TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH
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 và đề xuất ý tưởng về tên lửa đẩy nhiều tầng cùng với tàu vũ trụ có người điều khiển nhằm mục đích 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 đƣợc 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 đưa vào sử dụng hệ thống truyền hình trực tiếp qua vệ tinh, mở ra kỷ nguyên mới cho việc phát sóng Năm 1987, thành công trong việc thử nghiệm vệ tinh phục vụ cho thông tin di động qua vệ tinh đã khẳng định tiềm năng to lớn của công nghệ này.
Từ năm 1999 đến nay, đã xuất hiện ý tưởng và phát triển các hệ thống thông tin di động cùng thông tin băng rộng toàn cầu qua vệ tinh Những hệ thống tiêu biểu như GLOBAL STAR, IRIDIUM, ICO, SKYBRIDGE và TELEDESIC đã được hình thành trong giai đoạn này.
Các vệ tinh quay quanh Trái Đất tuân theo các định luật tương tự như các hành tinh xung quanh Mặt Trời Qua quan sát kỹ lưỡng, con người đã hiểu được sự chuyển động của các hành tinh và Johannes Kepler (1571-1630) đã phát triển ba định luật mô tả chuyển động này dựa trên các quan sát thực nghiệm Các định luật của Kepler có thể áp dụng 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 chuyển động xung quanh Trái Đất theo quỹ đạo ellip, với Trái Đất nằm ở một trong hai tiêu điểm của ellip Điểm xa nhất trên quỹ đạo 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 vận tốc biến đổi, đảm bảo rằng đường nối giữa tâm Trái Đất và vệ tinh quét được các diện tích bằng nhau trong cùng 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 Ƣu điểm của thông tin vệ tinh
Trong thời đại hiện nay, thông tin vệ tinh đang ngày càng phát triển và trở nên phổ biến nhờ vào nhiều yếu tố khác nhau 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, thông tin vệ tinh mang lại nhiều ưu điểm nổi bật.
- Ổn định cao, chất lƣợng 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 vùng này kết nối trực tiếp với nhau thông qua vệ tinh thông tin.
Kỹ thuật đa truy nhập cho phép một vệ tinh chung phục vụ nhiều trạm mặt đất, tối ưu hóa hiệu quả sử dụng của vệ tinh Đây là phương pháp sử dụng một bộ phát đáp trên vệ tinh để kết nối với nhiều trạm, giúp nâng cao hiệu suất truyền thông và giảm chi phí.
1.1.3.2 Các quỹ đạo vệ tinh
Qũy đạo cực tròn mang lại lợi ích lớn khi mỗi điểm trên bề mặt trái đất đều có thể tiếp cận vệ tinh nhờ vào quỹ đạo nhất định Loại quỹ đạo này cho phép phủ sóng toàn cầu hiệu quả, vì vệ tinh sẽ lần lượt quét qua tất cả các vị trí trên mặt đất Thường được sử dụng cho các vệ tinh dự báo thời tiết, hàng hải, thăm dò tài nguyên và do thám, nhưng không phổ biến cho các mục đích truyền thông tin.
Quỹ đạo xích đạo tròn là dạng quỹ đạo mà vệ tinh di chuyển trên mặt phẳng đường xích đạo, thường được sử dụng cho vệ tinh địa tĩnh Khi vệ tinh bay ở độ cao phù hợp, quỹ đạo này trở thành lựa chọn lý tưởng cho các vệ tinh thông tin, giúp duy trì vị trí ổn định và 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)
Ba vệ tinh địa tĩnh được bố trí đều trên xích đạo 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 mở ra cơ hội xây dựng một mạng lưới thông tin toàn cầu.
Qũy đạo elip nghiêng cho phép vệ tinh tiếp cận những vùng mà vệ tinh địa tĩnh không thể tới, mang lại nhiều lợi ích trong việc mở rộng khả năng phủ sóng Tuy nhiên, loại qũy đạo này cũng gặp phải nhược điểm như hiệu ứng Doppler lớn và yêu cầu cao về khả năng 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
Các vệ tinh LEO mang lại lợi thế về thời gian truyền dữ liệu ngắn, giúp cải thiện hiệu quả và sức hấp dẫn của các mạng lưới toàn cầu cũng như các loại hình hội thoại vô tuyến truyền hình Tuy nhiên, để bao phủ toàn bộ bề mặt địa cầu, 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 người xem và giúp các trung tâm truyền hình quản lý thuê bao hiệu quả Để phát triển công nghệ này, các trung tâm cần cải thiện hệ thống, nâng cấp thiết bị kỹ thuật và lắp đặt đầu thu truyền hình số cùng với điều chế Hệ thống truyền hình số có cấu trúc tương tự như hệ thống 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 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 xử lý qua khối nén và mã hóa, chuyển đổi hoàn toàn thành tín hiệu số Tín hiệu này tiếp tục được điều chế thành một tín hiệu hoàn chỉnh, sau đó ghép kênh và phát qua sợi 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, cũng như khả năng truyền tải qua Internet.
Hệ thống HFC số hoạt động dựa trên công nghệ cáp quang lai ghép, kết hợp giữa cáp quang và cáp đồng trục để phân phối các dịch vụ băng rộng Các dịch vụ này bao gồm điện thoại, đa phương tiện tương tác, truy cập Internet tốc độ cao, video theo yêu cầu (VOD) và học từ xa Các loại dịch vụ băng rộng cung cấp cho thuê bao có thể thay đổi giữa các công ty cáp khác nhau.
Nhiều công ty truyền hình cáp lớn tại Châu Âu, Mỹ, Châu Mỹ La Tinh và Đông Nam Á đã áp dụng công nghệ HFC số Mạng HFC nổi bật với khả năng cung cấp dịch vụ thông tin hiện đại, đáp ứng tốt nhu cầu mở rộng và triển khai 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 và phát tín hiệu, nơi tín hiệu được thu nhận, xử lý và 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 tận dụng cơ sở hạ tầng sẵn có và 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 tại đây rất phong phú, 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 riêng biệt, thường được sử dụng thông qua các card rời gắn trên các zắc cắm.
- Các tín hiệu sau khi thu đƣợc sẽ đƣợc xử lí và truyền tín hiệu số trên một băng tần cơ sở (ASI)
- Yêu cầu đặc trƣng của tín hiệu là: linh động, đơn giản, năng lƣợng thấp và vận hành một cách độc lập
- Chất lƣợng 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 tín hiệu thu được, đồng thời 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 QBSK, với đầu ra là 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 đƣợc cải tiến nhƣ: SNR, mức ngỏ vào, BER, không sửa
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 đƣợc đƣợc đƣa qua bộ giải điều chế C-OFDM Đặc điểm:
- Hổ trợ FFT kích thước 2K và 8K
- Có thể chọn đƣợc băng thông 7 MHz hoặc 8MHz
- Đƣợc hỗ trợ băng tần UHF và VHF
- Hai ngõ ra ASI với tốc độ lên đến 31.7 Mbps
- Chế độ hiển thị đƣợc 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 qua bộ giải điều chế QAM (điều chế pha).
- 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 đƣợc chế tạo bởi ROSA
Tín hiệu sau khi thu đƣợc sẽ đƣợc đƣa qua khối PROCESSING để xử lý Gồm các khối: Decrambling, Routing, Remuxing, Processing, Scrambling
Các tín hiệu sau khi vào khối này sẽ đƣợc 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 khi cần thiết lập các kết nối điểm đến điểm hoặc đa điểm Một yếu tố quan trọng trong hệ thống này là khả năng dự phòng, hay còn gọi là Redundance switching, cho phép chuyển hướng tín hiệu khi đường truyền chính bị mất Phương pháp dự phòng này không chỉ đảm bảo tính liên tục trong việc truyền tải thông tin mà còn nâng cao độ tin cậy của hệ thống.
- 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
+ Chỉ cần 1 sai phạm nhỏ sẽ hoạt động sai
Xử lý PSI/SI xem nhƣ là 1 cách điều chỉnh của tín hiệu
PSI/SI rất phù hợp với đường TS (Transport Stream) và thường được thực hiện bởi khối Re-multiplexer Ngoài ra, PSI/SI đảm bảo thông tin không bị gián đoạn, vì mỗi luồng TS đều chứa thông tin về chương trình.
Chương trình Scrambling diễn ra khi có sự thiếu kết nối với điều kiện truy cập hệ thống Bộ xáo trộn này dựa trên tiêu chuẩn mở, cho phép nhiều thành phần CA trong hệ thống kết hợp với nhau giống như luồng TS.
Các thiết bị hoạt động kém tương tự như một bộ trộn đã được cài đặt sẵn, thiếu đĩa cứng và hệ thống thông gió, với chương trình xử lý được cài đặt để chạy trên 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 là hệ thống nén, giúp cung cấp chương trình video và audio chất lượng cao bằng cách tiết kiệm băng thông mạng Mục tiêu chính của nén là giảm thiểu yêu cầu lưu trữ và truyền dẫn thông tin, cho phép ghép nhiều tín hiệu chương trình truyền hình vào một dòng truyền Hệ thống nén bao gồm các bộ mã hóa số và bộ ghép kênh, trong đó các bộ mã hóa chuyển đổi tín hiệu tương tự sang dạng số, nén và xáo trộn thành một dòng dữ liệu số Nhờ mã hóa số, nhiều chương trình video/audio chất lượng cao có thể được truyền dẫn qua cùng độ rộng băng tần như một kênh sóng video/audio tương tự, ví dụ như 8MHz ở Việt Nam.
Tín hiệu video/audio đã được mã hóa và nén thành định dạng MPEG-2, chuẩn nén phổ biến tại Châu Âu và được áp dụng tại Việt Nam Bộ ghép kênh sẽ tiếp nhận dòng tín hiệu này, trong khi nhóm chuyên gia MPEG đã thiết lập các tiêu chuẩn nén và định dạng file, bao gồm hệ thống đồ họa video MPEG-2 Tiêu chuẩn MPEG-2 được công nhận và áp dụng tại 190 quốc gia Mặc dù có nhiều tiêu chuẩn nén khác nhau như MPEG-1, MPEG-3, MPEG-4, MPEG-5, MPEG-6, MPEG-7 và MPEG-J (JAVA), nhưng truyền hình số quảng bá chủ yếu sử dụng tiêu chuẩn MPEG-2.
Chuẩn nén MPEG-1 và MPEG-3 đã được hợp nhất trong tiêu chuẩn MPEG-2 Máy VCD sử dụng chuẩn nén MPEG-1, trong khi DVD sử dụng chuẩn nén MPEG-2 Điều này cho phép DVD có khả năng đọc cả đĩa VCD (MPEG-1) và đĩa DVD (MPEG-2).
1.2.2.3.1 Khái quát về kỹ thuật nén ảnh số
Với sự phát triển nhanh chóng của máy tính và Internet, nhu cầu tìm kiếm phương pháp nén ảnh để tiết kiệm không gian lưu trữ và tăng tốc độ truyền tải thông tin trên mạng ngày càng trở nên cấp thiết.
Trong những năm gần đây, nhiều phương pháp nén ảnh đã được nghiên cứu để giảm dung lượng kênh truyền và không gian lưu trữ, đồng thời giữ được tính trung thực của ảnh Mục tiêu là biểu diễn ảnh với tốc độ bit thấp nhất, đạt độ tin cậy cao Tốc độ bit cho ảnh đen trắng là 8 bit/pixel và cho ảnh màu là 24 bit/pixel Các kỹ thuật nén hiện đại có thể giảm dung lượng ảnh từ 30 đến 50 lần mà vẫn đảm bảo độ trung thực cao, được đánh giá qua 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
Một đặc điểm chung của tất cả các ảnh số là sự tương quan cao giữa các pixel liền kề, dẫn đến việc có nhiều thông tin dư thừa trong việc biểu diễn ảnh Thông tin dư thừa này gây khó khăn cho việc mã hóa hiệu quả Do đó, để nén ảnh, cần tìm kiếm các biểu diễn với mức tương quan thấp hơn nhằm giảm thiểu độ dư thừa thông tin Thực tế, có hai loại dư thừa thông tin được phân loại rõ ràng.
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 của mô hình này được thể hiện 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 ở chỗ nó 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 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 và gán 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 thành 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 ga 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), các tín hiệu băng tần gốc của người sử dụng là tín hiệu tương tự được kết hợp để tạo thành tín hiệu ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) Tín hiệu tương tự này được điều chế tần số (FM) cho một sóng mang, sóng mang sẽ truy nhập đến vệ tinh ở một tần số nhất định cùng với các tần số khác từ các trạm khác Để giảm thiểu điều chế giao thoa, số lượng sóng mang định tuyến lưu lượng được thực hiện theo nguyên lý.
“một sóng mang trên một trạm phát” Nhƣ 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 nhập phân chia theo tần số (TDM/PSK/FDMA) được sử dụng để kết hợp tín hiệu băng gốc số của người sử dụng thành tín hiệu ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) Tín hiệu này, sau khi được điều chế bằng phương pháp PSK, truy nhập vào vệ tinh ở tần số xác định cùng lúc với các sóng mang từ các trạm khác Để giảm thiểu sản phẩm 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 vào thời gian từ các trạm khác.
Cấu hình SCPC/FDMA (Single Channel per Carrier/ Frequency Division Multiple Access) cho phép mỗi tín hiệu băng gốc của người sử dụng điều chế trực tiếp một sóng mang số (PSK) hoặc tương tự (FM), tùy thuộc vào loại tín hiệu Mỗi sóng mang sẽ truy cập vệ tinh ở tần số riêng biệt, đồng thời với các sóng mang từ cùng một trạm hoặc từ các trạm khác ở các tần số khác nhau Do 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 phương pháp đa truy nhập cho phép nhiều trạm mặt đất chia sẻ một bộ phát đáp thông qua việc phân chia theo thời gian Trong hệ thống này, trục thời gian được chia thành các khung TDMA, mỗi khung lại được chia thành các khe thời gian dành riêng cho từng trạm mặt đất Tất cả các trạm sử dụng một sóng mang với tần số trung tâm f0 và chỉ phát hoặc thu tín hiệu trong các khe thời gian đã được chỉ định, đảm bảo rằng trong một khoảng thời gian nhất định, chỉ có tín hiệu từ một trạm mặt đất sử dụng toàn bộ băng tần của bộ phát đáp vệ tinh.
Hình 1.28 Đa truy nhập phân chia theo thời gian
Trong trường hợp có tín hiệu từ hai hoặc nhiều trạm mặt đất cùng 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 và yêu cầu các sóng mang từ trạm mặt đất được điều khiển chính xác trong các khe thời gian phân phối Để đảm bảo tín hiệu không chồng lấn, cần có tín hiệu chuẩn từ một trạm chuẩn, và các trạm khác sẽ truyền tín hiệu ngay sau đó 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 Ưu điểm của TDMA là tối ưu hóa công suất vệ tinh và linh hoạt trong việc thay đổi dung lượng truyền tải, đặc biệt 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 cần được xem xét.
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 phát đi từ trạm lưu lượng được gọi là cụm lưu lượng Trạm chuẩn phát một cụm đặc biệt theo chu kỳ, gọi là cụm chuẩn, cung cấp thời gian và chu kỳ đúng bằng một khung TDMA Mỗi trạm lưu lượng phát các cụm lưu lượng trong các khe thời gian đã được ấn định ở vệ tinh, sử dụng cụm chuẩn làm chuẩn định thời để tránh chồng lấn trong mỗi khung TDMA Nếu không có sự đồng bộ, các cụm có thể trượt khỏi khe thời gian, dẫn đến mất mát thông tin do chồng lấn Hiện tượng thuỷ triều làm biến thiên độ cao của vệ tinh khoảng 85Km, gây ra độ trễ khoảng 500s và sự thay đổi tần số tín hiệu, được biết đến như 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 tƣợng có thể :
Đƣợc phép hoạt động đồng thời
Hoạt động tại tần số nhƣ nhau
Hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã CDMA cho phép sử dụng toàn bộ băng tần một cách hiệu quả mà không gây nhiễu cho thông tin của các đối tượng khác Phương pháp này cho phép các trạm mặt đất phát tín hiệu liên tục và đồng thời, tối ưu hóa việc sử dụng băng tần của kênh.
Trong công nghệ CDMA, mỗi sóng mang được điều chế bằng một mã đặc biệt dành riêng cho từng trạm mặt đất Điều này cho phép trạm mặt đất thu tín hiệu cần thiết và phân tách nó khỏi các tín hiệu khác nhờ vào mã đặc biệt đó Tập hợp các mã sử dụng cần phải đảm bảo các thuộc tính tương quan nhất định.
Mỗi mã phải có thể đƣợc phân biệt một cách dễ dàng với bản sao của chính nó bị dịch chuyển theo thời gian
Mỗi mã phải có thể đƣợc phân biệt một cách dễ dàng bất chấp các mã khác đƣợc 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 Điều này giải thích tại sao phương pháp này được gọi là truyền dẫn trải phổ.
Hoạt động của hệ thống rất đơn giản, không yêu cầu sự đồng bộ truyền dẫn giữa các trạm Sự đồng bộ duy nhất cần thiết 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 lại can nhiễu giữa các hệ thống và nhiễu do hiện tượng đa đường truyền Điều này cũng đồng thời 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, và ở Mỹ, băng tần đường xuống nằm trong khoảng từ 12,2 đến 12,7 GHz.
Hiện nay, nhiều gia đình sử dụng chảo thu tín hiệu TV lớn (đường kính khoảng 3m) để nhận tín hiệu đường xuống trong băng C (GHz), mặc dù các tín hiệu này chủ yếu dành cho mạng phân phối truyền hình chứ không phải cho hộ gia đình Mặc dù việc thu tín hiệu TV có vẻ khả thi, nhưng nhiều yếu tố kỹ thuật, thương mại và pháp luật vẫn 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, với các 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, mặc dù cấu trúc này có thể thay đổi ở các hệ thống khác nhau Sơ đồ này cung cấp những khái niệm cơ bản về máy thu TV tương tự (FM) Hiện nay, TV số trực tiếp đến gia đình đang dần thay thế các hệ thống tương tự, tuy nhiên các khối ngoài trời vẫn giữ nguyên thiết kế cho cả hai hệ thống.
Khối thiết bị 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 kết hợp với loa thu đặt tại tiêu điểm Trong thiết kế thông thường, tiêu điểm nằm ngay trước bộ phản xạ; tuy nhiên, để giảm thiểu nhiễu, bộ tiếp sóng có thể được đặt lệch như minh họa trong hình vẽ.
Kinh nghiệm cho thấy rằng chất lượng thu sóng có thể đảm bảo với các bộ phản xạ có đường kính từ 0,6 đến 1,6m, trong đó kích thước thông thường là 0,9m và 1,2m Đối với băng C (4GHz), đường kính bộ phản xạ thường là 3m, trong khi ở 12GHz chỉ cần chảo 1m Mặc dù tỷ số D/λ@ của cả hai trường hợp giống nhau, nhưng suy hao truyền sóng ở 12GHz cao hơn nhiều so với 4GHz Tuy nhiên, anten thu không cần có khuếch đại cao hơn do 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 phát sóng 32 kênh TV, mỗi kênh rộng 24 MHz Mặc dù các kênh lân cận có thể chồng lấn, nhưng việc phân cực LHC và RHC đan xen giúp giảm thiểu nhiễu Phân bố tần số này được gọi là đan xen phân cực Loa thu có thể được trang bị bộ lọc phân cực, cho phép chuyển đổi giữa các phân cực theo yêu cầu dưới sự điều khiển của khối trong nhà.
LNB (Low Noise Block) là khối kết hợp giữa biến đổi tạp âm nhỏ (LNC) và khuếch đại tạp âm nhỏ (LNA), có chức năng khuếch đại tín hiệu băng 12 GHz và chuyển đổi nó về dải tần số thấp hơn, giúp dễ dàng sử dụng cáp đồng trục giá rẻ để kết nối với khối trong nhà Dải tần tín hiệu sau hạ tần nằm trong khoảng 950-1450 MHz Để truyền công suất một chiều cho khối ngoài trời, cáp đồng trục hoặc cáp đôi dây được sử dụng, cùng với các dây điều khiển để chuyển mạch phân cực.
Khuếch đại tạp âm nhỏ nên được 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 này không được lắp 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 sự 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 do 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 cũng có thể sử dụng các tần số khác trong dải VHF Bộ khuếch đại 70 MHz sẽ khuếch đại tín hiệu đủ mức cho việc 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) theo dạng đơn biên có nén (VSSB: Vestigal Single Sideband) Do đó, cần giải điều chế sóng mang 70 MHz và tái điều chế AM để tạo ra tín hiệu VSSB trước khi chuyển tiếp cho các kênh VHF/UHF của máy TV tiêu chuẩn.
Máy thu DBS không chỉ đơn thuần là thiết bị thu 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 cung cấp trực tiếp cho các đầu vào V/A của máy thu hình Để giảm thiểu nhiễu, sóng mang vệ tinh còn được bổ sung một dạng sóng phân tán năng lượng, và nhiệm vụ của máy thu DBS là loại bỏ tín hiệu này Ngoài ra, các đầu cuối có thể được trang bị bộ lọc IF để giảm nhiễu từ mạng TV mặt đất và có thể cần sử dụng bộ giải mã để thu một số chương trình nhất định.
1.2.4.4 Hệ thống TV anten chủ
Hệ thống anten TV chủ (MATV) cung cấp dịch vụ thu kênh DBS/TV cho nhiều người dùng, như cư dân trong các tòa nhà Hệ thống bao gồm một anten ngoài trời kết hợp với LNA/C, truyền tín hiệu đến nhiều bộ thu trong nhà, cho phép người dùng truy cập độc lập vào tất cả các kênh Một trong những lợi ích của MATV là chỉ cần một anten ngoài trời, tuy nhiên, mỗi phân cực cần có LNA/C và cáp riêng Để đảm bảo chất lượng tín hiệu tốt cho tất cả các bộ thu, hệ thống này yêu cầu sử dụng anten 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 và 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 máy thu trong nhà, thay vì phải sử dụng một máy thu riêng cho từng người Tất cả các sóng mang được giải điều chế qua một hệ thống lọc - thu chung, như minh họa trong hình 1.31.
Tất cả các kênh được kết hợp thành một tín hiệu ghép chung và truyền dẫn qua cáp đến các thuê bao Đối với các khu vực xa, tín hiệu có thể được phát lại bằng một đài phát TV với anten đường kính 8m để thu tín hiệu vệ tinh băng C Ngoài ra, chương trình thu từ vệ tinh cũng có thể được phân phối qua hệ thống CATV.
CẤU HÌNH CỦA TRẠM MẶT ĐẤT
Bộ biến đổi năng lƣợng 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 thảo luận về các trạm thu tín hiệu TV, nhưng để hoàn thiện đường truyền, cần có trạm phát Trạm phát có thể được sử dụng để chuyển tiếp tín hiệu đến các trạm thu TV ở xa Các trạm phát thu đảm bảo cả hai chức năng và thường phục vụ cho viễn thông với lưu lượng bao gồm cả mạng TV Hình 1.32 mô tả các phần tử cơ bản của một trạm mặt đất, trong đó có các khối dự phòng Các khối này được nhân đôi để đảm bảo tính sẵn sàng; khi một khối gặp sự cố, hệ thống sẽ tự động chuyển mạch sang khối dự phòng Các khối dự phòng được thể hiện trong hình 1.31 dưới dạng đường ngắt quãng.
Sơ đồ khối chi tiết của trạm phát thu mặt đất đƣợc 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 đƣợc 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 Để minh họa, chúng ta xem xét lưu lượng điện thoại, bao gồm nhiều kênh điện thoại ghép theo tần số hoặc thời gian Việc ghép kênh này có thể khác với ghép kênh cho truyền dẫn vệ tinh, do đó cần có thiết bị ghép kênh để lập khuôn dạng lại lưu lượng Sau đó, luồng ghép được điều chế ở trung tần 70 MHz, với nhiều tầng trung tần song song cho từng sóng mang Cuối cùng, sau khi khuếch đại tín hiệu IF 70 MHz, tín hiệu 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, như sóng mang 6GHz và 14GHz Mỗi sóng mang có khả năng phục vụ nhiều điểm nhận, cho phép chúng chuyển tải lưu lượng đến các trạm khác nhau, ví dụ như một sóng mang vi ba có thể phục vụ cả Boston và New York Tại hai điểm nhận, sóng mang được thu và lọc bởi các bộ lọc tại trạm mặt đất.
Sau khi đi 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 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, tối ưu hóa hiệu suất truyền thông.
Anten trạm làm việc ở chế độ phát thu đồng thời với các tần số khác nhau: trong băng C, tần số phát là 6GHz và tần số thu là 4GHz; còn trong băng Ku, tần số phát là 14GHz và tần số thu là 12GHz Các anten khuếch đại cao sử dụng cho cả hai đường có búp sóng hẹp, giúp ngăn chặn nhiễu giữa các đường vệ tinh lân cận Đặc biệt, trong băng C, cần tránh nhiễu từ các tuyến vi ba mặt đất, trong khi các tuyến vi ba mặt đất không hoạt động ở tần số băng Ku.
Trong nhánh thu, tín hiệu được khuếch đại qua 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 xuống băng IF và tiếp tục được chuyển đến khối ghép kênh để chỉnh sửa 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 khác nhau Luồng ghép đầu ra không nhất thiết phải mang các kênh điện thoại từ phía phát Có nhiều loại trạm mặt đất 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, được gọi là chế độ SCPC (Single Carrier per Channel) Ngoài ra, còn có chế độ đa truy nhập, sẽ được phân tích chi tiết trong chương về các hệ thống thông tin vệ tinh FDMA và TDMA Kích thước anten dao động từ 3,6 m (11,8 ft) cho các trạm di động đến 30 m (98,4 ft) cho 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 tần 36 MHz có khả năng truyền tải 960 kênh thoại hoặc một kênh TV kết hợp với âm thanh Do đó, kênh phát đáp cho tuyến lưu lượng lớn mang tín hiệu băng rộng.
Hệ thống TV sử dụng anten có đường kính tối thiểu 30 m (98,4 ft) cho các trạm mặt đất tiêu chuẩn A của INTELSAT, với trọng lượng lên đến 250 tấn, yêu cầu nền đỡ vững chắc Các anten lớn này tạo ra búp sóng hẹp, do đó cần tránh xê dịch để duy trì hướng chính xác Trong khu vực có băng tuyết, cần trang bị lò sưởi bên trong Mặc dù dành cho vệ tinh địa tĩnh, hiện tượng trôi vệ tinh vẫn có thể xảy ra, yêu cầu điều chỉnh chính xác theo phương vị và góc ngẩng bằng máy tính để tối ưu hóa tín hiệu Việc đảm bảo nguồn điện liên tục là rất quan trọng, đặc biệt với các trạm lớn, cần sử dụng nguồn dự phòng từ điện lưới, acquy hoặc máy phát điện để thay thế ngay khi xảy ra sự cố.
Trạm mặt đất vệ tinh bao gồm hai phần chính: phần phát và phần thu Máy thu truyền hình vệ tinh TVRO là loại trạm mặt đất đơn giản nhất, chỉ có chức năng thu tín hiệu Theo quy định, các máy thu gia đình chủ yếu hoạt động trên băng Ku Tuy nhiên, hiện nay nhiều gia đình đã sử dụng các chảo lớn (đường kính khoảng 3m) để thu tín hiệu TV trong băng C (GHz), nhằm chuyển đổi mạng đến các hệ thống 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 sử dụng Trạm mặt đất trong các hệ thống này thường là các trạm đầu cuối cho mạng thông tin, có thể là trạm di động trên tàu bè, thương mại, quân sự hoặc hàng không Những trạm này rất phức tạp, yêu cầu công suất phát lớn và anten lớn để kết nối với 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 anten phát Ngược lại, 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 Việc sử dụng hai kênh đồng thời để truyền các thành phần tín hiệu hình có thể nâng tốc độ bit toàn bộ tia tín hiệu gấp đôi.
Các hệ thống truyền qua vệ tinh hoạt động chủ yếu ở dải tần centimet (cm) với tần số GHz, chẳng hạn như băng Ku, trong đó phát từ mặt đất lên vệ tinh ở tần số 14÷14,5 GHz và phát từ vệ tinh xuống mặt đất ở tần số 11,7÷12,5 GHz Quá trình biến đổi tín hiệu từ băng tần cơ bản sang 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 các kỹ thuật điều chế 2, 4 hoặc 8 trị, trong đó 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 tái tạo pha ban đầu của tải tần; nếu không, thông tin sẽ bị sai lệch Hiện tượng này thường xảy ra khi điều chế pha trực tiếp, dẫn đến việc không xác định được pha ban đầu trong tín hiệu thu Để khắc phục vấn đề này, 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 diễn ra đúng vào những thời điểm nhất định Sự thay đổi pha, hay còn gọi là dịch pha, xuất hiện trong tín hiệu điều chế giữa đầu cuối của một phần tử tín hiệu và bắt đầu của 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 tại nhiều giá trị tải tần khác nhau, dẫn đến các khoảng năng lượng giữa sườn trước và sườn sau của đặc tuyến điều chế, gây ra 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, điều chế pha 4 trị thường được sử dụng, yêu cầu xác định khả năng thay đổi pha 4 lần với d=π/2 Mỗi lần thay đổi pha tương ứng với một đôi symbol nhị phân, giúp tín hiệu điều chế số được chia thành đôi bit để thay đổi pha tải tần Trong thực tế, có thể áp dụng hai loại sắp xếp khác nhau cho mã điều chế, và nếu xảy ra sai pha do nhiễu, chỉ một bit sẽ bị ảnh hưởng.
Điều chế pha tải 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 (dành cho tín hiệu số) được trình bày trong hình 1.35.
Trong trường hợp sử dụng mã biến thể B, tín hiệu điều chế có băng thông rộng hơn so với biến thể A Mã B thể hiện đặc tính đồng bộ tốt hơn nhờ sự thay đổi pha diễn ra ở mỗi cặp bit truyền Ngược lại, trong trường hợp A, sự lặp lại nhiều lần của cặp bit 00 có thể dẫn đến mất đồng bộ giữa máy phát và máy thu Mặc dù sức chịu đựng nhiễu của cả hai loại A và B là tương đương, nhưng vẫn thấp hơn so với trường hợp điều chế pha 2 trị, do sự giảm thiểu pha vi sai (tải tin) có thể làm thay đổi pha do nhiễu có trị số 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
Tín hiệu có thể được tạo ra thông qua 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 symbol 0 và 1, trong khi điều chế pha 8 trị sử dụng 8 pha khác nhau (cách nhau d=π/4) cho mỗi 3 bit Điều chế pha cho tín hiệu video cao tần thường được thực hiện bằng 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, cũng như thông qua chuyển mạch có dịch pha.
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 quan trọng: 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 Đƣợc mô tả nhƣ hình vẽ
Góc ngẩng tại xích đạo lớn nhất là 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 rất khó khăn, vì vậy, ta có thể tìm góc nghiêng để lắp đặt dễ dàng hơn.
Ta tính đƣợc góc ngẩng nhƣ 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 đƣợc 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 trên quỹ đạo địa tĩnh nằm trong mặt phẳng xích đạo, cho phép các trạm thu ở mặt đất chỉ nhìn thấy vệ tinh trong nửa quả đất, từ kinh tuyến 0° đến 180° Tuy nhiên, 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 theo đường thẳng hướng tới vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh từ Đông sang Tây.
Góc đƣợc tính theo chiều kim đồng hồ, theo công thức:
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 về tâm búp sóng chính của anten phát (Downlink) vệ tinh, mặt chảo anten sẽ thu nhận hầu hết năng lượng từ chùm sóng chính trong mặt phẳng phân cực.
Nếu anten 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 tín hiệu cũng như tăng tạp nhiễu Do đó, cần điều chỉnh góc phân cực bằng đầu dò phân cực ở đầu thu Góc phân cực thay đổi tùy theo vĩ tuyến và kinh tuyến giữa tâm chùm sóng và điểm thu, và thường được tính sẵn dựa trên tọa độ địa lý.
Khi sử dụng cơ cấu đồng bộ để dò tín hiệu vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh, việc thiết lập các góc chính xác là rất quan trọng Nếu các góc không được điều chỉnh đúng, anten sẽ không theo dõi quỹ đạo địa tĩnh một cách hiệu quả, dẫn đến việc không thu nhận được tín hiệu từ tất cả các vệ tinh.
Sự phân cực sóng điện từ là quá trình xác định hướng của vector điện trường trong không gian, được quyết định bởi cách tín hiệu RF được bức xạ từ anten Bộ phân cực, một phần quan trọng của hệ thống anten, thực hiện chức năng này Anten chỉ có khả năng phát và nhận tín hiệu khi được phân cực đúng cách.
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, nếu vector điện trường thẳng đứng, sóng sẽ là phân cực đứng Hình ảnh minh họa cho thấy sự phân cực ngang và phân cực 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 tạo thành các vòng tròn khi sóng lan truyền Nếu sóng được phân cực theo kiểu tay phải, chiều quay của nó sẽ theo chiều kim đồng hồ, ngược lại với sóng phân cực tay trái Đồng thời, sóng phân cực dạng ellip sẽ bị méo dạng khi đi vào mặt phẳng tờ giấy.
Sự méo dạng đƣợc đo bởi tỉ số dọc trục Ar đƣợc cho bởi
E Max và E Min là hai trục lớn và nhỏ của elip
Một thông số quan trọng của sóng là góc nghiêng của ellip so với trục tham chiếu Phân cực ellip được coi là một trường hợp tổng quát, trong đó phân cực thẳng xảy ra khi A r tiến đến 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.
