TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH
Vào cuối thế kỷ 19, nhà bác học Nga Tsiolkovsky (1857-1935) đã phát triển các khái niệm cơ bản về tên lửa đẩy sử dụng nhiên liệu lỏng, đồng thời giới thiệu ý tưởng về tên lửa đẩy nhiều tầng và các tàu vũ trụ có người điều khiển để thăm dò vũ trụ.
Năm 1926 Robert Hutchinson Goddard thử nghiệm thành công tên lửa đẩy dùng nhiên liệu lỏng
Tháng 5 năm 1945 Arthur Clarke nhà vật lý nổi tiếng người Anh đồng thời là tác giả của mô hình viễn tưởng thông tin toàn cầu, đã đưa ra ý tưởng sử dụng một hệ thống gồm 3 vệ tinh địa tĩnh dùng để phát thanh quảng bá trên toàn thế giới
Tháng 10 / 1957 lần đầu tiên trên thế giới, Liên Xô phóng thành công vệ tinh nhân tạo SPUTNIK - 1 Đánh dấu một kỷ nguyên về TTVT
Năm 1958 bức điện đầu tiên được phát qua vệ tinh SCORE của Mỹ
Năm 1964 thành lập tổ chức TTVT quốc tế INTELSAT
Năm 1965 ra đời hệ thống TTVT thương mại đầu tiên INTELSAT-1 với tên gọi Early Bird
Năm 1971 thành lập tổ chức TTVT quốc tế INTERSPUTNIK gồm Liên Xô và 9 nước XHCN
Năm 1972-1976 Canada, Mỹ, Liên Xô và Indonesia sử dụng vệ tinh cho thông tin nội địa
Năm 1979, tổ chức thông tin hàng hải quốc tế qua vệ tinh INMARSAT được thành lập, đánh dấu bước tiến quan trọng trong công nghệ truyền thông Đến năm 1984, Nhật Bản đã triển khai hệ thống truyền hình trực tiếp qua vệ tinh, mở ra kỷ nguyên mới cho truyền thông trực tiếp Năm 1987, việc thử nghiệm thành công vệ tinh phục vụ cho thông tin di động qua vệ tinh đã khẳng định tiềm năng của công nghệ này trong việc kết nối toàn cầu.
Từ năm 1999 đến nay, các hệ thống thông tin di động và băng rộng toàn cầu sử dụng vệ tinh đã được hình thành, với những ví dụ tiêu biểu như GLOBAL STAR, IRIDIUM, ICO, SKYBRIDGE và TELEDESIC.
Các vệ tinh quay quanh Trái Đất tuân theo các định luật điều khiển chuyển động của hành tinh xung quanh Mặt Trời Qua những quan sát kỹ lưỡng, con người đã hiểu rõ sự chuyển động của các hành tinh, và Johannes Kepler (1571-1630) đã rút ra ba định luật mô tả chuyển động này Những định luật của Kepler không chỉ áp dụng cho các hành tinh mà còn cho bất kỳ hai vật thể nào trong không gian tương tác qua lực hấp dẫn, trong đó vật thể có khối lượng lớn hơn được gọi là sơ cấp và vật thể còn lại là vệ tinh.
1.1.2.1 Định luật Kepler thứ nhất
Vệ tinh quay quanh trái đất theo quỹ đạo hình elip, với trái đất nằm ở một trong hai tiêu điểm của elip đó Điểm xa nhất so với trái đất được gọi là viễn điểm, trong khi điểm gần nhất được gọi là cận điểm.
1.1.2.2 Định luật Kepler thứ hai
Vệ tinh di chuyển theo quỹ đạo với tốc độ thay đổi, đảm bảo rằng đường nối giữa tâm Trái Đất và vệ tinh quét các diện tích bằng nhau trong cùng một khoảng thời gian.
1.1.2.3 Định luật Kepler thứ ba
Bình phương của chu kỳ quay tỷ lệ thuận với luỹ thừa bậc ba của bán trục lớn của quỹ đạo Ellip
1.1.3 ĐẶC ĐIỂM CỦA THÔNG TIN VỆ TINH
1.1.3.1 Ưu điểm của thông tin vệ tinh
Trong thời đại hiện nay, thông tin vệ tinh đang phát triển và lan rộng nhanh chóng nhờ vào nhiều yếu tố khác nhau Những lợi thế nổi bật của thông tin vệ tinh so với các phương tiện thông tin dưới biển và trên mặt đất, như hệ thống cáp quang và hệ thống chuyển tiếp viba số, chính là khả năng truyền tải dữ liệu nhanh chóng và rộng rãi hơn.
- Có khả năng đa truy nhập
- Ổn định cao, chất lượng và khả năng đáp ứng cao về thông tin băng rộng
- Có thể ứng dụng cho thông tin di động
- Hiệu quã kinh tế cao trong thông tin cự ly lớn
Sóng vô tuyến điện từ vệ tinh ở quỹ đạo địa tĩnh có khả năng bao phủ hơn 1/3 bề mặt trái đất, cho phép các trạm mặt đất trong khu vực này kết nối trực tiếp với nhau thông qua vệ tinh thông tin.
Kỹ thuật đa truy nhập cho phép nhiều trạm mặt đất sử dụng một vệ tinh chung, tối ưu hóa hiệu quả sử dụng của vệ tinh Nói một cách đơn giản, đa truy nhập là phương pháp sử dụng một bộ phát đáp trên vệ tinh để phục vụ cho nhiều trạm mặt đất khác nhau.
1.1.3.2 Các quỹ đạo vệ tinh
Qũy đạo cực tròn có ưu điểm nổi bật là mọi điểm trên bề mặt trái đất đều có thể nhìn thấy vệ tinh nhờ vào quỹ đạo nhất định Điều này giúp đạt được phủ sóng toàn cầu, khi vệ tinh sẽ lần lượt quét qua tất cả các vị trí trên mặt đất Loại quỹ đạo này thường được sử dụng cho các vệ tinh dự báo thời tiết, hàng hải, thăm dò tài nguyên và các vệ tinh do thám, nhưng không phổ biến cho việc truyền thông tin.
Quỹ đạo xích đạo tròn là loại quỹ đạo mà vệ tinh bay trên mặt phẳng đường xích đạo Đây là dạng quỹ đạo lý tưởng cho vệ tinh địa tĩnh, đặc biệt nếu vệ tinh được đặt ở độ cao phù hợp Loại quỹ đạo này rất phù hợp cho các vệ tinh thông tin, giúp tối ưu hóa khả năng truyền tải dữ liệu.
Hình 1.1 Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh
Quỹ đạo đĩa tĩnh GEO (Geostationalry Earth Orbit)
Khi ba vệ tinh địa tĩnh được bố trí đều trên xích đạo, chúng có khả năng thiết lập kết nối thông tin giữa các khu vực trên trái đất thông qua việc chuyển tiếp tín hiệu qua một hoặc hai vệ tinh Điều này tạo điều kiện cho việc xây dựng một mạng lưới thông tin toàn cầu.
Qũy đạo elip nghiêng cho phép vệ tinh tiếp cận những khu vực mà vệ tinh địa tĩnh không thể với tới, mang lại nhiều lợi ích Tuy nhiên, loại qũy đạo này cũng gặp phải nhược điểm như hiệu ứng Doppler lớn và yêu cầu cao trong việc điều khiển bám đuổi vệ tinh.
Ngoài ra người ta còn có 2 loai qũy đạo khác:
1.1.3.2.4 Qũy đạo thấp LEO (Low Earth Orbit) Độ cao điển hình của dạng qũy đạo này là 160 đến 480 km, nó có chu kỳ 90phút
Sự gần gũi của các vệ tinh LEO mang lại lợi thế lớn với thời gian truyền dữ liệu ngắn, giúp tối ưu hóa hiệu quả kết nối toàn cầu giữa các mạng và nâng cao chất lượng hội thoại vô tuyến truyền hình Tuy nhiên, để bao phủ toàn bộ bề mặt Trái Đất, hệ thống LEO cần ít nhất 60 vệ tinh.
1.1.3.2.5 Qũy đạo trung bình MEO (Medium Earth Orbit)
Vệ tinh MEO ở độ cao từ 10.000 km đến 20.000 km, chu kỳ của qũy đạo là 5 đến
HỆ THỐNG THU TRUYỀN HÌNH SỐ QUA VỆ TINH
SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG THU TRUYỀN HÌNH SỐ QUA VỆ TINH
Truyền hình số mang lại chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu của người xem và giúp các trung tâm truyền hình quản lý thuê bao hiệu quả hơn Để phát triển công nghệ truyền hình số, các trung tâm cần cải thiện hệ thống, nâng cấp thiết bị kỹ thuật và lắp đặt đầu thu truyền hình số Hệ thống truyền hình số có cấu trúc tương tự như truyền hình tương tự, bao gồm các khối chức năng như thu tín hiệu số, nén và mã hóa, điều chế, ghép kênh và truyền đến thuê bao Tại thuê bao, một Set-top-box số sẽ được lắp đặt để thu và giải mã tín hiệu.
Tính hiệu thu Nén và mã hóa Điều chế
Headend (nơi quãn lý mạng)
Hệ thống truy cập có điều kiện CA Hub
Hình 1.17: Sơ đồ khối hệ thống thu truyền hình số
Nguyên lý họat động của hệ thống
Hệ thống truyền hình số hoạt động bằng cách phát tín hiệu số từ trung tâm đến thuê bao Tại trung tâm, tín hiệu được thu nhận từ nhiều nguồn và sau đó được nén và mã hóa, chuyển đổi hoàn toàn thành tín hiệu số Tín hiệu này được điều chế thành một tín hiệu hoàn chỉnh, ghép kênh và phát qua cáp quang đến node quang Tại đây, tín hiệu được khuếch đại và gửi đến thuê bao, nơi có hệ thống truy cập có điều kiện Một trong những tiến bộ của truyền hình số là khả năng kết nối giữa máy tính, máy thu hình và hộp giải mã Set-top-box, đồng thời hỗ trợ truyền tải qua Internet.
Mạng HFC số là công nghệ cáp quang lai ghép, kết hợp giữa cáp quang và cáp đồng trục, được sử dụng để phân phối các dịch vụ băng rộng như điện thoại, đa phương tiện tương tác, truy cập Internet tốc độ cao, VOD (video theo yêu cầu) và học từ xa Các dịch vụ này có thể thay đổi giữa các công ty cung cấp cáp, nhằm đáp ứng nhu cầu của người dùng.
Nhiều công ty truyền hình cáp hàng đầu tại Châu Âu, Mỹ, Châu Mỹ La Tinh và Đông Nam Á đã áp dụng công nghệ HFC số, cho phép cung cấp dịch vụ thông tin hiện đại Mạng HFC nổi bật với khả năng mở rộng linh hoạt và hỗ trợ các dịch vụ bổ sung mà không cần thay đổi hạ tầng hiện có.
HỆ THỐNG HEADEND SỐ
1.2.2.1 Sơ đồ hệ thống Headend số:
Headend là trung tâm thu phát tín hiệu, nơi tín hiệu được thu nhận và xử lý trước khi phát đi Khác với Headend Analog, tín hiệu tại Headend số là tín hiệu số, sử dụng công nghệ mạng HFC Hệ thống Headend số vẫn dựa trên cơ sở hạ tầng sẵn có, chỉ cần đầu tư thêm trang thiết bị để xử lý tín hiệu hiệu quả hơn.
Hình 1.18 Sơ đồ hệ thống Headend số
1.2.2.2 Chức năng các khối trong hệ thống Headend số:
Tín hiệu thu đa dạng bao gồm tín hiệu vệ tinh, truyền hình số mặt đất, mạng và các đài địa phương Mỗi loại tín hiệu yêu cầu các bộ giải điều chế khác nhau, thường được thực hiện thông qua các card rời gắn trên các zắc cắm.
- Các tín hiệu sau khi thu được sẽ được xử lí và truyền tín hiệu số trên một băng tần cơ sở (ASI)
- Yêu cầu đặc trưng của tín hiệu là: linh động, đơn giản, năng lượng thấp và vận hành một cách độc lập
- Chất lượng hiển thị của tín hiệu: cần xử lý tín hiệu một cách đầy đủ và chính xác, tránh lan truyền tín hiệu bị trục trặc
Yếu tố dự phòng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính ổn định của hệ thống, tự động sao lưu dữ liệu khi có sự cố xảy ra ở bộ phận trước đó.
Thu tín hiệu từ vệ tinh (card TITAN)
Tín hiệu từ vệ tinh được thu nhận và chuyển qua bộ giải điều chế QPSK, tạo ra tín hiệu ASI.
- Tốc độ dữ liệu từ 1 đến 45 Mbaud
- Có thể lựa chọn chế độ tự động hay là thủ công các thông số cần điều chế
- Hai ngỏ ra ASI với tốc độ lên đến 90 Mbps
- Chức năng hiển thị được cải tiến như: SNR, mức ngỏ vào, BER, không sửa được lỗi
Thu tín hiệu truyền hình số mặt đất (card ATLAT II)
Hình 1.20 Thu tín hiệu truyền hình số mặt đất
Tín hiệu thu được được đưa qua bộ giải điều chế C-OFDM Đặc điểm:
- Hổ trợ FFT kích thước 2K và 8K
- Có thể chọn được băng thông 7 MHz hoặc 8MHz
- Được hỗ trợ băng tần UHF và VHF
- Hai ngõ ra ASI với tốc độ lên đến 31.7 Mbps
- Chế độ hiển thị được cải tiến (MER)
- Giao diện sử dụng đơn giản
Thu tín hiệu các đài địa phương (card SPECTRA)
Anten Yagi sẽ thu nhận tín hiệu từ các đài địa phương và truyền đến bộ giải điều chế QAM (điều chế pha) để xử lý.
- Tần số RF ở ngỏ vào từ 45 đến 860 MHz
- Có thể chọn lựa chế độ tự động hay bằng thủ công các thông số cần điều chế
- Mở rộng chức năng hiển thị tín hiệu
- Hoàn toàn được chế tạo bởi ROSA
Tín hiệu sau khi thu được sẽ được đưa qua khối PROCESSING để xử lý Gồm các khối: Decrambling, Routing, Remuxing, Processing, Scrambling
Các tín hiệu sau khi vào khối này sẽ được giải mã để xử lý Đặc điểm:
- Phục hồi tín hiệu chỉ xảy ra với tín hiệu là số
- Sự phục hồi dựa trên chuẩn mở:
+ Cable- POD và DVB-CI
+ Gắn liền với chuẩn ASI
+ Có thể thay đổi hệ thống CA vì nó dễ và rẽ
- Vận hành một cách độc lập và bạn có thể xoá tín hiệu sau khi hoàn tất công việc truyền
Hệ thống chuyển mạch thông minh đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong các kết nối điểm nối điểm và đa điểm nối đa điểm, nơi cần thiết phải có đường dự phòng Mục tiêu chính của hệ thống này là đảm bảo rằng khi tín hiệu truyền đi bị mất, vẫn có đường thay thế sẵn sàng, được gọi là Redundance switching Phương pháp dự phòng này được coi là rất quan trọng trong việc duy trì sự ổn định và liên tục của các kết nối.
- Tất cả các thiết bị làm việc ở lớp transport nên nhiều chương trình có thể bị mất
- Sự gián đoạn là nguyên nhân gay mất tín hiệu
- Mạng số thường cung cấp nhiều dịch vụ hơn như pay-per-view
- Sự chọn lựa và trộn tín hiệu lại với nhau trong 1 luồng truyền
- Dựa trên giao diện chuẩn
+ Sự thích hợp giữa các thiết bị với ASI
+ Giao diện sử dụng để hiển thị và điều khiển là Web và SNMP
- Quá trình xử lý đơn giản
+ Phần mềm PSI/SI có thể thực hiện 1 cách tự động ở phía sau
+ Chỉ cần 1 sai phạm nhỏ sẽ hoạt động sai
Xử lý PSI/SI xem như là 1 cách điều chỉnh của tín hiệu
PSI/SI rất phù hợp với đường TS (Transport Stream) và chủ yếu được thực hiện bởi khối Re-multiplexer Ngoài ra, PSI/SI đảm bảo thông tin không bị gián đoạn, vì mỗi luồng TS chứa thông tin chi tiết về chương trình.
Chương trình Scrambling diễn ra khi có sự thiếu liên lạc với điều kiện truy cập hệ thống Bộ xáo trộn này dựa trên tiêu chuẩn mở và cho phép nhiều thành phần CA trong hệ thống kết hợp với nhau, tương tự như luồng TS.
Các thiết bị vận hành kém giống như một bộ trộn đã được cài đặt sẵn nhưng thiếu đĩa cứng và hệ thống thông gió, khiến cho chương trình xử lý chỉ có thể hoạt động trong môi trường hệ điều hành thời gian thực.
Với phương thức đưa tất cả các tín hiệu vào 1 chỗ truyền để đi với mạng
Với các kỹ thuật điều chế:
1.2.2.3 Nén và mã hóa tín hiệu truyền hình:
Trung tâm của mạng phát sóng video số bao gồm hệ thống nén, cung cấp chương trình video và audio chất lượng cao với băng thông tối ưu Mục tiêu chính của nén là giảm thiểu khả năng lưu trữ và truyền dẫn thông tin bằng cách ghép nhiều tín hiệu chương trình truyền hình vào một dòng truyền Hệ thống nén tín hiệu bao gồm các bộ mã hóa số và bộ ghép kênh, trong đó bộ mã hóa chuyển đổi tín hiệu tương tự sang dạng số, nén và xáo trộn thành một dòng dữ liệu audio, video và thông tin khác Mã hóa số cho phép phát sóng nhiều chương trình video/audio chất lượng cao qua cùng độ rộng băng tần như một kênh sóng video/audio tương tự, ví dụ như 8MHz ở Việt Nam.
Tín hiệu đã được mã hóa và nén thành dòng tín hiệu MPEG-2, tiêu chuẩn nén video/audio của Châu Âu, được sử dụng tại Việt Nam Bộ ghép kênh nhận tín hiệu này theo các tiêu chuẩn mà nhóm chuyên gia MPEG đã định nghĩa, bao gồm hệ thống đồ họa video MPEG-2 Tiêu chuẩn MPEG-2 được chấp nhận tại 190 quốc gia và là một trong nhiều tiêu chuẩn nén video/audio như MPEG-1, MPEG-3, MPEG-4, và các phiên bản khác Tuy nhiên, trong truyền hình số quảng bá, chỉ tiêu chuẩn MPEG-2 được sử dụng.
Chuẩn nén MPEG-1 và MPEG-3 đã được hợp nhất vào tiêu chuẩn MPEG-2, trong khi máy VCD sử dụng chuẩn nén MPEG-1, DVD sử dụng chuẩn nén MPEG-2 Điều này cho phép DVD đọc cả đĩa VCD (MPEG-1) và đĩa DVD (MPEG-2).
1.2.2.3.1 Khái quát về kỹ thuật nén ảnh số
Sự phát triển mạnh mẽ của máy tính và Internet đã tạo ra nhu cầu cấp thiết về phương pháp nén ảnh, giúp giảm không gian lưu trữ và tăng tốc độ truyền tải thông tin trên mạng.
Trong những năm gần đây, nhiều phương pháp nén ảnh đã được nghiên cứu để giảm thiểu dung lượng kênh truyền và không gian lưu trữ mà vẫn giữ được tính trung thực của ảnh Mục tiêu là biểu diễn ảnh với ít bit nhất, đạt độ tin cậy cao nhất với tốc độ bit nhỏ nhất, được đo bằng số bit trên mỗi pixel Ảnh đen trắng chưa nén có tốc độ bit là 8bit/pixel, trong khi ảnh màu là 24bit/pixel Các kỹ thuật nén hiện nay cho phép giảm dung lượng ảnh từ 30 đến 50 lần so với ảnh gốc mà vẫn duy trì độ trung thực cao, được đánh giá qua các tiêu chí như lỗi trung bình bình phương (MSE) và tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) giữa ảnh gốc và ảnh nén.
Các nguyên tắc của nén ảnh
Tất cả các ảnh số đều có tính chất chung là tương quan lớn giữa các pixel liền kề, dẫn đến dư thừa thông tin trong việc biểu diễn ảnh Dư thừa thông tin này gây ra việc mã hóa không tối ưu Do đó, để nén ảnh hiệu quả, cần tìm kiếm các biểu diễn ảnh với tương quan nhỏ nhất nhằm giảm thiểu độ dư thừa thông tin Thực tế, có hai kiểu dư thừa thông tin được phân loại.
KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP
Truyền dẫn vệ tinh áp dụng mô hình đa truy nhập trong môi trường chia sẻ, với ba dạng chính được minh họa trong Hình 2.8.
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)
Hình 1.24 Kỹ thuật đa truy nhập FDMA, TDMA và CDMA
Tần số/băng thông Tần số/băng thông
FDMA Thời gian Thời gian n
Mã fA fB fC fD
Ghép kênh khác với đa truy nhập, vì ghép kênh tập trung vào việc chia sẻ tài nguyên băng thông từ một vị trí duy nhất, trong khi đa truy nhập chia sẻ tài nguyên này từ nhiều vị trí khác nhau.
Hình 1.25 So sánh giữa khái niệm ghép kênh và đa truy nhập
1.2.3.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)
Trong phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA), băng thông của kênh trạm lặp được chia thành các băng con, mỗi băng con được ấn định cho từng sóng mang phát từ trạm mặt đất Các trạm mặt đất phát liên tục nhiều sóng mang ở các tần số khác nhau, tạo nên các kênh riêng biệt Để giảm thiểu nhiễu giữa các kênh lân cận do điều chế, sự không hoàn thiện của bộ dao động và bộ lọc, cần thiết phải duy trì khoảng bảo vệ giữa các băng tần của các kênh cạnh nhau.
Các sơ đồ truyền dẫn
Các sơ đồ truyền dẫn khác nhau tương ứng với các tổ hợp ghép kênh và điều chế khác nhau
Hình 1.27 Các cấu hình truyền dẫn FDMA a) FDM/FM/FDMA; b) TDM/PSK/FDMA; c) SCPC/FDMA
Trong cấu hình ghép kênh theo tần số, điều tần (FM) và đa truy nhập phân chia theo tần số (FDM/FM/FDMA) cho phép kết hợp các tín hiệu băng tần gốc của người sử dụng thành một tín hiệu ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) Các tín hiệu tương tự này sẽ được điều chế tần số (FM) cho một sóng mang, mà sẽ truy nhập đến vệ tinh ở tần số nhất định cùng với các tần số khác từ các trạm khác Để giảm thiểu hiện tượng điều chế giao thoa, số lượng sóng mang định tuyến lưu lượng được thực hiện theo nguyên lý phù hợp.
“một sóng mang trên một trạm phát” Như vậy tín hiệu ghép kênh FDM bao gồm tất cả các tần số dành cho các trạm khác
Trong cấu hình ghép kênh theo thời gian, điều chế khoá chuyển pha (PSK) và đa truy cập phân chia theo tần số (TDM/PSK/FDMA) kết hợp để tạo ra tín hiệu ghép kênh TDM từ tín hiệu số của người sử dụng Luồng bit của tín hiệu này được điều chế bằng phương pháp PSK, cho phép truy cập vệ tinh ở tần số nhất định cùng lúc với các sóng mang từ các trạm khác ở các tần số khác nhau Để giảm thiểu các sản phẩm của điều chế giao thoa, việc định tuyến lưu lượng được thực hiện theo phương pháp “một sóng mang trên một trạm phát” Do đó, tín hiệu ghép kênh TDM bao gồm tất cả các tín hiệu phụ thuộc thời gian từ các trạm khác.
Cấu hình SCPC/FDMA cho phép sử dụng một kênh trên một sóng mang, trong đó mỗi tín hiệu băng gốc của người dùng sẽ được điều chế trực tiếp lên sóng mang dưới dạng số (PSK) hoặc tương tự (FM), tùy thuộc vào loại tín hiệu Mỗi sóng mang truy cập vệ tinh với tần số riêng, đồng thời với các sóng mang khác từ cùng một trạm hoặc từ các trạm khác ở các tần số khác nhau Nhờ đó, định tuyến được thực hiện theo nguyên lý “một sóng mang trên một đường truyền.”
1.2.3.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)
TDMA (Time Division Multiple Access) là một phương pháp đa truy nhập cho phép các trạm mặt đất chia sẻ một bộ phát đáp thông qua việc phân chia thời gian Trong mô hình TDMA, trục hoành đại diện cho tần số và trục tung đại diện cho thời gian Thời gian được chia thành các khung TDMA, mỗi khung lại được phân chia thành các khe thời gian dành riêng cho từng trạm mặt đất Tất cả các trạm đều sử dụng một sóng mang với tần số trung tâm f0, chỉ phát và thu tín hiệu trong các khe thời gian đã được chỉ định Do đó, trong một khoảng thời gian nhất định, chỉ có tín hiệu từ một trạm mặt đất chiếm toàn bộ băng tần của bộ phát đáp vệ tinh, đảm bảo không xảy ra tình trạng chồng chéo tín hiệu.
Hình 1.28 Đa truy nhập phân chia theo thời gian
Khi tín hiệu từ hai hoặc nhiều trạm mặt đất đồng thời chiếm bộ phát đáp của vệ tinh, độ dài khe thời gian dành cho mỗi trạm sẽ được xác định dựa trên lưu lượng của từng trạm.
TDMA (Time Division Multiple Access) sử dụng sóng mang điều chế số, yêu cầu các sóng mang phát từ trạm mặt đất phải được điều khiển chính xác trong các khe thời gian phân phối Để đảm bảo điều này, cần có tín hiệu chuẩn từ một trạm chuẩn, và các trạm khác sẽ lần lượt truyền tín hiệu sau tín hiệu chuẩn Phương pháp này yêu cầu các trạm mặt đất truyền tín hiệu gián đoạn và dự phòng khoảng thời gian bảo vệ giữa các sóng mang để tránh chồng lấn tín hiệu Ưu điểm của TDMA là tối ưu hóa công suất vệ tinh và linh hoạt trong việc thay đổi dung lượng truyền tải bằng cách điều chỉnh khoảng thời gian phát và thu, đồng thời nâng cao hiệu suất khi số kênh liên lạc tăng Khi kết hợp với kỹ thuật nội suy tiếng nói, TDMA có thể tăng dung lượng truyền dẫn lên ba đến bốn lần Tuy nhiên, phương pháp này cũng tồn tại một số nhược điểm nhất định.
Yêu cầu phải có đồng bộ cụm
Mạng TDMA bao gồm các trạm lưu lượng và ít nhất một trạm chuẩn, trong đó các cụm được phát đi từ trạm lưu lượng gọi là cụm lưu lượng Trạm chuẩn phát một cụm đặc biệt theo chu kỳ, được gọi là cụm chuẩn, cung cấp chuẩn định thời cho các khe thời gian trong khung TDMA Mỗi trạm lưu lượng phát các cụm lưu lượng theo các khe thời gian được ấn định, sử dụng cụm chuẩn làm chuẩn định thời để tránh chồng lấn Nếu không có sự đồng bộ, các cụm có thể trượt khỏi khe thời gian, dẫn đến mất thông tin khi xảy ra chồng lấn Hiện tượng thuỷ triều gây ra biến thiên độ cao của vệ tinh khoảng 85Km, làm thay đổi độ trễ khoảng 500s và tần số tín hiệu do hiệu ứng Doppler.
Tín hiệu tương tự phải được chuyển sang dạng số khi sử dụng kỹ thuật TDMA
Giao diện với các hệ thống mặt đất tương tự rất phức tạp dẫn đến giá thành của hệ thống cao
1.2.3.3 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)
CDMA (Code Division Multiplex Access) là phương pháp truy nhập ứng dụng kỹ thuật trải phổ, trong đó mọi đối tượng có thể :
Được phép hoạt động đồng thời
Hoạt động tại tần số như nhau
CDMA là phương pháp đa truy nhập cho phép các trạm mặt đất phát tín hiệu liên tục và đồng thời trên cùng một băng tần mà không gây nhiễu cho thông tin của các đối tượng khác Điều này giúp tối ưu hóa việc sử dụng băng tần của hệ thống.
Trong công nghệ CDMA, mỗi sóng mang được điều chế bằng một mã đặc biệt dành riêng cho từng trạm mặt đất, cho phép trạm thu tách biệt tín hiệu mong muốn khỏi các tín hiệu khác Để đảm bảo hiệu quả trong việc truyền tải, tập hợp các mã sử dụng phải có các thuộc tính tương quan nhất định.
Mỗi mã phải có thể được phân biệt một cách dễ dàng với bản sao của chính nó bị dịch chuyển theo thời gian
Mỗi mã phải có thể được phân biệt một cách dễ dàng bất chấp các mã khác được sử dụng trên mạng
Truyền dẫn tín hiệu hữu ích kết hợp với mã cần băng thông lớn hơn so với băng thông chỉ để truyền dẫn thông tin hữu ích Do đó, phương pháp này được gọi là truyền dẫn trải phổ.
Hoạt động này rất đơn giản vì không cần bất kỳ sự đồng bộ nào giữa các trạm Sự đồng bộ duy nhất yêu cầu là giữa máy thu và chuỗi sóng mang mà nó nhận được.
Việc trải phổ ở phía phát và thu hẹp phổ ở phía thu giúp tăng cường khả năng chống nhiễu giữa các hệ thống, đồng thời giảm thiểu nhiễu do hiện tượng đa đường truyền Điều này cũng góp phần nâng cao tính bảo mật của tín hiệu.
HỆ THỐNG TV GIA ĐÌNH, TVRO
1.2.4.1 Sơ đồ khối tổng quát của TVRO
Theo quy định, dịch vụ truyền hình quảng bá trực tiếp đến máy thu TV gia đình sử dụng băng tần Ku (12 GHz), được gọi là dịch vụ vệ tinh quảng bá trực tiếp (DBS) Băng tần này có thể thay đổi tùy thuộc vào vùng địa lý, ví dụ như ở Mỹ, băng tần đường xuống nằm trong khoảng 12,2 đến 12,7 GHz.
Hiện nay, nhiều gia đình sử dụng chảo lớn (đường kính khoảng 3m) để thu tín hiệu TV băng C (GHz), nhưng các tín hiệu này chủ yếu dành cho mạng phân phối truyền hình, không phải cho hộ gia đình Mặc dù việc thu tín hiệu TV có vẻ hiệu quả, nhưng nhiều yếu tố kỹ thuật, thương mại và pháp lý cản trở quá trình này Sự khác biệt chính giữa hệ thống TVRO băng Ku và băng C nằm ở tần số hoạt động của khối ngoài trời; vệ tinh DBS ở băng Ku có EIRP cao hơn nhiều so với băng C.
Hình 1.29 minh họa cấu trúc chính của hệ thống thu DBS cho đầu cuối gia đình, cung cấp khái niệm cơ bản về máy thu TV tương tự (FM) Mặc dù cấu trúc có thể thay đổi giữa các hệ thống khác nhau, nhưng các khối ngoài trời vẫn giữ nguyên cho cả hệ thống TV số và tương tự Hiện nay, TV số đang dần thay thế các hệ thống tương tự trong việc cung cấp dịch vụ đến gia đình.
Khối này bao gồm một anten thu sóng trực tiếp cho tổ hợp khuếch đại tạp âm nhỏ và biến đổi hạ tần Thường thì bộ phản xạ parabol được sử dụng cùng với loa thu đặt ở tiêu điểm Thiết kế thông thường có tiêu điểm ngay trước bộ phản xạ, nhưng trong một số trường hợp, để giảm nhiễu hiệu quả hơn, bộ tiếp sóng có thể được đặt lệch như trong hình vẽ.
Kinh nghiệm cho thấy rằng chất lượng tín hiệu có thể được đảm bảo với các bộ phản xạ có đường kính từ 0,6 đến 1,6m, với kích thước phổ biến là 0,9m và 1,2m Đường kính của bộ phản xạ băng C (4GHz) thường khoảng 3m Hệ số khuếch đại của anten tỷ lệ thuận với (D/λ)², cho thấy khuếch đại của chảo 3m tại 4GHz tương đương với chảo 1m tại 12GHz Mặc dù suy hao truyền sóng tại 12GHz cao hơn nhiều so với 4GHz, nhưng không cần anten thu có khuếch đại cao hơn, vì các vệ tinh quảng bá trực tiếp hoạt động với công suất phát xạ đẳng hướng cao hơn.
Băng tần từ 12,2 đến 12,7 GHz với độ rộng 500 MHz cho phép truyền tải 32 kênh TV, mỗi kênh có bề rộng 24 MHz Mặc dù các kênh lân cận có thể chồng lấn nhau, nhưng chúng được phân cực LHC và RHC đan xen để giảm thiểu nhiễu Phân bố tần số này được gọi là đan xen phân cực, và loa thu có thể được trang bị bộ lọc phân cực, cho phép chuyển đổi đến phân cực mong muốn dưới sự điều khiển của khối trong nhà.
Loa thu tiếp sóng LNB (Low Noise Block) kết hợp giữa khối biến đổi tạp âm nhỏ (LNC) và khuếch đại tạp âm nhỏ (LNA), đảm bảo khuếch đại tín hiệu băng 12 GHz và chuyển đổi nó xuống dải tần số thấp hơn, từ 950-1450 MHz, để sử dụng cáp đồng trục giá rẻ Cáp đồng trục hoặc cáp đôi dây không chỉ truyền tín hiệu mà còn cung cấp công suất một chiều cho khối ngoài trời, cùng với dây điều khiển chuyển mạch phân cực.
Khuếch đại tạp âm nhỏ nên được lắp đặt trước đầu vào khối trong nhà để đảm bảo tỷ số tín hiệu trên tạp âm đạt yêu cầu Thông thường, bộ khuếch đại tạp âm nhỏ không được đặt ở đầu vào khối trong nhà vì nó có thể khuếch đại cả tạp âm từ cáp đồng trục Khi sử dụng LNA ngoài trời, cần đảm bảo thiết bị hoạt động hiệu quả trong điều kiện thời tiết thay đổi và có khả năng chống lại việc bị phá hoại hoặc đánh cắp.
1.2.4.3 Khối trong nhà cho TV tương tự (FM)
Tín hiệu cấp cho khối trong nhà có băng tần rộng từ 950 đến 1450 MHz, được khuếch đại và chuyển đến bộ lọc bám để chọn kênh cần thiết Việc sử dụng đan xen phân cực cho phép thiết lập bộ lọc phân cực chỉ thu được một nửa số kênh 32 MHz, giúp giảm nhẹ hoạt động của bộ lọc bám nhờ vào việc các kênh đan xen được đặt cách xa nhau hơn.
Kênh được chọn sẽ được biến đổi hạ tần từ dải 950 MHz xuống 70 MHz, mặc dù có thể lựa chọn các tần số khác trong dải VHF Bộ khuếch đại 70 MHz sẽ khuếch đại tín hiệu cần thiết cho quá trình giải điều chế Sự khác biệt chính giữa DBS và TV thông thường là DBS sử dụng điều tần, trong khi TV thông thường sử dụng điều biên (AM) ở dạng đơn biên nén (VSSB: Vestigal Single Sideband) Do đó, cần giải điều chế sóng mang 70 MHz và sau đó tái điều chế AM để tạo ra tín hiệu VSSB trước khi tiếp sóng cho các kênh VHF/UHF của máy TV tiêu chuẩn.
Máy thu DBS không chỉ đơn thuần là thiết bị nhận tín hiệu mà còn tích hợp nhiều chức năng quan trọng Các tín hiệu Video và Audio sau khi giải điều chế có thể được truyền trực tiếp đến các đầu V/A của máy thu hình Để giảm thiểu nhiễu, sóng mang vệ tinh được bổ sung một dạng sóng phân tán năng lượng, và máy thu DBS có nhiệm vụ loại bỏ tín hiệu này Bên cạnh đó, các đầu cuối có thể được trang bị bộ lọc IF nhằm giảm nhiễu từ các mạng TV mặt đất, và đôi khi cần sử dụng bộ giải ngẫu nhiên hoá để thu một số chương trình nhất định.
1.2.4.4 Hệ thống TV anten chủ
Hệ thống TV anten chủ (MATV: Master-Antenna TV) cung cấp tín hiệu DBS/TV cho nhiều người dùng, như cư dân trong một tòa nhà Hệ thống bao gồm một anten và LNA/C ngoài trời, phân phối tín hiệu đến các đơn vị trong nhà Mặc dù tương tự như hệ thống gia đình, MATV cho phép mỗi người dùng truy cập độc lập vào tất cả các kênh Lợi ích của hệ thống này là chỉ cần một anten ngoài trời, nhưng yêu cầu có các LNA/C và cáp riêng cho từng phân cực Để đảm bảo chất lượng tín hiệu cho tất cả các đơn vị, anten cần có kích thước lớn hơn, với đường kính từ 2 đến 3 mét.
Máy thu 1 Máy thu 2 Máy thu 3
Khối ngoài trời Khối thu trong nhà
Nhóm kênh phân cực LHC
Nhóm kênh phân cực RHC
Bộ chia công suất Bộ chọn nhóm kênh
Hình 1.30 Cấu trúc hệ thống anten TV chủ (MATV)
1.2.4.5 Hệ thống TV anten tập thể
Hình 1.31 Cấu trúc khối trong nhà cho hệ thống TV anten tập thể (CATV)
Hệ thống TV anten tập thể (CATV: Community Antenna TV) bao gồm một khối ngoài trời với các tiếp sóng riêng biệt cho từng phương phân cực, tương tự như hệ thống MTAV.
950 – 1450 MHz từ khối ngoài trời
Các bộ giải điều chế
Máy thu băng rộng cho phép cung cấp tất cả các kênh đồng thời tại một máy thu trong nhà Thay vì sử dụng máy thu riêng lẻ cho từng người dùng, các sóng mang được giải điều chế qua một hệ thống lọc và thu chung.
Tất cả các kênh được kết hợp thành một tín hiệu ghép chung để truyền dẫn qua cáp đến các thuê bao Đối với các khu vực xa xôi, tín hiệu có thể được phát lại bằng một đài phát TV với anten đường kính 8m (26,2 ft) để thu tín hiệu vệ tinh băng C, hoặc phân phối chương trình từ vệ tinh qua hệ thống CATV.
CẤU HÌNH CỦA TRẠM MẶT ĐẤT
Bộ biến đổi năng lượng HPA
Chuyển mạch Bộ giải điều chế
Bộ biến đổi hạ tần
Chuổi dự phòng Bộ chia
Pannen kết nối băng gốc
Hình 1.32 Các phần tử căn bản của một trạm mặt đất có dự phòng
Trong các phần trước, chúng ta đã tìm hiểu về các trạm thu tín hiệu TV Tuy nhiên, để hoàn thiện đường truyền, cần có trạm phát tín hiệu Trong một số trường hợp, chỉ cần trạm phát để chuyển tiếp tín hiệu truyền hình đến các trạm thu TV ở xa Trạm phát thu có khả năng đảm bảo cả hai chức năng và thường được sử dụng trong viễn thông, bao gồm cả mạng TV Các thành phần cơ bản của một trạm mặt đất được thiết kế với tính năng dự phòng, có nghĩa là một số khối được nhân đôi để đảm bảo hoạt động liên tục Khi một khối gặp sự cố, hệ thống sẽ tự động chuyển mạch sang khối dự phòng, như được minh họa trong hình 1.31.
Sơ đồ khối chi tiết của trạm phát thu mặt đất được cho ở hình 1.32 Trong đó để dễ nhìn ta không trình bầy các khối dự phòng
Khuếch đại công suất Khuếch đại LNA
Bộ kết hợp Bộ chia
Các bộ ghép/phân kênh bao gồm cả xử lý tính hiệu số
Thiết bị dùng để kết nối tới trạm mặt đất
Các bộ biến đổi nâng tần
Các sóng mang viba số
Các băng gốc được lập khuôn lại
Các đầu vào/ra băng gốc của trạm mặt đất
Các bộ biến đổi hạ tần
Các bộ giải điều chế
Sơ đồ chi tiết của một trạm phát thu cho thấy thiết bị kết nối giữa trạm vệ tinh mặt đất và mạng viễn thông mặt đất Lưu lượng điện thoại có thể bao gồm nhiều kênh được ghép theo tần số hoặc thời gian, nhưng việc ghép kênh này có thể khác với ghép kênh cần thiết cho truyền dẫn vệ tinh Thiết bị ghép kênh sẽ thực hiện việc lập khuôn dạng lại cho lưu lượng trước khi được điều chế ở trung tần (IF) thường là 70 MHz Nhiều tầng trung tần song song được sử dụng cho từng sóng mang phát ra, và sau khi khuếch đại tín hiệu IF 70 MHz, nó sẽ được biến đổi nâng tần đến tần số sóng mang cần thiết.
Nhiều sóng mang có thể được phát đồng thời với các tần số khác nhau, chẳng hạn như sóng mang 6GHz và 14GHz Mỗi sóng mang có khả năng phục vụ nhiều điểm nhận, mang lưu lượng đến các trạm khác nhau Ví dụ, một sóng mang vi ba có thể chuyển tải lưu lượng đến cả Boston và New York, với cùng một sóng mang được thu tại hai điểm và được lọc bởi các bộ lọc tại trạm mặt đất.
Sau khi trải qua bộ biến đổi nâng tần, các sóng mang được kết hợp và tín hiệu băng rộng được khuếch đại Tín hiệu băng rộng sau khi khuếch đại sẽ được truyền đến anten thông qua bộ ghép song công, hay còn gọi là Diplexer Diplexer cho phép anten xử lý đồng thời nhiều tín hiệu phát và thu.
Anten trạm làm việc đồng thời ở chế độ phát và thu với các tần số khác nhau: trong băng C, tần số phát là 6GHz và tần số thu là 4GHz, trong khi ở băng Ku, tần số phát là 14GHz và tần số thu là 12GHz Việc sử dụng anten khuếch đại cao giúp tạo ra các búp sóng hẹp, cần thiết để giảm thiểu nhiễu giữa các đường vệ tinh lân cận Đặc biệt trong băng C, cần tránh nhiễu từ các tuyến vi ba mặt đất, vì các tuyến này không hoạt động ở tần số băng Ku.
Trong nhánh thu, tín hiệu được khuếch đại bởi bộ khuếch đại tạp âm nhỏ và sau đó được chuyển đến bộ chia để tách thành các sóng mang khác nhau Các sóng mang này được biến đổi hạ tần đến băng IF, tiếp theo là chuyển đến khối ghép kênh để điều chỉnh khuôn dạng phù hợp cho mạng mặt đất.
Dòng lưu lượng phía thu khác với dòng lưu lượng phía phát, với số lượng sóng mang và khối lượng lưu lượng được mang khác nhau Luồng ghép đầu ra không nhất thiết phải chứa các kênh điện thoại từ phía phát Có nhiều loại trạm mặt đất khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu dịch vụ, và lưu lượng có thể được phân loại thành tuyến lưu lượng cao, trung bình và thấp Trong kênh tuyến lưu lượng thấp, một kênh phát đáp (36 MHz) có thể mang nhiều sóng mang, mỗi sóng mang liên kết với một kênh thoại riêng, gọi là chế độ SCPC (Single Carrier per Channel) Ngoài ra, còn có chế độ đa truy nhập, sẽ được thảo luận chi tiết trong chương về hệ thống thông tin vệ tinh FDMA và TDMA Kích thước anten thay đổi từ 3,6 m đối với trạm di động trên xe đến 30 m đối với đầu cuối chính.
Kênh tuyến lưu lượng trung bình hỗ trợ đa truy nhập thông qua FDMA hoặc TDMA, với các chế độ này được phân tích trong chương tương ứng Kích thước anten dao động từ 30 m (89,4 ft) cho trạm chính đến 10 m (32,8 ft) cho các trạm xa.
Trong hệ thống tuyến lưu lượng cao, mỗi kênh vệ tinh với băng thông 36 MHz có khả năng truyền tải 960 kênh thoại hoặc một kênh TV kết hợp với âm thanh Do đó, kênh phát đáp trong hệ thống này mang tín hiệu băng rộng.
Hệ thống TV sử dụng luồng ghép các kênh thoại với anten có đường kính tối thiểu 30 m (98,4ft) cho trạm mặt đất tiêu chuẩn A của INTELSAT Các anten lớn này nặng đến 250 tấn, yêu cầu nền đỡ chắc chắn và ổn định để tránh xê dịch, đảm bảo búp sóng hẹp Đối với khu vực có băng và tuyết, cần trang bị lò sưởi bên trong Mặc dù được thiết kế cho vệ tinh địa tĩnh, hiện tượng trôi vệ tinh vẫn xảy ra, do đó cần duy trì độ bám nhất định Việc điều chỉnh phương vị và góc ngẩng được thực hiện bằng máy tính để tối ưu hóa tín hiệu thu Ngoài ra, việc đảm bảo nguồn nuôi liên tục là rất quan trọng; các trạm lớn cần có nguồn dự phòng từ điện mạng hoặc acquy và máy phát điện để thay thế kịp thời khi điện lưới gặp sự cố.
Trạm mặt đất vệ tinh gồm hai phần chính: phần phát và phần thu, trong đó máy thu truyền hình vệ tinh TVRO là loại đơn giản nhất với chỉ phần thu Theo quy định, các máy thu gia đình hoạt động chủ yếu ở băng Ku, nhưng hiện nay nhiều gia đình đã sử dụng chảo lớn (đường kính khoảng 3m) để thu tín hiệu TV băng C (GHz) nhằm chuyển đổi mạng đến các mạng phân phối truyền hình như VHF, UHF và cáp truyền hình Các tòa nhà lớn cũng có thể áp dụng hệ thống này để cải thiện khả năng thu tín hiệu.
Hệ thống TV anten chủ (MATV) và hệ thống TV anten tập thể (CATV) cung cấp chương trình vệ tinh cho nhiều người dùng Các trạm mặt đất thu phát là các trạm đầu cuối cho mạng thông tin, có thể là trạm di động trên tàu, thương mại, quân sự và hàng không Những trạm này yêu cầu công suất phát lớn và anten lớn để truyền tín hiệu đến vệ tinh Phần phát bao gồm giao tiếp với hạ tầng thông tin mặt đất, chuyển đổi tín hiệu, ghép kênh, điều chế, nâng tần và kết hợp kênh vô tuyến Phần thu bao gồm anten thu, chia kênh, hạ tần, giải điều chế, phân kênh và giao tiếp với hạ tầng viễn thông mặt đất.
TRUYỀN TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH QUA VỆ TINH
Tín hiệu truyền hình có thể truyền qua vệ tinh bằng 2 phương pháp:
Tương tự, nhờ điều tần (FM)
Số, nhờ điều chế PSK (phase shift keng - dịch pha theo khóa)
Hệ thống số vượt trội hơn hệ thống tương tự khi tốc độ bit ≤ 50MB/s Theo quy định của WARC, độ rộng kênh vệ tinh cho tín hiệu truyền hình băng Ku (12GHz) là 27MHz, cho phép truyền tín hiệu số với tốc độ khoảng 36MB/s Để truyền tín hiệu truyền hình số, cần áp dụng phương pháp mã tiết kiệm Bằng cách sử dụng hai kênh đồng thời, tốc độ bit toàn bộ tín hiệu có thể được nâng gấp đôi.
Hệ thống truyền qua vệ tinh hoạt động chủ yếu trong dải tần centimet (cm) với tần số khoảng GHz, chẳng hạn như băng Ku, trong đó tín hiệu phát từ mặt đất lên vệ tinh ở tần số 14÷14,5 GHz và tín hiệu từ vệ tinh xuống mặt đất ở tần số 11,7÷12,5 GHz Việc biến đổi tín hiệu từ băng tần cơ bản lên băng tần kênh truyền (cao tần) thường được thực hiện thông qua nhiều lần điều chế Đầu tiên, tín hiệu video được điều chế bằng phương pháp PSK (mã tiết kiệm) sử dụng điều chế 2, 4 hoặc 8 trị, trong khi điều chế pha (phase modulation) dựa trên nguyên tắc biến đổi pha tải tần theo tín hiệu số.
Để máy thu nhận được hai tín hiệu phát song hành trên hai kênh vệ tinh, cần phải tái tạo pha ban đầu của tải tần Nếu không thực hiện được điều này, máy thu sẽ nhận thông tin không chính xác, đặc biệt là khi điều chế pha trực tiếp xảy ra Để khắc phục vấn đề không xác định được pha ban đầu trong tín hiệu thu, phương pháp DPCM (điều chế vi sai) được sử dụng, trong đó tín hiệu số được ánh xạ qua pha vi sai.
Pha tải tần không phụ thuộc vào pha ban đầu, yêu cầu xác định thời gian của một phần tử tín hiệu điều chế, tức là khoảng cách điều chế Phương pháp này có thể áp dụng trong truyền đồng bộ, nơi sự thay đổi pha xảy ra tại các thời điểm xác định Sự thay đổi pha, hay dịch pha, xuất hiện trong tín hiệu điều chế giữa đầu cuối của một phần tử tín hiệu và phần tử tiếp theo.
Hình 1.34 Sự thay đổi pha trong tín hiệu điều chế pha vi sai tải tần
Sự thay đổi pha có thể xảy ra ở nhiều giá trị tải tần khác nhau, dẫn đến sự xuất hiện các khoảng năng lượng giữa sườn trước và sườn sau của đặc tuyến điều chế, gây tăng độ méo tín hiệu Để giảm thiểu méo tín hiệu, cần đảm bảo sự đồng bộ giữa đặc tuyến điều chế và tải tần.
Khi truyền tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh, thường sử dụng điều chế pha 2, 4 và 8 trị, trong đó điều chế 4 trị là phổ biến nhất Để thực hiện điều chế pha 4 trị, cần xác định khả năng thay đổi pha 4 lần với d=π/2, mỗi lần thay đổi sẽ sắp xếp một đôi symbol nhị phân Tín hiệu điều chế số được chia thành đôi bit để thay đổi pha tải tần Thực tế, có thể sử dụng hai loại sắp xếp khác nhau (hai biến thể của mã điều chế), giúp hạn chế mất mát dữ liệu, vì nếu có sai pha do nhiễu, chỉ một bit sẽ bị ảnh hưởng.
Điều chế pha tải tần được thực hiện dựa trên hai phần tử số liệu với tốc độ nhỏ hơn tốc độ bit của tín hiệu Các đặc tuyến tín hiệu điều chế cho cả hai biến thể mã số được trình bày trong hình 1.35.
Trong trường hợp sử dụng mã biến thể B, tín hiệu điều chế có băng tần rộng hơn so với mã A Mã B cho phép đồng bộ tốt hơn nhờ sự thay đổi pha diễn ra ở mỗi đôi bit truyền Ngược lại, mã A có thể gặp vấn đề mất đồng bộ do sự lặp lại nhiều lần của đôi bit 00 Mặc dù sức chịu đựng nhiễu của cả hai loại A và B là tương đương, nhưng chúng vẫn thấp hơn so với điều chế pha 2 trị, vì khi pha vi sai giảm sẽ dẫn đến thay đổi pha do nhiễu nhỏ hơn.
Hình 1.36 a) Tín hiệu điều chế số b) Tín hiệu điều chế theo loại A c) Tín hiệu điều chế theo loại B
Có thể tạo tín hiệu bằng cách điều chế pha 2 và 8 trị Trong điều chế pha 2 trị, sự thay đổi pha (d=π) được sử dụng để phân biệt giữa các ký hiệu 0 và 1, trong khi điều chế pha 8 trị sử dụng 8 giá trị pha khác nhau (cách nhau d=π/4) cho mỗi 3 bit Điều chế pha cho tín hiệu video được thực hiện thông qua PSK Quá trình điều chế và giải điều chế diễn ra trong một mạch chung gọi là modem Các bộ điều chế có thể hoạt động trong mạch điều chế pha tương tự (với dịch pha 90 độ) hoặc thông qua chuyển mạch có dịch pha, sử dụng đặc tuyến tải tần và tổng các đặc tuyến.
Có 3 phương pháp giải điều chế các tín hiệu bằng PSK: (1) tự hiệp biến (autocorrelation), (2) hiệp biến (correlation) và (3) liên kết (coherent) - phương pháp tự hiệp biến xác định pha vi sai tín hiệu tải tần (giữa các pha sau với nhau) bằng các phần tử tín hiệu điều chế liên tiếp Phương pháp hiệp biến so sánh pha tín hiệu thu với pha của 2 tín hiệu (vuông góc với nhau) tải tần chuẩn (tạo từ bộ dao động địa phương) Phương pháp lên kết, còn gọi là tách sóng đồng bộ, so sánh pha tín hiệu thu với pha tín hiệu chuẩn (tạo từ máy thu) Phương pháp này có sức chịu đựng nhiễu trên đường truyền lớn nhất.
GÓC NGẨNG, GÓC PHƯƠNG VỊ VÀ GÓC PHÂN CỰC
Để xác định tọa độ vệ tinh từ vị trí anten tại mặt đất, cần ba thông số chính: góc ngẩng, góc phân cực và góc phương vị Thiết bị liên quan đến ba thông số này bao gồm anten parabol và phần thu sóng.
Góc ngẩng là góc tạo thành giữa tiếp tuyến tại diểm thu ở mặt đất và đường nối điểm thu đến vệ tinh Được mô tả như hình vẽ
Góc ngẩng tại xích đạo đạt 90 độ và giảm dần khi di chuyển về hai cực Trong một phạm vi hẹp, mặt đất nơi đặt anten có thể coi là đường tiếp tuyến Việc xác định góc ngẩng gặp nhiều khó khăn, do đó, chúng ta có thể tìm góc nghiêng để dễ dàng lắp đặt hơn.
Ta tính được góc ngẩng như sau:
e = 90 0 - góc nghiêng (i) Hay: e = 90 0 - [ góc lệch (d) + góc nghiêng (i)]
Hình 1.37 Góc ngẩng và góc nghiêng Đường ngang song song với mặt đất
Giá trị góc lệch và góc nghiêng được cho ở bảng sau :
Vĩ độ Góc nghiêng (i) Góc lệch (d)
Khi biết vĩ độ nơi thu ta có thể tìm ra góc ngẩng
Trong đó : Lat : Vĩ độ nơi thu
Lon : sai biệt kinh độ giữa nơi thu và vệ tinh
Các vệ tinh ở quỹ đạo địa tĩnh nằm trong mặt phẳng xích đạo và chỉ có thể được nhìn thấy từ một trạm thu mặt đất ở nửa phần quả đất, từ kinh tuyến 0° đến 180° Do sự che khuất của bề mặt trái đất, phạm vi quan sát thực tế chỉ còn khoảng ±70° về hướng Tây-Đông Góc phương vị là góc dẫn hướng cho anten quay để tìm vệ tinh, được xác định bởi đường thẳng hướng tới vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh.
Góc được tính theo chiều kim đồng hồ, theo công thức:
a = 180 0 + kinh độ Tây Hoặc a = 180 0 - kinh độ Đông Góc phương vị phụ thuộc vào kinh độ của điểm thu và kinh độ của vệ tinh
Khi đường trục tâm của chảo parabol hướng thẳng đến tâm búp sóng chính của anten phát (Downlink) của vệ tinh, chảo anten thu sẽ tiếp nhận hầu hết năng lượng từ chùm sóng chính trong mặt phẳng phân cực.
Khi ăng-ten thu không nằm đúng vị trí với chùm sóng chính của tín hiệu vệ tinh, hiệu suất thu năng lượng sẽ giảm và có thể gây ra méo dạng tín hiệu cũng như tăng tạp nhiễu Do đó, việc hiệu chỉnh góc phân cực bằng đầu dò phân cực ở đầu thu là rất cần thiết Ngoài ra, góc phân cực cũng thay đổi theo vĩ tuyến và kinh tuyến giữa tâm chùm sóng bức xạ và điểm thu, thường được tính sẵn dựa trên tọa độ địa lý.
Khi sử dụng cơ cấu đồng bộ để dò tìm tín hiệu từ các vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh, việc đặt góc không chính xác sẽ khiến anten không theo dõi đúng quỹ đạo Hệ quả là không thu được tín hiệu từ tất cả các vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh.
Sự phân cực sóng điện từ thể hiện hướng của vector điện trường trong không gian và phụ thuộc vào cách tín hiệu RF được phát ra từ anten Bộ phân cực, một phần quan trọng của hệ thống anten, đảm bảo rằng anten có khả năng phát và nhận tín hiệu hiệu quả.
Sóng phân cực tuyến tính có hướng của vector điện trường tạo thành một góc không đổi với trục đứng hoặc ngang khi lan truyền trong không gian Khi vector điện trường song song với chiều ngang, sóng được gọi là phân cực ngang; ngược lại, khi vector điện trường thẳng đứng, nó được xem là phân cực đứng Hình ảnh minh họa cho thấy rõ sự phân cực ngang và đứng của sóng khi đi vào mặt phẳng tờ giấy.
Hình 1.38 a) phân cực đứng b) phân cực ngang c) phân cực dạng elip
Vector điện trường của sóng phân cực tròn được vẽ trên các vòng tròn khi sóng lan truyền Nếu sóng phân cực theo chiều kim đồng hồ, đó là sóng phân cực tròn tay phải Ngược lại, nếu chiều quay ngược lại, sóng sẽ thuộc loại khác Sự biến dạng của sóng phân cực dạng ellip cũng được thể hiện khi chúng đi vào mặt phẳng của tờ giấy.
Sự méo dạng được đo bởi tỉ số dọc trục Ar được cho bởi
E Max và E Min là hai trục lớn và nhỏ của elip
Một thông số quan trọng của sóng là góc độ nghiêng của ellip so với trục tham chiếu Phân cực ellip được coi là một trường hợp tổng quát, trong đó phân cực thẳng đạt được khi A r tiến tới vô cùng và phân cực tròn khi A r bằng 1.
Anten phân cực đôi có khả năng ngăn cách sóng truyền trong phân cực trực giao, cho phép mỗi phân cực nhận một kênh riêng biệt Hệ thống tận dụng tính chất này của anten được gọi là hệ thống phân cực đôi.
