trong mạng đã được đồng bộ tương hỗ với nhau. Khung TDMA có tốc độ là 120,832 Mb/s và kiểu điều chế là QPSK. Trong hình 13, RB1 và RB2 là hai burst tham chiếu của một khung, TBX là burst mang tin từ trạm X. Phần mào đầu của Burst có nhiều đoạn tin nhỏ có vai trò như sau: Carrier and Bit Timing gồm 176 mức (352 bit) dùng cho việc khôi phục sóng mang chuẩn trong phương pháp giải điều chế Coherent QPSK ở phía thu và dùng để đồng bộ đồng hồ của trạm mặt đất (bộ TDMA Timing). Unique Word: Từ khoá, là một nhóm bit đặc biệt để đánh dấu chỗ bắt đầu của các phần số liệu (data) trong Burst nó dài 24 mức hay 48 bit. SC: Kênh phục vụ (Service channel) dài 8 mức (16 biit) mang các thông tin về báo hiệu và quản lý mạng. CDC: Kênh điều khiển trễ (Control And Delay Channel) dài 8 mức (16 bit) mang các thông tin trễ (Dn) dùng cho việc đồng bộ các Burst tin. TTY, VOW: Các kênh điện báo và điẹn thoại dài tổng cộng 72 mức hay 144 bit giành riêng cho thông tin giữa các ES trong mạng (kênh nghiệp vụ). d. Quá trình thu các Burst và đồng bộ: Tại phía thu, quá trình thu nhận các Burst thông qua mét chu trình ngược với quá trình sinh Burst. Toàn bộ khung được gửi đến mọi trạm mặt đất. Sau khi hạ tần và giải điều chế QPSK được một dòng số liệu tốc độ R, bộ định thời TDMA ở phía thu sẽ tìm ra các từ khoá (Unique Word) đánh dấu chỗ bắt đầu các Sup Burst tin tức gửi đến cho nó nằm rải rác trong khung. Nhờ thông tin trong từng khoá, bộ định thời cho phép bộ nhớ đệm (Buffer) thu nhặt ra các phần tin tức thuộc về nó nằm trong chuỗi số liệu R và lưu lại. Sau đó bộ nhớ đệm sẽ đọc ra một cách liên tục các luồng số liệu nhiều người nhận kết nối với ES đó cũng nhờ sự điều khiển của bộ định thời. Một vấn đề quan trong là máy thu phải không được nhận nhầm cũng không được nhận sót từ khoá nên ta phải tìm một độ dài từ khoá và ngưỡng tương quan của bộ Detector thích hợp. mTF B¾t ®Çu khung k+m B¾t ®Çu Khung k Bn B0 B0 Thêi gian T SORFn RX SORFn Kho¶ng c¸ch Rn Bn B0 Thêi gian dn Dn Rn/c Rn/c Hình 14: Nguyên lý quá trình đồng bộ của khung TDMA. Ta biết rằng muốn phát một Burst ES phải xác định các Burst tham chiếu (RB) và sau đó đặt Burst sau một độ trễ dn đối với RB trong khung. RB thường được đặt ở đầu khung thể hiện bằng các Burst B0 (hình 14). Do có độ trễ đường truyền Rn /c cho nên chỗ bắt đầu khung thu tại trạm mặt đất (SORFn – Start Of Transmit Frame n) sẽ xảy ra sớm hơn tương ứng với khung trên vệ tinh. Như vậy mỗi ES phải xác định được SOTFn của mình và phát đi Burst tin Bn sau thời gian trễ đã định là dn. Giả sử chỗ bắt đầu khung thu cách chỗ bắt đầu khung phát m khung trên vệ tinh. Như vậy ta có: SOTFn – SORFn = Dn = mTF – 2Rn/ c Khi trạm ES thu Burst tham chiếu nó sẽ xác định được SORFn thông qua từ khoá của Burst tham chiếu và xác định được độ trễ Dn ở kênh CDC. Từ đó nó sẽ xác định được chỗ bắt đầu khung phát tại ES (SOTFn). Tóm lại ES sẽ phát đi Burst tin Bn của nó sau khi nhận được SORFn mét khoảng thời gian Dn + dn và đây chính là nguyên lý đồng bộ khung TDMA trong qua trinh thông tin, độ dài đường truyền Rn luôn biến động. Vệ tinh sẽ đo và đưa các thông tin biến đổi này vào Dn để đảm bảo cho các Burst của các ES được sắp xếp chính xác trong các khung. e. Các tính chất của TDMA: *) Hiệu suất ghép: Giả sử nếu toàn bộ kênh vệ tinh dành cho một sóng mang QPSK thì dung lượng tin tức của nó có thể đạt được là R (R = GB) [bit/s]. khi ghép khung TDMA cho nhiều sóng mang thì dung lượng của nó sẽ giảm đi vì có những phần không mang tin (phần mào đầu, khoảng bảo vệ….). dung lượng của kênh khi ghép sẽ là R* = R(1 - åti/TF). Trong đó åti là tổng thời gian không mang tin trong mét khung. Vậy ta có hiệu suất tính bằng : h= R*/ R = 1- åti/TF = 1- (P+2)(p+g)/ R TF. Trong đó P là số trạm ES trong mạng, P + 2 là thêm hai trạm tham chiếu nữa, p và g tương ứng là số bit trong phần mào đầu và bảo vệ của mỗi burst. Ví dụ với cấu trúc khung ở hình 13, p = 560, g = 128, P = 50 ta sẽ có h = 85%. *) Ưu nhược điểm của TDMA: Luôn luôn chỉ có một sóng mang chiếm dụng kênh vệ tinh ở một thời điểm nên không xảy ra hiện tượng xuyên điều chế (Intermodulation). Hiệu suất TDMA vẫn giữ được ở mức cao khi sè ES truy nhập lớn (85%) trong khi ở FDMA, nã suy giảm rất nhanh. Không cần có sự điều khiển công suất phát giữa các trạm như FDMA. Tất cả các trạm làm việc ở cùng tần số dù là trạm thu hay phát. Do đó không cần phải dò sóng (Tunning) và tần số của bộ dao động nội có thể được cố định. Có tính linh hoạt cao. Khi bổ sung trạm mới người ta chỉ việc mở rộng khung và thay đổi Dn trong CDC ở phần mào đầu và thông tin cho bộ định thời TDMA. Tuy nhiên TDMA cần có sự đồng bộ phức tạp, nếu sai sẽ gây ra lỗi. Thiết bị đắt tiền. Dù còn có những bất lợi nhưng TDMA đang được sử dụng rất rộng rãi vì nó cho phép số trạm truy nhập lớn, hơn nữa quá trình truyền số liệu cũng có chất lượng cao hơn. 7.5. Kĩ thuật đa truy nhập phân tán chia theo mã CDMA. Khái niệm. Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Divisin Multiple Access) là kĩ thuật đa truy nhập mới nhất. Trong đó các trạm có thể phát đồng thời và chiếm cùng một băng tần số. Do đó chắc chắn phải có một sự can nhiễu nào đó giữa các trạm với nhau. Để phân biệt giữa các sóng mang cùng tần số, người ta sử dụng một loại mã có cấu trúc đặc biệt thường là mã giải ngẫu nhiên (Pseudo Random Code). Mã được chọn phải: Dế phân biệt với chính nó khi bị dich thời gian so với mã gốc. Dễ phân biệt với các mã khác sử dụng trong mạng. Việc truyền dẫn tín hiệu kết hợp với phương thức CDMA sẽ làm phổ của sóng mang trải ra rất rộng so với dải phổ khi truyền riêng tín hiệu. Vì vậy người ta còn gọi CDMA là truyền dẫn dải phổ (Spread Spectrum Transmission). Trong CDMA có hai kĩ thuật thường được dùng là: Truyền dẫn chuỗi trực tiếp (DS CDMA – Direct Sequence CDMA). Truyền dẫn nhảy tần số (FH CDMA – Frequency Hopping CDMA). Truyền dẫn chuỗi trực tiếp (DS -CDMA) TB MËt ®é c«ng suÊt (W/Hz) TC P(t) §iÒu chÕ BPSK b»ng m(t)p(t) m(t)p(t) P(t) -RC -RBFCRB RC m(t) TÝn hiÖu kh«i phôc Hình 15: Nguyên lý DS – CDMA và phổ của sóng mang Hình15 cho thấy nguyên lý của phương pháp này. Bản tin nhị phân cần truyền dẫn m(t) có dạng mã NRZ có tốc độ bít RB = 1/ TB được nhân với một chuỗi mã nhị phân p(t) cũng có dạng NRZ với tốc độ RC = 1/ TC lớn hơn RB từ 102 – 106 lần. Các thành phần nhị phân của p(t) được gọi là chíp để phân biệt với bit của m(t). Sau khi nhận tín hiệu tổ hợp được điều chế PSK lên sóng mang với một tần số như nhau đối với tất cả các trạm khác ở trong mạng. Ví dụ sau khi điều chế BPSK ta có tín hiệu sóng mang s(t): s(t) = m(t) p(t)cos wCt [V] Tại phía thu s(t) sẽ được giải điều chế Coherent bằng cách nhân với sóng mang chuẩn chưa điều chế 2 cos wCt. Ta có tín hiệu tại đàu ra bé DEMOD là: r(t) = m(t) p(t) cos wCt 2cos wCt = m(t) p(t) +m(t) p(t)cos wCt Sau khi dùng bộ lọc loại bỏ thành phần có tần số góc 2wC, được m(t) p(t), ta đưa tín hiêu qua bộ nhân để nhân với p(t). Nếu p(t) được đồng bộ với mã nhị phân thì sau bộ nhân ta sẽ thu được m(t) vì p(t)2 = 1 (tính chất mã NRZ). Đây còn gọi là sự nén phổ. x(t) = m(t) p(t) p(t’) = m(t) p(t)2 = m(t). Tín hiệu m(t) sau đó có thể được đưa qua bộ tích phân để loại nhiễu và khôi phục đúng dạng bản tin ở phía phát. Vì khi điều chế PSK tín hiệu có dạng m(t)p(t) với tốc độ chíp RC lớn hơn RBcho nên dải phổ sóng mang PSK sẽ mở rộng so với dải tần của nó khi chỉ điều chế với m(t) theo một tỷ số RC/ RB. Vì chuỗi mã p(t) là chuỗi giả ngẫu nhiên cho nên mật độ công suất của sóng mang được trải đều trong dải phổ và giá trị công suất đỉnh thấp xuống rất nhiều (hình 15). Khi N sóng mang cùng truy nhập vệ tinh ở cùng tần số góc wC, tín hiệu r(t) sau bé DEMOD có dạng: r(t) = [s(t) + åsi(t)] 2cos wCt (i = 1…..N – 1) x(t) = m(t)p(t)2 + åmi(t)pi(t) p(t) = m(t) + åmi(t)pi(t)p(t) Tại đầu ra bộ nhận ở máy thu ta có: r(t) = [m(t)p(t) cos wCt + åmi(t)pi(t) cos wCt]2cos wCt Lúc này bản tin m(t) đã bị một lượng can nhiễu của các sóng mang lân cận. Tuy nhiên nếu ta tìm được các mã p(t) và pi(t) có một sự không tương quan đủ lớn thì p(t) sẽ làm cho công suất của mi(t) vốn đã bị trải rộng ra bởi pi(t) càng bị trải rộng hơn nữa. Do đó mật độ công suất của mi(t) tại máy thu sẽ rất nhỏ và ta có thể lấy được m(t) dễ dàng. Đây chính là nguyên lý của DS – CDMA. Thực tế ta có thể điều chế PSK cho m(t) trước rồi mới nhận với p(t) nhưng cách này phức tạp hơn nên Ýt được dùng. Truyền dẫn nhảy tần số (FH – CDMA): Lúc này bản tin m(t) không được điều chế lên sóng mang có tần số cố định nữa mà điều chế lên sóng mang có tần số thay đổi theo từng bước được tạo ra từ bộ tổng hợp tần số (Synthesizer). Bộ tổng hợp này được điều khiển bởi một chuỗi mã p(t) có tốc độ RC được tạo ra từ bộ sinh mã (Code Generator). Giả sử tần số của sóng mang có thể có N giá trị như thế cần phải có các chuỗi mã dài log2N chíp để điều khiển bộ tổng hợp sinh ra chúng. Tốc độ thay đổi tần số sóng mang là RH =RC/log2N, chu kì thay đổi tần số là TH ta thấy RH có thể bằng, lớn hơn hoặc nhỏ hơn RB nhưng trên thực tế người ta thường dùng RH<<RB. Tín hiệu s(t) khi điều chế BPSK có dạng: s(t) = m(t) coswC(t)t s(t) cũng được giải điều chế Coherent ở máy thu. Do đó: r(t) = m(t) coswC(t)t x 2 coswC(t)t=m(t) +m(t) coswC(t)t TÇn sè Sau khi qua bộ lọc thông thấp có dải chắn chứa toàn bộ dải biến đổi của 2coswC(t) ta sẽ thu được bản tin m(t) ban đầu. §iÒu chÕ b»ng m(t) trong TH TH FMAX FMAX b F b B FMIN FMAX Thêi gian F B FMIN Hình 16: Phân bố phổ ở FH – CDMA khi RH<<RB. Mỗi trạm mặt đất (ES) sử dụng một mã riêng nên quy luật nhảy tần số của chúng sẽ khác nhau hay có lưới thời gian – tần số (Time – Frequency Grid) khác nhau (hình 16) . Tại phía thu chỉ có tần số bằng tần số sóng mang chuẩn tạo ra từ bộ Synthesizer mới được giải điều chế. Vì vậy sóng mang có lưới giống như của sóng mang chuẩn sẽ được khôi phục toàn bộ và các sóng mang khác chỉ có thể can nhiễu được một phần nhỏ. Khi các mã pi(t) (i = 1…N) có độ tương quan thấp thì các bước chia tần (b) của sóng mang càng nhiều làm cho dải phổ (B) của wC(t) càng rộng ra. Khi đó thì thành phần can nhiễu vào m(t) sẽ rất nhỏ. Kĩ thuật tạo mã giả ngẫu nhiên p(t) (Pseudo Random Code): Chuỗi mã p(t) có dạng giả ngẫu nhiên tức là chuỗi có số lượng chíp 0 (tương ứng giá trị –1 của mã NRZ) và chíp 1 (tương ứng giá trị +1 của mã NRZ) xấp xỉ nhau, hơn nữa sự phân bố các chíp 1 và 0 trong mét chu kì cũng khá đều nhau. Có điều kiện này p(t) mới bảo đảm được việc trải phổ và do đó mới có thể cho phép loại bỏ được các thành phần can nhiễu ở phía thu khi thực hiện đa truy nhập. Việc tạo mã tiến hành thông qua 1 thanh ghi dịch có r flip – flop như ở hình 16 mỗi khoá ai (i = 1…r-1) có thể đóng hoặc mở tuỳ theo mã thiết kế. Thanh ghi dịch làm việc với nhịp đồng hồ RC và được đồng bộ với s(t) nếu là ở phía thu. Mã p(t) sẽ lặp lại sau mét chu kì 2r – 1 chíp. Mỗi chu kì chứa 2r -1 – 1 chíp 0 và 2r – 1 chíp 1. Trên hình 17, ta cũng thấy một ví dụ về sơ đồ bộ tạo mã giả ngẫu nhiên dùng một thanh ghi dịch gồm 3FF. Mã tạo ra có chu kì 23-1 = 7, mét chu kì p(t) có dạng 1001110. Với kĩ thuật mạch tích hợp (IC) hiện nay, sè FF trong thanh ghi dịch có thể den hàng triệu và khi đó 1 chu kì của p(t) có thể kéo dài hàng chục năm. CK (RC) VÝ dô r = 3 FF P(t) FF FF FF FF FF FF P(t) 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 00 a2 aT-1 a1 a1 a2=0 a2=0 Hình17: Nguyên lý tạo mã giả ngẫu nhiên p(t) Các tính chất của CDMA: *) Hiệu suất ghép Số sóng mang truy nhập cực đại được cho bởi công thức: NMãX = 1+(RC/ RB)/ G(Eb/ N0) Như vậy hiệu suất được tính bằng tỉ số giữa dung lượng lớn nhất NMAXRB của toàn kênh vệ tinh và dung lượng nó có thể tải được (RC) trên băng tần trải phổ. h= NMAXRB / RC Ta thấy nếu băng tần trải phổ là 36 MHz thì hiệu suất của CDMA chỉ nằm trong khoảng từ 9 đến 15% tương ứng với khả năng lỗi từ 10-6 ¸ 10-4. *Ưu nhược điểm của CDMA: CDMA là kỹ thuật đa truy nhập hiện đại nhất. Nó không cần có một sự đồnh bộ giữa các ES mà chỉ cần đồng bộ giữa chuỗi thu và chuỗi mã. Vì vậy việc đồng bộ có thể thực hiện rất đơn giản bằng các vòng khoá pha điều khiển bộ sinh mã ở phía thu. Có tính bảo mật cao vì p(t) có thể hết sức dài và không bị nhiễu phá hoại. Điều này rất thích hợp cho quân đội và các dịch vụ cần búp sóng rộng (ví dụ như Mobile… ). Có độ linh hoạt hoàn hảo vì khi bổ xung trạm mới hoặc cấu hình lại trạm cũ, Ta chỉ việc thiết lập một mã mới sao cho nó không tương quan với các mã đang dùng. Tuy nhiên CDMA yêu cầu có băng tần rộng mà dung lượng thì lại thấp. Đồng thời việc thiết kế ra các bộ mã p(t) thích hợp không phải là đơn giản. Chương 2 Các yếu tố truyền dẫn trong thông tin vệ tinh 1. Suy hao 1.1 Suy hao do khí quyển và suy hao trong không gian tù do Trên cả hai tuyến lên và xuống, sóng mang đều phải đi qua tầng khí quyển dày của trái đất. Với tần số trong khoảng từ 1 ¸ 30 GHz, các sóng mang chỉ chịu tác động chủ yếu của tầng đối lưu ( Troposphere ) và tầng ion ( Ionsphere ). Tầng đối lưu trải dài từ mặt đất cho đến độ cao 15 Km còn tầng ion nằm giữa độ cao 70 và 1000 Km. Trong đó vùng gần sát mặt đất của tầng đối lưu và vùng có độ cao 400 Km của tầng ion là gây ra ảnh hưởng mạnh nhất. Người thathấy rằng vùng tần số từ 300MHz ¸ 10GHz là vùng mà khí quyển gây ảnh hưởng Ýt nhất, gọi là vùng cửa sổ của sóng Radio (Radio Window). Các chất khí trong khí quyển gây nên suy hao do chúng hấp thụ công suất sóng điện từ mà ta phát ra. Sự hấp thụ này càng tăng khi mật độ các chất khí càng dày hay khi áp lực của khí quyển tăng lên. Vì vậy các vùng khí ở gần mặt đất là gây suy hao lớn nhất. Nói chung , nhuyên nhân gây ra sự hấp thụ năng lượng sóng điện từ trong khí quyển chủ yếu là do Oxygen và hơi nước. Tổng lượng suy hao khí quyển không đáng kể tại tần số nhỏ hơn 10GHz và không quá 1 ¸ 2dB tại tần số 22GHz trong điều kiện độ Èm không khí bình thường và góc ngẩng antenna lớn hơn 100. Còng do sự hấp thụ mà các chất khí sinh quyển còn gây ra tạp âm nhiệt, là nguyên nhân chủ yếu gây nên nhiệt độ tạp âm TSKY của bầu trời. Trong tính toán tuyến, TSKY có thể tính bằng sông thức sau: TSKY = (1.12T0 – 50) ( 1-10LA(f ) / 10 ) [K] Trong đó T0 là nhiệt độ bề mặt trái đất tính ra độ K còn LA (f) là tổng lượng suy hao sóng do khí quyển hấp thụ khi anten có góc ngẩng f. Khi mét antenna phát ra một công suất PT, trong điều kiện không có tổn hao môi trường, natenna thu cũng chỉ thu được một công suất PR nhá hơn PT do có một phần công suất phát vô Ých vào trong không gian tù do. Trong điều kiện này, giữa PT và PR có quan hệ sau: PR = ( PTGT ) ( l/4pR)2GR = (PTGT) (1/LES)GR. Trong đó GT và GR lần lượt là hệ số tăng Ých của antenna phát và antenna thu, l là bước sóng của sóng mang và R là khoảng cách thẳng trục giữa hai antenna. Đại lượng LES = (4pR/l)2 gọi là tổn hao trong không gian tù do (Free Space Loss). Do đó LES nên giá trị EIRP (PTGT) của trạm phát tại máy thu bị giảm đi. Ta thấy rằng nếu antenna là vô hướng (GT = GR = 1) thì LES = PT/PR. Nếu xét đến cả suy hao do khí quyển LA thì tổng suy hao trong môi trường truyền sóng là: L = LALES = LA[dB] + LES [dB] 1.2.Suy hao do mưa và các hiện tượng khí hậu khác a, Khái niệm cường độ mưa (Precipitation) Cường độ mưa được đo bằng tốc độ mưa rơi R tính ra [mm/h]. Cường độ mưa càng lớn thì các ảnh hưởng của nó đến sóng mang như suy hao, xuyên cực…càng mạnh. Để biết được cường độ mưa trong mét khu vực người ta phải dùng các biện pháp thống kê thực nghiệm hàng năm. Người ta quy ước lấy các giá trị cường độ mưa của một khu vực là tốc độ mưa tại khu vực đó sao cho tốc độ này bị vượt quá trong p% thời gian trung bình của năm và được ký hiệu là RP. Như vậy tại một nơi có thể có nhiều giá trị cường độ mưa hàng năm tuỳ theo giá trị p% được xét . Ví dụ nếu R0,01 = 30mm/h (p = 0,01%) thì có nghĩa là trong 99,99% thời gian một năm tốc độ mưa sẽ không quá 30mm/h và trong 0,01% thời gian còn lại (53phút/năm) thì sẽ lơn hơn. Thực tế giá trị R0,01 hay được dùng để thiết kế tuyến nhất vì nó phù hợp với yêu cầu độ tin cậy của các hệ thống thông tin phải đạt 99,99%. Như vây thời gian mà R0,01 bị vượt quá sẽ coi như thời giansai lỗi chấp nhân được của tuyến. Giá trị R0,01 ở Châu Âu khoảng 30mm/h trờ một số vùng thuộc Địa Trung Hải có R0,01 khoảng 50mm/h. Tại khu vực xích đạo mưa rất lớn R0,01 khoảng 120mm/h ví dụ ở vùng Florida nước Mỹ, thậm chí có những khu vực R0,01 đạt tới 160mm/h. Nói chung R0,01 ở các vùng trên thế giới đã được đề xuất trong các bảng thống kê mưa của CCIR và các hãng truyền thông lớn. b, Tác động của mây, mưa, sương mù và tuyết Sóng điện từ đi trong mưa bị suy hao rất lớn là do các hạt mưa bay trong không trung hấp thụ và tán xạ năng lượng sóng rất mạnh. Cũng vì mưa hấp thụ năng lượng sóng cho nên nó trở thành nguồn tạp âm làm gia tăng nhiệt độ tạp âm tổng cộng ở tuyến xuống. Ta thấy rất rõ điều này trong phần tính toán tuyến phần sau. Giá trị suy hao mưa phụ thuộc vào hệ số suy hao gRLE [dB]. ARAIN = gRLE [dB] Trong đó LE là quãng đường đi trong mưa của sóng điện từ. Suy hao mưa của tuyến thường được đánh giá tại cường độ mưa R0,01. Nếu R0,01 có giá trị từ 30 ¸ 50mm/h thì suy hao mưa khoảng 0,1dB tại tần số 4GHz, 5 ¸ 10 dB tại tần số 12GHz, 10 ¸ 20dB tại tần số 20GHz và 25 ¸ 40 tại tần số 30Ghz. Suy hao do các đám mây mưa và sương mù cũng có thể được tính bằng công thức trên với hệ số suy hao gC = 1,1x10-3F1,8M. Trong đó F là tần số sóng mang và M là mật độ hơi nước của đám mây hay của sương mù [g/m3] với một giá trị vượt quá p% nào đó. Nói chung suy ha này là nhỏ khi M không quá lớn; chỉ khoảng 0,5 ¸ 1dB tại tần số 15GHz và 2 ¸ 4,5dB tại tần số 30GHz. Suy hao gây bởi các đám mây tinh thể băng và tuyết khô nói chung thường không đáng kể. Tuyết ướt có thể gây nên suy hao lớn hơn cả mưa có cường độ tương đương nhưng hiện tượng này rất hiếm nên chúng ta không cần phải quan tâm. 2. Sự xuyên cực ( cross polarisa tion). 2.1. Khái niệm Ph­¬ng ®øng Phần lớn các hệ thống thông tin vệ tinh đều sử dụng kỹ thuật dùng lại tần số nên chúng phải dùng hai sóng mang có phân cực vuông góc nhau(thường là kiểu RHCP_LHCP hay hai phân cực thẳng trực giao). Khi truyền dẫn trong không gian, do sự ảnh hưởng của các yếu tố môi trường chop nên một phần công suất của phân cực này sẽ bị lấn sang phân cực kia gây ra suy hao và can nhiễu. Đó gọi là hiện tượng xuyên cực và được mô tả như trên hình 18 : Ph­¬ng ®øng a aC T¹i antenna thu T¹i antenna ph¸t bX aX Ph­¬ng ngang bC b H×nh 18: Sù xuyªn cùc gi÷a hai ph©n cùc th¼ng. Giả sử ở phía phát người ta phát ra hai phân cực thẳng vuông góc a và b. Như vậy ở bên thu ta nhận được aC và bC là thành phần tín hiệu mong muốn vì chúng giữ nguyên phân cực của sóng phát. Đồng thời ta còng thu được aX và bX không mong muốn vì chúng là các thành phần xuyên cực tương ứng của a và bsang bC và aC. Đối với phân cực thẳng người ta đưa ra các đại lượng đánh giá mức độ xuyên cực như sau: XPI (cross polarisation isolation): XPI = aC/ bX hoặc bC /aX. Do đó: XPI [dB] = 20log(aC/ bX) hoặc = 20 log(bC/ aX) XPD (The cross polarisation discrimilation) XPD = aC/ aX. Do đó: XPD [dB] = 20 log(aC/ aX) Trong phân cực trong, khi thành phần RHCP xuyên cực sang LHCP và ngược lại thì các đường tròn phân cực sẽ trở thành ellipse (AR >1). Khi đó XPD được tính bằng: XPD [dB] = 20 log [(AR + 1)/(AR – 1)] Ta thấy rằng XPI và XPD đều là các đại lượng đánh giá tỷ số giữa mức công suất có Ých và mức công suất xuyên cực. Vì vậy XPI và XPD càng lớn càng tốt. 2.2. Xuyên cực do mưa. Ngoài suy hao, mưa cũng gây lên hiện tượng xuyên cực. Hiện tượng này xảy ra khi sóng mang đi qua các hạt mưa có dạng hình cầu dẹt với trục lớn nằm ngang. Giữa suy hao và phân cực do mưa có một mối quan hệ bằng công thức xấp xỉ rót ra từ rất nhiều thực nghiệm trong dải tần 3 ¸ 37 GHz. Ta thấy: XPD = U – 20log(ARAIN). Trong đó U là một hàm phức tạp của tần số sóng mang F, góc ngẩng anten E, độ nghiêng ellise phân cực t, góc nghiêng hiệu dụng của tia sóng khi đi vào hạt mưa s… và đã được đưa ra trong các Report của CCIR. Hiện nay, đối với ảnh hưởng do mưa người ta mong muốn đạt được XPD = 20dB với p = 0,01%. Tuyết (khô hoặc ướt) cũng gây nên hiện tượng tương tự. 2.3. Xuyên cực do các tinh thể băng. Các đám mây băng tồn tại ở các độ cao lớn gần vùng đẳng nhiệt 00C của khí quyển cũng gây nên sự xuyên cực khi tia sóng đi qua các hạt băng có trong các đám mây đó. Tuy nhiên khi so sánh với mưa và các hiện tượng thuỷ văn khác thì ảnh hưởng của các đám mây băng là nhỏ. Nó chỉ làm suy giảm giá trị XPD toàn hệ thống một lượng CICE khoảng 2 dB với p% = 0,01. 3. Hiệu ứng quay phân cực faraday (faraday Rotation) Tầng ion của khí quyển chứa các điện tích trái dấu. Điện trường của chúng sẽ tác động lên vector cường độ điện trường E của phân cực làm cho nó bị sai lệch đi. Kết quả là nó làm cho mặt phẳng phân cực của sóng mang bị quay. Góc quay W có thể tính băng công thức sau: Trong đó F là tần số sóng mang, e là điện tích electron mlaf khối lượng của electron , e0 là hằng số điện môi trong chân không , N là mật độ điện tích ,B là mật độ từ trường trái đất , q là góc giữa hướng truyền sóng với hướng từ trường trái đất và L chiều dài quãng đường sóng điện từ đi trong tầng ion . Từ công thức trên ta thấy W tỷ lệ nghịch với bình phương tần số nên nó gây ảnh hưởng khá lớn ở tần số thấp (ví dô W có thể đến vài độ khi F = 4GHZ) và không kể khi ở tần số cao. Ngoài ra W còn tỷ lệ với điện tích chứa trong tầng ion nên nó thường biến đổi có chu kỳ trong ngày, theo mùa, theo chu kỳ mặt trời… do đó W có thể dự đoán được. Tuy nhiên có các đột biến ví dụ như bão từ trường trái đất hoặc gió mặt trời thì giá trị W trở nên khá lớn và không thể đoán trước được. Hiệu ứng Faraday gây ra sự phân cực sóng mang. Do đó nó làm hiệu suất anten thu giảm đi. Sự suy giảm này được đặc trưng bởi mét đại lượng gọi là suy hao phân cực LPOL {dB] =20log[cos(W)]. Thêm nữa hiệu ứng quay Faraday còn gây ra xuyên cực với XPD [dB] = -20log[tan(W)]. Ví dô trong trường hợp W = 90 thì nó gây ra LPOL= 0,1 dB và XPD = 16dB. 4 . Sù uốn cong tia sóng (ray – bending) Tầng đối lưu và tầng ion đều có chỉ số chiết suất (Refractive Index) riêng đối với sóng mang. Chỉ số chiết suất của tầng đối lưu giảm theo độ cao (tức là giá trị của nó càng nhỏ khi mật độ khí càng loãng) và không phụ thuộc vào tần số. Chỉ số chiết suất tầng ion thì lại phụ thuộc vào tần sè và vào mật độ điện tích chứa trong tầng ion. Như vậy khi sóng mang đi từ ES đến vệ tinh và ngược lại nó phải đi qua môi trường có biến đổi liên tục. Kết quả là môi trường sẽ khóc xạ liên tiếp tia sóng dẫn tới tia sóng bị uốn cong kèm với việc vận tốc và thời gian truyền dẫn cũng bị biến đổi. Hơn nữa do các yếu tố môi trường thay đổi liên tục nên các chỉ số chiết suất sẽ biến đổi ngẫu nhiên làm cho tia sóng tới luôn bị giao động (Fluctuation). Biên độ và pha của nó cũng trở thành các hàm ngẫu nhiên . Sù biến đổi hướng và các thông số của tia sóng có thể gây khó khân cho việc thu tín hiệu và các quá trình sử lý khác ví dụ đồng bộ TDMA chẳng hạn . Các ảnh hưởng của hiện tượng này khong đáng kể khi F cao và góc ngẩng lớn tức khi ES càng gần ở xích đạo . Mức dao động biên độ có thể đạt 1 dB với P = 0,01% khi ES ở vĩ độ trung bình F = 11GHz. Thực tế các ảnh hưởng này chỉ thực sự là vấn đề khi góc ngẩng E < 100 hoặc tuyến dùng cho công tác đo lường từ xa (Telemetry). 5. hiệu ứng nhiều đường (multipatheffects) Khi anten của trạm mặt đất nhỏ tức là có độ rộng búp sóng lớn, tín hiệu toàn phần thu nhận từ vệ tinh ngoài hướng trực tiếp có thể bao gồm các hướng phản xạ từ mặt đất hay từ các chướng ngại vật. Trong trường hợp hai thành phần tín hiệu này khi đến anten thu có pha đối nhau thì chúng sẽ gây nên một lượng suy hao lớn. Ngoài ra do lệch pha với tín hiệu ở hướng trực tiếp nên các tín hiệu phản xạ đóng vai trò như tạp âm suy giảm S/N của tín hiệu chính và gây ra khó khăn cho một số biện pháp sử lý khác ví dụ trong giải mã CDMA. Hình 19 cho ta hình ảnh về hiệu ứng này. Để loại bỏ các ảnh hưởng nhiều đường, người ta cần phải trang bị cho ES các anten có hướng tính lớn (góc mở nhỏ) hoặc phải nâng cao góc ngẩng anten để giảm thiểu thành phần sóng phản xạ. VÖ tinh §­êng trùc tiÕp §­êng ph¶n x¹ MÆt ®Êt VËt c¶n ES H×nh19:HiÖu øng nhiÒu ®­êng ®èi víi tr¹m mÆt ®Êt thu 6. tạp âm và can nhiễu 6.1. Bản chất của tạp âm Tạp âm là tất cả các tín hiệu thu không mong muốn lẫn vào tín hiệu có Ých . Nã gây méo dạng tín hiệu, làm thay đổi các thông số của sóng mang, đảo các giá trị bit … Làm cho khả năng khôi phục chính xác tin tức chứa trong tín hiệu có Ých ở máy thu bị giảm sút. Các tác động của tạp âm đến hệ thống gọi là nhiễu. Tạp âm ảnh hưởng tới một trạm được sinh ra từ các nguồn sau : Các nguồn bức xạ trong khu vực làm việc của trạm, kể cả các trạm phát lân cận. Tạp âm sinh ra bởi chính các thiết bị của hệ thống (tạp âm ký sinh). Tạp âm gây ảnh hưởng mạnh nhất khi nó nằm trong giải thông của tín hiệu có Ých. Khi đó tạp âm sẽ lọt thẳng vào máy thu và gây ra các lỗi nghiêm trọng nếu ta không có những biện pháp khắc phục. Công suất tạp âm N [W] được đánh giá trong BN sẽ là : N = N0 BN[W] N0 gọi là phổ công suất tạp âm trong dải tần BN được tính ra W/ Hz hoặc dB/Hz. Trên thực tế mật độ phổ công suất tạp âm là không cố định trên toàn dải BN nên N0 chỉ mang tính lý thuyết tức là không thề đo trực tiếp được. 6.2 Nhiệt độ tạp âm Nhiệt độ tạp âm T của một vật là nhiệt độ nhiệt động (Thermodynamic) cần có một điện trở để tạo ra một công suất tạp âm bằng đúng công suất của vật đó. Nhiệt độ tạp âm của một nguồn có công suất tạp âm N được tính bởi: T = N / kB = N0/k [K] Trong đó k là hằng số Bolzmann = 1.379x10 – 23 = - 228.6[[dB]. Công thức trên biểu diễn nhiệt đọ tạp âm cho một nguôn (2cực). Để mô tả tính chất tạp âm của một mạng 4 cực ngươi ta dùng khái niệm Te là nhiệt độ cần có của một điện trở đặt tại đầu vào của mạng 4 cực lý tưởng (không sinh ra tạp âm ký sinh ) để tại đầu ra của nó ta có công suất tạp âm bằng công suất tạp âm của mạng thực tế. Nhiệt độ Te là đại lượng đại diện cho tạp âm ký sinh của các mạng 4 cực. Nếu tại đầu vào mạng 4 cực có một nguồn tạp âm có nhiệt độ T0( đây là trường hợp thường gặp trong thực tế) và mạng 4 cực có hệ số tăng Ých G thì công suất tạp âm tổng cộng tại đầu ra sẽ là Gk (Te + T0) B. Riêng nguồn tạp âm gây nên một công suất tạp âm tại đầu ra mạng 4 cực là: GkT0B. Nếu lấy công suất tạp âm tổng cộng (của cả mạng 4 cực và nguồn ) chia cho công suất tạp âm sinh ra bởi riêng nguồn ta sẽ đánh giá được mức độ sinh tạp âm của mạng 4 cực . Do vậy : F = [Gk(Te + T0) B] / [GkT0B] = (Te + T0)/ T0 = 1+ Te /T0 F gọi là hệ số tạp âm của mạng 4 cực . Hầu hết các thiết bị của thông tin vệ tinh có thể đánh giá thông qua hệ soó tạp âm. Ta thấy F càng nhỏ càng tốt và F lý tưởng = 1. Khi đó mạng 4 cực hoàn toàn không có tạp âm ký sinh các bộ LNA tốt nhất hiện nay có hệ số tạp âm xấp xỉ 1. Việc xử lý trong thông tin nói chung được thực hiện qua nhiều công đoạn bằng các thiết bị nối tiếp nhau. Các hệ thống đó có thể tương đương với một chuỗi 4 cực ghép nối tiếp. Khi đó toàn bộ hệ thống sẽ có nhiệt độ tạp âm là: Te = Te 1 + Te 2 / G1 + Te 3 / [G1G2] + … + Te N / [G1 G2…GN –1] Và từ đó suy ra hệ số tạp âm : F = F1 + (F2 –1)/ G1+ (F3 – 1)/ [G1G2] +…+(FN – 1)/ [G1G2 … GN –1] Trong đó Te i , Fe i lần lượt là nhiệt độ tạp âm và hệ số tạp âm của mạng 4 cực thứ i (i = 1…N), G là hệ số tăng Ýc của mạng 4 cực (i = 1…N-1). Mét anten gây ra tạp âm cho hệ thống do thu nhận tạp âm từ các nguồn bức xạ nằm trong góc mở của nó. Vì vật nhiệt độ tạp âm của anten phụ thuộc vào nhiệt độ tạp âm của vật bức xạ. Nếu gọi Tb(q,f) là nhiệt độ tạp âm bề mặt một vật bức xạ ở hướng góc ngẩng q và góc phương vị j của một antenna và G (q,f) là hệ số tăng Ých antenna theo hướng Êy thì nhiệt độ tạp âm antenna TA được tính bởi : Trong đó W là góc mở của antenna thu. 6.3 Nhiễu giao thoa (Interference) Khi các hệ thống lân cận nhau xử dụng chung băng tần số, mặc dù đã có một sự ngăn cách địa lý nào đó, chúng gây can nhiễu cho nhau. Khi đó các tín hiệu là có Ých của một trạm này thì lại là tạp âm đối với trạm khác. Để tránh can nhiễu người ta quy định 2 vệ tinh địa tĩnh làm việc ở cùng tần số phải có kinh độ lệch nhau Ýt nhất 20. Các dải tần dùng cho thông tin vệ tinh cũng thường được phân phối cho một số hệ thống mặt đất sử dụng. Vì vậy có thể xảy ra sù can nhiễu giữa các tuyến vệ tinh và các trạm mặt đất (hình 20). Can nhiÔu TÝn hiÖu 20 to 40 SL1 SL2 Tx2 RTx2 RTx1 Tx1 HÖ thèng v« tuyÕn mÆt ®Êt Hình 20:Can nhiễu giữa các hệ thống lân cận Ngoài ra, do đặc tuyến truyền đạt không tuyến tính của các bộ khuyếch đại công suất (hàm POUT = f(PIN) là một đường cong) cho nên bao giê cũng có sự can nhiễu giữa các sóng mang khác tần số gây bởi các thành phần xuyên điều chế . Sự can nhiễu này sẽ chở nên nghiêm trọng khi công suất phát của các hệ thống quá lớn . Một sù can nhiễu tự nhiên đó là từ mặt trời và mặt trăng. Trong đó sự can nhiễu lớn nhất xảy ra khi mặt trời nằm đúng trên hướng antena của ES chỉ đến vệ tinh địa tĩnh. Lúc đó mặt trời sẽ rọi thẳng vào góc mở của antenna gây nên một lượng tăng nhiệt đọ tạp âm DTA tới 12000K. Trong điều kiện này mọi hoạt động của trạm đều bị tê liệt vì tỷ số S/N quá nhỏ. Để khắc phục,người ta phải quay antenna đi hướng khác hoặc tắt máy chờ mặt trời đi qua. Hiện tượng diễn ra không nâu và xảy ra theo quy luật hàng năm cho nên thường được dự báo trước. Mặt trăng cũng gây nên hiện tượng tương tự nhưng chỉ làm tăng một lượng DTA cực đại bằng 250K(khi trăng rằm).Can nhiễu từ hành tinh khác trong vũ trụ có thể bỏ qua . 7. ảnh hưởng của trễ truyền dẫn – tiếng vọng(Echo) Thời gian truyền dẫn tín hiệu là thời gian để chuyển tin tức từ mét thiết bị đầu cuối này đến một thiết bị đầu cuối khác. Thông thường các thiết bị đầu được nối với các ES thông qua mạng. Vì vậy thời gian truyền dẫn sẽ bằng tổng thời gian tín hiệu đi trên tuyến không gian (Space Link) và thời gian tín hiệu đi trong mạng. VÖ tinh TUYÕN KH¤NG GIAN RD RU Giao diÖn m¹ng Giao diÖn m¹ng Terminal Terminal ES ES Hình 21:Tuyến thông tin vệ tinh có mạng chuyển tiếp. 7.1. Thời gian truyền dẫn trên tuyến không gian Thời gian truyền dẫn trên tuyến không gian tSS phô thuộc vào kiểu quỹ đạo vệ tinh. Với vệ tinh tầm thấp tSS có giá trị nhỏ còn đối với vệ tinh địa tĩnh tSS có giá trị khá lớn. Vì tSS lớn nên khi truyền thoại qua vệ tinh địa tĩnh, hiệu ứng tiếng vọng (Echo) khá rõ rệt so với các vệ tinh di động tầm thấp. Tuy nhiên tSS của vệ tinh địa tĩnh lại tương đối ổn định trong khi tSS của các vệ tinh di động lại biến đổi liên tục. Nếu ta gọi RU và RD lần lượt là chiều dài quãng đường tuyến lên và tuyến xuống, c là vận tốc ánh sáng (c = 3 x 10 8 m/s ) thì: tSS = (RU+RD)/c 7.2 Thời gian truyền dẫn trong mạng (Recommendation G114 CCITT) Để tính thời gian truyền dẫn trong mạng ta có thể dùng công thức tN = 12+(0,004 x khoảng giữa cách 2 Terminal [Km] ) [ms] Nói chung ta có thể lấy thời gian truyền dẫn trung bình = 30m/s cho mỗi mạng (theo bản Report 383 CCIR) tương ứng với khoảng cách truyền dẫn giữa hai Terminal là 12000 km. Như vậy thời gian trễ truyền dẫn toàn tuyến sẽ là: t = tSS + tN.Tiếng vọng là hiện tượng xảy ra tại mạch chuyển 2 dây thành 4 dây ở máy điện thoại làm cho người nói nghe thấy chính tiếng của mình trên ống nghe. Hiện tượng này càng rõ khi t càng lớn. CCITT khuyến nghi rằng t không được phép vượt quá 400 ms và nếu t trong khoảng 150 ¸ 400ms thì hệ thống cần phải dùng các mạch triệt tiếng vọng (Echo Supperessor). Vì vậy đối với hệ thống vệ tinh địa tĩnh có tSS nằm trong khoảng 238 ¸ 278 ms (ứng với góc ngẩng của ES = 900 và 00 ), các mạch triệt tiếng vọng luôn phải dùng đến. 8, các biện pháp khắc phục ảnh hưởng (compensation) 8.1 Bù hiệu ứng quay phân cực Khi hiệu ứng Faraday làm cho phân cực bị quay, gây nên LPOL, người ta sẽ khắc phục bằng cách quay trước phân cực antenna phát của ES đi một góc để phân cực sóng mang sau khi bị quay sẽ đúng với đặc tính phân cực của antenna thu ở vệ tinh. Đồng thời ở phía thu người ta cũng dùng cách quay phân cực antenna thu của ES sao cho nó phù hợp với đặc tính phân cực của sóng mang đi xuống. Việc bù có thể được tự động hoá nhờ việc đo các tín hiệu beacon. 8.2 Bù suy hao Suy hao làm giảm tỷ số C/N0 của máy thu do suy hao làm giảm công suất của sóng mang. Vì vậy để bù suy hao người ta phải dự phòng công suất cho các trạm mặt đất để vẫn đảm bảo được tỷ số C/N0 yêu cầu. Trong các loại suy hao, suy hao do mưa là có ý nghĩa nhất và cũng biến động thất thường nhất. Nếu gọi đại lượng (C/N0)REQUIRE là mức độ C/N0 cần thiết để máy thu duy trì được chất lượng tín hiệu và (C/N0)RAIN là mức C/N0 của tuyến khi có mưa thì (C/N0)RAIN không được nhỏ hơn (C/N0)REQUIRE trong (100-p)% thời gian trung bình năm. Khi điều kiện thời tiết tốt máy thu đạt một mức (C/N0)CLEARSKY lớn, khi có mưa máy thu chỉ đạt mức (C/N0)RAIN nhá hơn nhưng vẫn phải đảm bảo hoạt động bình thường. Vì vậy hệ số dự phòng M(p) được tính bởi: M(p) = (C/N0)CLEAR SKY – (c/N0)RAIN = (C/N0)CLEAR SKY – (C/N0)REQUIRE M(p) đánh giá khả năng mức (C/N0) của máy thu hoặc khả năng tăng EIRP của máy phát trong điều kiện có mưa để hệ thống vẫn làm việc tin cậy. Trong p% thời gian năm, M(p) có thể không đủ bù khi cường độ mưa vượt quá Rp . 8.3 Phân tập không gian (Site Diversity ) Nguyên lý phương pháp này rất đơn giản. Người ta thấy rằng các trận mưa lớn chỉ diễn ra trên một vùng hẹp. Vì vậy nếu 2 ES cùng liên lạc đến một vệ tinh trên 2 tuyến cách nhau đủ lớn về mặt địa lý thì 2 trạm này sẽ có mức suy hao khác nhau A1(t) và A2(t). Người ta sẽ chọn tuyến nào có suy hao thấp nhất trong 2 tuyến trên để làm việc phân luồng thông tin tới đó. Do vậy suy hao mà tuyến phải chịu sẽ chỉ là AD(t) = min [A1(t), A2(t) ] . 8.4 Biện pháp thích ứng (Adaptive ) Để giảm tạp âm và can nhiễu cho các tuyến thông tin người ta tuỳ thuộc vào điều kiện cụ thể của từng tuyến để thay đổi một số thông số nào đó cho phù hợp nhằm duy trì được mức C/N0 theo yêu cầu. Các biện pháp này có thể là: - Sử dụng băng tần số thấp hơn, do đó chịu ảnh hưởng của suy hao môi trường thấp hơn, Đồng thời sự can nhiễu của môi trường cũng thấp hơn. Sử dụng mức EIRP cao hơn do đó tăng được công suất sóng mang C Giảm dung lượng truyền dẫn, Giảm số sóng mang đa truy nhập Sử dụng các mã phát hiện lỗi và sửa lỗi (FEC), ARQ… Sử dụng thiết bị cao cấp hơn. Tuy nhiên độ tin cây tăng lên thì chi phí thiết bị trở nên rất đắt. Chương 3 KỸ THUẬT TRẠM MẶT ĐẤT Trạm mặt đất – Earth Station (ES) là trạm liê