Hướng dẫn liên kết mạng IP thông qua hệ thống vệ tinh phần 4 pps

!!K Đồ án tốt nghiệp Liên kết mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK!


GVHD:Võ Trường Sơn
46


SVTH: Vũ Văn Trực
Khi góc nghiêng i bằng 63,435
0
; thành phần trong ngoặc bằng khơng và sẽ
khơng xảy ra quay. Góc nghiêng này được lựa chọn cho quỹ đạo vệ tinh Molnya của
Nga.
Nếu ta ký hiệu thời gian kỷ ngun là t
0
, góc lên đúng của nút lên là
Ω
0
và
agumen cận điểm là ω
0
tại kỷ ngun, ta được các giá trị mới cho Ω và ω tại t như
sau:
)(
00
tt
dt
d
−
Ω
Ω=Ω

)(
00
tt
dt
d
−Ω=
ω
ω

Cần nhớ rằng quỹ đạo khơng phải là một thực thể vật lý và chính các lực do
quả đất dẹt gây ra tác dụng lên vệ tinh làm thay đổi các thơng số quỹ đạo. Vậy
khác với việc bay theo một quỹ đạo elip khép kín trong một mặt phẳng cố định, vệ
tinh bị trơi do dịch lùi các điểm nút và vĩ độ của điểm gần nhất (cận điểm) thay đổi
do sự
quay của đường các điểm cực. Hiểu được điều này cho phép ta nhìn nhận vệ
tinh bay theo một quỹ đạo elip khép kín nhưng với quỹ đạo chuyển động tương đối
so với mặt đất do sự thay đổi của
Ω
và ω. Như đã nói ở trên, chu kỳ P
A
là thời
gian cần thiết để vệ tinh bay từ cận điểm đến cận điểm mặc dù cận điểm đã dịch
chuyển so với quả đất.
Để làm thí dụ, giả thiết rằng góc nghiêng bằng 90
0
sao cho dịch lùi các nút bằng
khơng (từ phương trình b) và tốc độ quay của đường các điểm cực là -K/2 (từ phương
trình c) ngồi ra xét trường hợp cận điểm tại thời điểm quan trắc ban đầu nằm ngay
trên nút lên. Một chu kỳ sau, cận điểm sẽ ở góc -KP
A

/2 so với nút lên hay nói một
cách khác nó sẽ ở phía Nam so với xích đạo. Thời gian giữa hai lần đi qua nút lên sẽ
là P
A
(1+K/2n), đây sẽ là chu kỳ được quan sát từ trái đất. Nhắc lại rằng K sẽ có cùng
đơn vị như n, nghĩa là radian trên giây.
Ngồi việc phình ra của xích đạo, trong mặt phẳng xích đạo trái đất khơng
hồn tồn là hình tròn, nó có một độ lệch tâm rất nhỏ bậc 10
-5
. Độ lệch này được
gọi là tính elip xích đạo (equatorial ellipcity). Ảnh hưởng của tính elip xích đạo là
nó sẽ tạo ra một gradien hấp dẫn gây ảnh hưởng đáng kể lên các vệ tinh trên quỹ
đạo địa tĩnh. Nói một các ngắn gọn, lý tưởng vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh phải cố
định so với trái đất. Gradien hấp dẫn gây ra do tính elip xích đạo sẽ làm cho các vệ
tinh trên quỹ đạo địa tĩnh trơi đến một đ
iểm ổn định, điểm này trùng với trục phụ
của elip xích đạo. Hai điểm này phân cách nhau bởi một góc 180
0
trên xích đạo nằm
vào khoảng kinh độ 75
0
E và 105
0
W. Để tránh cho các vệ tinh đang phục vụ bị trơi
các thao tác giữ trạm được thực hiện (Station Keeping Maneuvers). Vì các vệ tinh
cũ dần dần bị trơi vào các điểm này nên chúng được gọi là "nghĩa trang vệ tinh".
Lưu ý rằng ảnh hưởng tính elip xích đạo là khơng đáng kể đối với hầu hết các
quỹ đạo vệ tinh khác.
• Sự kéo khí quyển
!!K Đồ án tốt nghiệp Liên kết mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK!

GVHD:Võ Trường Sơn
47


SVTH: Vũ Văn Trực
Đối với các vệ tinh nằm gần trái đất thì ảnh hưởng của sự kéo khí quyển
(Atmospheric Drag) là đáng kể . Do lực kéo lớn nhất tại cận điểm và sự kéo này làm
giảm tốc độ của vệ tinh tại điểm này nên vệ tinh khơng đạt đến cùng độ cao viễn
điểm ở các vùng tiếp theo. Kết quả là bán trục chính và độ lệch tâm giảm. Sự kéo hầu
như khơng thay đổi các thơng số khác c
ủa quỹ đạo bao gồm cả độ cao cận điểm.
Biểu thức gần đúng để xác định sự thay đổi bán trục chính như sau:
a=a
0
3
2
)0
0
'
0
0
(
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢

⎣
⎡
−+ ttnn
n

Độ dị thường trung bình cũng thay đổi biểu thức gần đúng xác định sự thay đổi
này như sau :
2
0
'
0
)(
2
tt
n
−=
δ

Số vệ tinh: 25338
Năm kỷ ngun (hai chữ số cuối cùng của năm): 00
Ngày kỷ ngun (ngày và ngày phân đoạn của năm): 223,79688452
Đạo hàm thời gian bậc nhất của chuyển động trung bình(vòng quay trun
g
bình/ngày
2
): 0,000000307
Góc nghiêng (độ): 98,6328
Góc lên đúng của nút lên (độ): 251,5324
Độ lệch tâm: 0,0011501
Agumen cận điểm (độ) : 113,5534

Độ dị thường trung bình (độ): 246,6853
Chuyển động trung bình (vòng/ngày): 14,23304826
Số vòng quay tại kỷ ngun (vòng quay/ngày): 11663

Từ bảng trên ta thấy đạo hàm theo thời gian bậc nhất của chuyển động trung
bình (n
0
') là một số rất nhỏ bằng 0,00000307 vòng/ngày. Như vậy sự thay đổi gây
ra do sự kéo chỉ đáng kể đối với khoảng thời gian dài và vì thế đối với mục đích hiện
thời ta có thể bỏ qua nó.
• Ảnh hưởng của mặt trăng và mặt trời
Lực hấp dẫn chính là ảnh hưởng lớn nhất của mặt trăng và mặt trời lên vệ tinh
trái đất bên c
ạnh những chức năng của chính nó.
• Áp suất bức xạ mặt trời
Áp suất bức xạ mặt trời chính là ngun nhân gây ra những sự chạm giữa vệ
tinh và những phơtơn bức xạ từ Mặt trời, mà chúng hút được hay phản xạ.
!!K Đồ án tốt nghiệp Liên kết mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK!


GVHD:Võ Trường Sơn
48


SVTH: Vũ Văn Trực
3.3.5. Độ cao của quỹ đạo và vùng bao phủ
Độ cao của vệ tinh càng cao thì vùng bao phủ càng lớn đồng nghĩa với việc đó
thì khoảng cách càng xa thì đòi hỏi cơng suất truyền càng lớn Hình 3.9 sẽ minh hoạ
mối liên hệ đơn giản này:

Hình 3.9 Mối liên hệ giữa độ cao và vùng bao phủ

Từ đây ta có thể thấy được vệ tinh GEO có độ cao cao nhất nên có vùng bao
phủ rộng nhất, vệ tinh LEO có độ cao thấp nhất nên có vùng bao là nhỏ nhất và vệ
tinh MEO nằm ở giữa. Vệ tinh GEO có vùng bao phủ là cố định và liên tục, nhưng vệ
tinh LEO và MEO sẽ dần dần di chuyển ra xa khỏi vùng bao phủ. Điều này đã chứng
minh rằng vệ tinh LEO và MEO thuận lợ
i trong việc cung cấp cho thiết bị đầu cuối
nhỏ và thấp của hệ thống vệ tinh nhưng điều này cũng làm xuất hiện chi phí cao trong
việc phát triển và vận hành.
Tuy nhiên những nghiên cứu và phát triển của những chòm vệ tinh trong năm
gần đây đã đạt được tiến bộ vượt bậc trong khía cạnh kỹ thuật, kinh tế . Sẽ phải mất
một thời gian để có thể
khai thác đầy đủ lợi ích của chòm sao bằng việc giảm giá
thành của hệ thống để tăng thêm doanh thu từ các dịch vụ và ứng dụng mới.
Nối mạng vệ tinh sẽ cung cấp vùng phủ sóng cho trái đất, đặc biệt là những
vùng bên ngồi phạm vi phủ sóng của mạng mặt đất. Bởi vậy, trong mục này chúng
ta cần phải lấy quan điểm trái đất là trung tâm để xem xét mối quan hệ giữa nối m
ạng
vệ tinh và trái đất
3.3.6. Độ lợi của anten và độ rộng của chùm tia
Trong thơng tin vơ tuyến, anten là một phần rất quan trọng của liên kết truyền
dẫn. Nó giúp tập trung năng lượng bức xạ về phía anten thu, nhưng thiết bị thu nhận
chỉ nhận được một phần cơng suất. Hầu hết cơng suất trải đều lên trên một vùng rộng.
!!K Đồ án tốt nghiệp Liên kết mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK!


GVHD:Võ Trường Sơn
49

SVTH: Vũ Văn Trực
Hình 3.10 minh họa một đồ thị bức xạ anten tiêu biểu được xác định bởi kích thước
của anten và tần số truyền được dùng.
Độ tăng ích cực đại của anten được biểu thị như sau:
G=
A
η
λ
π
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
2
4

Trong đó
f
c
=
λ
và vận tốc của ánh sáng là 3.10
8
m/s và f là tần số sóng điện từ ,
diện tích anten là A=
2
D

π
với D là đường kính
Theo phương của
q
θ
,giá trị của độ lợi là: (tương đối đối với anten đẳng hướng)
)(12)(
3max, dBdBi
i
GdBG
θ
θ
θ
−
−
=

Độ rộng chùm tia của đồ thị bức xạ là:
fD
c
D
dB
7070
3
==
λ
θ


Hình 3.10 Đồ thị đẳng hướng của anten

3.3.7. Tính tốn vùng bao phủ
Độ cao của vệ tinh xác định vùng bao phủ của anten trái đất và khoảng cách
của trạm mặt đất từ mép vùng bao phủ đến vệ tinh:
!!K Đồ án tốt nghiệp Liên kết mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK!


GVHD:Võ Trường Sơn
50


SVTH: Vũ Văn Trực
θ
E
R
E
R
α
β
β

Hình 3.11 Mối quan hệ giữa góc ngẩng và độ cao
Trong hình 3.11 OPS là tam giác vng góc, ta có thể tính tốn như sau:
α
sin)(
EEp
RhS
+
=
(a)
α

cos)(
EEp
RhO
+
=

β
tan
pp
SA
=
(b)
Như vậy ta cũng có A
p
=ASsin
β
với phương trình (a) và (b) ta có được:
β
α
β
β
cos
sin
)(
sin
tan
EEp
RhSAS +==
Đối với trường hợp đặc biệt khi
0

=
β
,AS=(h
E
+ R
E
)sin
α
ta cũng có thể tính
cos
EE
E
Rh
R
+
=
α
sau đó tính
2
2
1
)cos1(sin
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛

+
−
=−=
EE
E
Rh
R
aa
vì vậy
(AS)
2
= (h
E
+R
E
)
2
- R
E
2
(c)
Ta có thể tính trực tiếp ,OAS trở thành tam giác vng khi
0=
β

(AS)
2
+ R
E
2

= (h
E
+ R
E
)
2

Từ cơng thức này đưa đến kết quả giống như cơng thức (c).
Vùng bao phủ cực đại có thể tính như sau:
Vùng bao phủ = 2
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
−
=
EE
E
EE
Rh
R
RHR
1
2
2

ππ

3.3.8. Khoảng cách và độ trễ lan truyền từ trạm mặt đất đến vệ tinh
Hai góc được dùng để định vị vệ tinh từ bất kỳ điểm nào trên bề mặt của trái
đất.
!!K Đồ án tốt nghiệp Liên kết mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK!


GVHD:Võ Trường Sơn
51


SVTH: Vũ Văn Trực
─ Góc ngẩng (
β
): Góc ngẩng là góc giữa 1 điểm được xem xét là ở vơ
cùng và vệ tinh, được đo trong mặt phẳng chứa điểm được xét là vệ tinh
và trung tâm của trái đất.
─ Góc phương vị(
α
):Góc phương vị là góc được đo trong mặt phẳng
ngang được xác định là góc giữa hướng bắc địa lý và giao của mặt
phẳng chứa điểm được xem xét, vệ tinh và trung tâm của trái đất
E
R
P
B
O
L
R

T
h
A
θ
l
ξ
ϕ
N
sattelite

Hình 3.12 Khoảng cách giữa trạm mặt đất và vệ tinh
Khoảng cách từ trung tâm trái đất tới vệ tinh là : r = h + R
E

Khoảng cách giữa trung tâm trái đất và vệ tinh có thể tính như sau:
θ
cos2
2
2
2
rRrRR
EE
−+=

θ
θ
β
sin
cos
tan

r
R
E
−
=

θ
ϕ
α
sin
cossin
sin
L
=

với
llL sinsincoscoscoscos
ϕ
ϕ
θ
== cho GEO ta có 0
=
ϕ
thì cos 1=
ϕ
và sin 0
=
ϕ

Độ trễ do truyền từ trạm mặt đất đến vệ tinh có thể tính như sau:

c
R
T
P
=
với C là vận tốc ánh sáng và bằng 3.10
8
m/s
vì vậy độ trễ truyền theo 1 hướng từ một trạm này đến trạm khác là:

c
RR
T
P
21
+
=
với R
1
và R
2
là khoảng cách giữa trạm mặt đất và vệ tinh
!!K Đồ án tốt nghiệp Liên kết mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK!


GVHD:Võ Trường Sơn
52


SVTH: Vũ Văn Trực

3.4. Đặc điểm liên kết vệ tinh và điều chế cho truyền dẫn
Thành phần tín hiệu truyền dẫn cơ bản bao gồm sóng mang và tín hiệu điều
chế. Sóng mang là một sóng hình sin liên tục, khơng chứa đựng thơng tin. Tín hiệu
điều chế là tín hiệu mang thơng tin và sẽ được truyền qua sóng mang. Nó có thể điều
chế (thay đổi) Biên độ, tần số hay pha của sóng mang dẫn tới những sơ đồ đi
ều chế
khác nhau: điều chế biên độ(AM), điều chế tần số(FM) và điều chế pha (PM). Tại
đầu thu bộ giải điều chế có thể tách tín hiệu mang thơng tin ra từ sóng mang bằng
cách xử lý giải điều chế và điều này phụ thuộc vào sơ đồ mã hố được sử dụng trong
q trình truyền, hình 3.13 minh hoạ các q trình điều chế khác nhau . Q trình
điều chế cho phép truyền các tín hiệu mang thơng tin trên các t
ần số mang , người ta
có thể sử dụng phương pháp đa truy nhập tới tần số vơ tuyền trong miền tần số.
Bên cạnh tín hiệu điều chế, những điều kiện kênh truyền vệ tinh cũng có thể
gây ra những sự thay đổi tới biên độ, tần số hay pha của sóng mang vì vậy nó có thể
là ngun nhân gây ra lỗi truyền dẫn do đó cần phải có những mã sửa lỗi để
khơi
phục lại nội dung có thể bị sai trong q trình truyền dẫn.
3.4.1. Đặc điểm liên kết vệ tinh
Khơng giống với truyền bằng cáp, chất lượng của liên lạc vệ tinh khơng thể
điều khiển. Liên lạc vệ tinh có thể là ngun nhân gây ra suy hao truyền sóng ,điều
này phụ thuộc vào những nhân tố sau đây:
─ Tần số làm việc: suy hao của tín hiệu bởi sự hấp thụ khí, sự kh
ắc nghiệt
của tầng đối lưu càng làm tăng độ suy hao đối với tần số.
─ Góc ngẩng của Anten và sự phân cực: chiều dài của đường truyền sóng
qua tầng đối lưu biến đổi tỷ lệ nghịch với góc ngẩng. Tương ứng, suy
hao truyền dẫn, tiếng ồn cũng tăng khi góc ngẩng giảm.
─ Độ cao của trạm mặt đất:đường truyề
n giữa trạm mặt đất và vệ tinh sẽ

ngắn hơn nếu chiều cao của trạm mặt đất càng cao , do đó sẽ càng ít suy
hao hơn
─ Nhiệt độ tạp âm trạm mặt đất: đây là mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ
tạp âm khí quyển tới nhiệt độ tạp âm hệ thống vì vậy ảnh hưởng của tạp
âm khí quyển lên đường xuố
ng gọi là tỷ số tín hiệu/nhiễu.
─ Vị trí địa lý :Lượng mưa và thời tiết gần trạm mặt đất là những nhân tố
ban đầu trong việc xác định tần số và suy hao đường truyền.
─ Hệ số phẩm chất
T
G
:hệ số tăng ích biểu thị hiệu suất của đầu thu G; G
là thành phần khuếch đại tính bằng dexiben (dB) và T là nhiệt độ tạp
âm của hệ thống. Tỷ số này dùng để biểu thị chất lượng của trạm mặt
đất còn gọi là hệ số phẩm chất trạm mặt đất.
Suy hao trong khơng gian tự do là suy hao cơng suất chính do truyền lan xa của
liên kết vệ tinh. Tuy nhiên đó là suy hao lớn hơn so với m
ọi suy hao khác, những suy
hao khác cũng chỉ thêm vào suy hao chính vài dB. Tại những tần số 10 GHz và lớn
!!K Đồ án tốt nghiệp Liên kết mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK!


GVHD:Võ Trường Sơn
53


SVTH: Vũ Văn Trực
hơn, suy hao vì sự hấp thụ khí quyển và mưa đặc biệt rất đáng quan tâm. Tại những
tần số này, sóng điện từ tương tác và va dội với những phân tử khí của khí quyển nên
gây ra suy hao tín hiệu. Quan trọng nhất là cộng hưởng suy hao xuất hiện tại tần số

22,235 GHz do sự bốc hơi nước và giữa tần số 53-65 GHz là khí oxy . Suy hao tại
những tần số khác thơng thường rất nhỏ (nh
ỏ hơn 1 dB). Những suy hao khí quyển
này có thể được tính tốn và cả trong phương trình liên kết để xác định tác động của
nó trên tồn bộ chất lượng của hệ thống.
Tại những tần số thấp hơn , nhỏ hơn 1 GHz,suy hao do fading đa đường có khả
năng xảy ra cao nhất. Sự quay Faraday do tổng số lượng điện tích trong khí quyển trở
nên đáng kể hơn, nhưng với việc sử d
ụng sự phân cực thích hợp, những suy hao này
có thể kiểm sốt trong truyền thơng.
3.4.2. Kỹ thuật điều chế
Ta có thể mơ tả tốn học sóng mang như sau:
)2cos()( tfAtC
ccr
π
=

Trong đó A
c
là biên độ sóng mang và f
c
là tần số sóng mang
• Ta có thể biểu diễn sóng được điều biên như sau:
)2cos()]([)( tftmkAtS
cac
π
+
=

Trong đó m(t) là tín hiệu và k

a
là độ nhạy biên của bộ điều chế
• Ta có thể biểu diễn sóng được điều tần như sau:
]))((2cos[)( ttmkfAtS
fcc
+
=
π

Trong đó f
c
là độ nhạy tần số của bộ điều chế
• Ta có thể biểu diễn sóng được điều pha như sau:
)](2cos[)( tmkftAtS
pcc
+
=
π

Trong đó k
p
là độ nhạy tần của bộ điều chế
Trong sóng được điều tần đặt
ttmkft
fcf
))((2)(
+
=
π
θ

có thể xem m(t) là ngun
nhân gây ra sự thay đổi tần số
ttmkf
f
Δ
=
Δ
)(
, mà nó tương đương với sự thay đổi pha
ttmkftff
fccf
Δ
+=ΔΔ+=Δ )]([2)(
π
θ
do đó:
)(22
)(
tmkf
dt
td
fc
f
ππ
θ
+= và
∫
+=
t
fcf

dttmktft
0
)(22)(
ππθ

Sóng được điều tần được tạo ra bằng cách sử dụng tần số mang kết hợp với tín
hiệu mang thơng tin
Trong sóng được điều pha
)(2)( tmktft
pcp
+
=
π
θ
ví dụ sóng điều pha được tạo ra
bằng cách sử dụng tần số mang và tín hiệu thơng tin vì vậy sóng điều pha có thể suy
ra từ sóng điều tần và ngược lại. điều pha và điều tần cũng có thể gọi là điều chế góc.
!!K Đồ án tốt nghiệp Liên kết mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK!


GVHD:Võ Trường Sơn
54


SVTH: Vũ Văn Trực
3.4.3. Sơ đồ điều chế khố dịch pha (PSK) cho truyền dẫn vệ tinh
Những điều kiện liên kết qua vệ tinh có thể thay đổi trong suốt q trình truyền
dẫn đối với truyền dẫn số, độ cao của truyền dẫn cũng có thể thay đổi với điều kiện
liên kết. AM(Amplitude modulation) thì khó sử dụng. FM (Frequency modulation)
khó trong việc thực thi và khơng hiệu quả trong tận dụng dải thơng. So sánh vớ

i sơ đồ
AM và FM, PM(Phase modulation) có những lợi thế của FM và dễ dàng thực hiện vì
vậy đối với truyền dẫn vệ tinh thì PM được sử dụng và có nhiều sơ đồ PM khác nhau
được phát triển để cân bằng các yếu tố như cơng suất ,tần số và thực hiện hiệu quả.
Điểu chế PSK là một phương pháp hiệu quả nhất để truyền tín hiệu số, có thể
nói phươ
ng pháp điều chế PSK là phương pháp điều chế triệt sóng mang do đó băng
thơng của tín hiệu PSK nhỏ hơn băng thơng của tín hiệu FSK nếu dùng cùng một tín
hiệu dải nền nhưng ở phía thu phải có mạch dao động tạo sóng mang để thực hiện
việc giải điều chế ; tín hiệu dao động này phải có cùng tần số và pha của sóng mang ở
máy phát.
Các điều nói trên có thể thực hiệ
n nhờ một vòng khố pha biến thể gọi là vòng
Costas
• Băng thơng
Ta xét trường hợp đơn giản nhất là PSK nhị phân (Biphase PSK) được minh
hoạ trong hình 3.13 a) nếu là PSK đa pha thì thay tốc độ bit bằng tốc độ baud)
Trong PSK pha của sóng mang thay đổi giữa 2 trị số 0
0
và 180
0
hiệu điện thế
tức thời có thể viết:
)2sin()2sin( tfVtfVV
cbcbPSK
ππ
+=
biểu thức V
PSK
tương tự như V

FSK
nhưng tần số f
m
và f
s
được thay bằng f
c
nên
băng thơng là BW=(f
c
+2f
f
)-(f
c
-2f
f
)=4f
f

BW=2br
Như vậy BW
PSK
<BW
FSK
nếu điều chế cùng tín hiệu dải nền hình 3.13 b) cho
phổ tín hiệu PSK

!!K Đồ án tốt nghiệp Liên kết mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK!

GVHD:Võ Trường Sơn
55


SVTH: Vũ Văn Trực
b
T
)2sin( tf
c
π
)2sin(
π
π
+tf
c
)2sin()2sin(
πππ
++= tfVtfVV
cbcbPSK

Hình 3.13 a) PSK nhị phân
ff
c
2−
ff
c
2
+
c
f

brfBW
fPSK
24
=
=

Hình 3.13 b) Băng thơng PSK
3.4.4. PSK 2 pha (BPSK-Binary phase shift keying)
Trong BPSK, ứng với tín hiệu vào là các điện thế biểu diễn các logic 1, 0 ta có
tín hiệu ra là các sóng mang hình sin có pha lệch nhau 180° (Hình 3.14) là sơ
đồ khối mạch điều chế và giải điều chế BPSK

tw
c
cos
tw
c
cos
+
tw
c
cos
−

Hình 3.14 a)Điều chế BPSK và b) Giải điều chế BPSK
Giả sử logic 1 được đặc trưng bởi điện thế +V
dc
và logic 0 được đặc trưng bởi –
V
dc

bộ phận chính của mạch điều chế gồm một mạch nhân và một mạch tạo dao động
sóng mang cos
t
c
ω
. Tín hiệu logic và sóng mang được đưa đến mạch nhân và ta được
tín hiệu +cos
t
c
ω
hoặc -cos t
c
ω
ở ngã ra của mạch này.
!!K Đồ án tốt nghiệp Liên kết mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK!


GVHD:Võ Trường Sơn
56


SVTH: Vũ Văn Trực
Ở máy thu, sóng mang được tách từ tín hiệu vào, sau đó trộn với tín hiệu vào để
cho ra tín hiệu dạng
t
c
ω
2
cos hoặc - t
c

ω
2
cos . Phân tích tín hiệu này ta thấy chúng gồm
thành phần một chiều và hoạ tần bậc hai:
2
2cos1
cos
2
t
t
c
c
ω
ω
+
=

)
2
2cos1
(cos
2
t
t
c
c
ω
ω
+
−=−

Cho vào mạch lọc hạ thơng, ta được ở ngã ra các thành phần dc có cùng cực
tính với dữ liệu vào.
Mạch điều chế vòng (ring modulator) là một kiểu mẫu của mạch nhân được
mơ tả ở (Hình 3.15)
Các diod A, B, C, D dẫn hay ngưng tùy thuộc hiệu thế đặt vào ngã X,Y trong
lúc tín hiệu vào ngã RS chỉ khiến các diod dẫn mạnh hay yếu mà thơi.
Sóng mang được đưa vào ngã RS, dữ liệu được đưa vào ngã XY. Giả sử bit 1
khiến X dương hơn Y và ngượ
c lại cho bit 0
─ Khi dữ liệu là bit 1 diod A và D dẫn điện, ứng với bán kỳ dương của
sóng mang diod A dẫn mạnh hơn diod D, dòng điện chạy trong nửa
trên của biến thế ra lớn hơn, ta được tín hiệu ra cùng pha sóng mang
vào.
─ Khi dữ liệu là bit 0 diod B và C dẫn điện, ứng với bán kỳ dương của
sóng mang diod B dẫn mạnh hơn diod C, dòng điện chạy trong nửa
trên của biến thế
ra lớn hơn nhưng có chiều ngược lại (từ dưới lên), ta
được tín hiệu ra ngược pha sóng mang vào.
─ Khi khơng có sóng mang hoặc khơng có dữ liệu vào sẽ khơng có dòng
điện ở ngã ra.
!!K Đồ án tốt nghiệp Liên kết mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK!


GVHD:Võ Trường Sơn
57


SVTH: Vũ Văn Trực

Hình 3.15 Mạch điều chế vòng

3.4.5. PSK 4 pha –PSK cầu phương (4 PSK hay QPSK)
PSK 4 pha còn gọi là PSK cầu phương (QPSK : Quadrature PSK) là mạch điều
chế cho tín hiệu ra có 1 trong 4 pha tùy theo trạng thái của một cặp bit (dibit) dữ liệu
vào, độ lệch pha của các tín hiệu ra là 90
0
. (Hình 3.16) là sơ đồ khối mạch điều chế
PSK 4 – pha
twHzf
cc
sin1600=
2
b
f
2
b
f

Hình 3.16 Sơ đồ khối mạch điều chế PSK cầu phương
─ Mạch chia bit (bit splitter) : chuyển dòng dữ liệu vào theo hai ngã I (In-
phase) và Q (Quadrature). Những bit vào ngã I sẽ điều chế sóng mang
có pha ban đầu và những bit vào ngã Q sẽ điều chế sóng mang đã được
làm lệch pha 90
0

─ Vì các dữ liệu vào có thể là bit 1 hoặc 0, nên tín hiệu ở ngã ra mạch
nhân I có thể là sinw
c
t hoặc – sinw
c
t và ở ngã ra Q có thể là cosw

c
t
hoặc -cosw
c
t, các tín hiệu này được tổng hợp ở mạch tổng để cho ra 1
trong 4 tín hiệu mơ tả ở (Hình 3.17)
!!K Đồ án tốt nghiệp Liên kết mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK!


GVHD:Võ Trường Sơn
58


SVTH: Vũ Văn Trực
Thí dụ, với các bit ở ngã vào ab=01, tín hiệu ở ngã ra là - sinw
c
t + cosw
c
t, tín
hiệu này có thể thay thế bởi tín hiệu duy nhất có pha là 135
0
.
tw
c
sin
tw
c
cos−
twtw
cc

cossin −
tw
c
cos
−
tw
c
cos
twtw
cc
cossin
+
twtw
cc
cossin −−
twtw
cc
cossin
+
−
twtw
cc
cossin
−
tw
c
sin
tw
c
sin

−

Hình 3.17 Các tín hiệu đầu ra
Giải mã PSK 4 pha:
tt
cc
ω
ω
sincos −
t
c
ω
sin

Hình 3.18 Mạch giải mã PSK 4 pha
Mạch phục hồi sóng mang sẽ cho lại 1 sóng mang sin
t
c
ω
từ tín hiệu nhận được,
tín hiệu này được cho thẳng vào mạch nhân ngã I và được làm lệch 90
0
trước khi
được đưa vào mạch nhân ngã Q, tín hiệu ra ở các mạch nhân được đưa vào mạch lọc
hạ thơng để loại bỏ thành phần tần số cao, các thành phần DC sẽ được tổng hợp ở
mạch tổng để cho lại dòng dữ liệu.
Giả sử tín hiệu vào là tín hiệu nhận được trong ví dụ trên
tt
cc
ω

ω
sincos −
Tín hiệu ra ở mạch nhân ngã I là
)2cos1(
2
1
2sin
2
1
)sin(cossin ttttt
ccccc
ωωωωω
−−=−
Tín hiệu ra sau mạch lọc là điện thế dc -,tương ứng bit 0
Tín hiệu ra ở mạch nhân ngã Q là:
)2cos1(
2
1
2sin
2
1
)sin(coscos ttttt
ccccc
ωωωωω
++−=−
Tín hiệu ra sau mạch lọc là điện thế dc + ,tương ứng bit 1, mạch tổ hợp bit sẽ
cho lại dữ liệu như đã phát : 01 (viết theo thứ tự ab)
!!K Đồ án tốt nghiệp Liên kết mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK!

GVHD:Võ Trường Sơn
59


SVTH: Vũ Văn Trực
Tốc độ truyền thơng thường của QPSK là 2400 bps vì vậy ở mạch điều chế tốc
độ của kênh I và Q là 1200 bps. Tốc độ biến đổi lớn nhất của tín hiệu tương ứng
với chuỗi liên tiếp các bit 1 và 0, chuỗi này được biểu diễn bởi tín hiệu hình vng
tần số 600 Hz, tín hiệu hình vng bao gồm tần số cơ bản và các họa tần bậc lẻ.
Trong q trình điều chế xuấ
t hiện các băng cạnh chứa các họa tần này, mạch lọc
BPF có nhiệm vụ loại bỏ thành phần tần số này.
3.4.6. Điều chế dịch pha cực tiểu dùng bộ lọc Gauss (GMSK)
Là kỹ thuật điều chế tín hiệu số cho phép sự thay đổi pha (phase) là tối thiểu
giữa các ký tự liên tiếp nhau. GMSK có đặc tính tương tự như điều chế MSK, tuy
nhiên dạng xung (pulse shape) tín hiệu là hàm Gausian thay vì là hàm Sinuss như
MSK.
Để nâng cao hiệu quả sử dụng băng thơng và thực hiện sửa lỗi, có hai kỹ thuật
có thể được áp dụng đó là:dịch pha tối thiểu và tạo xung vng thơng qua một bộ lọc
Gauss.
Đặt W biểu thị dải thơng băng gốc 3 dB của bộ lọc tạo xung. Hàm truyền H(f)
và đáp ứng xung h(t) đáp tuyến xung của bộ lọc xung được định nghĩa tương ứng như
sau:
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝

⎛
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−=
2
2
2log
exp)(
w
f
fH

Và
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−=
22
2
2log
2

exp
2log
2
)( twfh
ππ

Đáp ứng của bộ lọc cho đơn vị biên độ và thời gian xung T
b
của xung vng
được cho bởi cơng thức:
ττ
ππ
ττ
dtwwdttg
b
b
b
T
b
T
T
T
T
∫∫
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜

⎝
⎛
−−=−=
2
2
22
2
2
)(
2log
2
exp
2log
2
)()(
2

Đáp ứng xung g(t) tạo thành tần số tạo dạng xung của bộ điều chế GMSK, với
WT
b
là bề rộng dải thời gian khơng thứ ngun thực hiện vai trò của một tham số
thiết kế.
Chẳng hạn ,khi WT
b
giảm thì thời gian trải ra của tần số tạo xung tương ứng
tăng lên. Điều kiện giới hạn WT
b
=
∞
tương ứng với trường hợp MSK bình thường,

và khi WTb nhỏ hơn phần tử đơn vị thì việc gia tăng hơn nữa của cơng suất truyền
tập trung vào bên trong dải thơng của tín hiệu GMSK.
3.4.7. Tỷ lệ lỗi bit (BER) :tham số đánh giá chất lượng của sơ đồ mã hố
Lỗi bit xuất hiện trong kênh vệ tinh trong q trình truyền dẫn. Tỷ lệ lỗi bit
(BER) phụ thuộc vào tỷ số tín hiệ
u/tạp âm (S/N) tại thiết bị thu. Như vậy mức chấp
nhận được của tỷ lệ lỗi bit, tỷ số tín hiệu/tạp âm tối thiểu nhất định phải được bảo
đảm tại thiết bị thu và từ đó bảo trì trong chuyển phát.
!!K Đồ án tốt nghiệp Liên kết mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK!


GVHD:Võ Trường Sơn
60


SVTH: Vũ Văn Trực
Mối quan hệ giữa C/N và tỷ lệ lỗi bit của kênh là một biện pháp thực hiện cho
mối liên kết số. Nó được tính tốn từ tỷ số sóng mang trên mật độ tạp âm, tỷ số C/N
0
,
đối với sơ đồ điều chế đặc biệt bằng:
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
−
−
=
)/(log10

)(log10
10
10
0
0
bandwidthdatarate
N
C
datarate
N
C
N
E
b

Tỷ số tốc độ bit (data rate) trên băng thơng, R/B, được gọi là hiệu suất phổ hay
hiệu suất băng thơng của điều chế. Đối với một băng thơng đã cho, giá trị E
b
/N
0
phải
đủ lớn để đạt được tốc độ truyền bit với hiệu suất lỗi tốt nằm trong giới hạn tỷ lệ lỗi
bit hay xác suất lỗi bit.
Có những hàm sai số dùng để tính tốn tỷ lệ lỗi symbol. Số bit trên symbol là
log
2
M, trong đó M là mức của sơ đồ điều chế. Tỷ lệ lỗi bit P
p
thì liên hệ với tỷ lệ lỗi
symbol P

s
bằng cơng thức:
)(log M
P
P
s
b
=
Trên lý thuyết, hiệu suất lỗi có thể được tính tốn bằng cách sử dụng xác suất
Gauss như sau:
∫
∞
−
==+>
y
dz
z
x
eyQxXP
2
2
2
1
)()(
π
σμ

,1)(,2/1)0( yyQQ
−
=

−
=
khi 0≥y
()
yQeyerfc
y
dzz
22
2
)(
2
=≡
∫
∞
−
π

Bảng 3.1 cho ta hiệu suất lỗi chung cho một số sơ đồ điều chế thơng dụng và
hình 3.19 cho ta một số kết quả tính tốn sử dụng thơng số trong bảng
Sơ đồ điều chế P
E
symbol
QPSK nhất qn
BPSK nhất qn
MPSK nhất qn
)(
2
1
0
N

E
erfc
b

MSK
)(
2
1
0
N
E
erfc
b

GMSK
)
2
(
2
1
0
N
E
erfc
b
α
với
α
là hằng số phụ
thuộc vào bề rộng dải thời gian WT

b