(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu và khắc phục ảnh hưởng củ méo phi tuyến trong hệ thống truyền hình quảng bá vệ tinh thế hệ thứ 2 sử dụng điều chế APSK

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÝ THỊ THANH HÀ

NGHIÊN CỨU VÀ KHẮC PHỤC ẢNH HƯỞNG CỦA
MÉO PHI TUYẾN TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN
HÌNH QUẢNG BÁ VỆ TINH THẾ HỆ THỨ 2 SỬ
DỤNG ĐIỀU CHẾ APSK
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ: ………

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

KHOA ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN 01 NGƯỜI HƯỚNG DẪN 02

PGS.TS. ĐÀO HUY DU

TS. ĐOÀN THANH HẢI

TS.TRẦN ĐỨC
CHUYỂN

THÁI NGUYÊN - 2020

ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu tôi đã đưa ra trong luận văn này
là dựa trên các kết quả thu được trong quá trình tự nghiên cứu và học tập của
riêng tôi. Tôi không sao chép kết quả nghiên cứu nào của tác giả khác. Nội
dung luận văn của tơi có sử dụng tài liệu tham khảo và số thông tin nguồn tài
liệu từ các nguồn tin, giáo trình, bài giảng được liệt kê trong danh mục sách
tham khảo. Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm và sẽ chấp hành mọi hình thức
kỷ luật, xử lý của khoa, của nhà trường nếu như phát hiện ra bài làm của tơi có
dấu hiệu sao chép dưới bất kì hình thức nào.
Thái Nguyên, ngày tháng năm 2020
Sinh viên thực hiện

Lý Thị Thanh Hà


i

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học và làm đề tài thạc sỹ, tôi đã nhận được tiếp thu về kiến thức,
phương pháp tư duy, phương pháp luận của các giảng viên trong trường. Tôi cũng được
sự quan tâm rất lớn của Nhà trường, của Khoa Kỹ thuật - Điện tử và các thầy cô giáo
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên và các bạn cùng lớp.
Để hoàn thành luận thạc sỹ văn một cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự cố gắng lỗ
lực của bản thân cịn có sự hướng dẫn nhiệt tình của q Thầy Cơ, cũng như sự động
viên ủng hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và thực
hiện luận văn thạc sỹ.
Xin chân thành bày tỏ lịng biết ơn đến cơ giáo TS. Đồn Thanh Hải, TS. Trần
Đức Chuyển hai thầy cơ đã hết lịng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tơi

hồn thành luận văn này. Xin chân thành bày tỏ lịng biết ơn đến tồn thể q thầy
cơ trong khoa Kỹ thuật - Điện tử Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp – Đại học
Thái Ngun đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo mọi điều
kiện thuận lợi nhất cho tơi trong suốt q trình học tập nghiên cứu và cho đến khi
hoàn thành đề tài luận văn.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, các anh chị và các bạn đồng
nghiệp đã hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực
hiện đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh.
Thái Nguyên, ngày tháng năm 2020
Sinh viên thực hiện

Lý Thị Thanh Hà


ii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. ii
Danh mục chữ ký hiệu, các từ viết tắt............................................................... v
Danh mục các bảng ......................................................................................... vii
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ......................................................................... viii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 5
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN SỐ
VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ................................................................... 9
1.1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin vô tuyến. ............................................. 9
1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống thông tin vô tuyến.................................. 12
1.2.1 Suy hao khi truyền lan trong không gian tự do ........................................ 13
1.2.2 Ảnh hưởng của pha đinh và mưa ............................................................ 14

1.2.3 Sự can nhiễu của sóng vơ tuyến ............................................................... 19
1.2.3.1 Nhiễu trắng ( White Gaussian Noise) ............................................... 19
1.2.3.2 Nhiễu liên ký tự ISI (Inter symbol interference)............................... 20
1.2.3.3 Nhiễu đa truy nhập MAI (Multiple Access Interference). ................ 20
1.2.4 Ảnh hưởng bởi méo tuyến tính ............................................................... 21
1.2.4.1 Nguyên nhân gây nên hiện tượng méo tuyến tính: ........................... 22
1.2.4.2 Đặc điểm nhận dạng méo tuyến tính. ................................................ 22
1.2.4.3 Một số biện pháp khắc phục méo tuyến tính. ................................... 22
1.2.5 Ảnh hưởng bởi méo phi tuyến ................................................................ 23
1.2.6 Các phương pháp điều chế số ................................................................. 24
1.2.6.1 Phương pháp điều chế và giải điều chế khóa dịch biên độ ASK
(Amplitude Shift Keying) ............................................................................. 24
1.2.6.2 Phương pháp điều chế và giải điều chế khóa dịch tần số FSK
(Frequency Shift Keying).............................................................................. 25
1.2.6.3 Phương pháp điều chế và giải điều chế pha PSK (Phase Shift Keying)
....................................................................................................................... 26


iii

1.2.6.4 Phương pháp điều chế và giải điều chế hỗn hợp pha và biên độ QAM
(Quadrature Amplitude Modulation) ............................................................ 30
1.3 Điều chế khóa dịch pha biên độ APSK (Amplitude Phase Shift Keying) ...... 31
1.4 Tóm tắt chương ............................................................................................... 33

CHƯƠNG II. MÉO PHI TUYẾN TRONG HỆ THỐNG DVB-S2 ............... 34
2.1 Sự phát triển của truyền hình vệ tinh. ............................................................. 34
2.2. Mơ hình hệ thống ........................................................................................... 36
2.3 Méo phi tuyến gây ra bởi các bộ khuếch đại công suất .................................. 39
2.3.1: Làm mở rộng phổ của tín hiệu và gây tạp âm phi tuyến......................... 40

2.3.2: Gây méo dạng chịm sao tín hiệu ............................................................ 40
2.3.3: Gây ISI phi tuyến .................................................................................... 41
2.4: Biện pháp khắc phục méo phi tuyến .......................................................... 41
2.5. Mơ hình bộ khuếch đại công suất .................................................................. 42
2.6 Một số loại HPA thường được sử dụng. ......................................................... 45
2.6.1 Bộ HPA dùng đèn Klystron (KLY). ........................................................ 45
2.6.2 Bộ khuếch đại dùng đèn sóng chạy Traveling-Wave Tube Amplifier
(TWTA)............................................................................................................. 48
2.6.3 Bộ khuếch đại bán dẫn (SSPA). ............................................................... 49
2.7. Tóm tắt chương .............................................................................................. 50

CHƯƠNG III. BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC ẢNH HƯỞNG CỦA MÉO PHI
TUYẾN TRONG HỆ THỐNG DVB-S2 SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ APSK ...... 52
3.1 Đánh giá ảnh hưởng của méo phi tuyến trong hệ thống thơng tin vơ tuyến ... 52
3.2 Xây dựng mơ hình mơ phỏng và phân tích hệ thống DVB-S2 sử dụng điều chế
M-APSK, M-QAM ............................................................................................... 54
3.3 Tham số dd cho tín hiệu điều chế QAM và APSK ......................................... 55
3.4 Kết quả mô phỏng ........................................................................................... 57
3.4.1 Các tác động của méo phi tuyến gây bởi các bộ HPA ............................. 57
3.4.2 Các kết quả đối với điều chế 16APSK ..................................................... 59


iv

3.5. Đánh giá ảnh hưởng của riêng méo phi tuyến gây bởi các HPA tới SNRD của
hệ thống DVB-S2. ................................................................................................. 60
3.6. Đánh giá ảnh hưởng của riêng méo phi tuyến gây bởi các HPA tới OBE của
hệ thống DVB-S2. ................................................................................................. 61
3.6.1 Xác định độ rộng bức xạ ngoài băng chuẩn hóa Boob-norm ........................... 62

3.6.2 Mức bức xạ ngồi băng OBE ................................................................. 61
3.6.3 Mối quan hệ OBE và dd trong hệ thống DVB-S2 .................................. 62
3.7. Khắc phục ảnh hưởng của riêng méo phi tuyến gây bởi các HPA bởi OAPS
trong hệ thống DVB-S2. ....................................................................................... 64

3.7.1. Phương pháp quay pha phụ tối ưu sóng mang thu ............................... 65
3.7.1. Cơng thức kinh nghiệm xác định OAPS theo dd trong hệ thống khảo
sát .................................................................................................................... 66
3.8. Nhận xét. ........................................................................................................ 67

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ: ....................................................................... 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 70
PHỤ LỤC ............................................................................................................
Code lập trình cho điều chế 16QAM ........................................................................
Code lập trình cho điều chế 16APSK .......................................................................
Khởi tạo function 16 APSK modulation ...............................................................
Khởi tạo function 16APSK demodulation ............................................................
Chương trình lập trình chính cho điều chế 16APSK ............................................
Một số câu lệnh cơ bản: ............................................................................................


v

DANH MỤC CHỮ KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Tên tiếng anh

Tên tiếng việt

AFK

Amplitude Shift Keying

Điều chế khóa dịch biên độ

AM

Amplitude Modulation

Tín hiệu điều biên

APSK

Amplitude Phase Shift Keying

Điều chế khóa dịch pha biên độ

ATDE

Adaptive Time Domain

Mạch san bằng thích nghi

Equalizer
AWGN

Additive White Gaussian Noise

Tạp âm cộng trắng Gaussian

BER

Bit Erro Rate

Tỷ số lỗi bít

BO

Back Off

Độ lùi cơng suất

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

DVB-S2

Digital Video Broadcasting

Truyền hình số vệ tinh thế hệ thứ

Satellite Second Generation

2

Digital Video Broadcasting

Truyền hình số mặt đất

DVB-T

Terrestrial
FSK

Frequency Shift Keying

Điều chế số theo tần số

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống thơng tin di động tồn

Communications

cầu

High Power Amplifiers

Bộ khuếch đại công suất lớn

ISI

Inter symbol Interference

Nhiễu liên ký tự

LMS

Least Mean Square error

Sai số trung bình bình phương

HPA

cực tiểu
LOS

Light Of Sight

Đường truyền tầm nhìn thẳng

MAI

Multiple Access Interference

Nhiễu đa truy nhập

MMSE

Minimum Mean-Square-Error

Thuật tốn sai số trung bình bình
phương tối thiểu

OFDM

Orthogonal Frequency

Ghép kênh phân chia theo tần số

Division Multiplexing

trực giao


vi

PDF

Probability Density Function

Hàm mật độ xác suất

PM

Phase modulation

Tín hiệu điều biên có điều pha

PSK

Phase Shift Keying

Điều chế số theo pha tín hiệu

QAM

Quadrature amplitude modulation Điều chế biên độ vng góc

SNR

Signal-to-Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SSPA

Solid State Power Amplifier

Bộ khuếch đại bán dẫn

TWTA

Traveling Wave Tube Amplifier

Bộ khuếch đại đèn sóng chạy

WIFI
WIMAX

ZF

Wireless Fidelity
Worldwide Interoperability for Tương tác toàn cầu bằng truy

Microwave Access

nhập viba

Zero Forcing

Cưỡng ép không


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Tỷ lệ bán kính chịm sao tối ưu 16APSK [6] ........................................... 32
Bảng 2.1: Tham số mơ hình Saleh ............................................................................ 43
Bảng 3.1. Dải ddapsk và IBO với bước sai khác là 0.5dB ......................................... 57


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1. 1: Mơ hình đơn giản của hệ thống truyền tin ............................................... 10
Hình 1. 2: Sơ đồ khối tiêu biểu của hệ thống thơng tin số ........................................ 11
Hình 1. 3: Truyền hình vệ tinh .................................................................................. 13
Hình 1. 4: Biểu đồ suy hao tín hiệu do mưa gây nên ................................................ 14
Hình 1. 5: Pha đinh đa đường ................................................................................... 18
Hình 1. 6: Một tín hiệu nhiễu trắng ........................................................................... 19
Hình 1. 7: Mơ hình gây nhiễu ISI ............................................................................. 20
Hình 1. 8: Một số phần tử phi tuyến ......................................................................... 23
Hình 1. 13: Sơ đồ điều chế ASK ............................................................................... 25
Hình 1. 14: Biểu diễn dạng sóng của ASK ............................................................... 25

Hình 1. 15: Dạng sóng của FSK................................................................................ 26
Hình 1. 16: Điều chế QPSK ...................................................................................... 27
Hình 1. 17: Phương pháp giải điều chế QPSK.......................................................... 28
Hình 1. 18: Giản đồ ‘chịm sao cho điều chế 8-PSK và 16-PSK’ ............................ 29
Hình 1. 19: Sơ đồ khối chức năng của một bộ điều chế QAM ................................. 30
Hình 1. 20: Giản đồ chịm sao của điều chế 8-QAM và 16-QAM ........................... 31
Hình 1. 17: Chịm sao a)16QAM và b) 16APSK .................................................... 32
Hình 1. 23: Chịm sao 16APSK và 16QAM ............................................................. 33
Hình 2. 1: Sự mở rộng phổ bởi méo phi tuyến ......................................................... 40
Hình 2. 2: Méo dạng chịm sao tín hiệu .................................................................... 41
Hình 2. 3: Điểm làm việc tối ưu ................................................................................ 42
Hình 2. 4: Đặc tuyến làm việc của bộ khuếch đại công suất .................................... 43
Hình 2. 5: Cấu tạo đèn Klystron................................................................................ 46
Hình 2. 6: Đèn Klystron ngồi thực tế ...................................................................... 48
Hình 2. 7: Cấu tạo của bộ HPA dung đèn song chạy TWTA ................................... 49
Hình 2. 8: Bộ khuếch đại SSPA áp dụng trong thực tế ............................................. 50
Hình 3. 1: Mơ hình hệ thống nghiên cứu .................................................................. 54
Hình 3. 2: Quy trình mơ hình mơ phỏng hệ thống .................................................... 54


ix

Hình 3. 3: Tham số dd cho hệ thống a)16QAM và b)16APSK ................................ 56
Hình 3. 3: Biểu đồ mẫu mắt 16QAM ứng với các BO khác nhau ............................ 57
Hình 3. 5: Chịm sao tín hiệu 16QAM sau khi qua HPA với các BO khác nhau ..... 58
Hình 3. 6: Phổ tín hiệu 16QAM với BO khác nhau .................................................. 58
Hình 3. 7: So sánh tỷ số BER của 16QAM ............................................................... 58
Hình 3. 8: Biểu đồ mẫu mắt 16APSK ứng với các BO khác nhau ........................... 59
Hình 3. 9: Biểu đồ phổ tín hiệu 16APSK ứng với các BO khác nhau ...................... 59
Hình 3. 10: Mối quan hệ SNRD của hệ thống sử dụng 16APSK và 16QAM .......... 60

Hình 3. 11: Hình Giải thích cách tính mức bức xạ ngồi băng OBE........................ 61
Hình 3. 12. Xấp xỉ quan hệ giữa OBE và dd trong hệ thống DVB-S2 .................... 63
Hình 3. 13. Mạch thực hiện quay pha phụ ................................................................ 65
Hình 3. 14. Mối quan hệ giữa OAPS và dd trong hệ thống DVB-S2 ....................... 67


5

MỞ ĐẦU
Trong kỷ nguyên công nghệ thông tin và truyền thơng hiện đại ngày nay con
người ngày càng địi hỏi cao về tốc độ, chất lượng và dung lượng của một hệ thống
truyền tải thơng tin. Vì vậy các hệ thống thông tin thế hệ mới ra đời như hệ thống
thông tin di động thế hệ 6G, hệ thống truyền hình quảng bá di động DVB-H, chuẩn
LAN vơ tuyến hiệu suất cao 802.16 thường được gọi là WiMAX, 802.20 cho di động
tiêu chuẩn Wireless MAN...
Cùng với sự phát triển của hệ thống viễn thông, thông tin vệ tinh cũng được
sử dụng ngày càng phổ biến nhờ ưu điểm nổi bật là cự ly liên lạc xa lên đến hàng
ngàn Km. Thông tin vệ tinh thường được sử dụng cho các tuyến viễn thơng cấp quốc
tế, quốc gia và phủ sóng cho các khu vực rộng lớn trong truyền thông quảng bá. Đặc
biệt thông tin vệ tinh phù hợp cho những vùng xa xôi hẻo lánh nơi mà các phương
tiện thông tin khác không thể triển khai được.
Ngày 19/4/2008, Việt nam đã phóng thành cơng vệ tinh viễn thơng VINASAT1 mở ra một giai đoạn phát triển mới về thông tin liên lạc cũng như phát thanh truyền
hình quảng bá của quốc gia. Vinasat-1 được thiết kế hoạt động ở 2 băng tần: Ku va
C. Ku gồm 12 kênh độ rộng mỗi kênh là 36 Mhz. Băng C cũng có 12 kênh trong đó
10 kênh độ rộng 36 MHz cịn 2 kênh rộng 72MHz. Mỗi kênh 36MHz có thể mang
đồng thời 6000 kênh thoại hay 12 kênh truyền hình theo kỹ thuật DVB-S. Do khả
năng đặc thù là vùng dịch vụ rộng lớn, thông tin vệ tinh được sử dụng cho nhiều loại
hình dịch vụ, tuy nhiên dịch vụ quảng bá qua vệ tinh và các dịch vụ cung cấp qua hệ
thống mạng VSAT hứa hẹn vẫn là các dịch vụ thu được nhiều lợi nhuận và có ưu thế
vượt trội so với các dịch vụ khác cung cấp qua các mạng viễn thông trên mặt đất. Với

đường truyền vật lý được thiết kế qua vệ tinh (đóng vai trị như bộ phát đáp) thì việc
sử dụng đường truyền này thế nào để có hiệu quả cao nhất là vấn đề có ý nghĩa rất
quan trọng trong kinh tế kỹ thuật. Cơng nghệ truyền hình quảng bá qua vệ tinh hiện
nay là công nghệ DVB-S ra đời từ những năm 1990 sử dụng điều chế QPSK dùng mã
chập và mã Reed-Solomon có hiệu suất phổ từ 0.8-1.2 bit/Hz tùy theo tỷ lệ mã. Công
nghệ thế hệ mới là DVB-S2 (chuẩn ra đời năm 2003, được coi là thế hệ truyền dẫn


6

thứ 2 cho dịch vụ quảng bá qua vệ tinh) sẽ cho phép sử dụng phổ có hiệu suất tăng từ
30-130% (tức là hiệu suất phổ từ 1.2-4.5 bit/Hz). Công nghệ này đã mở thêm nhiều
ứng dụng trọng điều kiện băng tần truyền dẫn hạn chế đồng thời có thể phát triển các
ứng dụng có tốc độ lớn như truyền hình có độ phân giải cao HDTV, Internet tốc độ
cao, các dịch vụ dữ liệu chuyên nghiệp…
Đặc điểm then chốt tạo nên sự khác biệt giữa DVB-S2 và DVB-S là sử dụng
loại mã sửa sai mới là mã LDPC và điều chế 16APSK. Do đường truyền từ vệ tinh
xuống mặt đất là đường truyền dài (36.000 Km), tín hiệu bị suy giảm mạnh và chịu
nhiều can nhiễu nên phải được khuếch đại và dùng mã sửa sai cấp độ lớn, kết hợp với
kỹ thuật tách sóng lặp đã tạo nên bước đột phá trong việc tăng hiệu suất sử dụng phổ
và đặc biệt có ý nghĩa trong truyền hình vệ tinh.
Tuy nhiên, hệ thống thơng tin vệ tinh có một số nhược điểm là chi phí ban đầu
lớn, đặc biệt chi phí cho việc phóng vệ tinh lên quỹ đạo. Để giảm chi phí cho việc
phóng vệ tinh thơng thường các nhà sản xuất nghĩ đến việc giảm đến mức độ tối đa
trọng lượng của các trang thiết bị trên vệ tinh (chi phí việc phóng vệ tinh tỷ lệ theo
trọng lượng của thiết bị). Bộ khuếch đại công suất là một bộ phận thường được thiết
kế làm việc ở chế độ gần bão hoà để giảm tối đa trọng lượng. Do vậy kênh vệ tinh là
một kênh truyền có tính phi tuyến rất lớn. Thơng thường để khắc phục tính phi tuyến
của bộ khuếch đại cơng suất người ta thường sử dụng các bộ méo trước để khử đặc
tính méo của bộ khuếch đại công suất. Tuy nhiên trong q trình làm việc đặc tính

của bộ khuếch đại cơng suất thay đổi và khi đó bộ méo trước khơng thể bù khử hết
méo phi tuyến. Một giải pháp mang tính khả thi là sử dụng bộ méo sau đơn cử là kỹ
thuật quay pha phụ tối ưu sóng mang thu OAPS (Optimal Additive Phase Shift) bởi
tính đơn giản và hiệu quả của nó.
1. Tính cấp thiết của đề tài
Truyền hình số quảng bá vệ tinh cũng như các hệ thống vệ tinh có vai trị rất
quan trọng trong hệ thống viễn thơng để kết nối thơng tin trên tồn cầu. Một trong
những kỹ thuật thúc đẩy sự nghiên cứu và phát triển không ngừng của các hệ thống
thế hệ mới là công nghệ điều chế số. Do hiệu quả phổ và công suất cao nên kỹ thuật


7

điều chế biên độ cầu phương M mức (M-QAM: M-ary Quadrature Amplitude
Modulation) được sử dụng rộng rãi trong thông tin vô tuyến số nhưng lại không được
đề xuất trong hệ thống vệ tinh. Vì lẽ các hệ thống M-QAM về bản chất là các hệ thống
điều biên nên rất nhạy cảm với méo phi tuyến.
Với giải pháp giảm ảnh hưởng của méo phi tuyến và nâng cao hiệu suất sử
dụng phổ của điều chế M-APSK (M-ary Ampliture Phase Shift Keying) sẽ đáp ứng
được các nhu cầu truyền dẫn số không dây tốc độ cao, cự ly cực lớn, chất lượng hồn
hảo trong các hệ thống truyền hình quảng bá vệ tinh thế hệ mới thứ 2 (DVB-S2:
Digital Video Broadcasting – Satellite Generation 2).
Hiện nay, hệ thống DVB-S2 đang được triển khai rộng rãi. Khắc phục ảnh
hưởng của méo phi tuyến trong hệ thống này luôn là vấn đề hết sức phức tạp hiện
đang thu hút được sự chú ý của các nhà khoa học trên thế giới nhằm tiết kiệm được
năng lượng, kinh phí để kéo dài thời gian sống của vệ tinh. Việc nghiên cứu lý thuyết
điều chế APSK trong các hệ thống thông tin vệ tinh để giảm ảnh hưởng của méo phi
tuyến do vậy có tính ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao.
Từ các phân tích trên, học viên lựa chọn đề tài luận văn tốt nghiệp là “Nghiên
cứu và khắc phục ảnh hưởng của méo phi tuyến trong hệ thống truyền hình quảng

bá vệ tinh thế hệ thứ 2 sử dụng điều chế APSK”
2. Đối tượng nghiên cứu
- Méo phi tuyến trong hệ thống DBV-S2.
- Điều chế M-APSK để giảm ảnh hưởng của méo phi tuyến trong hệ thống DVB-S2
3. Phạm vi nghiên cứu
Đánh giá và khắc phục ảnh hưởng của riêng méo phi tuyến gây bởi bộ khuếch đại
công suất lớn trong hệ thống DVB-S2 sử dụng điều chế M-APSK.
4. Mục đích của đề tài
Phát triển nghiên cứu về méo phi tuyến trong các hệ thống thơng tin vơ tuyến thế
hệ mới, trong đó có truyền hình số vệ tinh thế hệ 2, bao gồm:


8

-

Đề tài nghiên cứu xu hướng phát triển của truyền hình quảng bá vệ tinh, xu
hướng phát triển của kỹ thuật điều chế số trong các hệ thống thông tin vơ tuyến
số nói chung và hệ thống DVB-S2 nói riêng.

-

Nghiên cứu về méo phi tuyến gây bởi bộ khuếch đại phi tuyến trong hệ thống
vô tuyến và các biện pháp khắc phục ảnh hưởng của méo phi tuyến.

-

Nghiên cứu về kỹ thuật điều chế APSK, kết quả khắc phục méo phi tuyến
trong hệ thống DVB-S2.

5. Phương pháp nghiên cứu
-

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp, nghiên cứu tài liệu về méo phi
tuyến, các kỹ thuật điều chế số.

-

Sử dụng phương pháp thực nghiệm ảo: Xây dựng mơ hình hệ thống lý thuyết,
mô phỏng và thực nghiệm trên phần mềm chun dụng - Matlab.

-

Phương pháp tính tốn giải tích: Xây dựng mối quan hệ tốn học có thể đo
lường, ước lượng được ảnh hưởng của méo phi tuyến tới chất lượng của hệ
thống cũng như khắc phục ảnh hưởng đó.

-

Phương pháp so sánh đánh giá: Kết quả nghiên cứu về méo phi tuyến của hệ
thống với APSK được so sánh với hệ thống sử dụng QAM để thấy rõ tính đúng
đắn của đề tài nghiên cứu.

6. Nội dung nghiên cứu
Nội dung chính của luận văn gồm 3 chương:
Chương I. Tổng quan về hệ thống thông tin vô tuyến số và các yếu tố ảnh hưởng.
Chương II. Méo phi tuyến trong hệ thống vệ tinh thế hệ thứ 2.
Chương III. Biện pháp khắc phục ảnh hưởng của méo phi tuyến trong hệ thống
DVB-S2 sử dụng điều chế APSK.
Đề tài của học viên chắc chắn khơng tránh khỏi sai sót, rất mong được sự đóng

góp ý kiến của các thầy cơ và các học viên để đề tài hoàn chỉnh hơn.


9

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN SỐ
VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG
1.1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin vô tuyến
Các phương tiện thông tin nói chung được chia thành hai phương pháp thơng
tin cơ bản, đó là thơng tin vơ tuyến và thơng tin hữu tuyến. Mạng thông tin vô tuyến
ngày nay đã trở thành một phương tiện thông tin chủ yếu, thuận tiện cho cuộc sống
hiện đại. Các hệ thống thông tin được sử dụng để truyền đưa tin tức từ nơi này đến
nơi khác. Tin tức được truyền đưa từ nguồn tin (là nơi sinh ra tin tức) tới bộ nhận tin
(là đích mà tin tức cần chuyển tới) dưới dạng các bản tin, bản tin là dạng hình thức
chứa đựng một lượng thơng tin nào đó. Các bản tin được tạo ra từ nguồn có thể ở
dạng liên tục hoặc rời rạc tương ứng chúng có các nguồn tin liên tục hay rời rạc. Đối
với nguồn tin liên tục, tập các bản tin là một tập vơ hạn, cịn đối với nguồn tin rời rạc
tập các bản tin có thể là một tập hữu hạn. Biểu diễn vật lý của một bản tin được gọi
là tín hiệu, có rất nhiều loại tín hiệu khác nhau tùy theo đại lượng vật lý được sử dụng
để biểu diễn tín hiệu ví dụ như cường độ dòng điện, điện áp, cường độ ánh sáng…
tùy theo dạng của các tín hiệu được sử dụng để truyền tải tin tức trong hệ thống truyền
tin là các tín hiệu tương tự (analog) hay tín hiệu số (digital) và tương ứng sẽ có các
hệ thống thơng tin analog hay hệ thống thông tin số. Đặc trưng cơ bản của hệ thống
thơng tin số là các tín hiệu được truyền và xử lý bởi hệ thống là các tín hiệu số, nhận
các giá trị từ một tập hữu hạn các phần tử, thường được gọi là bảng chữ cái (alphabet).
Các phần tử tín hiệu này có độ dài hữu hạn xác định (Ts) và trong hệ thống thông tin
số hiện nay nói chung độ dài Ts là như nhau đối với mọi phần tử tín hiệu, trong thực
tế có rất nhiều loại hệ thống thơng tin khác nhau phân biệt theo tần số công tác, môi
trường truyền dẫn… tùy theo loại hệ thống thông tin số thực tế, hàng loạt chức năng
xử ký tín hiệu số khác nhau có thể được sử dụng nhằm thực hiện việc truyền đưa các

tín hiệu số một cách hiệu quả về phương diện băng tần chiếm cũng như cơng suất tín
hiệu. Các chức năng xử lý tín hiệu như thế được mơ tả bởi các khối trong sơ đồ khối
của hệ thống, mỗi một khối mơ tả một thuật tốn xử lý tín hiệu. Sơ đồ khối tiêu biểu


10

này thể hiện tất cả các chức năng xử lý tín hiệu chính xác nhất có thể có của các hệ
thống thông tin số hiện nay [1].
Các hệ thống thông tin có chức năng truyền đưa thơng tin từ nơi này đến nơi
khác(truyền đi xa, rất xa). Theo các đặc tính, các hệ thống thơng tin có thể được phân
theo nhiều cách. Theo loại tín hiệu được dùng để truyền tin tức, các hệ thống thông
tin được chia thành các hệ thống thông tin tương tự (analog) hay số (digital). Theo
các phương tiện truyền dẫn, các hệ thống thông tin cũng có thể được phân loại thành
các hệ thống thơng tin hữu tuyến dùng cáp đồng, các hệ thống thông tin quang sợi
(fiber optic) hay các hệ thống thông tin vơ tuyến sóng cực ngắn (microware)…, trong
đó các hệ thống thơng tin sóng cực ngắn lại có thể phân tiếp thành các hệ thống thông
tin như vệ tinh, thông tin vơ tuyến tiếp sức (hay cịn gọi là vi ba) và thơng tin di động
[1].

Hình 1. 1: Mơ hình đơn giản của hệ thống truyền tin
Các thành phần chủ yếu của hệ thống thơng tin gồm:
 Các nguồn tín hiệu bao gồm tín hiệu hữu ích, tạp âm và can nhiễu. Mặc dù tạp
âm và can nhiễu cũng là các tín hiệu điện song trong chương trình này trong
nhiều trường hợp ta sẽ sử dụng từ tín hiệu để chỉ riêng thành phần tín hiệu hữu
ích.
 Các thiết bị truyền dẫn tin tức bao gồm các bộ điều chế và giải điều chế, các
bộ lọc, các bộ khuyếch đại, các mạch lọc thích nghi dùng làm mạch san bằng
đặc tính đường truyền, các mạch duy trì đồng bộ…
 Mơi trường truyền dẫn hay đôi khi cũng được gọi là kênh truyền.

 Các thiết bị xử lý tin tức và tín hiệu.


11

Hình 1. 2: Sơ đồ khối tiêu biểu của hệ thống thông tin số
Các thành phần trong sơ đồ bao gồm [1]:
 Tạo khn dạng tín hiệu thực hiện biến đổi tin tức cần truyền thể hiện ở
dạng tín hiệu liên tục hay số thành chuỗi các bit nhị phân.
 Mã hóa nguồn và giải mã nguồn tín hiệu thực hiên nén và giản nén tin
nhằm giảm tốc độ bít để giảm phổ chiếm của tín hiệu số.
 Mã và gải mã mật thực hiện mã và giải mã chuỗi bít theo một cách xác
định nhằm bảo mật tin tức.
 Mã và giải mã kênh nhằm chống nhiễu và các tác động xấu khác của đường
truyền dẫn.
 Ghép- tách kênh nhằm thực hiện việc truyền tin từ nhiều nguồn tin khác
nhau tới các đích nhận tin khác nhau trên cùng một hệ thống truyền dẫn.
 Điều chế và giải điều chế số thực hiện các biện pháp gia cơng tín hiệu phù
hợp với kênh truyền.
 Trải phổ và giải trải phổ nhằm chống nhiễu và bảo mật tin tức.
 Đa truy nhập cho phép nhiều đối tượng có thể truy nhập mạng thông tin để
sử dụng hệ thống truyền dẫn theo nhu cầu.
 Đồng bộ bao gồm đồng bộ nhịp và đồng bộ pha sóng mang đối với các hệ
thống thông tin liên kết.


12

 Lọc (được thực hiện tại máy thu phát đầu cuối) bao gồm lọc cố định nhằm
hạn chế phổ tần, chống tạp nhiễu và lọc thích nghi nhằm sửa méo tín hiệu

gây bởi đường truyền.
1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống thông tin vô tuyến.
Các yếu tố trở ngại chủ yếu nhất trong truyền đưa thông tin gây suy giảm chất
lượng hệ thống bao gồm:
 Méo tuyến tính và méo phi tuyến
 Pha-đing gây bởi truyền dẫn đa đường trong thông tin vô tuyến tiếp sức, thông
tin di động…
 Các méo tín hiệu do đặc tính đường truyền khơng lý tưởng (bao gồm các méo
tuyến tính và méo phi tuyến), gây bởi truyền dẫn đa đường (multipath).
 Các can nhiễu bao gồm can nhiễu khí quyển, can nhiễu từ các hệ thống khác,
can nhiễu từ các kênh lân cận cùng hệ thống hay can nhiễu nội tại (can nhiễu
gây bởi đặc tính phi tuyến của tuyến truyền dẫn chẳng hạn).
 Tạp âm lượng tử và tạp âm nhiệt gây bởi các linh kiện điện tử.
 Tán sắc trong đường truyền thông tin quang.
 Ảnh hưởng của phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ: Phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ là ba
yếu tố gây ảnh hưởng nhiều đến quá trình truyền sóng trong các hệ thống thơng
tin vơ tuyến.
 Hiện tượng bóng che vơ tuyến: Hiện tượng bóng che vơ tuyến xảy ra khi q
trình truyền sóng gặp phải các vật che chắn lớn liên tiếp.
 Đáp ứng xung của kênh truyền: Đáp ứng xung của kênh truyền là đặc tính
băng rộng của kênh.
...
Chất lượng của các hệ thống thơng tin số nói chung được đánh giá thơng qua rất nhiều
tham số như mẫu mắt, mật độ phổ nhiễu, độ nhạy máy thu, xác suất lỗi bit…trong đó
chỉ tiêu quan trọng nhất là xác suất lỗi bit của hệ thống. Vì có rất nhiều các hệ thống
truyền thơng tin khác nhau và các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu là khác nhau dẫn
tới các yếu tố ảnh hưởng đến mỗi hệ thống cũng khác nhau, nên dưới đây là phần


13

trình bày của học viên về một số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của đường truyền
thông tin vô tuyến nói chung.

Hình 1. 3: Truyền hình vệ tinh
1.2.1 Suy hao khi truyền lan trong khơng gian tự do
Mơ hình truyền sóng trong khơng gian tự do được sử dụng để ước lượng suy hao của
tín hiệu thu trong mơi trường truyền thẳng khơng có các vật che chắn.
Khoảng khơng mà trong đó các sóng truyền lan bị suy hao được gọi là không gian tự
do. Mức suy hao của sóng vơ tuyến được phát đi từ anten phát đến anten thu trong
không gian tự do tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa hai anten và tỉ lệ nghịch với độ dài
bước sóng. Suy hao này gọi là suy hao truyền lan trong khơng gian tự do, được tính
như sau:
𝐿0 = 20log⁡(

4𝜋𝑑
𝜆

) [dB]

(1.1)

d[m], 𝜆[m] : lần lượt là khoảng cách truyền dẫn và bước sóng của sóng vơ tuyến. Nếu
𝐿0 càng lớn thì tương đương với suy hao của đường truyền dẫn là lớn và ngược lại 𝐿0
nhỏ thì suy hao nhỏ dẫn tới việc truyền tin được đảm bảo hơn.


14

1.2.2 Ảnh hưởng của pha đinh và mưa

Pha đinh được định nghĩa là sự thay đổi cường độ tín hiệu (thăng giáng ngẫu nhiên
tín hiệu tại điểm thu) sóng mang cao tần thu được do khí quyển và phản xạ đất, nước
trong đường truyền sóng.

Hình 1. 4: Biểu đồ suy hao tín hiệu do mưa gây nên
Thực tế cho thấy ảnh hưởng do mưa và pha đinh nhiều tia là những ảnh hưởng lan
truyền chủ yếu đối với các tuyến vơ tuyến tầm nhìn thẳng trên mặt đất làm việc trong
dải tần GHz. Vì chúng quyết định các tổn hao truyền dẫn và do đó quyết định khoảng
cách lặp cùng với tồn bộ giá thành của một hệ vơ tuyến chuyển tiếp. Pha đinh nhiều
tia tăng khi độ dài của tuyến tăng tuy nhiên nó khơng phụ thuộc nhiều vào tần số.
Còn tiêu hao do mưa tăng lên khi tần số tăng. Chẳng hạn, đối với các tuyến sử dụng
tần số trên 35GHz thường suy hao do mưa lớn do đó để đảm bảo chất lượng tín hiệu
truyền dẫn thì các khoảng cách lặp thường chọn dưới 20km, ngoài ra việc giảm độ
dài đường truyền sẽ làm giảm các ảnh hưởng của pha đinh nhiều tia.
Vậy đối với các đường truyền dài và có tần số hoạt động thấp thì pha đinh nhiều
tia là ảnh hưởng chính. Cịn đối với các tuyến ngắn và có tần số hoạt động cao hơn
thì tiêu hao do mưa là ảnh hưởng chủ yếu. Hậu quả ảnh hưởng của pha đinh Mặc dù


15

thường được xem như tạp âm nhưng một trong các đặc điểm khác biệt cơ bản của
pha-đinh so với tạp âm là tính chất ảnh hưởng đến tín hiệu phát đi. Trong khi ảnh
hưởng của tạp âm có tính chất cộng (additive) thì pha-đinh lại có tinh chất nhân
(multiplicative).
Thực tế có nhiều loại pha đinh khác nhau, mỗi loại pha đinh lại có những tác động
khác nhau đến mỗi loại đường truyền khác nhau làm ảnh hưởng đến chất lượng truyền
dẫn khác nhau như:
 Pha đinh phẳng
 Pha đinh lựa chọn tần số

 Pha đinh nhanh(còn gọi là hiệu ứng Doppler)
 Pha đinh chậm
….
1.2.2.1 Ảnh hưởng của pha đinh nhanh và pha đinh chậm
 Pha đinh nhanh (fast fading) hay cịn gọi là hiệu ứng Doppler, ngun nhân là
có sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát dẫn đến tần số thu
được sẽ bị dịch tần đi 1 lượng delta_f so với tần số phát tương ứng.
𝑓𝑡ℎ𝑢 = 𝑓𝑝ℎá𝑡

(𝑐+𝑣𝑡ℎ𝑢 )

(1.2)

(𝑐+𝑣𝑝ℎá𝑡 )

=> delta_f = |𝑓𝑡ℎ𝑢 − 𝑓𝑝ℎá𝑡 | = |

𝑣

| . 𝑓𝑝ℎá𝑡

(𝑐+𝑣𝑝ℎá𝑡 )

(1.3)

Mức độ dịch tần sẽ thay đổi theo vận tốc tương đối (v) giữa máy phát và thu
(tại cùng 1 thời gian phát). Do đó hiện tượng này gọi là pha đinh nhanh. Tuy
nhiên, đó khơng phải là toàn bộ nội dung của pha đinh nhanh mà các hiệu ứng
đa đường (multipath) cũng có thể kéo theo sự biến đổi nhanh của mức nhiễu
tại đầu thu gây ra pha đinh nhanh.

 Pha đinh chậm (slow fading): Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường
truyền. VD: tòa nhà cao tầng, ngọn núi, đồi…làm cho biên độ tín hiệu suy
giảm, do đó cịn gọi là hiệu ứng bóng râm (Shadowing) Tuy nhiên, hiện tượng
này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm. Hay sự


16

khơng ổn định cường độ tín hiệu ảnh hưởng đến hiệu ứng cho chắn gọi là suy
hao chậm. Vì vậy hiệu ứng này gọi là pha đinh chậm (slow fading)
Để khắc phục các ảnh hưởng do hiện tượng pha đinh nói chung thì người ta sử dụng
phương pháp tính tốn lượng dự trữ pha đinh để khắc phục nó.
 Dự trữ pha đinh che khuất chuẩn-log (dự trữ pha đinh chậm Slow/Shadowing
Fading Margin): Tính được dựa trên xác suất rớt cuộc gọi cho phép do pha
đinh chậm gây nên, thường nó là 1% theo nhiều tài liệu. Lượng dự trữ pha
đinh chậm này tính được nếu ta có được đường cong mật độ xác suất pha đinh
che khuất (dạng chuẩn-log). Đường cong mật độ này có được nhờ phương
pháp thống kê (nhờ đo bằng driving-test để có được độ lệch quân phương
(zigma) hay còn gọi là độ lệch chuẩn - standard deviation - của biến ngẫu nhiên
mức pha đinh che khuất, và một phân bố chuẩn có kỳ vọng bằng khơng hồn
tồn xác định được pdf của nó nếu biết zigma).
 Dự trữ pha đinh nhanh (Multipath Fading Margin): Với các hệ thống băng hẹp
như GSM (tốc độ dữ liệu trên kênh thấp do chủ yếu chỉ phục vụ dịch vụ thoại
và dữ liệu tốc độ thấp) thì multipath fading xem được là flat-fading. Khi đó dự
trữ pha đinh nhanh có thể xác định được theo phân bố của mức pha đinh nhanh.
Với các mơi trường khác nhau, sẽ có các phân bố khác nhau, trải từ phân bố
chuẩn (kênh Gauss) hay Ricean (kênh Rice) cho tới Rayleigh (kênh Rayleigh),
trong đó kênh Rayleigh là kênh tồi nhất, rất hay gặp trong môi trường macro
khu vực đô thị. Do vậy, khi tính tốn thiết kế vơ tuyến (tính tốn phủ sóng)
người ta thường tính với trường hợp xấu nhất là với kênh Rayleigh.

PDF (Probability Density Function - hàm mật độ xác suất) Rayleigh của biến
ngẫu nhiên là mức pha đinh nhanh cũng hồn tồn xác định được nếu có được
độ lệch quân phương zigma của nó. Zigma cũng phải xác định bằng đo lường
(driving-test). Từ đó ta có thể xác định được độ dự trữ pha đinh nhanh để bảo
đảm xác suất rớt cuộc gọi do pha đinh nhanh gây ra thấp dưới một mức nào
đó, cũng thường là 1%.


17

1.2.2.2 Ảnh hưởng của pha đinh lựa chọ tần số (selective fading)
Xảy ra khi băng tần của tín hiệu lớn hơn băng thơng của kênh truyền. Do đó hệ thống
tốc độ vừa và lớn có độ rộng băng tín hiệu lớn (lớn hơn độ rộng kênh) sẽ chịu nhiều
tác động của selective fading. Nói chung là đối tồn bộ băng thơng kênh truyền thì nó
ảnh hưởng khơng đều, chỗ nhiều chỗ ít, chỗ làm tăng chỗ làm giảm cường độ tín hiệu.
Loại này chủ yếu do pha đinh đa đường gây ra. Tác hại lớn nhất của loại pha đinh này là
gây nhiễu lên kí tự ISI. Selective fading tác động lên các tần số khác nhau (trong cùng
băng tần của tín hiệu) là khác nhau, do đó việc dự trữ như flat fading là khơng thể. Do
đó để khắc phục nó, người ta sử dụng một số biện pháp:
 Phân tập (diversity): không gian (dùng nhiều anten phát và thu) và thời gian
(truyền tại nhiều thời điểm khác nhau)
 Sử dụng mạch san bằng thích nghi, thường là các ATDE (Adaptive Time
Domain Equalizer) với các thuật tốn thích nghi thông dụng là Cưỡng ép
không ZF (Zero Forcing) và Sai số trung bình bình phương cực tiểu LMS
(Least Mean Square error)
 Sử dụng mã sửa lỗi để giảm BER (vốn có thể lớn do selective fading gây nên)
 Trải phổ tín hiệu (pha đinh chọn lọc thường do hiện tượng truyền dẫn đa đường
(multipath propagation) gây nên, trải phổ chuỗi trực tiếp, nhất là với máy thu
RAKE, có khả năng tách các tia sóng và tổng hợp chúng lại, loại bỏ ảnh hưởng
của multipath propagation)

 Sử dụng điều chế đa sóng mang mà tiêu biểu là OFDM (ngày nay được ứng
dụng rất nhiều trong thông tin di động 3G, trong WIFI, WIMAX hay trong
truyền hình số mặt đất DVB-T...)
1.2.2.3 Ảnh hưởng của pha đinh phẳng
Là pha đinh mà suy hao phụ thuộc vào tần số là không đáng kể và hầu như là hằng
số với toàn bộ băng tần hiệu dụng của tín hiệu.
Pha đinh phẳng thường xảy ra đối với các hệ thống vơ tuyến có dung lượng nhỏ và
vừa, do độ rộng băng tín hiệu khá nhỏ nên pha đinh do truyền dẫn đa đường và do
mưa gần như là xem khơng có chọn lọc theo tần số.


18

-

Pha đinh phẳng do truyền dẫn đa đường: hình thành do phản xạ tại các
chướng ngại cũng như sự thay đổi của độ khúc xạ của khí quyển cường đơ
trường thu được ở đầu thu bị suy giảm và di chuyển trong quá trình truyền dẫn.
Trong các hệ thống chuyển tiếp số LOS (Line Of Sight), sự biến thiên của đọ
khúc xạ là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến hiện tượng truyền dẫn đa đường mà
kết quả của nó là tổn hao pha đinh thay đổi theo tần số. Tuy nhiên, hệ thống có
băng tín hiệu nhỏ nên tín hiệu suy hao pha đinh đa đường là nhỏ nên có thể bỏ
qua và pha đinh đa đường được xem là pha đinh phẳng. Đối với pha đinh đa
đường, việc thực hiện được đánh giá bằng đo cơng suất tín hiệu thu được tại một
tần số trong băng tín hiệu. Đặc trưng thống kê của pha đinh phẳng đa đường là
phân bố thời gian pha đinh vượt quá một mức nào đó.

Hình 1. 5: Pha đinh đa đường
-

Pha đinh phẳng do hấp thụ: Là hiện tượng sóng điện từ bị hấp thụ và bị tán
xạ do mưa, tuyết, sương mù.hay các phần tử khác tổn tại trong môi trường