Luận văn: Nghiên cứu và khắc phục méo phi tuyến trong truyền hình vệ tinh DVB-S2

Luận văn phân tích ảnh hưởng của méo phi tuyến và các biện pháp khắc phục trong hệ thống DVB-S2. Tối ưu tín hiệu sử dụng điều chế APSK.

• Tác giả: Lý Thị Thanh Hà
• Người hướng dẫn: PGS. Đào Huy Du
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
• Đề tài: 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
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Khám phá DVB S2 và vai trò của điều chế APSK tối ưu

Trong bối cảnh công nghệ viễn thông hiện đại, nhu cầu về tốc độ và dung lượng truyền tải thông tin ngày càng tăng cao. Chuẩn truyền hình quảng bá vệ tinh thế hệ thứ hai, hay DVB-S2 (Digital Video Broadcasting – Satellite Second Generation), ra đời như một bước tiến đột phá, đáp ứng các yêu cầu khắt khe về truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao như truyền hình độ phân giải cao (HDTV) và internet băng rộng qua vệ tinh. So với thế hệ DVB-S tiền nhiệm, DVB-S2 mang lại hiệu suất sử dụng phổ tần tăng từ 30% đến 130%, một con số ấn tượng trong bối cảnh băng tần là tài nguyên hạn chế. Yếu tố cốt lõi tạo nên sự vượt trội này là sự kết hợp giữa mã sửa sai tiên tiến LDPC (Low-Density Parity-Check) và các kỹ thuật điều chế bậc cao. Trong đó, điều chế APSK (Amplitude Phase Shift Keying) đóng vai trò then chốt. Không giống như điều chế M-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) vốn rất nhạy cảm với các đặc tính phi tuyến của kênh truyền vệ tinh, APSK được thiết kế đặc biệt để hoạt động hiệu quả trong môi trường này. Bằng cách sắp xếp các điểm tín hiệu trên các vòng tròn đồng tâm thay vì một lưới vuông, APSK giảm thiểu số lượng mức biên độ, từ đó tăng cường khả năng chống chịu trước các biến dạng tín hiệu, đặc biệt là méo phi tuyến gây ra bởi các thiết bị khuếch đại công suất trên vệ tinh. Việc lựa chọn và tối ưu hóa điều chế APSK không chỉ giúp tăng cường dung lượng kênh truyền mà còn đảm bảo chất lượng tín hiệu ổn định, mở ra tiềm năng phát triển cho nhiều dịch vụ vệ tinh thế hệ mới.

1.1. Giới thiệu chuẩn truyền hình vệ tinh DVB S2 thế hệ mới

Chuẩn DVB-S2, được công bố vào năm 2003, là sự kế thừa và cải tiến mạnh mẽ từ chuẩn DVB-S ra đời những năm 1990. Mục tiêu chính của DVB-S2 là tăng cường hiệu suất phổ, cho phép truyền tải nhiều dữ liệu hơn trên cùng một độ rộng băng tần. Điều này đạt được nhờ vào hai cải tiến công nghệ chính. Thứ nhất là việc áp dụng mã sửa lỗi LDPC, một loại mã có khả năng tiệm cận giới hạn Shannon, giúp sửa lỗi hiệu quả hơn nhiều so với mã chập và Reed-Solomon trong DVB-S. Thứ hai là việc tích hợp các phương pháp điều chế bậc cao và linh hoạt, bao gồm QPSK, 8PSK, 16APSK và 32APSK. Sự linh hoạt này cho phép hệ thống tự động điều chỉnh phương thức điều chế và tỉ lệ mã hóa (Adaptive Coding and Modulation - ACM) để tối ưu hóa tốc độ dữ liệu dựa trên điều kiện kênh truyền thực tế. Nhờ vậy, DVB-S2 không chỉ phục vụ cho các dịch vụ quảng bá truyền hình truyền thống mà còn mở rộng sang các ứng dụng tương tác, cung cấp Internet tốc độ cao và các dịch vụ dữ liệu chuyên nghiệp, đánh dấu một kỷ nguyên mới cho ngành thông tin vệ tinh.

1.2. Tại sao điều chế APSK là lựa chọn cho hiệu suất phổ cao

Điều chế APSK là một kỹ thuật điều chế lai, kết hợp cả điều chế dịch biên độ (ASK) và điều chế dịch pha (PSK). Trong bối cảnh của DVB-S2, việc sử dụng APSK thay vì điều chế M-QAM truyền thống là một quyết định chiến lược. Các hệ thống vệ tinh thường phải hoạt động với công suất hạn chế, buộc các bộ khuếch đại công suất (HPA) phải làm việc ở chế độ gần bão hòa để đạt hiệu suất năng lượng tối đa. Chế độ này gây ra méo phi tuyến nghiêm trọng, ảnh hưởng lớn đến các tín hiệu có nhiều mức biên độ như M-QAM. Giản đồ chòm sao tín hiệu của M-QAM có dạng lưới vuông, với nhiều mức biên độ khác nhau. Khi qua HPA phi tuyến, các điểm tín hiệu có biên độ lớn sẽ bị nén và dịch pha nhiều hơn, làm biến dạng nghiêm trọng chòm sao. Ngược lại, 16APSK sắp xếp các điểm tín hiệu trên hai vòng tròn đồng tâm, chỉ sử dụng hai mức biên độ. Cấu trúc này giúp giảm thiểu tác động của méo biên độ, làm cho tín hiệu trở nên mạnh mẽ và ít bị lỗi hơn trong kênh vệ tinh phi tuyến, qua đó đạt được hiệu suất phổ cao mà vẫn duy trì được chất lượng đường truyền.

II. Thách thức lớn nhất Phân tích méo phi tuyến DVB S2

Một trong những thách thức kỹ thuật lớn nhất trong hệ thống DVB-S2 là vấn đề méo phi tuyến. Hiện tượng này chủ yếu phát sinh từ các bộ khuếch đại công suất lớn (HPA - High Power Amplifier) được trang bị trên vệ tinh và tại các trạm mặt đất. Do chi phí phóng vệ tinh cực kỳ đắt đỏ và tỷ lệ thuận với trọng lượng, các thiết bị trên vệ tinh phải được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất năng lượng. Điều này dẫn đến việc các HPA thường được vận hành ở chế độ gần điểm bão hòa, nơi chúng đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao nhất. Tuy nhiên, chính tại vùng hoạt động này, đặc tính của HPA trở nên phi tuyến rõ rệt. Cụ thể, tín hiệu đầu ra không còn tỷ lệ tuyến tính với tín hiệu đầu vào. Hậu quả của méo phi tuyến là vô cùng nghiêm trọng: nó làm biến dạng cả biên độ và pha của tín hiệu, gây ra hiện tượng trải phổ (spectral regrowth) làm nhiễu sang các kênh lân cận, làm méo mó chòm sao tín hiệu và sinh ra nhiễu liên ký tự (ISI) phi tuyến. Đối với các kỹ thuật điều chế bậc cao như điều chế APSK và QAM, những biến dạng này làm giảm khoảng cách giữa các điểm tín hiệu, dẫn đến tăng tỷ lệ lỗi bit (BER) và suy giảm chất lượng toàn hệ thống. Do đó, việc nghiên cứu, mô hình hóa và tìm ra giải pháp khắc phục méo phi tuyến DVB-S2 là bài toán cấp thiết để khai thác tối đa tiềm năng của chuẩn truyền dẫn này.

2.1. Nguyên nhân chính Bộ khuếch đại công suất lớn HPA

Nguồn gốc sâu xa của méo phi tuyến trong kênh vệ tinh là đặc tính vật lý của các bộ khuếch đại công suất (HPA). Các loại HPA phổ biến trong ngành công nghiệp vệ tinh bao gồm bộ khuếch đại đèn sóng chạy (TWTA - Traveling Wave Tube Amplifier) và bộ khuếch đại bán dẫn (SSPA - Solid State Power Amplifier). Cả hai loại thiết bị này đều có một đặc tuyến vào-ra không thẳng. Khi tín hiệu đầu vào có biên độ nhỏ, HPA hoạt động trong vùng tuyến tính, hệ số khuếch đại gần như không đổi. Tuy nhiên, khi biên độ tín hiệu tăng lên và tiến gần đến điểm bão hòa, hệ số khuếch đại bắt đầu giảm. Hiện tượng này gọi là nén biên độ (AM/AM conversion). Đồng thời, sự thay đổi của biên độ tín hiệu đầu vào cũng gây ra sự dịch chuyển pha ở tín hiệu đầu ra (AM/PM conversion). Việc vận hành HPA gần điểm bão hòa là một sự đánh đổi giữa hiệu suất năng lượng và sự toàn vẹn của tín hiệu. Đây chính là nguyên nhân cốt lõi gây ra các vấn đề về méo tín hiệu trong hệ thống DVB-S2.

2.2. Các tác động tiêu cực của méo phi tuyến lên tín hiệu

Méo phi tuyến gây ra bởi HPA tạo ra một loạt các tác động tiêu cực, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng truyền dẫn. Tác động đầu tiên là sự mở rộng phổ tín hiệu, còn gọi là phát xạ ngoài băng (Out-of-Band Emission - OBE). Hiện tượng này làm năng lượng tín hiệu tràn sang các kênh tần số liền kề, gây nhiễu xuyên kênh (Adjacent Channel Interference - ACI). Tác động thứ hai là méo dạng chòm sao tín hiệu. Các điểm tín hiệu, đặc biệt là các điểm có biên độ lớn, bị dịch chuyển khỏi vị trí lý tưởng của chúng, co cụm lại và xoay đi. Điều này làm giảm khoảng cách quyết định (decision distance) tại bộ giải điều chế, khiến máy thu dễ dàng đưa ra quyết định sai và làm tăng tỷ lệ lỗi bit (BER). Cuối cùng, sự kết hợp giữa HPA phi tuyến và các bộ lọc trong hệ thống sẽ tạo ra nhiễu liên ký tự (ISI) phi tuyến. Loại nhiễu này phức tạp hơn ISI tuyến tính và khó khắc phục hơn, góp phần làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng tín hiệu nhận được.

III. Hướng dẫn phân tích méo phi tuyến với mô hình Saleh

Để nghiên cứu và khắc phục méo phi tuyến DVB-S2, bước đầu tiên và quan trọng nhất là phải mô hình hóa chính xác hành vi của bộ khuếch đại công suất (HPA). Một trong những mô hình toán học phổ biến và hiệu quả nhất được sử dụng cho mục đích này là mô hình Saleh. Đây là một mô hình phi tuyến không nhớ, mô tả mối quan hệ giữa tín hiệu đầu vào và đầu ra của HPA thông qua hai đặc tuyến chính: chuyển đổi biên độ-biên độ (AM/AM) và chuyển đổi biên độ-pha (AM/PM). Đặc tuyến AM/AM mô tả hiện tượng nén biên độ, tức là biên độ tín hiệu đầu ra không tăng tuyến tính theo biên độ đầu vào khi HPA hoạt động gần vùng bão hòa. Trong khi đó, đặc tuyến AM/PM mô tả sự dịch pha của tín hiệu đầu ra, với độ dịch pha phụ thuộc vào biên độ của tín hiệu đầu vào. Bằng cách sử dụng các công thức toán học của mô hình Saleh với các tham số được xác định từ dữ liệu đo lường thực tế của HPA, các nhà nghiên cứu có thể xây dựng một mô hình mô phỏng chính xác. Mô hình này cho phép phân tích định lượng các tác động của méo phi tuyến lên các loại điều chế khác nhau, chẳng hạn như so sánh khả năng chịu đựng của điều chế 16APSK và 16QAM trong cùng một điều kiện kênh truyền vệ tinh. Việc mô phỏng này là nền tảng để đánh giá hiệu quả của các giải pháp khắc phục trước khi triển khai trong thực tế.

3.1. Mô hình hóa HPA Đặc tuyến AM AM và AM PM chi tiết

Theo mô hình Saleh, nếu tín hiệu đầu vào HPA được biểu diễn ở dạng cực là 𝑠 = 𝑟𝑒^𝑗𝜃, thì tín hiệu đầu ra 𝑠̂ sẽ có dạng 𝑠̂ = A(r)𝑒^𝑗𝜑(𝑟)𝑒^𝑗𝜃. Trong đó, A(r) là hàm biểu diễn đặc tuyến AM/AM và φ(r) là hàm biểu diễn đặc tuyến AM/PM. Các hàm này được xác định bởi công thức: A(r) = (αₐ * r) / (1 + βₐ * r²) và φ(r) = (αₚ * r²) / (1 + βₚ * r²). Các tham số αₐ, βₐ, αₚ, và βₚ được xác định bằng cách khớp các hàm này với dữ liệu đo thực nghiệm từ một HPA cụ thể, sử dụng các thuật toán tối ưu như sai số trung bình bình phương tối thiểu (MMSE). Đặc tuyến AM/AM cho thấy biên độ đầu ra A(r) sẽ bị bão hòa khi biên độ đầu vào r tăng. Đặc tuyến AM/PM cho thấy độ dịch pha φ(r) tăng lên cùng với biên độ đầu vào. Việc mô hình hóa chính xác hai đặc tuyến này cho phép dự đoán và phân tích một cách định lượng mức độ biến dạng của chòm sao tín hiệu.

3.2. So sánh khả năng chịu méo của 16APSK và 16QAM

Sử dụng mô hình HPA đã xây dựng, có thể thực hiện các mô phỏng để so sánh hiệu năng của điều chế 16APSK và 16QAM. Kết quả mô phỏng thường cho thấy 16QAM rất nhạy cảm với méo phi tuyến. Do có nhiều điểm tín hiệu với biên độ lớn nằm ở các góc của lưới vuông, các điểm này chịu tác động nén và dịch pha mạnh nhất, khiến cho chòm sao bị co cụm và biến dạng nặng nề. Ngược lại, 16APSK được thiết kế với chỉ hai vòng tròn biên độ. Các điểm trên vòng tròn ngoài, mặc dù cũng chịu tác động của méo, nhưng vẫn duy trì được khoảng cách tương đối đều nhau. Cấu trúc này giúp chòm sao tín hiệu của APSK ít bị biến dạng hơn so với QAM dưới cùng một mức độ phi tuyến của HPA. Do đó, trong các hệ thống vệ tinh như DVB-S2, 16APSK cho thấy hiệu suất BER (Bit Error Rate) tốt hơn đáng kể so với 16QAM khi HPA hoạt động gần điểm bão hòa, khẳng định APSK là lựa chọn điều chế ưu việt hơn cho kênh truyền này.

IV. TOP phương pháp khắc phục méo phi tuyến DVB S2 hiệu quả

Để khai thác tối đa hiệu quả của hệ thống DVB-S2, việc áp dụng các biện pháp khắc phục méo phi tuyến là cực kỳ quan trọng. Các phương pháp này nhằm mục đích giảm thiểu tác động tiêu cực của bộ khuếch đại công suất (HPA), cải thiện chất lượng tín hiệu và tăng thông lượng hệ thống. Có nhiều kỹ thuật đã được nghiên cứu và áp dụng, từ các giải pháp vận hành đơn giản đến các thuật toán xử lý tín hiệu phức tạp. Một trong những phương pháp cơ bản nhất là kỹ thuật lùi công suất (Back-Off), tức là chủ động giảm công suất tín hiệu đầu vào để HPA hoạt động trong vùng gần tuyến tính hơn. Mặc dù đơn giản, phương pháp này làm giảm hiệu suất năng lượng của hệ thống. Các kỹ thuật tiên tiến hơn tập trung vào việc bù trừ cho sự méo mó của tín hiệu. Kỹ thuật méo trước (predistortion) thực hiện việc làm méo tín hiệu một cách có chủ đích trước khi đưa vào HPA, sao cho khi qua HPA, các hiệu ứng méo sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Một giải pháp khả thi khác, đặc biệt hiệu quả và đơn giản để triển khai ở phía máy thu, là kỹ thuật quay pha phụ tối ưu sóng mang thu (OAPS). Phương pháp này tập trung vào việc bù lại sự dịch pha do hiệu ứng AM/PM gây ra, giúp khôi phục lại chòm sao tín hiệu về gần với dạng lý tưởng. Việc lựa chọn và kết hợp các phương pháp này phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của hệ thống, chi phí và độ phức tạp cho phép.

4.1. Kỹ thuật lùi công suất Input Back Off để giảm méo

Kỹ thuật lùi công suất đầu vào (Input Back-Off - IBO) là giải pháp trực tiếp và đơn giản nhất để giảm méo phi tuyến. IBO được định nghĩa là tỷ số giữa công suất đầu vào tại điểm bão hòa của HPA và công suất đầu vào thực tế. Bằng cách chọn một giá trị IBO đủ lớn (ví dụ: 3-6 dB), điểm làm việc của HPA sẽ được dịch chuyển ra xa vùng bão hòa, tiến vào vùng có đặc tính gần tuyến tính hơn. Khi đó, cả hiệu ứng nén biên độ (AM/AM) và dịch pha (AM/PM) đều giảm đi đáng kể. Điều này giúp bảo toàn hình dạng của chòm sao tín hiệu, giảm phát xạ ngoài băng và cải thiện tỷ lệ lỗi bit. Tuy nhiên, đánh đổi lớn nhất của việc sử dụng IBO là sự sụt giảm nghiêm trọng về hiệu suất năng lượng. HPA sẽ tiêu thụ một lượng năng lượng gần như không đổi nhưng công suất phát ra lại thấp hơn nhiều, làm giảm hiệu quả sử dụng năng lượng quý giá trên vệ tinh.

4.2. Giải pháp quay pha phụ tối ưu sóng mang thu OAPS

Kỹ thuật quay pha phụ tối ưu sóng mang thu (OAPS - Optimal Additive Phase Shift) là một phương pháp bù méo ở phía máy thu. Giải pháp này đặc biệt hữu hiệu trong việc khắc phục hiệu ứng dịch pha AM/PM, một trong những nguyên nhân chính làm xoay chòm sao tín hiệu. Ý tưởng cơ bản của OAPS là máy thu sẽ chủ động xoay toàn bộ chòm sao tín hiệu nhận được một góc pha nhất định trước khi đưa vào bộ giải điều chế. Góc quay này được tính toán để bù trừ một cách tối ưu cho góc dịch pha trung bình do HPA gây ra. Mặc dù OAPS không thể khắc phục hoàn toàn hiện tượng nén biên độ AM/AM, nó có thể cải thiện đáng kể khoảng cách quyết định giữa các điểm tín hiệu, đặc biệt với điều chế APSK. Ưu điểm lớn của OAPS là sự đơn giản trong việc triển khai và không yêu cầu thay đổi phần cứng ở phía phát. Đây là một giải pháp hiệu quả về chi phí để cải thiện hiệu năng hệ thống DVB-S2 khi hoạt động trong môi trường có méo phi tuyến.

V. Kết quả thực nghiệm Ứng dụng APSK trong hệ thống DVB S2

Việc đánh giá hiệu quả của điều chế APSK và các phương pháp khắc phục méo phi tuyến DVB-S2 không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà cần được chứng minh qua các kết quả mô phỏng và thực nghiệm chi tiết. Các nghiên cứu, điển hình là luận văn của Lý Thị Thanh Hà, đã xây dựng các mô hình hệ thống DVB-S2 trên phần mềm chuyên dụng như Matlab để phân tích định lượng các tác động này. Quá trình mô phỏng bao gồm việc tạo ra chuỗi tín hiệu số, thực hiện điều chế 16APSK và 16QAM, cho tín hiệu đi qua mô hình bộ khuếch đại công suất (HPA) phi tuyến (sử dụng mô hình Saleh), thêm nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN) và cuối cùng là giải điều chế và tính toán các chỉ số hiệu năng. Các chỉ số quan trọng được theo dõi bao gồm tỷ số lỗi bit (BER), mật độ phổ công suất để đánh giá phát xạ ngoài băng (OBE), và hình dạng chòm sao tín hiệu sau khi qua kênh truyền. Kết quả từ các mô phỏng này cung cấp những bằng chứng thuyết phục về sự ưu việt của điều chế APSK so với QAM trong môi trường phi tuyến, đồng thời khẳng định hiệu quả của các giải pháp khắc phục như lùi công suất và OAPS trong việc cải thiện chất lượng tín hiệu tổng thể.

5.1. Đánh giá ảnh hưởng méo phi tuyến qua kết quả mô phỏng

Các kết quả mô phỏng cho thấy rõ ràng tác động của méo phi tuyến lên các loại điều chế. Khi HPA hoạt động với độ lùi công suất (IBO) nhỏ (gần bão hòa), chòm sao tín hiệu của 16QAM bị biến dạng nghiêm trọng, các điểm ở góc bị nén mạnh và dịch chuyển vào trong, làm giảm đáng kể hiệu suất BER. Trong khi đó, chòm sao của 16APSK dù cũng bị ảnh hưởng nhưng vẫn duy trì cấu trúc hai vòng tròn tương đối rõ rệt, giúp bộ giải điều chế hoạt động tốt hơn. Phân tích phổ tín hiệu cũng cho thấy khi IBO giảm, mức phát xạ ngoài băng (OBE) tăng lên, thể hiện sự mở rộng phổ do các thành phần phi tuyến bậc cao gây ra. Các biểu đồ mẫu mắt (eye diagram) cũng khép lại đáng kể khi méo tăng, cho thấy sự gia tăng của nhiễu liên ký tự (ISI). Những kết quả này lượng hóa một cách trực quan và chính xác các thách thức mà HPA phi tuyến gây ra cho hệ thống DVB-S2.

5.2. Hiệu quả của giải pháp OAPS trong cải thiện chất lượng

Hiệu quả của giải pháp quay pha phụ tối ưu sóng mang thu (OAPS) được chứng minh rõ rệt qua các mô phỏng. Bằng cách áp dụng một góc quay tối ưu cho chòm sao tín hiệu nhận được, phương pháp OAPS có thể bù lại phần lớn sự dịch pha do hiệu ứng AM/PM. Kết quả cho thấy, sau khi áp dụng OAPS, chòm sao tín hiệu được xoay về vị trí gần với lý tưởng hơn, làm tăng khoảng cách giữa các điểm tín hiệu và các ngưỡng quyết định. Điều này trực tiếp dẫn đến việc cải thiện các chỉ số chất lượng hệ thống như Tỷ số Tín hiệu trên Nhiễu và Méo (SNRD - Signal-to-Noise-plus-Distortion Ratio). Các đường cong BER theo SNR cũng cho thấy một sự cải thiện đáng kể, tức là để đạt được cùng một mức BER, hệ thống sau khi áp dụng OAPS yêu cầu mức SNR thấp hơn. Điều này chứng tỏ OAPS là một kỹ thuật đơn giản nhưng mang lại hiệu quả cao trong việc khắc phục méo phi tuyến DVB-S2 ở phía máy thu.

VI. Tương lai của điều chế APSK và khắc phục méo phi tuyến

Chuẩn DVB-S2 và sự thành công của điều chế APSK đã đặt nền móng vững chắc cho tương lai của ngành truyền thông vệ tinh. Tuy nhiên, cuộc đua về công nghệ vẫn không ngừng tiếp diễn. Các thế hệ tiếp theo của DVB, như DVB-S2X, tiếp tục mở rộng và tinh chỉnh các kỹ thuật điều chế để đạt được hiệu suất phổ cao hơn nữa, hỗ trợ các chòm sao lên tới 256APSK. Khi bậc điều chế càng cao, tín hiệu càng trở nên nhạy cảm với các loại suy hao và biến dạng, đặc biệt là méo phi tuyến. Do đó, các nghiên cứu về khắc phục méo phi tuyến DVB-S2 và các chuẩn tương lai sẽ ngày càng trở nên quan trọng. Xu hướng trong tương lai sẽ tập trung vào các giải pháp thông minh và linh hoạt hơn. Các kỹ thuật méo trước số (Digital Predistortion - DPD) có khả năng thích ứng với sự thay đổi đặc tính của HPA theo thời gian và nhiệt độ đang thu hút sự quan tâm lớn. Bên cạnh đó, việc kết hợp các kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến như các thuật toán san bằng phi tuyến dựa trên học máy (machine learning) và trí tuệ nhân tạo (AI) hứa hẹn sẽ mở ra những phương pháp mới để đối phó hiệu quả hơn với các thách thức của kênh truyền vệ tinh. Điều chế APSK sẽ tiếp tục là hạt nhân, nhưng việc tối ưu hóa nó trong một hệ thống toàn diện với các giải pháp bù méo thông minh sẽ là chìa khóa cho thế hệ truyền thông vệ tinh tiếp theo.

6.1. Xu hướng phát triển công nghệ truyền hình quảng bá vệ tinh

Công nghệ truyền hình vệ tinh đang hướng tới việc cung cấp các dịch vụ có băng thông cực lớn, như truyền hình 8K, thực tế ảo (VR) và kết nối Internet Vạn vật (IoT) trên quy mô toàn cầu. Để đáp ứng nhu cầu này, các chuẩn mới như DVB-S2X đã được giới thiệu với các bậc điều chế APSK cao hơn (64, 128, 256APSK) và các tùy chọn mã hóa linh hoạt hơn. Xu hướng này đòi hỏi các bộ khuếch đại công suất (HPA) phải hoạt động với độ tuyến tính cao hơn hoặc các hệ thống phải trang bị những kỹ thuật bù méo cực kỳ hiệu quả. Công nghệ Beamforming và các hệ thống vệ tinh đa chùm tia (multi-beam) cũng đang phát triển mạnh mẽ, cho phép tái sử dụng tần số và tăng dung lượng tổng thể, nhưng cũng đặt ra những thách thức mới về quản lý nhiễu và méo tín hiệu. Tương lai sẽ là sự tích hợp chặt chẽ giữa phần cứng HPA tiên tiến và các thuật toán xử lý tín hiệu số thông minh.

6.2. Tổng kết các giải pháp và kiến nghị nghiên cứu trong tương lai

Tóm lại, khắc phục méo phi tuyến trong hệ thống DVB-S2 là một bài toán đa diện, đòi hỏi sự kết hợp của nhiều giải pháp. Điều chế APSK cung cấp một nền tảng vững chắc nhờ khả năng kháng méo tự nhiên. Các phương pháp vận hành như lùi công suất là giải pháp đơn giản nhưng kém hiệu quả về năng lượng. Các kỹ thuật bù méo như méo trước ở phía phát và OAPS ở phía thu đã chứng tỏ được hiệu quả rõ rệt. Hướng nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc phát triển các thuật toán méo trước kỹ thuật số có khả năng tự động thích ứng (adaptive DPD) với sự thay đổi của HPA. Ngoài ra, việc ứng dụng các mạng nơ-ron và các mô hình học sâu để xây dựng bộ san bằng phi tuyến tại máy thu cũng là một lĩnh vực đầy hứa hẹn, có khả năng xử lý đồng thời cả méo tuyến tính và phi tuyến một cách hiệu quả, mở đường cho các hệ thống truyền thông vệ tinh với hiệu suất và độ tin cậy vượt trội.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong kỷ nguyên truyền thông vệ tinh, khoảng cách truyền dẫn từ quỹ đạo địa tĩnh 36.000 km xuống mặt đất đặt ra thách thức nghiêm trọng về suy hao công suất và biến dạng tín hiệu. Kể từ khi vệ tinh viễn thông thương mại đầu tiên như Vinasat-1 được phóng thành công với 24 bộ phát đáp ở băng tần C và Ku (độ rộng từ 36 MHz đến 72 MHz), nhu cầu truyền hình độ nét cao và dịch vụ dữ liệu băng rộng ngày càng tăng vọt. Công nghệ truyền hình số vệ tinh thế hệ thứ hai (DVB-S2) ra đời giúp nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần từ 30% đến 130% so với thế hệ DVB-S tiền nhiệm. Tuy nhiên, để tối ưu hóa khối lượng thiết bị phóng và tiết kiệm hơn 70% năng lượng tiêu thụ trên vệ tinh, các bộ khuếch đại công suất lớn (HPA) thường bị ép hoạt động sát điểm bão hòa. Điều này làm phát sinh méo phi tuyến nghiêm trọng, bao gồm chuyển đổi biên độ - biên độ (AM/AM) và biên độ - pha (AM/PM), gây mở rộng phổ bức xạ ngoài băng và làm suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là đánh giá định lượng tác động phi tuyến của các bộ khuếch đại công suất đến dạng sóng và chòm sao tín hiệu, từ đó đề xuất và kiểm chứng giải pháp điều chế khóa dịch pha biên độ M-APSK kết hợp phương pháp bù quay pha phụ tối ưu sóng mang thu (OAPS). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống DVB-S2 ứng dụng sơ đồ 16-APSK, đối sánh trực tiếp với sơ đồ điều chế đa mức truyền thống 16-QAM trên mô hình mô phỏng kênh truyền vệ tinh phi tuyến tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa kinh tế - kỹ thuật thiết thực, giúp cải thiện tỷ lệ lỗi bit (BER), triệt tiêu bức xạ ngoài băng (OBE) và gia tăng dung lượng truyền dẫn mà không cần gia tăng công suất phát xạ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết truyền dẫn vô tuyến số, lý thuyết phi tuyến của các phần tử khuếch đại công suất cao tần và lý thuyết điều chế số đa mức. Mô hình phi tuyến Saleh không nhớ được áp dụng làm hạt nhân toán học để lượng hóa đặc tính chuyển đổi AM/AM và AM/PM của các bộ khuếch đại đèn sóng chạy (TWTA) và bộ khuếch đại bán dẫn (SSPA).

Năm khái niệm then chốt chi phối mô hình nghiên cứu bao gồm:

Thứ nhất, điều chế 16-APSK cấu trúc 4+12: Sơ đồ phân bố 16 điểm ký hiệu trên 2 vòng tròn đồng tâm (4 điểm ở vòng trong bán kính R1 và 12 điểm ở vòng ngoài bán kính R2), giảm số mức biên độ xuống còn 2 mức so với 3 mức của 16-QAM.

Thứ hai, tỷ lệ bán kính tối ưu: Tham số gamma (R2/R1) được tối ưu hóa trong khoảng 2,57 đến 3,15 tương ứng với các tốc độ mã sửa sai LDPC từ 2/3 đến 9/10, trong đó mức tỷ lệ tiêu chuẩn 2,70 đem lại hiệu năng tách sóng vượt trội.

Thứ ba, độ lùi công suất đầu vào (IBO) và đầu ra (OBO): Tỷ số giữa công suất bão hòa cực đại của HPA và công suất hoạt động thực tế, thường khảo sát trong dải từ 0 dB đến 10 dB nhằm tìm điểm cân bằng hiệu suất năng lượng.

Thứ tư, nhiễu liên ký tự phi tuyến (Nonlinear ISI): Hiện tượng các cụm điểm chòm sao bị phân tán dạng sao chổi do méo động học qua các bộ lọc định hình Nyquist.

Thứ năm, kỹ thuật quay pha phụ tối ưu (OAPS): Giải pháp xử lý méo sau tại máy thu bằng cách thiết lập một góc bù pha bổ sung trên sóng mang để tái định vị chòm sao tín hiệu về miền quyết định chính xác.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp giải tích toán học và phương pháp thực nghiệm mô phỏng trên nền tảng phần mềm chuyên dụng Matlab. Dữ liệu thực nghiệm được lấy từ các bộ tham số thực tế của ba dòng khuếch đại công suất chuẩn mực trong ngành viễn thông gồm HPA267, HPA1371 và HPA1373, được xác định thông qua thuật toán sai số trung bình bình phương cực tiểu (MMSE).

Về quy mô mẫu và phương pháp xử lý, mô phỏng sử dụng tập dữ liệu dòng bit nhị phân ngẫu nhiên với cỡ mẫu lên tới hơn 1.000.000 ký hiệu (symbols) để đảm bảo độ tin cậy thống kê khi tính toán tỷ lệ lỗi bit (BER) xuống ngưỡng 10^-5 đến 10^-6. Phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên phân bố đều được áp dụng nhằm phản ánh khách quan môi trường truyền tin liên tục qua bộ phát đáp vệ tinh.

Lý do lựa chọn phương pháp mô phỏng số kết hợp giải tích là vì kênh truyền vệ tinh có chi phí thực nghiệm phần cứng rất đắt đỏ; phương pháp này cho phép khảo sát chính xác dải suy giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNRD), mức độ mở rộng bức xạ ngoài băng (OBE) và các chỉ số mẫu mắt trong điều kiện thay đổi IBO từ 0,5 dB đến 6,0 dB với bước quét tinh 0,1 dB. Toàn bộ quá trình nghiên cứu và tối ưu hóa giải thuật được thực hiện xuyên suốt trong giai đoạn 2019-2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, tính vượt trội về khả năng chịu méo phi tuyến của 16-APSK so với 16-QAM: Tại cùng độ lùi công suất đầu vào IBO là 1,0 dB và kênh truyền có nhiễu trắng AWGN, hệ thống 16-APSK (cấu trúc 4+12) cho mức suy hao tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNRD) thấp hơn từ 1,8 dB đến 2,5 dB so với 16-QAM, giúp cải thiện tỷ lệ lỗi bit (BER) tới hơn 65% ở các ngưỡng công suất gần bão hòa.

Thứ hai, độ thu hẹp bức xạ ngoài băng (OBE): Khi qua bộ khuếch đại HPA bão hòa sâu, phổ tín hiệu 16-APSK có mức triệt tiêu phát xạ hài và bức xạ lân cận tốt hơn 16-QAM khoảng 4,2 dB đến 6,0 dB, làm giảm nguy cơ can nhiễu sang các kênh tần số 36 MHz lân cận trên cùng dải Ku.

Thứ ba, độ mở mẫu mắt và phục hồi chòm sao tín hiệu: Giản đồ chòm sao của 16-QAM bị biến dạng thành các dải sao chổi kéo dài với độ phân tán điểm tăng hơn 40%, trong khi cấu trúc 2 vòng tròn của 16-APSK giữ được tính đối xứng tròn, khoảng cách giữa các điểm quyết định được bảo toàn tốt hơn 30% khi tỷ lệ bán kính R2/R1 được đặt ở mức 2,70.

Thứ tư, hiệu quả vượt bậc của kỹ thuật quay pha phụ tối ưu (OAPS): Việc áp dụng công thức kinh nghiệm OAPS giúp bù trừ từ 12 độ đến 28 độ lệch pha phi tuyến do AM/PM gây ra, đưa hiệu năng BER của hệ thống thu DVB-S2 tiến sát đường cong lý thuyết kênh tuyến tính với mức tổn hao công suất chỉ còn dưới 0,6 dB.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân căn bản dẫn đến sự khác biệt về hiệu năng nằm ở cấu trúc phân bố biên độ của tín hiệu. Trong khi 16-QAM phân bố 16 điểm trên lưới vuông với 3 mức biên độ khác nhau khiến các điểm ở góc chịu độ nén biên độ và lệch pha AM/PM cực đại từ HPA, thì 16-APSK chỉ có 2 mức biên độ trên 2 đường tròn đồng tâm. Cấu trúc hình học này làm giảm đáng kể tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR), giúp dạng sóng ít bị biến dạng khi đi qua vùng phi tuyến.

Khi đối sánh với các công bố khoa học quốc tế về chuẩn DVB-S2, kết quả mô phỏng của luận văn hoàn toàn tương đồng với các nghiên cứu của hiệp hội truyền hình số châu Âu, đồng thời cụ thể hóa được mối quan hệ giải tích giữa tham số suy giảm chất lượng và hệ số bù pha OAPS.

Về phương diện trực quan hóa dữ liệu, các phát hiện này được minh chứng sống động qua các biểu đồ phổ tần số và bảng thông số kỹ thuật. Trên đồ thị mật độ phổ công suất, đường cong phổ của 16-APSK duy trì độ dốc suy giảm nhanh hơn hẳn 16-QAM ở vùng tần số ngoài băng chuẩn hóa. Đồng thời, bảng tổng hợp giá trị SNRD ứng với từng dải IBO từ 0,5 dB đến 5,0 dB cho thấy rõ điểm làm việc tối ưu giúp bộ phát đáp vệ tinh vừa tiết kiệm năng lượng vừa đảm bảo thông lượng truyền dẫn cực đại.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuẩn hóa và chuyển dịch toàn diện sơ đồ điều chế từ QPSK/16-QAM sang 16-APSK (cấu trúc 4+12) trên tất cả các bộ phát đáp vệ tinh mặt đất và vệ tinh quỹ đạo. Đơn vị vận hành viễn thông vệ tinh cần thiết lập tỷ lệ bán kính R2/R1 ở mức 2,70 đến 2,85 nhằm nâng cao hiệu suất phổ tần thêm 30% đến 50% trong lộ trình 12 tháng tới.

Thứ hai, tích hợp thuật toán quay pha phụ tối ưu (OAPS) vào vi mạch xử lý tín hiệu số của các thiết bị thu giải mã truyền hình số (Set-top-box) và modem trạm VSAT. Các kỹ sư thiết kế phần cứng viễn thông cần triển khai mạch bù pha số tự động nhằm giảm thiểu suy hao SNR dưới ngưỡng 0,8 dB, hoàn thành thử nghiệm trong vòng 6 đến 9 tháng.

Thứ ba, thiết lập chế độ lùi công suất đầu vào (IBO) tối ưu ở mức 1,5 dB đến 2,5 dB cho các bộ khuếch đại công suất lớn TWTA và SSPA tại trạm phát mặt đất. Trung tâm điều khiển vệ tinh quốc gia cần thực hiện hiệu chuẩn định kỳ tham số bão hòa mỗi quý một lần để kéo dài tuổi thọ thiết bị phát đáp thêm ít nhất 2 đến 3 năm và giảm 15% tổn hao nhiệt.

Thứ tư, triển khai đồng bộ kỹ thuật cân bằng thích nghi miền thời gian (ATDE) kết hợp thuật toán MMSE tại các trạm thu chuyên dụng nhằm triệt tiêu nhiễu liên ký tự phi tuyến. Các nhà khai thác dịch vụ truyền hình vệ tinh cần nâng cấp phần mềm điều khiển trạm mặt đất trong vòng 18 tháng để đảm bảo duy trì độ sẵn sàng của kênh truyền đạt 99,9% ngay cả trong điều kiện thời tiết mưa bão.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, kỹ sư thiết kế và tối ưu hóa hệ thống viễn thông vệ tinh: Tài liệu cung cấp cơ sở toán học chuẩn xác về mô hình Saleh và giải pháp bù pha OAPS, giúp ứng dụng trực tiếp vào việc cấu hình bộ phát đáp trên các vệ tinh viễn thông địa tĩnh và trạm cổng mặt đất.

Thứ hai, học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông: Luận văn là tài liệu tham khảo mẫu mực về quy trình mô phỏng kênh truyền vô tuyến số trên phần mềm Matlab, đóng vai trò nền tảng cho các đề tài nghiên cứu về hệ thống truyền thông 5G, 6G và truyền hình số tương lai.

Thứ ba, chuyên viên kỹ thuật tại các đài truyền hình và doanh nghiệp truyền dẫn phát sóng: Giúp nắm vững cơ chế méo phi tuyến gây bởi bộ khuếch đại HPA, từ đó đưa ra các phương án vận hành tối ưu hóa độ lùi công suất, hạn chế phát xạ giả và tiết kiệm chi phí năng lượng truyền phát.

Thứ tư, các nhà phát triển thiết bị thu phát vô tuyến và modem viễn thông: Luận văn cung cấp thuật toán điều chế và giải điều chế 16-APSK tối ưu, phục vụ việc lập trình vi mạch FPGA hoặc DSP cho các dòng modem truyền dẫn vệ tinh băng rộng thế hệ mới.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao điều chế 16-APSK lại vượt trội hơn 16-QAM trong truyền hình vệ tinh DVB-S2?
Điều chế 16-APSK phân bố các điểm ký hiệu trên 2 vòng tròn đồng tâm, chỉ tạo ra 2 mức biên độ thay vì 3 mức như lưới vuông 16-QAM. Cấu trúc này làm giảm tỷ số công suất đỉnh trên trung bình (PAPR), giúp tín hiệu ít bị méo phi tuyến AM/AM và AM/PM khi đi qua bộ khuếch đại HPA bão hòa, cải thiện tỷ lệ BER hơn 65%.

Vai trò của tỷ lệ bán kính R2/R1 trong chòm sao tín hiệu 16-APSK là gì?
Tỷ lệ bán kính gamma = R2/R1 quyết định khoảng cách giữa các điểm ký hiệu ở vòng trong và vòng ngoài. Theo tiêu chuẩn DVB-S2 và mô phỏng thực nghiệm, việc lựa chọn tỷ lệ tối ưu từ 2,57 đến 3,15 (đặc biệt là 2,70 ở tốc độ mã 5/6) giúp tối đa hóa khoảng cách Euclidean, giảm thiểu xác suất lỗi ký tự dưới tác động của nhiễu và méo phi tuyến.

Phương pháp quay pha phụ tối ưu (OAPS) hoạt động như thế nào để khắc phục méo phi tuyến?
Méo phi tuyến AM/PM làm chòm sao tín hiệu bị xoay một góc lệch pha phụ thuộc vào biên độ đầu vào. Kỹ thuật OAPS tại máy thu áp dụng một góc quay pha bù trừ ngược chiều (khoảng 12 đến 28 độ tùy theo IBO), giúp nắn chỉnh các điểm ký hiệu bị lệch về đúng tâm quyết định ban đầu mà không làm tăng độ phức tạp phần cứng.

Độ lùi công suất đầu vào (IBO) ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất của bộ khuếch đại HPA?
IBO đại diện cho khoảng cách từ điểm công suất làm việc đến điểm bão hòa của HPA. Nếu IBO quá nhỏ (gần 0 dB), HPA đạt hiệu suất năng lượng cao nhưng gây méo phi tuyến nặng nề; nếu IBO quá lớn (trên 6 dB), méo giảm nhưng lãng phí công suất phát. Nghiên cứu chỉ ra mức IBO tối ưu nằm trong khoảng 1,5 dB đến 2,5 dB.

Mã sửa sai LDPC kết hợp với 16-APSK đem lại lợi ích gì cho hệ thống DVB-S2?
Mã sửa sai kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC) cung cấp khả năng sửa lỗi cực mạnh gần sát giới hạn Shannon. Khi kết hợp với điều chế đa mức 16-APSK, hệ thống DVB-S2 đạt được sự cân bằng hoàn hảo giữa hiệu suất phổ cao (tăng từ 30% đến 130% so với DVB-S) và khả năng duy trì liên lạc ổn định trên cự ly 36.000 km.

Kết luận

Công trình nghiên cứu đã giải quyết toàn diện bài toán nâng cao chất lượng truyền dẫn cho hệ thống truyền hình vệ tinh thế hệ thứ 2 thông qua các đóng góp nổi bật:

• Làm sáng tỏ bản chất toán học và cơ chế gây méo phi tuyến AM/AM, AM/PM của các bộ khuếch đại HPA theo mô hình Saleh.
• Chứng minh tính ưu việt vượt trội của điều chế 16-APSK (cấu trúc 4+12) so với 16-QAM về khả năng bảo toàn chòm sao và giảm 4,2 dB đến 6,0 dB bức xạ ngoài băng.
• Xác lập chính xác tỷ lệ bán kính chòm sao tối ưu R2/R1 = 2,70 ứng với các tốc độ mã sửa sai tiêu chuẩn DVB-S2.
• Đề xuất thành công thuật toán quay pha phụ tối ưu (OAPS), giúp giảm tổn hao công suất thu xuống dưới mức 0,6 dB.
• Xây dựng hoàn chỉnh bộ công cụ mô phỏng kênh truyền vô tuyến số trên phần mềm Matlab phục vụ công tác đào tạo và nghiên cứu chuyên sâu.

Trong giai đoạn tiếp theo từ 6 đến 12 tháng tới, hướng nghiên cứu cần mở rộng sang việc tích hợp sơ đồ điều chế 32-APSK, 64-APSK và kết hợp công nghệ ăng ten nhiều búp sóng MIMO cho các chòm vệ tinh quỹ đạo tầm thấp (LEO). Hãy khai thác ngay toàn bộ kết quả nghiên cứu và mã nguồn thuật toán để tối ưu hóa hệ thống truyền dẫn viễn thông của bạn ngay hôm nay!

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 không tránh khỏi sai sót, rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các học viên để đề tài hoàn chỉnh hơn. 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 thông tin cơ bản, đó là thông tin vô tuyến và thông 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 thông 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 vô hạn, còn 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 thông tin analog hay hệ thống thông tin số. Đặc trưng cơ bản của hệ thống thông 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 thông 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 công suất tín hiệu.

Các chức năng xử lý tín hiệu như thế được mô tả bởi các khối trong sơ đồ khối của hệ thống, mỗi một khối mô tả một thuật toán 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 thông tin từ nơi này đến nơi khác(truyền đi xa, rất xa). Theo các đặc tính, các hệ thống thông 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 thông tin hữu tuyến dùng cáp đồng, các hệ thống thông tin quang sợi (fiber optic) hay các hệ thống thông tin vô tuyến sóng cực ngắn (microware)…, trong đó các hệ thống thông tin sóng cực ngắn lại có thể phân tiếp thành các hệ thống thông tin như vệ tinh, thông tin vô tuyến tiếp sức (hay còn gọi là vi ba) và thông tin di động [1]. 1: Mô hình đơn giản của hệ thống truyền tin Các thành phần chủ yếu của hệ thống thông 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…  Môi trường truyền dẫn hay đôi khi cũng được gọi là kênh truyền.  Các thiết bị xử lý tin tức và tín hiệu. 2: Sơ đồ khối tiêu biểu của hệ thống thông tin số Các thành phần trong sơ đồ bao gồm [1]:  Tạo khuôn 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 công 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.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 không 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 thông tin vô tuyến.  Hiện tượng bóng che vô tuyến: Hiện tượng bóng che vô tuyến xảy ra khi quá 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 thông tin số nói chung được đánh giá thông 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 thông 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. 3: Truyền hình vệ tinh 1.1 Suy hao khi truyền lan trong không gian tự do Mô hình truyền sóng trong không gian tự do được sử dụng để ước lượng suy hao của tín hiệu thu trong môi trường truyền thẳng không có các vật che chắn. Khoảng không mà trong đó các sóng truyền lan bị suy hao được gọi là không gian tự do. Mức suy hao của sóng vô 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 không gian tự do, được tính như sau: 4𝜋𝑑 𝐿0 = 20log⁡( ) [dB] (1.1) 𝜆 d[m], 𝜆[m] : lần lượt là khoảng cách truyền dẫn và bước sóng của sóng vô 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.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. 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 vô 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 toàn bộ giá thành của một hệ vô tuyến chuyển tiếp.

Pha đinh nhiều tia tăng khi độ dài của tuyến tăng tuy nhiên nó không 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.